سنسور ها المان حس کننده یک سیستم می باشد که کمیت های فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، فلو و.....
را به کمیت های الکتریکی پیوسته یا غیرپیوسته و یا حتی کمیت غیرالکتریکی( مانند تغییر مقاومت داخلی سنسور) تبدیل می کند.
این سنسورها در انواع دستگاه هایی اندازه گیری و سیستم های کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می گیرند.
عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدانشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد.
سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاه ها می شوند.
در این بخش، ابتدا به توضیح روش های اندازه گیری چهار کمیت مهم حرارت، جریان(Flow )، سطح ارتفاع (Level) و فشار می پردازیم و درپایان درباره سوئیچ های بدون تماس صحبت خواهیم کرد.
1) اندازه گیری درجه حرارت
برای اندازه گیری درجه حرارت از آشکارسازهای مختلفی استفاده می شود.
که در دو گروه کلی زیر طبقه بندی می شوند:
آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند.
آشکارسازهایی که با سیال در تماس نیستند.
آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند
این آشکارسازها که در آنها از روش تماس سیال با المنت اخذکننده در جه حرارت استفاده می شود شامل انواع زیر می باشند:
1-1-1) ترموکوپل
یکی از عمومی ترین وسائل حساس در مقابل درجه حرارت ترموکوپل می باشد.
داستان ترموکوپل به کشف See beck در سال 1821 در مورد وجود یک جریان الکتریکی در مدار بسته ای از دو فلز غیرهمجنس در حالیکه دو نقطه اتصال در درجه حرارت های مختلف باشد برمی گردد.
چنین ترموکوپلی در شکل زیر نشان داده شده است.
در اینجا A و B دو فلز و T1 و T2 درجه حرارت های نقاط اتصال آنها می باشند.
I نشان دهنده جریان ترموالکتریکی است که در مدار جاری است.
معمولاً A نسبت به B در صورتی که T1 اتصال سردتر باشد، از لحاظ ترموکوپلی مثبت و خوانده می شود.
اثرات ترموالکتریک
آگاهی از وجود اثر کشف شده به وسیله See beck گشاینده راه برای کاربرد این دانش در اندازه گیری اختلاف درجه حرارت موجود بین اتصالات دو سیم بود.
قبل از بحث مفصل در مورد پیشرفت های این وسیله به ذکر دو اثر ترموالکتریک ترکیب شده برای تولید جریان ترموالکتریک می پردازیم.
اثر peltier
این اثر بوسیله Peltier در سال 1834 کشف شده است.
این اثر دفع یا جذب حرارت در یک اتصال دو فلز غیرهمجنس را هنگامی که جریانی در طول این اتصال جاری است بیان می نماید.
در صورتی که جهت جریان معکوس گردد، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد.
بررسی بیشتر این اثر آشکار می سازد که مقدار حرارتی که جذب یا دفع می شود متناسب با جریان بوده وضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس ترموکوپل دارد.
بنابراین مقدار حرارت انتقالی از اتصال یا به اتصال بوسیله PI نشان داده می شود که در اینجا P ضریب Peltier به وات و آمپر یا بصورت ساده تر نیروی الکترو موتوریPeltier (EMF) برحسب وات می باشد.
اثر تامسون
این اثر شامل جذب با دفع حرارت در هنگام جاری بودن جریان در فلزهای همجنس در صورت وجود تدریجی حرارت می باشد.
اثر تامسون بطور معکوس نیز صدق می کند و اگر جهت جریان تغییر نماید، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد.
حرارت تامسون ظاهر شده در یک زمان معین و در یک ناحیه کوچک از هادی متناسب با جریان و اختلاف درجه حرارت در طول آن ناحیه می باشد.
ضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس هادی دارد.
بنابراین مقداری از حرارت که دریک ناحیه کوچک از هادی حامل جریان I و اختلاف درجه حرارت جذب یا دفع می گردد، معادل می باشد که در آن ضریب تامسون به وات بر آمپر بر درجه یا نیروی الکتروموتوری (EMF) تامسون به ولت بر درجه نامیده می شود.
پس از مباحث بالا نتیجه گیری می شود که برای دو فلز با جنس معین جریان I متناسب با اختلاف درجه حرارت در دو نقطه اتصال می باشد.
حال در صورتی که یکی از نقاط اتصال را در صفر درجه نگهداریم جریان متناسب با درجه حرارت نقطه دیگر خواهد بود.
در اینجا سری را که درجه حرارت آن ثابت نگهداشته می شود، اتصال سرد یا اتصال مقایسه و سر دیگر را اتصال گرم می گویند.
فاکتورهای مؤثر در انتخاب فلز ترموکوپل
برای دو فلز ترموکوپل از جنسهای مختلفی می توان استفاده نمودکه هرکدام از آنها دارای خصوصیات مربوط به خود می باشند.
فاکتورهایی که در انتخاب جنس ترموکوپل مؤثرند عبارتند از:
الف) محدودیت های درجه حرارت
ب) روابط خطی بین درجه حرارت و EMF
ج) مقدار EMF نسبت به هر درجه تغییر حرارت
1) حد خطا و حساسیت
2) قابلیت پس گیری
3) دقت
د) مقاومت فیزیکی در درجه حرارت بالا
ه) تأثیرات اتمسفری
1) اکسیده شدن
2) تقلیل یافتن
ترموکوپل های استاندارد شده
الف) (Copper – Constantan)CC
حدود درجه حرارت معمول از 150- تا 400+ درجه سانتیگراد
اکسیده شدن در بالای 400 درجه سانتیگراد
آسیب پذیر در مقابل بخارات اسید
ب) (Iron – Constantan)IC
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
- آسیب پذیر بوسیله سولفور،اکسیژن و رطوبت
- تأثیرات اتمسفری کم( بخصوص در زیر 400 درجه سانتیگراد
ج) (Chromel – Alumel)CA
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 130 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- آسیب پذیر در مقابل سولفور
د)(Platinum- Platinum 10% /13%Rhodium) Pt- PtRH
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 1500 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- فاسدشدن( خورده شدن) در بالای 1000 درجه سانتیگراد
- احتیاج داشتن به لوله محافظ مقاوم در برابر نفوذ گاز
ه) (Chromel – Constantan)ChC
- حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
- مقاوم در اتمسفر های اکسیده شدنی
- آسیب پذیر بوسیله سولفور
ترموکوپل های استاندارد نشده
الف) Chromel – Stain steel
مقاوم در برابر اتمسفر های سولفوری می باشد و بجای Alumel استفاده می شود.
ب) Nickel- Nickel Molybdenum
ج) Molybdenum – Tungsten
برای اندازه گیری درجه حرارت فلز گداخته بکار می رود و حدود درجه حرارت آن 1700 درجه سانتیگراد می باشد.
د) Graphite- Silicon Carbide
خروجی EMF زیادی تولید می کند و فاقد قابلیت پس گیری می باشد.
ه) Tungsten - Graphite
دارای خروجی EMF زیاد در بالای 1100 درجه سانتیگراد می باشد و اصلاحات کمی را در مقایسه( Reference ) باعث می شود.
و) Tungsten- Iridium
برای درجه حرارت های تا 2100 درجه سانتیگراد استفاه شده و دارای EMF خروجی کم در درجه حرارت کمتراز 100 درجه می باشد.
این ترموکوپل احتیاجی به جبران کننده اتصال سرد ندارد.
ز) Iridium – Iridium Rhodium
جبران کننده اتصال سرد( اتصال مقایسه)
همانطور که قبلاً گفته شده برای اندازه گیری درجه حرارت اتصال گرم فرض می کنیم که درجه حرارت نقطه سرد در صفر درجه ثابت است.
ولی در عمل این نقطه در محیط قرار گرفته و با تغییرات درجه حرارت میحط، حرارت آن تغییر می کند.
بنابراین اگر این درجه حرارت از صفر افزایش یابد چون میزان جریان ترموکوپل به اختلاف درجه حرار دو اتصال گرم وسرد بستگی دارد میزان جریان ترموکوپل کاهش یافته و باعث خطا در اندازه گیری درجه حرارت می شود.
در زیر چند روش برای بیان جبران خطا در اثر تغییر درجه حرارت اتصال سرد ذکر شده است.
الف) حمام یخ
با قراردادن اتصال مقایسه ترموکوپل در یخ می توان درجه حرارت این اتصال را در صفر درجه ثابت نگه داشت و از خطا جلوگیری نمود.
ب) استفاده از سیم اتصال(Extention wire) همجنس
با انتخاب سیم اتصال از جنسی که دارای خصوصیات خود ترموکوپل باشد می توان اتصال مقایسه را به داخل تقویت کننده تغییر داد و از خطا در اثر تأثیر تغییر درجه حرارت بر روی اتصال مقایسه جلوگیری نمود.
معمولاً جنس این سیم های اتصال از آلیاژهای ارزان قیمت تر از خود ترموکوپل ولی با خصوصیات آلیاژ ترموکوپل می باشد.
با انتخاب سیم اتصال از جنسی که دارای خصوصیات خود ترموکوپل باشد می توان اتصال مقایسه را به داخل تقویت کننده تغییر داد و از خطا در اثر تأثیر تغییر درجه حرارت بر روی اتصال مقایسه جلوگیری نمود.
معمولاً جنس این سیم های اتصال از آلیاژهای ارزان قیمت تر از خود ترموکوپل ولی با خصوصیات آلیاژ ترموکوپل می باشد.
ج) استفاده از پل وتسون درشکل زیر نیروی الکتروموتوری تولیدی بوسیله ترموکوپل برابر است با: E21=(T2-T1) Ec نیروی الکتروموتور که به تقویت کننده می رسد برابر است با E=E21+Ec با انتخاب ولتاژ ECبازاء درجه حرارت T1 می توان افت جریان را جبران نمود: در عمل درجه حرارت T1 همیشه ثابت نیست که ما بتوانیم منبع نیروی ثابتی برای جبران آن بکار گیریم.
بدین منظور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، از پل وتسون استفاده می شود.
در اینجا یکی از مقاومتهای پل نیز در معرض درجه حرارت T1 قرار می گیرد.
این مقاومت با تغییر درجه حرارت T1 پل را از حالت تعادل خارج کرده و موجب ایجاد نیرویی متناسب با درجه حرارت T1 در دو سر آن می گردد.
بدین ترتیب با تغییر درجه حرارت T1 در هر لحظه نیروی دو سر پل تغییر نموده و باعث جبران نیروی الکتروموتوری تقلیل یافته در اثر تغییر درجه حرارت T1 می شود.
محافظت ترموکوپل برای محافظت ترموکوپل از وسیله ای بنام Well استفاده می شود استفاده از well دارای مزایای زیر می باشد: استفاده ترموکوپل در اتمسفرهای خورنده و اکسیدشونده حرارت زیاد استفاده از Well با ته بسته استفاده از Well با عمل عبور گاز خنثی از داخل آن درجه حرارت کم استفاده از Well با ته باز فشارهای زیاد تعمیر ترموکوپل در ظروف با فشار زیاد قابلیت استفاده در مقابل شوکها، فشارها و لرزش محافظت در مقابل تغییرات ناگهانی درجه حرارت عمل کردن برای مواد مذاب هدایت حرارتی ممانعت از خطاهای تشعشعی ممانعت از خطاهای ناشی از حرکت سیال آنچه در بالا آمده است عللی است که بخاطر آنها ما از Well برای ترموکوپل استفاده می کنیم.
اشکالی که یک Well می تواند برای اندازه گیری ما بوجود آورد، داشتن ثابت زمانی(Time Constant ) می باشد.
بنابراین در محل هایی که هیچکدام از مسائلی که استفاده از Well را موجب می شود وجود ندارد، برای حصول ثابت زمانی کمتر از ترموکوپل بدون Well استفاده می شود.
1-1-2) حرارت سنج های مقاومتی تئوری حرارت سنج مقاومتی حرارت سنج مقاومتی براساس خصوصیات ذاتی فلزات در مورد تعمیر مقاومت الکتریکی آنها در مقابل تغییرات درجه حرارت عمل می نماید.
با اینکه لامپهای الکتریکی اندازه گیر مقاومتی حرارتی(Resistance Thermometer Bulbs ) معمولاً از پلاتینیم مس یا نیکل ساخته شده اند اما اثر درجه حرار به مقاومت در مورد نیمه هادی ها نیز اعمال می شود و امکان دارد که به علت بهبود سریع مواد نیمه هادی، این مواد دارای مصارف بیشتری در حرارت سنج های مقاومتی گردند.
اصولاً یک حرارت سنج مقاومتی وسیله ای است برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی ولی مقاومتی که بجای واحد مقاومت براساس واحد درجه حرارت درجه بندی شده باشد.
بدین سبب حرارت سنج مقاومتی بی شباهت به خیلی از سایر تبدیل کننده های الکتریکی که سیگنال الکتریکی را به یکی از واحدهای متغیر فرآیند از قبیل درجه حرارت تبدیل می کند، نیست.
یکی از انواع گوناگون پل را می توان در اندازه گیری درجه حرارت به طریق مقاومتی بکار برد.
این پل ها عبارتند از: پل وتسون(در حال حاضر رایج ترین پل در حرارت سنجهای مقاومتی صنعتی می باشد) پل Callendar – Griffiths پل اندازه گیر با دو مقاومت متغیر پل ظرفیتی پل Mueller ضریب حرارتی مقاومت تغییر مقاومت الکتریکی یک جسم با تغییر درجه حرارت، ضریب حرارتی مقاومت نامیده می شود.این ضریب به صورت تغییرات مقاومت بر اهم در درجه حرارت در یک درجه حرارت معین بیان می گردد.
برای اکثر فلزات ضریب حرارتی مثبت می باشد.
این رابطه مقاومت و درجه حرارت را می توان بصورت زیر بیان نمود: که در اینجا مقاوت در صفر درجه می باشد.
در صورتی که ضریب حرارتی مقاومت خطی نباشد، رابطه معمول تری ممکن است استفاده شود: ضرایب و ممکن است براساس سه یا چند مقدار مقاومت – درجه حرارت معلوم را بصورت یکنواخت در بالای حدود تغییرات کار درجه حرارت قرار گرفته اند، محاسبه گردد.
در صورت محاسبه بسطهای بیشتر این معادله، منحنی مقاومت- درجه حرارت دقیق تری بدست خواهد آمد.
پارامترهایی که برای المنت مقاومت مهم می باشند عبارتند از: هدایت الکتریکی دارابودن حداقل اندوکتانس فشار فیزیکی حداقل بر پیچش مقاومت سیم اتصال با مقاومت مشابه برای حذف EMF محلی مزایای Resistance Bulb 1) حساسیت و سرعت پاسخ 2) قابلیت تکرار مجدد و فقدان اتصال مقایسه 3) دقت مشابه اندازه گیری با ترموکوپل اتصال Resistance Bulb به دستگاه اندازه گیری همانطور که قبلاً گفته شد در اندازه گیری درجه حرارت به طریق مقاومتی از یکی از انواع پل استفاده می شود که رایج ترین آنها پل وتسون می باشد.
در شکل نمونه ای از اتصال پل وتسون نشان داده شده است.
در اینجا درصورتی پل به حال تعادل خواهد رسید که رابطه زیر برقرار باشد: از طرفی چون مقاومتX مقاومت در مقابل درجه حرارت حساس می باشد پس این مقاومت در محل بوده و به وسیله سیم به پل اتصال می شود.
بنابراین برای تعادل پل مقاومت دو سیم رفت و برگشت یعنی a و b باید به مقاومت X اضافه گردد، پس اگر مقاومت سیم رفت و برگشت را معادل فرض کنیم و با r نشان دهیم: همانطور که از رابطه بالا معلوم است در این نوع اتصال مقاومت سیمهای اتصال در وضعیت پل تأثیر می گذارد.
برای از بین بردن این تأثیر از اتصال سه سیمی استفاده می شود.
در صفحه بعد یک اتصال سه سیمه نشان داده شده است.
معادلات این مدار وقتی که پل در حالت تعادل باشد در پائین آورده شده است.
با مراجعه به این شرایط متوجه می شویم که چگونه مقاومت سیمهای اتصال Bulb در نتیجه این نوع اتصال حذف می گردد.
در صورتی که: معمولاً انتخاب می شود.
پس در این حالت: ترمیستور ترمیستور یک وسیله اندازه گیری ساخته شده بوسیله یک نیمه هادی جامد یا مقاومت مخصوص با ضریب حرارتی زیاد می باشد که در صورت قرار گرفتن در درجه حرارت ثابت مشخصات ولتاژ - جریان خطی از خود نشان می دهد.
بمنظور طبقه بندی، کاربردهای ترمیستور را می توان به دو دسته تقسیم نمود.
در یکی از این گروهها نیروی خیلی کمی همانند مقاومت اندازه گیر در پلها و مقاومتهای متغیر، در ترمیستور انتشار می یابد.
گروه اصلی دیگر که مربوط به محدود این بخش می باشد، براساس مشخصات غیرخطی ولتاژ- جریان منتج شده از افزایش درجه حرارت در خود ترمیستور هنگامی که مقدار قابل ملاحظه ای نیرو در آن انتشار می یابد، می باشد.
وقتی یک ترمیستور بعنوان المنت حساس درجه حرارت استفاده می شود، رابطه بین مقاومت الکتریکی و درجه حرارت آن در درجه اول موردنظر می باشد.
رابطه تقریبی مورد استفاده برای اکثر ترمیستورها عبارت است از: که در آن: =Ro مقاومت مقدار در درجه حرارت مقایسه ای To =R مقاومت در هر درجه حرارت دیگر T برحسب درجه کلوین =B بطور تقریب یک ضریب ثابت در حدود تغییرات مناسب در جه حرارت بوده و بستگی به ترکیب و فرآیند کارخانه سازنده دارد.
ضریب درجه حرارت تقریباً طبق فرمول زیر با B مربوط می شود.
انتخاب ترمیستور برای اندازه گیری درجه حرارت با کنترل حرارت احتیاج به در نظرگرفتن فاکتورهای مختلفی اضافه بر مشخصات مقاومت – درجه حرارت دارد.
این فاکتورها شامل زمان پاسخ و تطبیق با دستگاه اندازه گیر مقاومت مربوطه می باشند.
فاکتور بخش حرارتی ترمیستور و بزرگی مناسب مقاومت در میزان نهایی حدود تغییرات نیز در زمره این فاکتورها قرار دارند.
کیفیت مکانیکی و ابعاد مناسب همچنین در ترمیستور مهم باشد.
زمان پاسخ یا ثابت زمانی حرارتی عبارت است از زمانی که درجه حرارت ترمیستور به اندازه 63 درصد اختلاف بین مقدار اولیه خود و حرارت محیط در هنگامی که نیروی الکتریکی در آن پخش نشده است، تعبیر می کند.
The PR Series Platinum Resistance Tempereature Detectors(RTDs) measure temperatures from 200 to+(330TO+1200F).
جنس ترمیستور جنس ترمیستورها از نیمه هادی های جامد زیر می باشند: اکسیدها، کبالت، مس، قلع، نیکل، زینک، منگنز دانه های سرامیک ساخته شده از پودرهای حرارت داده شده مزایا ومحدودیتهای اندازه گیری با ترمیستور ضریب حرارتی و حساسیت بیشتر از اندازه گیرهای درجه حرارت Resistance Bulb زمان پاسخ بوسیله ضریب حرارتی و پراکنده سازی مشخص می شود .
فقدان یکنواختی تنظیم در نتیجه روشهای ساخت دقت کم در منتهاالیه حدود تغییرات در فواصل بیشتری از لوازم اندازه گیر قرار می گیرد.
خطاهای کم مقاومت هادی در نتیجه مقاومت زیاد مقاومت ترمیستورها به جبران کننده احتیاج ندارد.
کاربردهای ترمیستور می تواند درجه حرارت سطح را با تابش و بدون تماس اندازه گیری نماید.
هدایت حرارتی مایعات و جامدات جبران کننده درجه حرارت دراندازه گیرها و مدارات الکتریکی اخذکننده های هدایت حرارتی گازها و بخارات 1-1-3) سیستمهای پرشده و سایر روشهای اندازه گیری حرارت سیستمهای پرشده اندازه گیر درجه حرارت الف) نوع انبساطی در این نوع محفظه ای از مایع پر می شود و با ازدیاد درجه حرارت این محفظه، مایع انبساط می یابد که این انبساط متناسب با درجه حرارت می باشد.
مایعی که برای پرکردن در محفظه انتخاب می شود، معمولاً بسته به میزان تغییرات موردنظر جیوه، اتیل الکل و پنتان می باشد.
میزان تغییراتی که می توان با این ترمومتر اندازه گرفت از منهای 38 درجه سانتیگراد یعنی نقطه انجماد جیوه تا 500 درجه سانتیگراد می باشد.
دقت اندازه گیر های درجه حرارت نوع انبساطی صنعتی بطو میانگین درصد و در نوع آزمایشگاهی درصد می باشد.
فاکتورهایی که د سرعت پاسخ این نوع ترمومتر ها مؤثر می باشند عبارتند از نوع سیال و اندازه لوله حرارتی.
کاربردهای ترمومتر جیوه ای برای اندازه گیری سیالات جاری در لوله های باز و بسته و اندازه گیرهای درجه حرارت در نوسانات محدود می باشد.
ب) فنر فشار 1) انبساط مایع اساس کار این اندازه گیرها ازدیاد حجم مایع در اثر افزایش درجه حرارت می باشد.
جنسBulb یا Well که در تماس با درجه حرارت می باشد، معمولاً از مس، آهن، مونل و یا فولاد می باشد.
در این اندازه گیر ازدیاد حجم مایع در Bulb از طریق لوله موئی به Bourdon انتقال می یابد و باعث حرکت آن می گردد.
برای المنت دریافت کننده و تبدیل کننده انبساط جمعی به حرکت، می توان از المنت های فنری به صورت C خلزونی و یا مارپیچی استفاده کرد.
مینیمم حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این اندازه گیر در جائیکه از جیوه بعنوان مایع منبسط شونده استفاده شود، منهای 38 درجه سانتیگراد و اگر از هیدروکربن استفاده شود، منهای 80 درجه سانتیگراد است.
حداکثر حدود تغییرات در حالت جیوه 650 درجه سانتیگراد و برای هیدروکربن 315 درجه سانتیگراد می باشد.
مشخصات و مزایای ترمومتر فنری پرشده با جیوه پاسخ خطی ثبات سرعت در پاسخ قابلیت استفاده با جبران کننده مشخصات و مزایای ترمومتر فنری پرشده با هیدروکربن پاسخ خطی اندازه گیری حدود تغییرات کم داشتن Bulb کوچک اندازه گیری درجه حرارت کم قابلیت استفاده با جبران کننده جبران کننده درجه حرارت محیط در این نوع اندازه گیرهای پرشده، در اثر تأثیر درجه حرارت محیط برروی لوله موئی های سیال، ازدیاد حجمی بوجود می آید که باعث خطای اندازه گیری می شود.
برا ی جبران این خطا سیسمتهای خاصی تعبیه می شود.
2) فشار بخار اساس ترمومتر تحریک شونده با فشار بخار، تغییر فشار بخار در اثر حرارت می باشد.
در اینجا ترمومتر تغییر درجه حرارت را در سطح آزاد مایع تبدیل شونده به بخار اندازه می گیرد.
درجه حرارت نشان داده شده با این ترمومتر دارای درجه بندی غیرخطی می باشد که این غیرخطی بودن بستگی به منحنی فشار بخار دارد.
در این نوع ترمومتر برای مایع بخارشونده از متیل کلراتید، اتر، بوتان، هگزان، پروپان، تولوئن، و سولفور دی اکسید استفاده نمود.
حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این دستگاه بستگی به سیال مورد استفاده در آن دارد.
حداقل حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این نوع ترمومتر منهای 45 درجه سانتیگراد و حداکثر 315 درجه می باشد.
مزیت ترمومتر های تحریک شونده با بخار مایع در باریکی باند اندازه گیری، قیمت کم و پاسخ ناگهانی آنها می باشد.
3) انبساط گاز براساس قانون چارلز، حجم گاز با تغییر درجه حرارت مطلق تغییر می کند.
اصول کار ترمومتر های گازی بر این اساس متکی است.
گازی که در این نوع ترمومترها استفاده می شود معمولاً بخاطر سهولت تهیه و وسعت حدود تغییرات درجه حرارت نیتروژن می باشد.
میزان حدود تغییرات قابل اندازه گیری در این ترمومتر از منهای 130 در جه تا 650 درجه سانتیگراد می باشد.
مزایای ترمومتر گازی سادگی خطی بودن اندازه گیری تغییرات و قابلیت استفاده آن برای باند تغییرات گوناگون می باشد.
ترمومتر بی متال بی متال از اتصال دو فلز با ضرایب انبساط مختلف برروی هم بوجو می آید.
در اثر تغییر حرارت در بی متال به علت اختلاف ضریب انبساط دو طرف آن بی متال به یک طرف خم می شود.
این پیچش در فلز، متناسب با درجه حرارت می باشد.
رابطه جابجایی در این ترمومتر نسبت به تغییرات درجه حرارت بطور خطی می باشد.
معمولاً از Invar( آلیاژ آهن و نیکل) برای ضریب انبساط کم و آلیاژهای نیکل یا برنج برای ضریب انبساط زیاد استفاده می شود.
حدود تغییرات قابل اندازه گیری با بی متال از منهای 40 تا 430 درجه سانتیگراد می باشد.
دقت اندازه گیری این سیستم درصد باند تغییرات می باشد.
این ترمومترها می توانند بصورت های حلزونی، مارپیچ تکی و یا مارپیچ حلزونی باشند.
مزایای این نوع ترمومترها دقت، سادگی، قیمت ارزان، قطرکم Bulb وسهولت خواندن می باش.
1-2) آشکارسازهایی که با سیال در تماس نستند( Pyrometer ) اندازه گیری درجه حرارت بصورت Pyrometerدر موارد زیر استفاده می شود: - در هنگامی که درجه حرارت بیشتر از حد است که بتوان آنرا با ترموکوپل و غیره اندازه گیری کرد.( معمولاً بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد) - وقتی که محیط اندازه گیری از نظر دقت و عمر دستگاه اجازه استفاده از نوع تماس دارنده را ندهد.
- برای اندازه گیری درجه حرارت سطحی یک جسم در کوره با اندازه گیری درجه حرارت جسم متحرک - وقتی که جسم مورد اندازه گیری نتواند با سیستم اندازه گیری کننده تماس داده شود.
اندازه گیری به روش Pyrometer به دو نوع تقسیم می شود: نوع نوری Optical نوع تشعشعی 1) اندازه گیری درجه حرارت بصورت نوری اصول کاراین نوع نشاندهنده های مقدار درجه حرارت براساس مقایسه رنگ منبع حرارتی مورد اندازه گیری با منبع استاندارد می باشد.
در اینجا نور ازمنبع مورد اندازه گیری از طریق لنز به فیلامان لامپ می تابد.
حال با تغییر جریان فیلامان لامپ به نقطه ای می رسیم که فیلامان لامپ دیده نمی شود، در این حالت فیلامان و منبع حرارتی موردنظر با یکدیگر تطبیق دارند.
با درجه بندی میزان جریان برحسب درجه حرارت می توانیم از روی میزان جریان، درجه حرارت را بخوانیم.
2- اندازه گیری درجه حرارت بصورت تشعشعی در Pyrometer تشعشعی انرژی تشعشعی که از منبع درجه حرارت زیا می آید با صفحه سیاه که جنس آن را پلاتینیم یا زینک می باشد گرفته می شود.
افزایش درجه حرارت در این صفحه سیاه بوسیله ترموپاپل(Thermopile) به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود.
ترموپاپل مجموعه مدارات سری شده ترموکوپل می باشد.
اساس کار این حرارت سنج قانون Steffan-Biltsman می باشد.
در اینجا =W جمع انرژی تشعشعی =T درجه حرارت مطلق عنصر مورد اندازه گیری = ضریبSteffan – Boltsman سیگنال خروجی از Thermopile به مدارات اندازه گیر یا نشان دهنده انتقال می یابد.
بخاطر اینکه در این روش اندازه گیری درجه حرارت از طریق انرژی تشعشعی صورت می گیرد، در صورتی که منبع حرارتی کوچک یا در فاصله زیاد از آشکارساز و همچنین در صورتی که سطح کامل آشکارساز نتواند با تصویر منبع حرارتی پوشیده شود.
حرارت سنج تشعشعی قابل استفاده نمی باشد.
یعنی برای اندازه گیری صحیح درجه حرارت، سطح کامل آشکارساز باید بوسیله تصویر نوری منبع حرارتی پوشیده شود.
به عبارت دیگر فاصله بین منبع حرارتی و آشکارساز باید در حد معین و صحیحی باشد.
همانطور که گفته شد ترموپاپل شامل تعداد معینی ترموکوپل کوچک و تخت بصورت سری می باشد.
ترموکوپل ها در صفحات پلاتینیمی یا زینک جا داده شده است.
بخاطر اینکه تغییرات درجه حرارت محیط باعث تغییرات درجه حرارت ترموکوپل می شود در اینجا جبران کننده موردنیاز می باشد.
عمل جبران بوسیله اتصال یک مقاومت نیکل بصورت موازی با ترموکوپل صورت می گیرد.
به طوریکه تغییرات مقاومت سیم نیکل بوسیله درجه حرارت محیط، تغییرات درجه حرارت محیط برروی ترموپاپل را حذف نماید.
آشکارسازهای حرارت سنج تشععشی باید با عنصر مورد اندازه گیری در یک مسیر باشد.
در جایی که احتیاج به محافظت لنز از شعله یا گاز باشد.
می توان از Tamman tubo استفاده کرد.
در محل هایی که درجه حرارت محیط زیاد می باشد برای محافظت سردکننده های آبی یا هوایی استفاده می شود.
وقتی نوع لوله باز برای آشکارساز استفاده می شود برای پاک کردن لنز از سیستم Purge هوا استفاده می شود.
2)اندازه گیری جریان سیال اندازه گیری های جریان اصولاً به دو گروه تقسیم می شوند: الف) اندازه گیریهایی که کمیت را اندازه می گیرن که در آنها آحاد اندازه گیری ممکن است مترمکعب، لیتر یا سانتیمتر مکعب باشد.
ب) اندازه گیرهایی که مقدار لحظه ای جریان(Rate of Flow ) را نشان می دهند.
در این اندازه گیرها آحاد اندازه گیری برحسب مترمکعب بر ساعت، لیتر بردقیفه، کیلوگرم بر ساعت و غیره می باشد.
شرح المنت های اندازه گیر جریان سیال در گروه اندازه گیرهای مقدار لحظه ای جریان، متداولترین المنت های اولیه عبارتند از: لوله Flow nozzle,Venturi و صفحه Orifice لوله Venturi یکی از متداولترین اندازه گیرهای سیال بوسیله مانع نوع لوله Venturi می باشد در شکل زیر یک نمونه از این المنت نشان داده شده است.
لوله Venturi برای جریان سیال بخصوص سیالاتی که همراه با مقداری ذرات جامد می باشد مناسب است.
از محاسن این لوله خاصیت بوجود آوردن بهبود در فشار خروجی براساس برش قسمت مخروطی لوله می باشد.
یکی دیگر از محاسن لوله Venturiاحتیاج به تعمیرات کم آن می باشد ولی قیمت این المنت با مقایسه با Orifice زیاد می باشد.
Orifice یکی دیگر از متداولترین انواع المنت های اولیه اندازه گیری جریان سیال Orifice متحدالمرکز می باشد.
Orifice عبارت است از یک سوراخ مدور در یک صفحه صاف که این صفحه بوسیله Flange در مسیر سیال قرار می گیرد.
این صفحه باعث ایجاد اختلاف فشار در دو طرف سوراخ می شود و این اختلاف فشار دارای یک رابطه خطی با میزان جریان می باشد.
اصولاً سه نوع Orifice وجود دارد: الف) Orificeمتحدالمرکز ب) Orifice خارج از مرکز ج) Orifice بصورت دایره بریده شده(Segmental ) Orifice های نوع خارج از مرکز و Segmental برا ی جریانات دارای مواد معلق استفاده می شوند.
برای Orifice می توان از کلیه موادی که در اثر کثرت استفاده تغییر قطر نمی دهند استفاده نمود.
معمولترین موادی که به این منظور استفاده می شوند عبارتند از: فولاد، مونول، و فسفر برنز گاهی برروی صفحه Orifice دو سوراخ بوجود می آورند، سوراخ بالا برای خروج گاز در حالت وجود جریان مایع و سوراخ پائین جهت زهکشی کردن در حالت عبور گاز در Orifice می باشد.
محل نصب توپی برای اخذ اختلاف فشار برای نصب انشعابات اخذکننده اختلاف فشار در Oriffic مسائل زیر باید در نظر گرفته شود: الف) محل انشعاب طوری باشد که انشعابات فشار، بسته به طرح Oriffice از لحاظ هندسی برای کلیه اندازه های قطر لوله در محل مشابه ای قرار گیرد.
ب) محل انشعابات باید طوری باشد که حداکثر و حداقل فشار اخذ گردد، در غیر این صورت انحراف جزئی در محل انشعاب باعث تأثیر کم در مقدار دریافتی می گردد.
ج) محل انشعاب باید طوری باشد که نصب انشعاب در کارگاه یا داخل واحد بمنظور کم کردن احتمال قرار گرفتن ناصحیح به آسانی صورت گیرد.
طریقه های انشعاب فشار در کارهای تجارتی الف) انشعابات Flange در این نوع انشعابات سوراخ انشعاب در هر دو طرف Orifice در فاصله یک اینچی سطح Orifice قرار گرفته است.
در صورتی که قطر مجاز برای Gasket که بین Orifice و Flange می باشد، 16/1 اینچ باشد، فاصله سوراخ انشعاب تا لبه Flange باید 16/15 اینچ باشد.
این نوع انشعاب بخاطر دقت در نقطه انشعاب و سهولت تعویض متداولترین نوع انشعابات می باشد.
ب) انشعابات Vena Contracta در این نوع انشعاب مرکز سوراخ انشعاب فشار ورودی در فاصله بین 2/1 تا 2 برابر قطر لوله از سطح Orifice قرار دارد.
معمولاً فاصله یک برابر طول لوله متداول می باشد.
مرکز سوراخ انشعاب فشار خروجی در نقطه مینیمم فشار یا نقطه Vena Contracta قرار می گیرد.
ج) انشعابات کناری (Corner) در این نوع انشعاب سوراخ انشعاب از کنار صفحه Orifice می باشد.
د) انشعابات در لوله در این نوع انشعاب سوراخها در روی خود لوله ایجاد می شوند.
فاصله سوراخ فشار قسمت ورودی صفحه Orifice به اندازه برابر قطر لوله و فاصله سوراخ فشار در خروجی 8 برابر قطر لوله می باشد.
محل نصب Orifice اصولاً Orifice باید در قسمت مستقیم لوله نصب گردد.
در نصب Orifice باید کوشش گردد که از خطای ناشی از تلاطم جریان جلوگیری بعمل آید که این کار با روشهای زیر حاصل می گردد.
الف) استفاده از پره ها یا لوله های مستقیم کننده جریان ب) محل اتصال Orifice در لوله باید طوری باشد که طول قسمت مستقیم در سمت بالای جریان حداقل 20 برابر قطر لوله باشد.
طول قسمت پائین جریان باید حداقل 5 برابر قطر لوله انتخاب گردد.
ج) پرداخت نمودن قسمت داخلی لوله مزایای Orifice سهولت در نصب تولید مجدد آسان قیمت ساخت ارزان Flow nozzle یکی دیگر ازالمنتهای اندازه گیر جریان سیال به طریق مانعی، Flow nozzle می باشد.
این المنت همانطور که از شکل پیداست بصورت لوله Venturi که ته آنرا بریده باشند، می باشد.
- لوله Pilot یکی دیگر از طرف اندازه گیری جریان سیال روش Pilot tube می باشد.
طبق شکل جریان در یک لوله در قسمت جداره لوله حداقل و در مرکز ماکزیمم می باشد.
حال با قراردادن یک لوله Pilot در محل حداکثر جریان می توان سرعت جریان را اندازه گیری نمود و از روی آن مقدار جریان را حساب کرد.
از این المنت برای اندازه گیری سرعت در لوله های آب با قطر زیاد و سرعت رودخانه استفاده می شود.
- المنت های ثانویه برای اندازه گیری های جریان از طریق مانع همانطور که ملاحظه شد تمام المنت های اولیه که جریان را بوسیله قراردادن یک مانع برسرراه آن اندازه می گیرند تولید یک اختلاف فشار متناسب با شدت جریان می کنند.
برای اندازه گیری این اختلاف فشار از المنت های ثانویه گوناگونی استفاده می شود که متداول ترین آنها المنت های ثانویه نوع Bellows یا دیافراگمی می باشد.
رو ش اندازه گیری موزانه نیرو (Force Balance Method) در شکل زیر یک المنت ثانویه نوع Force Balance به صورت نیوماتیکی نشان داده شده است.
در این المنت ها می توان از دیافراگم یا Bellows استفاده کرد.
در اینجا برای المنت نوع پنوماتیک از Bellows و برای نوع الکتریکی از کوئل برای تولید نیروی فیدبک استفاده شده است.
مزایای المنت های نوع Force Balance پاسخ سریع به خاطر تقویت اضافی بوسیله شیر Pilot ، تعمیرات ساده و قابلیت تطبیق با سیگنالهای الکتریکی و نیوماتیکی می باشد.
اندازه گیر جریان نوع Area اصول کار اندازه گیر نوع Area در شکل نشان داده شده است.
در اینجا با عبور جریان از پائین به بالا به علت وجود شناور اختلاف فشاری در دو سر لوله بوجود آمده باعث حرکت شناور به بالا می شود.