دما سنج

موضوع    :انواع دماسنج و کاربرد آنها

 

 

 

 

 

تَف سنج نوری :

 برای اندازه گیری دماهایی که بیش تر از گسترة دماسنجی ترموکوپل قرار دارند ، از وسیله ای به نام تف سنج نوری استفاده می شود .

این وسیله از یک تلسکوپ T ، که در لولة آن یک صافی شیشه ای F به رنگ قرمز و...

یک لامپ کوچک L تعبیه شده ، تشکیل شده است . اگر تف سنج به طرف کوره گرفته شود ، شخصی که به داخل تلسکوپ نگاه می کند ، رشته تیرة لامپ را بر روی زمینة روشن کوره ، مشاهده می کند . لامپ به باتری B و مقاومت متغیر (رئوستای) R وصل است . با حرکت دادن پیچ رئوستا و کاهش مقاومت آن می توان جریان عبوری از مدار را افزایش و در نتیجه روشنایی لامپ را زیاد کرد . مقاومت رئوستا را آن قدر کم می کنیم تا روشنایی لامپ درست برابر روشنایی زمینه شود.

با استفاده از دستگاهی که قبلاً در دماهای معلوم درجه بندی شده ، آمپرسنجA را در مدار ، می توان درجه بندی کرد تا مستقیماً دمای مجهول را اندازه بگیرد . در این روش چون لازم نیست که هیچ قسمتی از دستگاه با جسمی که می خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم ، تماس یابد، می توان از آن برای اندازه گیری دماهای بالاتر از نقاط ذوب اکثر فلزات به کار برد.

آذرسنج (Optical Pyrometer)
این نوع دماسنج که به آن دماسنج غیر تماسی هم گفته می شود ، بر پایه رنگ نور انتشار یافته از جسم بوده که در نهایت دمای جسم مورد نظر را براساس را اندازه گیری میکنیم این حقیقت که تمامی اجسام سیاه یک اندازه دمایی نور نشان خواهند داد ، نتیجه میگیریم که دامنه کاربردی این نوع دماسنج در دماهای بالای سرخ بوده و برای آهن تقریبا بالای 500 درجه سانتی گراد می باشد.
طرز کار:
نور ایجاد شده توسط جسم از درون یک سیستم اپتیکال (با بزرگ نمایی معین) که در درون آن یک لامپ گداخته کوچک فرار داده شده ، گذرانده می شود . (بدین ترتیب اگر کسی از درون چشمی بدرون این سیستم نگاه می کند ، نوری بسیار باریکی را ملاحظه خواهد کرد.) در برخورد این نور با فیلمان لامپ ، جریانی را از فیلمان عبور خواهد داد که تعیین کننده میزان دمای جسم است. این جریان توسط پتانسیومتری که بین منبع تغذیه (یک باطری) و لامپ قرار داده شده کنترل میگردد. برای نمایش دما از یک آم متر (ammeter ) استفاده میگردد. دامنه آم متر از 900F برای دمای 500 درجه سانتی گراد تا3000F برای دمای 1600 درجه سانتی گراد متغییر است.
آذرسنج ثبتگر و کنترلگر
در اغلب تأسیسات صنعتی، تنها نشان دادن دما توسط دستگاه کافی نیست و باید با قراردادن یک قلم متحرک به جای عقربه پتانسیل سنج دما را ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج ثبتگر نام دارد. همچنین با استفاده از مدارهای الکتریکی در دستگاه میتوان جریان گاز به مشعلها یا جریان برق به عنصرهای گرمایی را کنترل و دمای کوره را در مقدار مورد نظر ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج کنترل گرنام دارد. امکان طراحی وسیله ای برای ثبت و کنترل دما متشکل از یک یا چند ترموکوپل نیز هست.
آذرسنج تابشی
اصول کارکرد آذرسنج تابشی بر پایه یک منبع تابشی استاندارد به نام جسم سیاه یا تابشگر کامل قرار دارد. تابشگر کامل، جسمی فرضی است که کلیه پرتوهای تابیده به خود را جذب می کند. در دمایی یکسان، چنین جسمی سریعتر از هر جسم دیگر از خود انرژی می تابد. آذرسنج های تابشی، عموماً برای نشان دادن دمای تابشگر کامل یا دمای حقیقی درجه بندی می شوند.

آذر سنج نوری
ابزار تشریح شده در قسمت قبل که به تمام طول موجهای تابش پاسخ می دهد آذر سنج تابشی نام دارد. با اینکه اصول کارکرد آذر سنج نوری با اذر سنج تابشی یکسان است اما آذر سنج نوری با طول موج منفرد یا نوار باریکی از طول موج طیف مرئی کار میکند. آذر سنج نوری، دما را از طریق مقایسه درخشندگی نور گسیل شده توسط منبع، با نور گسیل شده از یک منبع استاندارد، اندازه می گیرد. برای سهولت مقایسه رنگها، یک فیلتر قرمز که تنها طول موج پرتو قرمز را عبور میدهد به کار می رود.

متداول ترین نوع آذرسنج نوری که در صنعت به کار می رود، نوع رشته پنهان شونده است. این آذرسنج شامل دو قسمت، یک تلسکوپ و یک جعبه کنترل است. تلسکوپ شامل یک فیلتر شیشه ای قرمز که جلوی چشمی نصب شده و یک لامپ با رشته درجه بندی شده است که عدسی های شیء تصویر از جسم مورد آزمایش را بر آن متمرکز می کند. این دستگاه دارای یک کلید برای بستن مدار الکتریکی لامپ و یک پرده جاذب برای تغییر گستره اندازه گیری دما توسط آذرسنج است.

گستره کاری آذرسنج نوری مورد بحث، از ˚760 تا  ˚1315 است. حد بالایی دما تا اندازه ای بستگی به خطر خراب شدن رشته و میزان خیره کنندگی ناشی از درخشش در دماهای بالاتر دارد. گستره دما ممکن است با به کارگیری پرده جاذب بین عدسی شیء و شبکه رشته به حد بالاتری افزایش یابد و به این وسیله سازگاری درخشش در دماهای پایینتر رشته ممکن می شود.بدین ترتیب با استفاده از دماهای پایینتر رشته، میتوان آذرسنج را برای دماهای بالاتر درجه بندی کرد. با به کارگیری پرده های جاذب مختلف، حد بالایی آذرسنج نوری را میتوان تا( ˚5500 تا ˚10000) یا بیشتر افزایش داد.

برخی از مزایای اذرسنج نوری و تابشی عبارتند از:

1. اندازه گیری دماهای بالا؛

2. اندازه گیری دمای اجسام دور از دسترس؛

3. اندازه گیری دمای اجسام کوچک یا متحرک؛

4. هیچ یک از قسمتهای دستگاه در معرض آثار مخرب گرما نیست.

محدودیتهای انها عبارتند از :

چون سازگاری نورسنجی بستگی به قضاوت فردی دارد، خطاهایی روی می دهد؛

به خاطر وجود دود یا گاز بین ناظر و منبع اشتباهاتی پدید می آید؛

 

 

دماسنج فرینه

این دماسنج نوع ویژه ای از دماسنج های مایعی است که بیشینه و کمینة دما را در مدت یک شبانه روز نشان می دهد . ویژگی های این دماسنج عبارتند از :

الف ـ یک شاخص فولادی که روی سطح جیوه در هر طرف لولة U شکل شناور است .

ب ـ هنگامی که دما بالا می رود ، به سبب انبساط الکل (در لولة سمت چپ) ، جیوه در لولة سمت راست را با خود بالا می برد . در این مرحله سطح الکل در لولة سمت راست نیز بالا می رود.

پ ـ در این هنگام محل تماس شاخص لولة سمت راست با جیوه ، بالاترین دما ، یا دمای بیشینه ای را که هوا به آن رسیده است نشان می دهد . اگر سطح جیوه در لولة راست پایین بیاید ، شاخص فولادی همراه با آن حرکت نمی کند و در همان محل قبلی خود در مقابل دمای بیشینه می ایستد .

ت ـ هنگامی که الکل به علت کاهش دما ، منقبض می شود ، جیوه از طرف چپ لولة U شکل بالا می رود و شاخص فولادی دیگر را در این طرف لوله بالا می راند . محل تماس شاخص فولادی با جیوه پایین ترین دما یا دمای کمینه را نشان می دهد . محل این شاخص نیز با گرم تر شدن هوا تغییر نمی کند .

ث ـ با استفاده از آهنربا ، این دو شاخص در پایان 24 ساعت شبانه روز به سطح جیوه بر گردانده می شوند تا برای روز بعد آماده باشند.

تَف سنج نوری : برای اندازه گیری دماهایی که بیش تر از گسترة دماسنجی ترموکوپل قرار دارند ، از وسیله ای به نام تف سنج نوری استفاده می شود .این وسیله از یک تلسکوپ T ، که در لولة آن یک صافی شیشه ای F به رنگ قرمز و یک لامپ کوچک L تعبیه شده ، تشکیل شده است . اگر تف سنج به طرف کوره گرفته شود ، شخصی که به داخل تلسکوپ نگاه می کند ، رشته تیرة لامپ را بر روی زمینة روشن کوره ، مشاهده می کند . لامپ به باتری B و مقاومت متغیر (رئوستای) R وصل است . با حرکت دادن پیچ رئوستا و کاهش مقاومت آن می توان جریان عبوری از مدار را افزایش و در نتیجه روشنایی لامپ را زیاد کرد . مقاومت رئوستا را آن قدر کم می کنیم تا روشنایی لامپ درست برابر روشنایی زمینه شود .

با استفاده از دستگاهی که قبلاً در دماهای معلوم درجه بندی شده ، آمپرسنج A را در مدار ، می توان درجه بندی کرد تا مستقیماً دمای مجهول را اندازه بگیرد . در این روش چون لازم نیست که هیچ قسمتی از دستگاه با جسمی که می خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم ، تماس یابد ، می توان از آن برای اندازه گیری دماهای بالاتر از نقاط ذوب اکثر فلزات به کار برد .

ترموکوپل 

یکی از انواع مولد برق است. ترموکوپل دو فلز غیرهم‌جنس است که از یک طرف به‌هم متصل‌اند. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند برق تولید می‌شود. البته برقی که به این صورت تهیه می‌شود بسیار کم است. به این صورت که وقتی به محل اتصال این دو مفتول حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر این مفتول‌ها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده‌است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

ترموکوپل یک ترانسدیوسر خود مولد است که از ایجاد دو یا چند اتصال بین فلزات با جنس متفاوت تشکیل شده‌است. بایستی توجه داشت که یک اتصال (اتصال سرد) بایستی دردمای مرجع قرار داده شود. به عنوان مثال اتصال مرجع را بایستی درظرف حاوی یخ در حال ذوب شدن نصب کرد. اتصال دیگر ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً متصل شود. فلزات ترموکوپلی به طور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند. این دو گروه تر موکوپل به ترموکوپلهای فلزپایه و ترموکوپلهای فلزات قیمتی معروفند.

امتیاز عمدة ترموکوپلها محدودة وسیع اندازه گیری آنهاست که به طور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپلها، عملکرد خطی آنها در محدوده اندازه گیری است.

اگر قسمت کوچکی نوک جوشکاری شده ترموکوپل برداشته شده و ترموکوپل داخل خط لوله جاسازی شود، دمای سیال جاری درداخل لوله، بدون هیچگونه زحمتی قابل اندازه گیری است. این نوع سنسورها در بازار موجود هستند و غالباً جهت اندازه گیری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترموکوپل‌ها دارای تیپ‌های متنوع برای اندازه گیری دما می‌باشند بطور مثال تیپ‌های R - S - B با قابلیت اندازه گیری دما در محدوه ۲۰۰- الی ۱۸۰۰ و تیپهای L - K- J با قابلیت اندازه گیری دما در محدوده ۱۸۰- الی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بکار می‌روند. ولتاژ بوجود آمده در دوسر انتهایی ترموکوپل در هر صورت میلی ولت ورفتار الکتریکی هر ترموکوپل بسته به نوع آلیاژ سیم‌های آن تابع جداول استانداردی است که معمولاً در استانداردهای کشورهای مختلف تعریف و تقریباً در هر تیپ منبطق بر یکدیگر است. یکی از انواع معمول آن ترکیب آلیاژکروم و نیکل می‌باشد. معمولاً جهت جلوگیری از آسیب دیدن ترموکوپل آن را درون غلاف فلزی یا سرامیکی قرار می‌دهند. روش جوشکاری دوسر ترموکوپل تابع ضوابط خاصی است بطوری که نباید در حین عملیات جوشکاری فلز یا احیاناً نیمه‌هادی دیگری در فرایند جوش دخالت نماید در غیر اینصورت رفتار ترموکوپل هرگز رفتار استاندارد تعریف شده تابع جداول مربوطه نخواهد بود.
ترموکوپها همواره پس از گذشت سالیان متمادی از بهترین سنسورها برای اندازه گیری دما می‌باشند زیرا با نقطه مورد نظر تماس برقرار نموده و دما را بصورت پتانسیل الکتریکی انتقال می‌دهند و ولتاژ با اتصال به اندیکاتور اندازه گیری و به صورت دما تحت تبعیت از جداول مورد بحث مشابه سازی شده و نمایش داده می‌شود. از این دستگاه برای اندازه گیری دماهای بالا(مثلاً در کوره‌های پخت محصولات سرامیکی)استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها اصولاً در دمای پایین داری دقت لازم نیستند ولی جهت سنجش دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد یکی از گزینه‌های خوب می‌باشند.

ترموکوپلها در صنعت دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. 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 مواردی که شعله گاز به دلایلی (از جمله باد) خاموش می‌گردد، جهت قطع کردن گاز و جلوگیری از انتشار آن استفاده می‌گردد. ترموکوپل به دلیل ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافت حرارت، وسیله بسیار مفیدی در کنترل حرارت یا استفاده بعنوان کنترلر می‌باشد. از جمله کاربردهای آن، به عنوان انواع [قطع کننده جریان گاز] می‌باشد.

در دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ روش های جدیدی برای سرد کردن اتم های گازی ابداع شد: سرد کردن لیزری و سرد کردن تبخیری. با تلفیق این دو روش، دسترسی به دماهای پایین تر از یک نانو کلوین (یک میلیاردم درجه کلوین) ممکن شده است. پایین ترین دمایی که تاکنون به آن دست یافته اند، دمای ۴?۰ پیکوکلوین است و تقریباً شش برابر کمتر از رکورد قبلی دما است. گروه ما توانسته است به این رکورد دما دست یابد که گزارشی از آن در شماره ۱۲ سپتامبر ۲۰۰۳ مجله ساینس به چاپ رسیده است. در سال های اخیر نیز دو جایزه نوبل برای توسعه این روش ها اهدا شد (سال های ۱۹۹۷ و ۲۰۰۱) در سردسازی لیزری، اتم ها نور لیزر را پراکنده می کنند. هر فوتون لیرز که با ماده برخورد می کند، جذب آن شده و مجدداً در جهت دیگری منتشر می شود. به طور متوسط، رنگ فوتون پراکنده شده نسبت به نور لیزر اولیه کمی به سمت آبی جابه جا می شود و این یعنی فوتون پراکنده شده انرژی بیشتری نسبت به فوتون جذب شده دارد.

از آنجایی که انرژی کل پایسته است، اختلاف در انرژی فوتون از حرکت های اتمی اخذ شده است و این یعنی حرکت اتم ها کند شده است. تغییر در طول موج این تابش ها به دلیل اثر داپلر (که این جابه جایی متناسب با سرعت های اتمی است) یا به دلیل جابه جایی استارک (که به واسطه میدان الکتریکی پرتوهای لیزر است) روی می دهد و بدین ترتیب می توان تفسیری از چگونگی کاهش انرژی اتم ها ارائه داد.

تفسیر دیگر، بر چگونگی انتقال اندازه حرکت (momentum) به اتم ها تأکید دارد. اگر اتم ها در معرض چندین پرتو لیزر با مقدار قطبیت و بسامد مشخص قرار گیرند، عمدتاً فوتون هایی را جذب می کنند که از طرف نیم کره جلویی می رسد. در این حالت زاویه ای اندازه حرکت زاویه ای فوتون و سرعت اتم ها با یکدیگر می سازند بیشتر از ۹۰ درجه است. اندازه حرکت فوتون مولفه ای دارد که مخالف جهت حرکت اتم است و در نتیجه اندازه حرکت فوتون جذب شده از سرعت اتم می کاهد. در مرحله بعدی نشر فوتون باز زاویه های مختلف روی می دهد و در نتیجه از متوسط چرخه های متعدد جذب و نشر فوتون، تغییری در اندازه حرکت به دلیل نشر فوتون روی نمی دهد. مرحله اساسی ایجاد شرایطی است. که اتم ها فوتون ها را عمدتاً از جهت جلو دریافت کنند، که این کار با استفاده از جابه جایی داپلر امکان پذیر است. وقتی که زاویه بین اندازه حرکت فوتون و سرعت اتمی بیش از ۹۰ درجه باشد، اتم و نور در خلاف جهت یکدیگر در حال حرکتند و جابه جایی داپلر منجر به افزایش بسامد می شود.

وقتی که نور لیزر برای تشدید اتمی در حالت قرمز تنظیم شده باشد، جابه جایی داپلر موجب افزایش تشدید و جذب اتمی می شود. برای نورهایی که از جهت عقب می آیند و زاویه بین اندازه حرکت فوتون و سرعت اتمی کمتر از ۹۰ درجه است، جابه جایی معکوس روی می دهد و نور را از تشدید اتمی دورتر کرده و در نتیجه جذب کمتری روی می دهد. وقتی که ابراتمی متراکم تر و سردتر شد، فرآیندهای سردسازی که در بالا تشریح شد، بر فرآیندهایی که موجب گرم شدن می شود، غلبه می کند. از فرآیندهایی که موجب گرم شدن می شود می توان به آزادسازی انرژی در اثر برخورد اتم ها و عقب نشینی اتفاقی در اثر پراکندگی اشاره کرد، هر چند که مقدار متوسط این حرکت ها صفر است اما باز هم موجب حرکت های ارتعاشی خفیفی در اتم ها می شود و در نتیجه دسترسی به پایین ترین دما را محدود می سازد. با این همه، اکنون اتم ها آنقدر سرد هستند که بتوان آنها را توسط میدان مغناطیسی محدود کرد. در این حالت اتم هایی انتخاب می شود که الکترون فرد و در نتیجه گشتاور مغناطیسی دارند.

در نتیجه این اتم ها همانند یک میله مغناطیسی کوچک عمل می کنند. میدان مغناطیسی خارج بر آنها نیرو وارد می کند، این نیرو با گرایش مقابله کرده و آنها را در فضا شناور نگه داشته و باعث می شود که در کنار یکدیگر بمانند، به عبارت دیگر اتم ها در یک قفس مغناطیسی که دیوارهای نامریی از جنس میدان های مغناطیسی دارد، گرفتار شده اند. برای سردسازی بیشتر از فرآیند سردسازی تبخیری استفاده می شود. این فرآیند با حذف اتم های پرانرژی از سیستم صورت می گیرد. همین فرآیند باعث سرد شدن فنجان قهوه می شود، وقتی که اکثر مولکول های پرانرژی به شکل بخار از فنجان خارج می شوند، متوسط انرژی و متعاقب آن دمای مولکول های باقی مانده کاهش می یابد.

در یک تله مغناطیسی، اغلب اتم های پرانرژی از سد کشش نیروی مغناطیسی گریخته و به فاصله های دورتری بروند، در نتیجه این اتم ها می توانند به مناطق با میدان مغناطیسی بالاتری نسبت به اتم های سردتر منتقل شوند.

در این میدان های مغناطیسی قوی، اتم ها با امواج رادیویی یا میکرو ویو تشدید حاصل می کنند، که باعث تغییر گشتاور مغناطیسی شده و در نتیجه اتم ها پرواز کرده و از تله مغناطیسی می گریزند. یک انیمیشن عالی از فرآیند سرد شدن را می توانید با مراجعه به نشانی زیر بیابید.اما چگونه می توان دمای بسیار پایین اتم ها را اندازه گرفت؟ یک روش ساده این است که به میزان گسترش ابر نگاه کنیم. هر چه ابر بزرگتر باشد، اتم ها پرانرژی تر هستند، زیرا توانسته اند به میزان بیشتری از میدان نیروی مغناطیسی فاصله بگیرند.این حالت شبیه جو زمین است، که حدود ۱۰ کیلومتر ضخامت دارد. این عبارت به این معنی است که اتم ها می توانند در دمای اتاق تا فاصله ۱۰ کیلومتری سطح زمین رفته و از میدان نیروی گرانشی سیاره ما فاصله بگیرند. اگر دمای سیاره ما ده مرتبه کمتر بود (یعنی حدود ۳۰ کلوین یا ۲۴۰ _ درجه سانتی گراد) آن وقت، ضخامت جو زمین فقط یک کیلومتر بود. در دمای ۳۰ میکرو کلوین جو متراکم شده و ضخامت آن فقط یک میلی متر می شد و در دمای ۳۰ نانوکلوین ارتفاع جو به یک میکرون یعنی به حدود یکصدم ضخامت تار موی انسان می رسید. (البته هوا گاز ایده آل نیست و در هنگام سرد شدن مایع می شود). در آزمایش های ما، اتم ها هم در معرض نیروی مغناطیسی و هم در معرض نیروی گرانشی قرار دارند. در مرکز این نیروی گرانشی کاملاً با نیروی مغناطیسی خنثی می شود.اندازه ابر الکترونی با استفاده از نور لیرز مشخص می شود، اتم ها نور لیزر را کاملاً جذب می کنند و در نتیجه یک سایه تشکیل می شود. با استفاده از چندین لنز، تصویر این سایه روی یک حسگر الکترونیک مشابه همان حسگرهایی که در دور بین های دیجیتال وجود دارد، منتقل می شود. از آنجایی که شدت میدان مغناطیسی با دقت مشخص شده است، اندازه ابر معیاری مطلق از انرژی و در نتیجه دمای اتم هاست. (به عبارت دقیق تر چگالی توزیع اتم ها نشان دهنده توزیع انرژی پتانسیل است) روش دیگر برای تعیین دما، اندازه گیری انرژی جنبشی اتم هاست.

برای انجام این کار تله مغناطیسی را با قطع جریانی که از سیم پیچ مغناطیسی می گذرد، به طور ناگهانی قطع می کنند. در غیاب نیروی مغناطیسی، اتم ها به آسانی منتشر شده و ابر به طور بالیستیک منبسط می شود. با گذشت زمان اندازه ابر گسترش می یابد که میزان این گسترش به طور مستقیم نشان دهنده سرعت اتم ها و در نتیجه دمای آنهاست (به عبارت دقیق تر، تصویر جذبی از یک ابر در حال انبساط توزیع انرژی جنبشی در ابر را نشان می هد.) برای یک زمان مشخص از انبساط بالیستیک، اندازه سایه، بیانگر میزان دما است. (دما متناسب با مربع اندازه ابر است) دستیابی به دماهای پایین تر و پایین تر به وسیله انقباض سایه نشان داده می شود.