ترمومتر و ترموکوپل
1
ترمومتر و ترموکوپل
2
موضوع:
ترمومتر و ترموکوپل
ترمومتر و ترموکوپل
3
Thermometer
ترمومتر
ترمومتر و ترموکوپل
4
تاریخچه:
نخستین وسیله واقعی علمی را برای اندازه گیری درجه حرارت در سال 1592 گالیله اختراع کرد وی برای این منظور یک بطری شیشه ای گردن باریک انتخاب کرده بود. بطری با آب رنگین تا نیمه پر شده و وارونه در یک ظرف محتوی آب رنگینی قرار گرفته بود. با تغییر دما هوای محتوی بطری منبسط یا منقبض می شد و ستون آب در گردن بطری بالا یا پایین می رفت. وسیله گالیله مقیاسی واقعی برای سنجش دما نبود به طوری که وسیله وی بیشتر جنبه دما نما داشت. تا جنبه دماسنج در سال 1631ری تغییراتی را در دمانگار گالیله پیشنهاد کرد. پیشنهاد وی همان بطری وارونه گالیله بود که در آن فقط سرد و گرم شدن از روی انقباض و انبساط آب ثبت می شد. در سال 1635 دوک فردینالند توسکانی، که به علوم علاقه مند بود دماسنجی ساخت که در آن از الکل (که در دمایی خیلی پایین تر از دمای آب یخ می بندد.) استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود.
ترمومتر و ترموکوپل
5
سرانجام در سال 1640 دانشمندان آکادمی لینچی در ایتالیا نمونه ای از دماسنج های جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند. توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملاً تکامل یافت. به دنبال کشف دماسنج گابریل دانیل فارنهایت دانشمند هلندی در قرن هفدهم نوعی دماسنج گازی و الکلی ساخت که با دقت اندازه گیری بیشتری می تواند دمای هوا را اندازه گیری کند. او به سال 1714 میلادی دماسنج جیوه ای را طراحی و با ضریب دقت بالایی با شیوه ای خاص درجه بندی نمود. فارنهایت نتایج تحقیقات خود را در سال 1724 میلادی منتشر ساخت. آندرس سیلیسیوس دانشمند سوئدی به سال 1723 دماسنج جیوه ای را به صد قسمت مساوی تقسیم بندی نمود. اندازه گیری دمای هوا به روش سانتیگراد، (سیلیسیوس) به نام پرافتخار ایشان ثبت شده است. ژول دانشمند انگلیسی با اعتقاد به این که گرما نوعی انرژی است آزمایش های فراوانی در این راستا به انجام رسانید. او با اندازه گیری اختلاف دمای آب در بالا و پایین یک آبشار صد و ده متری روی تبدیل انرژی پتانسیل آب به گرما بررسی های فراوانی به انجام رسانید.
ترمومتر و ترموکوپل
6
تعریف دما سنج
میزان الحراره که سرما و گرما را نشان میدهد، این لفظ فرانسوی است و در فارسی مستعمل است لیکن هنوز جزء زبان نشده است(فرهنگ نظام). ماخوذ از ترموس بمعنی گرما و مترون بمعنی اندازه یونانی و آلتی است که از روی آن میزان گرما اندازه گیری میشود و معمولا از یک لوله شیشه ای که دو طرف آن بسته و در قسمت پایین آن مخزنی پر از جیوه یا الکل تعبیه شده است تشکیل می گردد برای مدرج ساختن آن ، ترمومترهای جیوه ای را در ظرف بخار آبی که در حال جوش است (کنار دریا) قرار میدهند، جیوه بر اساس خاصیت انبساط اجسام در مقابل حرارت در لوله بالا میرود ودر نقطه ای که توقف می کند آن نقطه را با عدد 100 علامت می گذارند. سپس مخزن جیوه را در خرده یخ در حال گداز می گذارند. جیوه از لوله پائین می آید و در نقطه ای متوقف می شود که آن را، نقطه صفر میزان الحراره فرض می کنند و در حقیقت نقطه انجماد آب یا نقطه ذوب یخ است.
ترمومتر و ترموکوپل
7
آنگاه میان این دو رقم را با اعداد علامت گذاری نموده که هر قسمت را یک درجه نامند. و اینگونه ترمومترها که بصد درجه تقسیم شده اند ترمومتر سانتی گراد می نامند. چه غیر از این درجه بندی انواع دیگری نیز وجود داردکه از آنجمله است ترمومتر رئومور و ترمومتر فارنهایت . ترمومتر رئومور – در این گرماسنج نقطه یخ یا صفر درجه سانتی گراد برابر است ولی نقطه غلیان آب در این گرماسنج 80 درجه است چه دانشمند فرانسوی در گرماسنج خود بین نقطه انجماد آب یا ذوب یخ و نقطه غلیان آب را 80 درجه تقسیم کرده و بالنتیجه 80 درجه ترمومتر رئومور برابر با صد درجه ترمتر سانتیگرادمیباشد.
ترمومتر و ترموکوپل
8
محدوده کاری دما سنج
باید توجه داشت که با ترمومترهای جیوه ای نمی توان سرماهای کمتراز 35 درجه زیر صفر را اندازه گیری کرد زیرا جیوه در 39 – درجه سانتی گراد منجمد میشود. از این روی برای اندازه گیری سرماهای شدید از ترمومترهای الکلی استفاده می کنند زیرا الکل در 120 درجه سانتی گراد مایع است و بالعکس در 78 درجه سانتی گراد بجوش می آید از این روی ترمومتر ماگزیما و منیما را بطور مرکب بکار می برند که از الکل و جیوه تشکیل می یابد این نوع میزان الحراره می تواند حداکثر درجه حرارت و حداقل آنرا در مدت معینی مثلا یک شبانه روز تعیین کند و از یک میزان الحراره الکلی دراز تشکیل شده است و برای اینکه جای زیاد نگیرد ساقه آنرا دو مرتبه خم کرده اند و در قسمت خمیده آن که بشکل «ایو»ی فرانسه می باشد جیوه ریخته شده و بدین ترتیب الکل به دو قسمت تقسیم می شود: یک قسمت در طرف راست لوله باقی می ماند که بالای آن حباب خالی از هواست کمی الکل در آن بخار می شود و طرف چپ آن منتهی به مخزن الکل است . در بالای دو طرف جیوه دوسوزن فولادی موسوم به نشانه قرا دارد.
ترمومتر و ترموکوپل
9
انواع دما سنج
ترمومتر پزشکی
ترمومتر پزشکی ، این گرماسنج جهت اندازه گرفتن حرارت بدن بکار می رود و چون حد متوسط حرارت بدن انسان 37 درجه سانتی گراد (5/98 درجه فارنهایت ) است در ترمومترهای پزشکی بر اساس سانتیگراد بین 33 تا 42 در میشود .و برای اینکه بمجرد جدا شدن ترمومتر از بدن انسان و برخورد با حرارت یا برودت محیط، جیوه داخل ترمومتر تغییر مکان پیدا نکند، خمیدگی مخصوصی در انتهای لوله ترمومتر نزدیک مخزن جیوه قرار میدهند و هر بار که بخواهند آنرا بکار برند چندین بار ترمومتر را بطرف مخزن تکان شدید میدهند تا جیوه داخل لوله از خمیدگی بگذرد و کاملا وارد مخزن گردد.
ترمومتر و ترموکوپل
10
دما سنج گازی
جنس ، ساختمان ، و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را به کار می برند. تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه ، چینی ، کوارتز ، پلاتین یا پلاتین ـ ایریدیم ( بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن به کار می رود ) ، که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه ای متصل است، می باشد.
ترمومتر و ترموکوپل
11
دماسنج مایعی این نوع دماسنج یکی از رایج ترین انواع دماسنجهای مورد استفاد درصنعت و غیره می باشد. عمدتا این نوع دماسنج را بعنوان دماسنجهای جیوه ای یا الکلی می شناسیم. ساختمان این نوع دماسنجها از یک مخزن مایع و یک لوله مویین تشکیل شده که مایع درون مخزن در اثر انبساط از لوله مویین بالا رفته و دمای متناسب را نشان میدهد. دماسنج جیوه ای را می توان برای اندازگیری دما از 37.8- تا315 سانتی گراد استفاده نمود. اما اگرفضای بالای سطح جیوه را از گاز ازت پر نمایند ، می توان تا دمای 538 درجه از آن استفاده نمود.
ترمومتر و ترموکوپل
12
دماسنج انبساط سیال این نوع دماسنج یکی از باصرفه ترین ، رایج ترین و تطبیق پذیر ترین وسایل اندازگیری دما در صنعت میباشد.اساس کار این دماسنج در شکل مقابل نشان داده شده است.همانگونه که ملاحظه می شود با افزایش دما فشار درون حباب که می تواند محتوی مایع ، گاز یا بخار باشد ، بالا رفته و توسط فشار سنج اندازه گیری می شود. طول لوله مویین می تواند تا 60 متر باشد ؛ اما این مقدار بر دقت اندازه گیری دما تاثیر گذار خواهد بود.بهترین حالت زمانی است که از لوله مویین کوتاه که به یک ترانس دیوسر فشار الکتریکی متصل شده استفاده گردد.
ترمومتر و ترموکوپل
13
دماسنج الکتریکی
این نوع دماسنجها اصولا کاربردهای فراوانی در صنعت داشته و قادرند از دماهای پایین تا دماهای بسیار بالا را اندازه گیری نمایند.که عمدتا بصورت مقاومتی و ترموکوپل هستند.
ترمومتر و ترموکوپل
14
دماسنج با مقاومت الکتریکی
دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولا آن را به دور یک قاب نازک می پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می آید، جلوگیری کند. در شرایط ویژه می توان سیم را به دور جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است پیچید یا در داخل آن قرار داد. در گستره دمای خیلی پایین ، ( دماسنجهای مقاومتی معمولا از مقاومتهای کوچک رادیویی باترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد، تشکیل می شوند. این دماسنج را می توان بر روی سطح جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است سوار کرد یا در حفرهای که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد. دماسنج مقاومتی پلاتین را می توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره –253 تا 1200 درجه سانتیگراد به کار برد.
ترمومتر و ترموکوپل
15
دماسنج پر شده از مایع
دماسنج های پر شده از مایعی که از جیوه استفاده می کنند، به دلیل انبساط حرارتی کم جیوه، دارای حباب بسیار بزرگی هستند. حباب های پر شده از هیدروکربن به دلیل ضریب انبساط حجمی بیشتر هیدروکربن ها ، نسبتاً کوچکتر هستند. همچنین با چنین مایعاتی محدوده های باریکتری از دما اندازه گیری خواهند شد. دماسنج های پر شده از جیوه و یا مایع آلی با دوام بوده ومقیاس خطی دارند
ترمومتر و ترموکوپل
16
خطاهای اصلی عبارتند از :
1 ) خطای ارتفاع حباب 2 ) خطای دمای محیط
خطای دمای محیط :
خطای دمای محیط ناشی از اثر تغییر دمای محیط بر روی سیال موجود در لوله موئین و لوله بوردن است. در دماسنج با محفظه پر شده که یک سیستم بسته شامل حباب، لوله موئین و لوله بوردن است، هنگامی که سیال موجود درحباب در دمای مورد اندازه گیری قرار دارد سیال موجود در لوله موئین و لوله بوردن در دمای محیط قرار دارند. هرگونه تغییر در دمای محیط، فشار داخلی سیستم ونهایتاًًٌ بوردن را تحت تاثیر قرار می دهد و بنابراین قرائت دما با خطا توام خواهد بود. انتخاب حباب با حجم بسیار بزرگتر از حجم لوله موئین روشی جهت کاهش خطای محیط است. روشهای دیگر جبران خطا به صورت موردی و به صورت جبران کامل نیز وجود دارند.
ترمومتر و ترموکوپل
17
ترموکوپل
ترموکوپل وسیله دیگری است که برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل. از ان ساخته شده است گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم ـ ایرودیوم که 10 درصد پلاتینیوم دارد از صفر تا 1600 درجه است است. ترموکوپل یکی از انواع مولد برق است. ترموکوپل دو فلز غیرهم جنس است که از یک طرف به هم متصل اند. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند برق تولید می شود. البته برقی که به این صورت تهیه می شود بسیار کم است.به این صورت که وقتی به محل اتصال این دو مفتول حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر این مفتول ها بوجود می آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.
فلزات ترموکوپلی به طور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می شوند. این دو گروه تر موکوپل به ترموکوپلهای فلزپایه و ترموکوپلهای فلزات قیمتی معروفند.
ترمومتر و ترموکوپل
18
مزیت ترموکوپل:
1-به دلیل داشتن جرم کوچک ، خیلی سریع با سیستمی که اندازه گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می آید. 2-محدوده وسیع اندازه گیری 3-عملکرد خطی در محدوده اندازه گیری
معایب ترموکوپل:
دردمای پایین دارای دقت لازم نیستند
کاربرد در صنعت:
از جمله مهمترین کاربردهای ترموکوپل در صنایع را می توان در صنایع تولید لوزام گازسوز نام برد.بدین ترتیب که از ترموکوپل جهت ایمن سازی تجهیزات گاز سوز در مواردیکه شعله گاز به دلایلی (از جمله باد)خاموش می گردد،جهت قطع کردن گاز و جلوگیری از انتشار آن استفاده می گردد. ترموکوپل به دلیل ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافت حرارت،وسیله بسیار مفیدی در کنترل حرارت یا استفاده بعنوان کنترلر می باشد.
ترمومتر و ترموکوپل
19
دماسنج دو فلزی:
روش های اندازه گیری دما:
1)اندازه گیری دما به وسیله اثرات مکانیکی
2)اندازه گیری دما به وسیله اثرات الکتریکی
دماسنج های دو فلزی دماسنج هایی هستند که بر اساس تغییر ابعاد مکانیکی با تغییردر دما عمل می کند
دماسنج های دو فلزی شامل دو تکه فلزی هستند که با ضریب انبساط دمایی متفاوت به یکدیگر متصل شده اند.
این دماسنج ها تغییر دما را به جابجایی مکانیکی تبدیل می کنند .
وقتی نوار دو فلزی در معرض دمایی بالاتر از دمای محدوده انبساط دمایی دو فلز قرار گیرد به یک سمت خم خواهد شددر حالیکه اگر در معرض دمایی کمتر از محدوده دمایی قرار گیرد به سمت دیگر خم می شود.
ترمومتر و ترموکوپل
20
چون ضریب انبساط طولی دو فلز با هم متفاوت است سرعت انبساط آنها نیز در برابر گرما متفا وت بوده و در هنگام گرم شدن یکی از دو تکه فلزی زودتر انبساط پیدا می کند و طول آن بیشتر می شود و چون به فلز دیگر متصل است این انبساط طولی باعث خمیدگی نوار می شود
خمیدگی نوار دو فلزی با افزایش دما بیشتر می شود
ترمومتر و ترموکوپل
21
استفاده مکرر در دستگاههای کنترل دما به عنوان سوئیچ
روشن –خاموش
جنبش یا حرکت نوار دارای نیروی کافی برای جابه جا شدن .سوئیچ ها ی کنترل است
ترمومتر و ترموکوپل
22
ترمومتر و ترموکوپل
23
اگر دو تکه فلزی بعد از اتصال به شکل مارپیچ در آیند دماسنج حساس تری خواهیم داشت در این صورت اگر هنگام گرم شدن بیشتر منبسط شود مار پیچ باز می شود.
مزایا :
1-قیمت پایین
2-هزینه نگهداری ناچیز
3-عملکرد پایدار در سرتا سر دوره های طولانی زمان
ترمومتر و ترموکوپل
24
پیرومتر یا ترموالکتریک
ترمومتر دیگری در صنایع بکار میرود بنام : پیرومتر یا ترموالکتریک – اساس این ترمومتر بر این خاصیت است که اگر فصل مشترک دو سیم فلزی مختلف را حرارت دهیم جریان برق در آنها برقرار میشود و بوسیله یک «میلی آمپرمتر» دقیق میتوان ثابت کرد که هرچه درجه حرارت زیادتر شود شدت جریان حاصل نیز بیشتر خواهد شد و با اندازه گرفتن شدت جریان درجه حرارت را معلوم میسازند. باید دانست که اختراع ترمومتر را به بسیاری از دانشمندان نسبت میدهند ولی حقیقت آن است که گالیله دانشمند ایتالیایی پیش از سال 1597 م . این ابزار را اختراع کرده و سپس تکامل یافته است . (از لاروس قرن بیستم و کتاب فیزیک تالیف رهنما).
پیرومترهای غیر تماسی مادون قرمز با قابلیت اندازه گیری سریع دما بین 50- تا 1800 درجه سانتی گراد از فاصله زیاد به همت محققان ایرانی طراحی و ساخته شد
پیرومترها کاربرد بسیار وسیعی در بخش های مختلف صنعتی دارند به طوری استفاده از آنها در مواردی نظیر کنترل تولید آلیاژهای مختلف مواد، ریخته گری های دقیق با روش های مخصوص، عملیات حرارتی فلزات برای دستیابی به مشخصات فنی بالاتر، آبکاری های صنعتی، جوشکاری های دقیق و استاندارد، تولید محصولات پتروشیمی و سایر صنایع تا حد زیادی اجتناب ناپذیر است.
ترمومتر و ترموکوپل
25
پیرومترهای ساخته شده که به مرحله تولید انبوه نیز رسیده اند قادرند دما را از فاصله – حداکثر – هفت متری در بازه 50- تا 1800 درجه سانتی گراد در مدت زمانی کمتر از 50 میلی ثانیه اندازه گیری کنند. دستگاه پیرومتر تشعشع مادون قرمزی را که از جسم می آید اندازه گیری کرده و بدون نیاز به همدمایی یا تماس با آن، در مدت زمان بسیار کمی ، دمای جسم را نشان می دهد.
تفاوت پیرومتر با ترموکوپل های صنعتی
در ترموکوپل به دلیل نیاز به همدمایی غلاف ترموکوپل با ماده، باید آن را روی جسم قرار داد و زمان زیادی را برای این کار صرف کرد در حالی که در پیرومتر، سنسور با قرار گیری در محیط، دمای جسم را اندازه گیری کرده و از طریق نمایشگر رایانه یی به کاربر نشان می دهد. پیرومتر از سه قسمت اپتیکی، اپتوالکترونیکی و الکترونیکی تشکیل شده که با جریان 9 ولت و دقت اندازه گیری 2 درصد، عمل می کند.
دستگاه در سه بازه دمایی 50ـ تا 100 درجه، 100 تا 600 درجه و 600 تا 1800 درجه سانتی گراد طراحی شده که نمونه آخر در عملیات حرارتی بخش صنعت متقاضیان بیشتری دارد.
مزایای پیرومترها :
پیرومتر حالت عملیاتی دارد و با توجه به شرایط مختلفی که کاربر نیاز دارد، طراحی شده و با اتصال بی سیم به رایانه می تواند دیاگرام های دمای اندازه گیری شده را نشان دهد، ضمن آن که با توجه به تولید این دستگاه در داخل کشور، تعمیرات و کالیبراسیون آن به سهولت امکان پذیر است.