وب سایت تخصصی مهندسی ابزاردقیق

تجهیزات اندازه گیری دما

واحدهای اندازه گیری دما

  • °C – درجه سلسیوس یا سانتیگراد
  • °F – درجه فارنهایت
  • K – درجه کلوین
  • R – درجه رانکین

ارتباط واحدهای اندازه گیری دما

  • °C = (°F - 32)/1.8
  • °F = 1.8 x °C + 32
  • K = °C + 273.15
  • R = °F + 459.67

انواع تجهیزات اندازه گیری دما

معمول ترین تجهیزات اندازه گیری دما که در صنعت استفاده میشوند عبارتند از:

  1. ترموکوپل (T/C)
  2. حسگرهای دمای مقاومتی (RTD )
  3. ترمیستور
  4. بیمتال
  5. دماسنج های پرشده
  6. دماسنج مادون قرمز

ترموکوپل

مدار اندازه گیری دما در ترموکوپل

در سال 1821 سیبک، دانشمند آلمانی، اثر ترموالکتریک را کشف کرد که پایه تکنولوژی ترموکوپل مدرن را پایه نهاد.

او مشاهده کرد که در یک مدار الکتریکی بسته، متشکل از دو فلز متفاوت، اختلاف دما باعث ایجاد جریان الکتریکی میشود.

بدین معنی که بین آن دو نقطه با دمای متفاوت، اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود می آید.

Thermocouple-fig001

اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود آمده به جنس فلزات استفاده شده و تفاوت دما بین دو نقطه اتصال بستگی دارد.

اگر دمای دو نقطه اتصال یکسان باشد، اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود آمده در دو نقطه یکدیگر را خنثی کرده و جریان الکتریکی در مدار بوجود نخواهد آمد.

تفاوت دمای بین دو نقطه اتصال باعث ایجاد اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی در دونقطه و در نتیجه جریان الکتریکی در مدار می شود.

بنابراین ترموکوپل می تواند فقط اختلاف دمای بین دونقطه اتصال را اندازه گیری کند ونه دمای مطلق یک نقطه را، که این امر مبنای استفاده از ترموکوپل کاربردی را بیان می کند.

برای اندازه گیری دمای یک نقطه، یکی از نقطه های اتصال در یک دمای مشخص به عنوان دمای مرجع نگه داشته می شود (نقطه اتصال سرد) و نقطه دیگر اتصال در محلی که قرار است دمای آن اندازه گیری شود، قرار می گیرد.

بنابراین دمای نقطه مورد نظر طبق فرمول زیر محاسبه می شود:


Seebeck Coefficient

ثابت سیبک برای هر ماده ای در دمای اتاق متفاوت است.

داشتن یک نقطه اتصال به دمای مشخص در محیط آزمایشگاه بسیار مفید است، اما برای اکثر محیطهای صنعتی اندازه گیری و کنترل سهل و مناسب نیست.

بدین منظور بجای آن، با استفاده از تجهیزات حساس به دما مانند ترمیستور یا دیود و اندازه گیری دمای محل اتصال سیمها داخل تجهیز ابزاردقیق (ترموکوپل)، و با دقت جهت کاهش هرگونه اختلاف دما بین ترمینالها، یک نقطه اتصال سرد مجازی (نقطه دمایی مرجع مجازی) می سازند.

بدین ترتیب، اختلاف پتانسیل نقطه اتصال سرد میتواند پس از اعمال اصلاحات مناسب، شبیه سازی شود.

به این عمل جبرانسازی نقطه اتصال سرد (نقطه دمایی مرجع) می گویند.


ساختار ترموکوپل

Thermocouple-fig002

  • معمولا المنت (حسگر) داخل ترموول قراردارد.
  • عموما قطر خارجی المنت یک چهارم اینچ است.
  • معمولا ماده پوسته دور المنت از Stainless Steel است، که البته در موارد خاص میتوان مواد ویژه ای نظیر Inconel، Incoloy ، Hastelloy و Monel باشد..
  • ترموکوپل دوپلکس دارای دو المنت داخل یک پوسته است.

ترکیب آلیاژ هادی های ترموکوپل استاندارد

کد ترکیب آلیاژ هادی رنج کاری - فارنهایت
B Platinum-30% Rhodium / Platinum-6% Rhodium +2500 to +3100
C Tungsten-5% Rhenium / Tungsten-26% Rhenium +3000 to +4200
D Tungsten-3% Rhenium / Tungsten-25% Rhenium +2800 to +3800
E Nickel Chromium / Constantan 0 to +1650
J Iron / Constantan +0 to +1400
K Nickel Chromium / Nickel Aluminium 0 to +2300
N Nickel-Chromium-Silicon / Nickel-Silicon-Magnesium 1200 to +2300
R Platinum-13% Rhodium / Platinum 1600 to +2600
S Platinum-10% Rhodium / Platinum 1800 to +2600
T Copper / Constantan -300 to +650

رنگهای مختلفی برای سیمهای اتصال انواع مختلف ترموکوپل تعریف شده است.

در API 551 انواع ترموکوپل و رنج پیشنهادی استاندارد ISA/ASTM به شرح جدول زیر مشخص شده اند:


Thermocouple-API551

نکته: در دماهای بسیار بالا باید حتما از ترموول های سرامیکی استفاده شود.

موارد زیر باید در انتخاب ترموکوپل مناسب برای کاربرد مورد نظر حتما در نظر گرفته شود:

  • دما (انتخاب نوع ترموکوپل J ، K ، M ، و غیره)
  • زمان پاسخ ( هرچه قطر المنت بیشتر باشد زمان پاسخ کمتر است)
  • عمر مفید ( هر چه قطر المنت بیشتر باشد عمر مفید بیشتر است)

همانطور که قبلا گفته شد ثابت سیبک برای هر ماده در دمای اتاق متفاوت است، بنابراین هر نوع ترموکوپل ثابت سیبک متفاوتی دارد:

نوع ترموکوپل ثابت سیبک در دمای اتاق(µV/ºC)
J 50
K 40
E 60
R 11
S 10
T 38

انواع اتصال ترموکوپل

دو نوع نقطه اتصال بطور معمول استفاده می شود:

  1. نوع A ( زمین شده ) که سر ترموکوپل به منظور پاسخ سریعتر و کاهش اغتشاشات الکتریکی به پوسته که دارای اتصال زمین است جوش داده شده است.
  2. نوع B ( زمین نشده ) که سر ترموکوپل از نظر الکتریکی از پوسته ایزوله شده است و پاسخ کند تری دارد.
  3. نکته: نوع اتصال رهاشده که نقطه اتصال تروکوپل خارج از پوسته و در تماس مستقیم با مواد فرایند است توصیه نمی شود.

Thermocouple-Junction Type

استاندارد های زیر مشخصات ترموکوپل ها را بیان می کنند:

  • IEC 60584-1: Thermocouples: basic and tolerance values of the thermoelectric voltages
  • IEC 60584-3: Thermocouples: Thermocouple cables and compensating cables
  • ASTM E230: Standard specification and temperature-electromotive force (EMF) tables for standardized thermocouples.

دقت ترموکوپل

اختلاف پتانسیل تولید شده توسط ترموکوپل در رنج میلی ولت و ضعیف است، و خطای ترانسمیتر ارسال کننده این مقدار اندازه گیری شده نیز حدود 0.01 میلی ولت درنظر گرفته میشود، بنابراین خطای کلی ترموکوپل می تواند کمتر از 1 درجه سانتیگراد باشد.

برای رنج های کوچک اندازه گیری دما این میزان خطا قابل قبول نیست، بنابراین پیشنهاد میگردد از ترموکوپل برای اندازه گیری دماهای بالا استفاده شود.

برای اندازه گیریهای دماهای پایین و متوسط (-200 تا +600 درجه سانتی¬گراد)، معمولا از RTD های Pt100 استفاده می شود.


Thermocouple-Junction Type

خطای اندازه گیری کل حاصل جمع خطای سیم های ترموکوپل، سیم های رابط اتصالی و خطای پردازشگر سیگنال (ترانسمیتر) می باشد.

برای کاهش خطای سیم های رابط اتصالی و تاثیرات محیطی، طول سیم های رابط باید در حد امکان کوتاه باشد.

بدین منظور بهترین راه حل، نصب ترانسمیتردر نزدیک ترین فاصله ممکن یعنی داخل محفظه بالای ترموکوپل است.


حسگرهای دمای مقاومتی (RTD )

حسگرهای دمای مقاومتی (RTD ) براساس این اصل که مقاومت الکتریکی فلزات خاصی در اثر تغییر دما با رفتار تکرارپذیر و قابل تکراری افزایش یا کاهش می یابد ، کار می کنند.

هنگامی که دمای فلز افزایش می یابد، مقاومت آن فلز در برابر جریان الکتریکی افزایش می یابد.

بطور مشابه، هنگامی که دمای المنت مقاومتی RTD افزایش یابد، مقاومت الکتریکی که براساس اهم (Ω) اندازه گیری می شود، افزایش می یابد.


RTD

المنت های RTD معمولا بر اساس مقاومت الکتریکی آنها در دمای صفر درجه سانتی گراد، مشخص می شوند.

به دلایل زیر، پلاتین معمول ترین فلز برای المنت RTD است:

  1. خنثی بودن شیمیایی
  2. رابطه دما به مقاوت نزدیک به رابطه خطی
  3. ضریب دما-مقاومت بزرگ به نحوی که تغییرات مقاومت آن با دما قابل اندازه گیری است
  4. پایداری ( که درآن مقاومت دمایی آن با گذشت زمان تغییر شدید ندارد)

مقاومت الکتریکی پلاتین برابر با 100 اهم در دمای صفر درجه سانتی گراد است، به همین دلیل با عبارت “Pt100”شناخته می شود.


المنت RTD

  1. المنت سیم پیچ
  2. طول بسیار دقیقی از سیم، دور یک قالب یا دوک سرامیگی پیچیده می¬شود، سپس داخل یک غلاف سرامیکی که نقش محافظت از سیم پیچ را دارد، قرارداده می شود.


    RTD Wire Wound

  3. المنت کویل(سیم پیچ) داخلی
  4. سیمها بعد از پیچیده شدن، داخل سوراخهای یک ایزوله کننده سرامیکی قرار داده می شود.

    برخی از سازندگان بعد از قراردادن سیم پیچها، داخل سوراخها را با پودر سرامیک پر می کنند.

    این کاراز اتصال داخلی و کوتاه شدن سیمها جلوگیری می کند.


    RTD Inner Coil

  5. المنت ورقه نازک
  6. یک صفحه سرامیکی با لایه ای از جوهر فلزپوشانده می شود. سپس بوسیله لیزر روی آن کنده کاری می شود تا یک مسیر مقاومت الکتریکی بوجود آید. قطعه ساخته شده بصورت کپسول، جهت محافظت در پوشش سرامیکی قرار می گیرد.

    این نوع المنت نسبت به المنت سیم پیچ ارزانتر است و پاسخ سریعتری دارد.


    RTD Thin Film


پل وتستون

معمول ترین روش برای اندازه گیری مقاومت RTD ، استفاده از پل وتستون است.

درپل وتستون در صورتی که مقاومتهای دو طرف پل برابر نباشند، یک جریان الکتریکی از پل عبور می کند . در مدار زیر جریان عبوری از پل بیانگر مقاومت RTD است.


Wheatstone bridge

دقت RTD

خطای سنسور RTD کلاس A برابر با ±0.03 درجه سانتی گراد یا 0.01% محدوده و رنج اندازه گیری (span ) و خطای سنسور RTD کلاس B برابر با ± 0.3درجه سانتی گراد یا 0.12% محدوده و رنج اندازه گیری (span) است.

با درنظر گرفتن همه خطاها، شامل خطاهای سنسورو قسمتهای الکتریکی ترانسمیتر، خطای کل برای RTD Pt100 کلاس A حدود 0.015% رنج اندازه گیری است.


سیم بندی المنت RTD

المنت RTD ابتدایی یک تجهیزدوسیمه است که انتهای این دو سیم به سیم های ارتباطی متصل می شوند، سپس این سیم های ارتباطی به سیمهای مسی برای افزایش طول وصل می شوند.


2wire RTD

اگر مقاومت این سیمهای ارتباطی را درنظر بگیریم ، طرح دقیق مداربالا بصورت زیر خواهد بود:


2wire RTD accurate

مقاوت این سیم های ارتباطی می¬تواند بشدت دقت اندازه گیری دما را کاهش دهد.

برای جبرانسازی مقاومت این سیمهای ارتباطی، سیم بندی 3 سیمه می تواند مورد استفاده قرارگیرد، که در این طرح مقاومت سیم های ارتباطی، در دو طرف مقابل هم درپل وتستون 3 سیمه قرارمی گیرند. در نتیجه اثر امپدانسی آنها خنثی می شوند.


3wire RTD

طرح دقیق مدار اندازه گیری RTD سه سیمه بصورت زیر است:


3wire RTD accurate

سیم بندی 4 سیمه جبرانسازی بیشتری انجام می دهد، بنابراین با آن حداکثر دقت بدست می آید.

در سیم بندی 4 سیمه ولتاژ خوانده شده در پل وتستون مستقیما متناسب با مقاومت RTD است و به طول سیمهای ارتباطی حساس نیست.


4wire RTD

طرح دقیق مدار اندازه گیری RTD چهار سیمه بصورت زیر است:


4wire RTD accurate

RTD چهار سیمه در مقایسه با RTD سه سیمه بسیار دقیقتر و گرانتر است.

RTD چهار سیمه در آزمایشگاهها و تجهیزات کالیبراسیون استفاده می شود.


کاربرد متداول RTD

اغلب RTD به عنوان ترانسمیتر دما در صنایع مختلف برای اندازه گیری دما با سیگنال خروجی 4 ~ 20 میلی آمپر برای دماهای پایین ومتوسط استفاده می شود.

متداولترین و مناسب ترین RTD برای اکثر صنایع مانند نفت و گاز، پتروشیمی و نیروگاهها، که قیمت و دقت قابل قبولی داشته باشد RTD سه سیمه Pt100 است.


جدول مقایسه RTD و ترموکوپل

RTD ترموکوپل
محدوده دما -328°F to 1562°F -310°F to 3308°F
دقت ±0.001°F to 0.1°F ±1°F to 10°F
زمان پاسخ متوسط سریع
پایداری بلند مدت- 0.1% در 5 سال کوتاه مدت- 1درجه فارنهایت در 1 سال
خطی بودن عالی متوسط
حساسیت زیاد کم
کاربردهای دارای لرزش ضعیف خوب

ترمیستور

ترمیستورها حسگرهای دمایی مشابه RTD ها هستند که مقاومت آنها در اثر تغییر دما تغییر می کند.

دو نوع ترمیستور وجود دارد:

  • ترمیستور NTC
  • ترمیستور PTC

مقاومت ترمیستورNTC با افزایش دما کاهش و مقاوت ترمیستورPTC با افزایش دما افزایش می یابد.

ترمیستور NTC نسبت به ترمیستور PTC بسیار حساس تر است.

ترمیستورهای NTC بیشتر از ترمیستورهای PTC برای اندازه گیری دما استفاده می شوند.

ترمیستورها یک جایگزین ارزان برای RTD ها در رنج دمایی زیر 150 درجه سانتی گراد می توانند باشد.

ترمیستورها می توانند در رنج دمایی -80 تا 300 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار گیرند.

ترمیستورها بسیار حساسند (تا 100 برابر RTD و 1000 برابر ترموکوپل) و تغییرات بسیار کوچک دما را میتوانند حس کنند. همچنین بسیار سریع هستند.

به دلیل همین سرعت و حساسیت بالا، ترمیستورها در کاربردهای کنترل دقیق دما و زمانی که تغییرات دمای بسیار کوچک باید حس شوند، استفاده می شوند.

به دلیل مقاوت الکتریکی بزرگ ترمسیتورها، خطای ناشی از مقاومت سیم های ارتباطی قابل ملاحظه نیست، بنابراین پلهای 3 سیمه و 4 سیمه برای ترمیستورها استفاده نمی شود.

ترمیستورهای NTC از مواد نیمه هادی سرامیکی اکسید فلزاتی مانند، نیکل ، منگنز، مس و روی و... ساخته می شوند.

ترمیستورهای PTC از سیلیسیوم، باریوم، قلع و... ساخته می شوند.

تغییر در مقاومت ترمیستورها به دما بسیار غیر خطی است.


انواع المنت ترمیستور

معمول ترین نوع المنت ترمیستورها دانه تسبیحی و چیپستی هستند; انواع دیگری نیز مانند واشری، دیسکی و میله ای وجود دارند.

Bead Thermistor
Surface (Chip) Thermistor

دقت ترمیستور

عدم دقت و خطا در ترمیستورها بصورت کلی 0.006 تا 0.6 درجه سانتی گراد و اگر کالیبره شوند برابر با 0.003 درجه سانتی گراد است.


مقایسه عملکرد خطی

نمودار زیر نشان می دهد که RTD خطی ترین دستگاه اندازه گیری دما در مقایسه با ترموکوپل و ترمیستور است.

به همین دلیل از RTD ها در لوپ های کنترلی به عنوان ترانسمیترهای دما برای ارسال سیگنال آنالوگ ( 4 ~20 میلی آمپر) به سیستم کنترل استفاده می شود.

Linearity Comparison

دماسنج های بی متال

حجم فلزات با تغییر دما تغییر می کند و ضریت این تغییر، از فلزی به فلزی دیگر فرق دارد.

این مبنای عملکرد دماسنج های بی متال است.

اگر دو نوار صاف فلزی به یکدیگر متصل و محکم شوند و حرارت ببینند، مجموعه آنها به سمت فلزی که نرخ انبساط کمتری دارد خم می شود.

این خم شدن و حرکت می تواند با درست کردن نوارهای تابیده شده بصورت حلزونی یا مارپیچ، تشدید شود.


Bimetallic Strip

دماسنج های بی متال بطورمعمول جهت نمایش محلی دما به عنوان گیج دما استفاده می شوند.

بیمتال مارپیچ بصورت محوری، با سرما و گرما بالا و پایین می رود.

این حرکت باعث حرکت محوری عقربه، که به انتهای بیمتال مارپیچ متصل است، می شود.


Helix Bimetallic Strip

دماسنج های بی متال، همچنین می توانند به عنوان سوییچ دما که در آن حرکت نوارمارپیچ در یک نقطه مشخص، که نمایان کننده یک دمای مشخص است، کنتاکت یک سوییچ را باز یا بسته می کند، استفاده شود.

در برخی از موارد می توانیم گیج- سویچ دما، که دارای دو عملکرد فوق الذکر بصورت یکجا است استفاده کنیم.

این دستگاه مانند گیج دما، دما را نمایش می دهد و یک سویچ قابل تنظیم روی دمای مورد نیاز دارد.


Temperature gauge & switch

نقطه قوت دماسنج های بی متال ارزانی و سادگی آنهاست.

نقطه ضعف دماسنج های بی متال این است که ممکن است در شرایط سخت، تنظیم و کالیبره بودن خود را از دست بدهند.


دقت دماسنج های بی متال

طبق استاندارد ASME B.40.200 ، 4 درجه دقت برای دماسنج های بی متال تعریق شده است:

درجه های دقت A ، B ، C ، D و AA .

دقت درجه A برابر با ±1% رنج اندازه گیری است.


ASME B.40.200 Bimetallic Thermometer Accuracy

دماسنج های پرشده

ابتدایی ترین دماسنج پرشده، دماسنج طبی است که شامل یک حباب شیشه ای پرشده با الکل یا جیوه و یک لوله شیشه ای مدرج است.

زمانی که دمای حباب شیشه ای بالا می رود، مایع داخل حباب منبسط می شود و در لوله مدرج بالا می رود.

دماسنج های پرشده صنعتی مشابه گیج های فشار هستند که بوسیله یک تیوب با سوراخ نازک به یک حباب پرشده وصل شده است.

حباب می تواند با مایع، گاز یا بخار پرشود.


Filled Thermal System

دسته بندی دماسنج های پرشده

دماسنج های پرشده بر اساس ماده ای که با آن پر شده اند دسته بندی می شوند.

  • کلاس I : پرشده با مایع
  • کلاس II : پرشده با بخار
  • کلاس III : پرشده با گاز

لطفا توجه فرمایید که دماسنج های پرشده با جیوه به دلیل خطرات آن برای سلامتی و ملاحظات زیست محیطی، دیگر استفاده نمی شوند.

جدول زیر یک مقایسه خوب از کلاسهای مختلف دماسنج های پر شده ارائه می دهد:

Filled thermometer classes

یک نکته مهم که درمورد دماسنج های پرشده که باید مورد توجه قرارگیرد، پاسخ زمانی آنهاست.

پاسخ زمانی دماسنجهای پرشده به ماده پرشده، شکل حباب ، قطر لوله یا تیوب و ... آنها بستگی دارد.

دماسنج های پرشده با گاز و بخار نسبت به دماسنج های پرشده با مایع پاسخ زمانی سریعتری دارند.

پاسخ زمانی با دوبرابر کردن قطر حباب، دو برابر می شود.

همچنین اگر حباب داخل ترموول قرارگیرد، پاسخ زمانی طولانی تر می شود.


دماسنج های پر شده با مایع

مایعی که این نوع دماسنج ها با آن پر می شوند، معمولا زایلین (C8H10 ) است که یک هیدروکربن خنثی است.

فشار سیستم این دماسنج ها باید از فشاربخارشوندگی مایع پر کننده بیشترباشد تا از بوجود آمدن حباب در لوله یا تیوب ارتباطی جلوگیری شود.

رنج پایین این دماسنج با توجه به نقطه انجماد مایع پر کننده و رنج بالای آن براساس دمایی که آن مایع دیگر درآن دما پایدار نیست، تعیین می شود.

محافظت عبور از رنج دماسنج های پرشده با مایع معمولا 100% رنج اندازه گیری است.


دماسنج های پر شده با بخار

در این نوع از دماسنج، حباب و لوله ارتباطی، هم با مایع و هم بخار ماده، پر شده است.

فشارسیستم این دماسنج تابع فشاربخارشوندگی ماده پر کننده در دمای کارکرد است.

معمولا سیالهای زیربه عنوان ماده پر کننده استفاده می شوند:

متیل کلراید، دی اکسید سولفور، بوتان، پروپان، هگزان، متیل اتر، اتیل کلراید، اتیل اتر، اتیل الکل، کلروبنزن.

برای رنج های دمایی پایین اتان با فشار بخار شوندگی 1.4 تا 41 بار در رنج دمایی -73 تا 29 درجه سانتی گراد، و برای رنج های دمایی بالا اتیل کلراید با همان فشار بخارشوندگی، اما در رنج دمایی 38 تا 177 درجه سانتی گراد می توانند استفاده شوند.

بالاترین دما به نقطه بحرانی سیال پرکننده محدود می شود و پایین ترین دما در نتیجه کاهش حساسیت خواندن دما زمانی که تغییرات فشار بخارشوندگی نسبت به تغییرات واحد دما در دماهای پایین بسیار کم است، متناسب با آن ماده تعیین می گردد.

محدوده عبورازرنج دماسنج های پرشده با بخاربسیارکم است، زیرا فشاربخارشوندگی تمایل دارد با دما، بصورت نمایی افزایش یابد.


دماسنج های پرشده با گاز

مبنای عملکرد دماسنج های پرشده با گاز به این صورت است که فشار گاز کامل محدود شده در حجم ثابت متناسب با دمای مطلق آن است.

گازهای استفاده شده در این دماسنج ها گاز کامل نیستند اما اختلاف بقدری کم است، که از اندازه گیری فشار می توان برای مشخص کردن دما آنها استفاده کرد.

نیتروژن متداول ترین گاز برای دماسنج های پرشده با گاز است، زیرا یک گاز ذاتی و ارزان است، اما برای دماهای پایین هلیم بهتر است.

رنج پایین دما در دماسنج های پرشده با گاز به دمای بحرانی گاز پرکننده (معمولا نیتروژن یا هلیم) محدود می شود.

رنج بالایی دما به ماده سازنده حباب بستگی دارد.

رنج نهایی اندازه گیری می تواند 1200 درجه فارنهایت ( 667 درجه سانتی گراد) باشد، که فقط به عوامل غیرخطی ناشی ازشار جرمی از حباب محدود می شود.

پایین ترین رنج دمایی نیز به فشاری که در آن تیوب بوردون بیش از حد تحمل فشرده نشود، محدود می گردد.

سرعت پاسخ دماسنج های پر شده با گاز معمولا خوب است.


دماسنج های مادون قرمز

فیزیکدانان دریافتند که حرارت، به عنوان شکلی از انرژی، از ماده ای به ماده ای دیگر با روشهای: هدایت مستقیم، همرفت، تابش و تغییر فاز منتقل می شود، زیرا انرژی جنبشی یا حرارت می خواهد به تعادل برسد.

تابش یکی از مهم ترین راههای انتقال حرارت است. زمین انرژی خورشید را از طریق تابش دریافت می کند.

همه ذرات باردار متحرک یک جسم، از خود امواج الکترومغناطیس ساطع می کنند که با سرعت نور (299792 کیلومتر در ساعت ) حرکت می کند.

وقتی که این موج الکترومغناطیسی به ذره دیگری برخورد می کند، این تابش بصورت انرژی جنبشی دریافت می شود.

طول موج ، موج الکترومغناطیسی تابش شده از یک جسم متناسب با دمای آن جسم است.

وقتی دما بالا می رود، طول موج کم می شود و فرکانس بالا می رود.

بنابراین اگر طول موج ، موج الکترومغناطیسی تابش شده از یک جسم را با تابش سنج اندازه گیری کنیم، می توانیم دمای آن جسم را دریابیم.

برای اجسام بسیارداغ، طول موج در محدوده اشعه ایکس یا اشعه گاما است.

طول موج اشعه مادون قرمز 2 تا 20 میکرومتر است، یعنی می توانیم دمای اجسام را تقریبا ازمنفی100 تا مثبت 1500 درجه سانتی گراد، با دستگاه سنجش مادون قرمز اندازه گیری کنیم.

در کاربردهای صنعتی معمولا رنج دمای مورد اندازه گیری در محدوده اشعه مادون قرمز است. به همین دلیل به تابش سنجها در صنعت، دماسنج مادون قرمز می گویند.


دسته بندی تابش سنجها از نظر طراحی

پهنای باند وسیع یا تابش کامل
زمانی که طیف کامل از 0.3 تا 15 میکرومتر استفاده شود.
پهنای باند کم
وقتی که یک قسمت کوچک از طیف استفاده شود. اگر طیف مرئی استفاده شود به آن تابش سنج نوری می گویند.
نسبی یا دو-رنگ
وقتی نسبت شدت 2 طول موج اندازه گیری شود.
مادون قرمز
وقتی طیف مادون قرمز (0.7 تا 15 میکرومتر ) استفاده شود.
IR thermometer

دماسنج مادون قرمز چگونه کار می کند؟

دماسنج مادون قرمز دارای یک سیستم نوری شامل لنز، فیلتر و حسگرمی باشد.

این سیستم نوری انرژی مادون قرمز تابش شده از جسم را دریافت می کند و بعد از عبوراز یک فیلترآن را روی حسگرمتمرکز می کند.

حسگر، انرژی دریافتی را به سیگنال الکتریکی که مشخص کننده دما است، تبدیل می کند.


انواع حسگر دماسنج مادون قرمز

دو نوع حسگر وجود دارد: حسگر حرارتی و حسگر تصویری

حسگرهای تصویری پاسخ سریعتری دارند و به طول موج حساسترند، اما حرارت حسگر روی آنها تاثیر می گذارد، به همین دلیل نیاز به تجهیزات خنک کننده دارند.

برای انتخاب دستگاه اندازه گیری مناسب عوامل زیر می تواند درنظر گرفته شود و با سازنده مورد بررسی قرارگیرد:

  • دمای نقطه هدف برای اندازه گیری
  • نوع ماده هدف و شدت تابش آن
  • زاویه دید و فاصله
  • نوع حسگر و حساسیت آن
  • دمای محیط
  • شرایط محیطی و جوی بین دستگاه و هدف

کاربردهای دماسنج مادون قرمز

دماسنج مادون قرمز در کابردهایی که دماسنج غیر تماسی و قابل حمل مورد نیاز باشد، استفاده می شود.

اهداف بسیار داغ مانند کوره ها، یا اهداف با ولتاژ بالا مانند بوشینگ ترانسفورماتورهای قدرت معمول ترین موارد استفاده دماسنج های مادون قرمز هستند.


دقت دماسنج های مادون قرمز

خطای دماسنج مادون قرمز 0.05 تا 2 درصد مقدار خوانده شده است. در شرایط آزمایشگاهی دقت می تواند تا 0.1 درجه سانتی گراد باشد.


نکات خلاصه شده انتخاب تجهیزات اندازه گیری دما

  • برای ترانسمیترهای دما دردمای متوسط، معمولا RTD نوع Pt100 استفاده می شود.
  • برای ترانسمیترهای دما در دمای بالا، معمولا از ترموکوپل است استفاده می شود.
  • برای گیج های دما از بی متال استفاده می شود.
  • برای سویچ های دما معمولا از ترمیستور به دلیل سرعت و حساسیت بالا استفاده می شود.
  • به دلایل زیر در مدرک مشخصات فنی اکثر پروژه ها، استفاده از دماسنج های پرشده منع شده یا توصیه نمی شود:
    • پاسخ زمانی کند ( تقریبا 20 ثانیه هنگامی که داخل ترموول باشد)
    • قابل دستیابی نبودن رنج های اندازه گیری کوچک
    • مناسب نبودن برای دماهای بالا
    • تاثیرمتقابل تنظیم نقطه صفر و تنظیم رنج اندازه گیری، بنحوی که کالیبره کردن آنها دشواراست
    • قابل تعمیر نبودن المنت

می توان تجهیزات اندازه گیری دما را براساس موارد زیر مقایسه کرد

قیمت
ترموکوپل ها ارزانترینند و RTD ها با اختلاف بعد از آنها قراردارند
دقت
RTD ها و سپس ترمیستورها
حساسیت
ترمیستورها
سرعت
ترمیستورها
پایداری در دمای بالا
ترمیستورها هرگز
اندازه
ترموکوپل ها و ترمیستورها می توانند بسیار کوچک ساخته شوند
استحکام
ترموکوپل ها بهترین انتخاب برای شرایط سخت و خشن هستند
کاربردهای غیر تماسی
دماسنج مادون قرمز

ترموول

المنت تجهیزات اندازه گیری دما داخل ترموول نصب می شوند تا در مقابل خوردگی و آسیبهای مکانیکی، محافظت شوند.

همچنین ترموول این امکان را می دهد که المنت اندازه گیری دما به منظور کالیبراسیون یا تعمیر در زمان تولید و بهره برداری بدون خالی کردن لوله یا مخزن، باز شود.

در موارد استفاده از تجهیزات اندازه گیری دمای غیر دائمی و قابل حمل، استفاده از ترموول ،ضرورت دارد.

API RP 551:

نصب المنت اندازه گیری دما داخل ترموول، باعث تاخیرزمانی و خطا در اندازه گیری دما می شود.

با این وجود، استفاده از ادوات نصب فنری که باعث تماس المنت با انتهای ترموول شود، این تاخیر زمان و خطا را کاهش می دهد.

برای دمای بالای 290 درجه سانتی گراد ( 550 درجه فارنهایت) ، باید فنرهای N07718 در نظر گرفته شود.


انواع اتصال ترموول

اتصال ترموول به تجهیزات فرآیندی می تواند بصورت فلنجی، فن استون یا رزوه ای باشد.

اتصال جوشی به دلیل دائمی بودن اتصال ترموول به لوله و تجهیزات فرآیندی که می تواند عامل مشکلات زیادی هنگام تعمیرات باشد، توصیه نمی شود.

اتصال فن استون نوعی ازاتصال فلنجی است که درآن فلنج آزاد است و به ترموول جوش داده نشده است.

این طراحی این مزیت را به دنبال دارد که یک ترموول می تواند برای کلاسهای مختلف فلنج ( 150# ، 300# ، 600# ، ...)، اما با پیچهای بلند تر از استاندارد، مورد استفاده قرارگیرد.

در برخی از صنایع مانند نفت وگاز، فلنج 1.5 اینچی با حداقل کلاس 300#، به عنوان اتصال قابل قبول در مدرک مشخصات فنی مرجع عنوان می شود و اتصال رزوه ای منع شده است.

Flaged Thermowell
Threaded Thermowell
Van Stone Thremowell

جزئیات زیر که در API RP 551 عنوان شده است می تواند بسیار مفید باشد.

API 551 Thremowell Detail

مواد ترموول

برای انتخاب ماده سازنده ترموول، دما و خوردگی فرآیند باید مورد توجه قرار گیرد در غیر اینصورت یک ترموول تخریب شده می تواند نقطه ضعف شبکه لوله کشی انتقال مواد ومنبع نشت باشد.

در فرآیندهای دارای مواد ترش، موادی مقاوم به اینگونه خوردگی هستند که بیش از 13% از مواد تشکیل دهنده آنها عنصرکروم باشد.

استیل ضد زنگ AISI 316 ، انتخاب هوشمندانه ای برای فرآیند های خورنده در محدوده دمای منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

مقاومت به خوردگی استیل ضد زنگ AISI 316 بیشتر از استیل ضد زنگ AISI 304 است و این به دلیل وجود مقدار بیشترعنصر مولیبدن در ترکیب استیل ضد زنگ AISI 316 است.

فرآیند هایی که دارای یونهای مهاجمی مانند (Cl-) هستند، مشابه آب دریا، منبع خوردگی پوک کننده هستند.

نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی ( PREN )، مشخصات مکانیکی و هزینه برای انتخاب مواد مناسب برای این نوع فرآیندهای خورنده، باید مد نظر قرارگیرد.

استیل های ضد زنگ آستنیتیک (316، 304، 321 و...) برای استفاده در آب دریا و فرآیندهای دارای کلراید به دلیل پایین بودن نمره PREN، مناسب نیستند.

مواد دارای نمره PREN بالاتر از 40 درمقابل آب دریا بسیار مقاومند، بنابراین آلیاژهای با پایه نیکل ( Monel، Inconel، Incoloy .... ) و آلیاژهای Duplex و Superduplex برای فرآیند های آب دریا مناسبند.

با درنظر گرفتن هزینه و مشخصات مکانیکی، Monel-N04400 بهترین انتخاب به عنوان ماده ترموول در فرآیند های آب دریا است.

بهترین مرجع انتخاب مواد برای فرآیندهای ترش و خورنده NACE International Materials Requirements MR0175 می باشد.


ساختار ترموول

ساختارهای مختلف ساقه ترموول عبارتند از:

  • مخروطی
  • مستقیم
  • پله ای
Thremowell Construction

ترموول از المنت اندازه گیری دما در مقابل تخریبهای مکانیکی و خوردگی محافظت می کند، اما باعث افزایش پاسخ زمانی سیستم اندازه گیری می شود.

علاوه بر آن در خط لوله ، ترموول دراثر عبورو شار سیال یا گاز در معرض فشار و کشش قرار می گیرد.

به منظور کاهش اثر بر پاسخ زمانی و کاهش نیروها و فشارهای مکانیکی وارد بر ترموول، بهتر است که نوک ترموول در حد امکان باریک باشد.

به همین دلیل روی خطوط لوله، ترموولهای مخروطی و پله ای مورد استفاده قرار می گیرند.

نوع پله ای برای ترموول های کوتاه، و نوع مخروطی برای ترموولهای بلند تر می تواند استفاده شود.

ترموول نوع مستقیم برای کاربردهای فشارپایین و کاربردهایی که سرعت سیال پایین است، مانند مخازن ذخیره سازی می تواند استفاده شود.

پیشنهاد می گردد در اکثر کاربردها از ترموول مخروطی به دلیل استقامت خوب و مقاومت درمقابل لرزش استفاده شود.

بعد از انتخاب ساختار ترموول، لازم است تکنیک ساخت آن که نقش بسیار مهمی در طول عمر ترموول دارد، مدنظر قرار گیرد.

معمولا 3 نوع تکنیک ساخت برای تولید ترموول وجود دارد:

  • تراش داده شده یک تکه (Drilled)
  • جوش داده شده چند تکه (Build-up)
  • تیوب ته بسته (End-Close Tube)

تکنیک های جوش داده شده چند تکه و تیوب ته بسته برای فرآیندهای صنعتی خشن که درآن ترموول درمعرض شارهای خروشان و ساینده است، مناسب نیستند.

ترموول های تراش داده شده یک تکه برای کاربردهای صنعتی پیشنهاد می شوند.


استاندارد ASME B40.9 جزئیات و ابعاد ترموول استاندارد را مشخص کرده است.

Thremowell Dimension Terms
Standard Thremowell Dimensions

به منظور کاهش تاخیر زمانی و خطای اندازه گیری، لازم است نوک ترموول در محل یک سوم میانی خط لوله قرار گیرد.

Thremowell Tip Location

این بدین معنی است که طول "U" ترموول باید با در نظر گرفتن قطر لوله و طول نازل محاسبه شود.

برای خطوط لوله با قطر کمتر از 4 اینچ، لازم است قطرخط لوله جهت نصب ترموول به 4 اینچ افزایش یابد و بعد از نازل نصب ترموول به قطر قبلی کاهش یابد.

طول نازل عموما توسط دپارتمان لوله کشی در مدرک جزئیات نصب تجهیزات فراهم و مقرر می شود.

معمولا طول نازل فلنجی برابر با 150 میلیمتر از بالای لوله تا بالای لبه فلنج است.

برای اتصال رزوه ای، طول اولت معمولا حدود 35 میلی متر است.

کاملا ضروری است که طول نازل، قبل از محاسبه طول U ترموول با بخش لوله کشی نهایی گردد.


با در نظر گرفتن طول نازل که در بالا ذکر شد، پیشنهاد برای ما طول U ترموول به شرح زیر است:


ابعاد ترموول فلنجی ( طول نازل = 150 میلی متر)

Ulength for Flanged Thremowell
Line size inch(mm) U length (mm) for Rating ANSI 300,600,900,1500 & 2500# T length (mm) for Rating ANSI 300,600# T length (mm) for Rating ANSI 900,1500# T length (mm) for Rating ANSI 2500#
4" (100mm) 200 75 85 100
6" (150mm) 220 75 85 100
8" (200mm) 250 75 85 100
10" (250mm) 250 75 85 100
12" (300mm) 350 75 85 100
14" (350mm) 350 75 85 100
16" (400mm) 350 75 85 100
18" (450mm) 350 75 85 100
20" (500mm) 350 75 85 100
24" (600mm) 350 75 85 100
≥28"(≥700mm) 500 75 85 100
on vessels 500 75 85 100

نکته: طول U برای ترموول فلنجی، به دلیل فشارها ، کشش ها و لرزشهایی که ممکن است باعث شکستن ترموول شود، نباید از 500 میلی متر بیشتر باشد.


ابعاد ترموول رزوه ای ( طول اولت = 35 میلی متر)

Ulength for threaded Thremowell
Line size inch(mm) U length (mm)
4" (100mm) 75
6" (150mm) 75
8" (200mm) 100
10" (250mm) 100
12" (300mm) 150
14" (350mm) 150
16" (400mm) 200
18" (450mm) 200
20" (500mm) 250
24" (600mm) 250
≥28"(≥700mm) 300
on vessels 300

نکته: طول U برای ترموول رزوه ای به دلیل فشارها ، کشش ها و لرزشهایی که ممکن است باعث شکستن ترموول شود، نباید از 300 میلی متر بیشتر باشد.

پیشنهاد فوق برای طول U ترموول ابتدایی بوده و باید توسط سازنده براساس محاسبات فرکانس لرزش که در ادامه شرح داده می شود، تایید و نهایی گردد.


محاسبه فرکانس لرزش

هنگامی که ماده داخل لوله از ترموول عبور می کند، یک سری گردابهای متناوب شکل می گیرد ( اثر فن کارمن)، که باعث ایجاد نوسان و لرزش در ترموول می شود. این لرزش و نوسان با قطر ترموول و سرعت ماده تناسب دارد.

اگر فرکانس این لرزش به فرکانس طبیعی ترموول برسد، ممکن است ترموول شکسته و کنده شود.

استاندارد تست عملکرد ، ASME PTC 19.3 TW ، استاندارد طراحی مکانیکی ترموول جهت استفاده درصنایع مختلف را ارائه کرده است و قوانین طراحی آن تضمین کننده استحکام مکانیکی ترموول است.

سازنده ترموول موظف است فرکانس لرزش ترموول را بر اساس ASME PTC 19.3 TW محاسبه نماید و این فرکانس باید از 0.8 فرکانس طبیعی ترموول کمتر باشد.


WAKE Frequancy

اگر فرکانس محاسبه شده بیشتر از 0.8 فرکانس طبیعی باشد، روشهای زیر می تواند باعث کاهش فرکانس لرزش شود:

  • استفاده از حلقه یا طوق تکیه گاه
  • کاهش طول ترموول داخل لوله
  • تعویض ماده سازنده ترموول
  • افزایش کلاس فلنج
  • استفاده از ترموول اوکازاکی ورتکس ول

استاندارد ASME PTC 19.3 TW ، استفاده از طوق تکیه گاه را تایید و پیشنهاد نمی کند، زیرا این روش یک سطح تکیه گاه ثابت را فراهم نمی کند و ممکن است باعث وارد شدن ضربات چکشی متناوب به ترموول شود.

کاهش طول ترموول داخل لوله راه حل بسیار خوب و اقتصادی است، تا زمانی که نوک ترموول همچنان در یک سوم میانی لوله قرارگیرد و به دقت اندازه گیری خدشه ای وارد نگردد.

تغییر ماده ترموول باید بسیار هوشمندانه و با در نظر گرفتن هزینه، مشخصات سیال، مقاوت در برابر خوردگی ماده، حداکثر فشار و دمای خط انجام شود تا از مشخصات فنی پروژه انحرافی صورت نگیرد.

تغییر ماده ترموول همیشه بهترین راه حل نیست.

افزایش کلاس فلنج می تواند بهترین راه حل باشد، زیرا باعث افزایش استحکام مکانیکی ترموول، خصوصا در نقطه اتصال به ترموول می شود.

بعد از نشت سدیم در نیروگاه هسته ای مونجو در ژاپن در هشتم دسامبر سال 1995 ، که به دلیل شکستن یک ترموول در خط خنک کننده سدیم اتفاق افتاد، شرکت اوکازاکی یک طرح جدید ترموول (ورتکس ول) نوآوری کرد که دارای زبانه های مارپیچ است و گردابهای اثر کارمن را خفیف می کند.


Okazaki Vortexwell