برگی از فیزیک        

اندازه گیری دما (Thermometry)

شاید دما اولین کمیتی باشد که انسان به کنترل آن فکر کرده است. در اکثر محیط های صنعتی ، دما یکی از کمیت هایی است که مایل به کنترل یا اندازه گیری آن می باشیم. اندازه گیری دما را می توان به سه دسته ی کلی ، اندازه گیری مکانیکی دما ، اندازه گیری الکتریکی دما و اندازه گیری تشعشعی دما تقسیم کرد. البته در بعضی دسته بندی ها اندازه گیری تشعشعی زیر مجموعه ی اندازه گیری الکتریکی جا داده شده است ، که دسته بندی نوع اول را انتخاب نمودیم. در زیر هر دسته با توضیح بیشتری آورده شده است.

اندازه گیری مکانیکی دما (Mechanical Thermometry)

 قدیمی ترین نوع اندازه گیری دما ، اندازه گیری از نوع مکانیکی می باشد. در این اندازه گیری ها دما به یک کمیت مکانیکی (معمولا جابجایی) تبدیل می گردد. ترمومتر جیوه ای یکی از آشنا ترین نوع ترمومترها است. این اندازه گیر دما را به جابجایی ستون جیوه در لوله تبدیل می کند.در بسیاری از موارد برای استفاده از مزایای کمیت های الکتریکی ، اندازه گیرهای مکانیکی را به اندازه گیرهای الکترومکانیکی تبدیل می کنند. حوزه ی اندازه گیری های مکانیکی از 50- تا 1000+ درجه  سانتی گراد محدود می گردد. اصل مورد استفاده در اندازه گیری های مکانیکی دما ، تغییر حجم اجسام در اثر تغییر دما می باشد. انواع مکانیکی دما سنج ها در زیر آورده شده اند.

       اندازه گیری های مانومتری: ترمومترهای مدرج از این نوع می باشند. در اندازه گیری های مانومتری معمولا از یک مایع مناسب مانند الکل ، اتر یا جیوه استفاده می شود. حد بالا و پایین حوزه ی اندازه گیری ، به نقطه ی جوش و انجماد مایع مورد استفاده محدود می شود. البته همین افزایش حجم مایع چون حجم لوله ثابت است ، باعث افزایش فشار در لوله می شود و طبق قانون بویل ماریوت ، اگر این فشار را به فانوس (بلوز) منتقل کنیم ، می تواند دستگاهی که دارای صفحه ی مدرج و عقربه باشد را به حرکت در آورده و درجه حرارت را نشان دهد. در این نوع به جای مایع می توانیم از گاز نیز استفاده کنیم. چون حجم لوله ثابت است ، فشار در لوله در اثر افزایش درجه حرارت ایجاد می شود و این فشار به بلوز منتقل شده و باعث حرکت عقربه می گردد. [3و2]

       اندازه گیرهای دما از طریق فشار: حوزه ی اندازه گیری اندازه گیرهای مانومتری دما محدود است. برای افزایش حوزه ی اندازه گیری می توان تغییرات دما را به تغییرات فشار تبدیل نمود. این اندازه گیر از یک مخزن و لوله ی بردن که با یک گاز کامل (معمولا نیتروژن) پر شده اند ، تشکیل شده است و برای اندازه گیری از قانون گاز های ایده آل استفاده می کند. جابجایی لوله بوردن می تواند به عنوان دمای اندازه گیری شده مقیاس گردد. در عمل برای جابجایی ، لوله ی بردن را به صورت مارپیچ یا شکل های دیگر می سازند. [2]

       اندازه گیری دما از طریق فشار بخار: فشار بخار یک مایع تابعی از دمای ان است. اندازه گیر هایی که از این اصل استفاده می کنند ، دارای سرعت پاسخ دهی خوبی نسبت به دو نمونه ی بالا می باشند. البته از نظر ساختمان بسیار شبیه به همان دو نمونه ی بالا است با این تفاوت که به جای مایع یا گاز از یک مایع فرار مانند اتر استفاده می شود و همچنین تمام حجم مخزن از مایع پر نمی شود ، بلکه در شرایط عادی در بالای مخزن و در لوله ها بخار وجود دارد. در انتخاب مایع برای این اندازه گیرها با ید در نظر داشت که نقطه ی جوش مایع می باید از کم ترین دمایی که می خواهیم اندازه گیری کنیم ، کم تر باشد. به علاوه مایع مورد استفاده باید از نظر شیمیایی بی اثر باشد تا موجب خوردگی مخزن و لوله ها نشود. از معایب این وسایل می توان به تغییر حجم لوله ها با درجه حرارت ، و کامل نبودن گاز مورد استفاده اشاره کرد. [2]

       انبساط فلزات بر اثر حرارت: اگر یک مفتول حرارت داده شود ، طول آن زیاد می شود. از این خاصیت برای اندازه گیری درجه حرارت بهره می گیرند. این اندازه گیرها که معمولا دو فلزی (Bi Metal) نامیده می شوند ، از دو نوار باریک دو فلز مختلف که ضریب انبساط متفاوتی دارند ، به یکدیگر متصل کرده و یک طرف آن را به محلی ثابت می کنیم و سر دیگر آزاد را به عقربه ی دستگاه مدرج متصل می نماییم. با اعمال درجه حرارت ، انتهای آزاد به علت نابرابر بودن ضریب انبساط طولی دو فلز مذکور در جهت محور حرکت پیچشی انجام می دهد که به عقربه منتقل می گردد و مقدار درجه حرارت را نشان خواهد داد. فلزهای مورد استفاده معمولا از آلیاژهای آهن - نیکل می باشند. یک آلیاژ نیکل به نام Invar که ضریب انبساط حرارتی کمی دارد معمولا به عنوان فلز با ضریب کم تر مورد استفاده قرار می گیرد. کاربرد این اندازه گیرها به دلیل ارزانی ، سادگی ، محکمی و دوام بیشتر در کنترل های خاموش – روشن و حفاظت و آلارم می باشد. [3و2]

و نوع دیگر آن دماسنج  حلزونی روی آبگرمکن است

 اندازه گیری تشعشعی دما (Radiational Thermometry)

 اندازه گیر های تشعشعی دما به نام پیرومتر (Pyrometer) شناخته می شوند. از ویژگی این اندازه گیر این است که نیاز به تماس با پروسه ی اندازه گیری نیست. بنابراین می توان از این سیستم برای مواردی که پروسه متحرک است و یا دمای آن بسیار بالا است ، به گونه ای که هر گونه تماس موجب ذوب شدن و خرابی اندازه گیر می شود و یا هنگامی که پروسه دارای مواد مخرب و زیان بار است استفاده نمود. ابزارهای سنجش دما به روش تابش ، میزان تشعشع ساطع شده توسط ابزارهای داغ را که به خصوصیات تابشی جسم مورد نظر بستگی دارد ، اندازه گیری می کنند. معمولا تشعشع به دقت اندازه گیری نمی شود و علاوه بر این مقدار آن ممکن است با زمان تغییر کند که سبب ایجاد مشکلاتی در تبدیل میزان تابش به دما می گردد. همچنین ، تابش خارج ناحیه ای نیز ممکن است به ابزار اندازه گیری برسد و سبب ایجاد خطای تبدیل شود. ابزارهای سنجش دما به روش تابش ، این مزیت را دارند که می توان از آن ها برای اندازه گیری دما در محدوده ی وسیعی از دماها استفاده برد. حد بالای دمای قابل اندازه گیرهای تشعشعی به حدود 4000 درجه ی سانتی گراد می رسد و در محدوده ی دمایی۴50 تا ۲000+ درجه  سانتی گراد دارای دقت اندازه گیری ای بیشتر از 5/0% می باشند. سنجش دما توسط تابش نیاز به سخت افزار و نرم افزار خاص برای پردازش سیگنال دارد. [9و2]

اصل فیزیکی مورد استفاده در پیرومترها این است که اجسام از خود انرژی تشعشع می کنند. این انرژی به صورت امواج الکترومغناطیسی است که طول موج آن ها از حوزه ی امواج مریی (35/0 تا 75/0 میکرومتر) تا حوزه ی امواج زیر سرخ (75/0 تا 20 میکرومتر) گسترده شده است. در حوزه ی امواج مریی انرژی تشعشع شده به صورت رنگ نمایان می شود.  برای بیان رابطه ی بین دمای جسم با طول و شدت موج ساطع شده ، مفهومی به نام جسم سیاه (Black Body) را تعریف می شود. رابطه ی بین دما ، طول موج و شدت تشعشع توسط رابطه ی پلانک بیان می شود. در حالت کلی می توان گفت انرژی ساطع شده از یک جسم سیاه متناسب با توان چهارم درجه حرارت است. پیرومترهای نوری اگر به خوبی کالیبره و تنظیم شوند ، نتایج خوبی خواهند داد. هنگام استفاده از پیرومترهای نوری باید دقت کرد که گرد و غبار و یا موانعی بین جسم گرم و دوربین اندازه گیری نباشد ، چرا که وجود گرد و غبار و بخار موجب نوعی فیلترینگ و حذف یا تضعیف تشعشعات در بعضی طول موج ها می گردد. همچنین تمیز بودن عدسی پیرومتر از اهمیت زیادی برخوردار است. [2]

 اندازه گیری الکتریکی دما (Electrical Thermometry)

 اندازه گیری الکتریکی دما آن هایی هستند که دما را به گونه ای تبدیل به کمیتی الکتریکی می کنند و متداول ترین نوع اندازه گیرها می باشند. این اندازه گیرها بر اساس اصول فیزیکی مختلفی کار می کنند که در زیر انواع آن ها شرح داده می شوند:

    ترموکوپل ها (Thermocouples): ترموکوپل ها متداول ترین اندازه گیر های الکتریکی دما در صنعت می باشند.از مزایای آن ها می توان به سادگی ، ارزانی ، استحکام ، دوام و دقت مناسب اشاره کرد. به علاوه می توان برای کنترل موضعی دما از آن ها استفاده کرد. از ترموکوپل ها می توان برای اندازه گیری در حوزه ی دمایی 200- تا 1500+ درجه ی سانتی گراد و در شرایط محیطی گوناگون استفاده نمود. البته ترموکوپل ها در زمینه های مختلفی از علوم و تکنولوژی تا دمای ˚C2500 هم به کار رفته شده اند. در دماهای بالاتر از 1۳00_1۶00  درجه  سانتی گراد ترموکوپل ها بیشتر برای اندازه گیری کوتاه مدت دما به کار برده می شوند. نکته ی قابل ذکر این است که با افزایش درجه حرارت ، خوردگی وسایل اندازه گیری و از جمله ترموکووپل ها زیاد شده و عمر کارکرد آن ها در دما های بالا سریعا کاهش می یابد. ترموکووپل ها دارای سرعت پاسخ دهی نسبتا خوب (ثابت زمانی کوچک) می باشند ، اما به لحاظ رعایت مواردی در محل نصب آن ها ، این سرعت پاسخ دهی تا حد زیادی کاهش می یابد. ترموکوپل ها بر اساس پدیده ی ترموالکتریک (Seeback Effect) ، که به نام مکتشف آن تومای سی بک شناخته می شوند ، کار می کنند. هر گاه دو فلز غیر یکسان تشکیل یک مدار بسته بدهند و دو محل اتصال آن ها در دو دمای متفاوت نگه داشته شوند ، جریان الکتریکی در مدار ایجاد می شود. این اثر را پدیده ی ترموالکتریک یا اثر Seeback می نامند. عکس این پدیده هم امکان پذیر است ، یعنی اگر در مداری جریان الکتریکی ثابت I را برقرار کنیم ، دماهای متفاوتی در محل های اتصال مشاهده خواهیم کرد. این پدیده را اثر پلتیر (Peltier Effect) می گویند. میزان پتانسیل تماس (ولتاژ ترموالکتریک یاemf ) بستگی به جنس دو فلز و همچنین دمای محل تماس دارد. [9و7و2]

برای اندازه گیری دقیق نقطه ی اتصال گرم (Hot Junction) یا اتصال اندازه گیری (Measuring Junction) از روی ولتاژ ترموالکتریک ، باید حتما دمای نقطه اتصال سرد (Cold Junction) یا اتصال مرجع (Reference Junction) معلوم باشد. [9] اتصال سرد (مبنا) را معمولا در دمای صفر قرار می دهیم که در این حالت جریان الکتریکی یا ولتاژ ایجاد شده مستقیما متناسب با دمای مورد اندازه گیری (اتصال گرم) می باشد. [2] در یک ترموکوپل خارج از محلی که دمای آن اندازه گیری می شود ، زمانی که از سیم های ارتباطی استفاده می شود ، به دلیل اتصال سیم های ترموکوپل با سیم های رابط ، که جنس آن با جنس دو سیم اصلی ترموکوپل یکان نیست ، یک ترموکوپل دیگر به وجود می آید که اثر آن باید از بین برود تا خطای حاصل از ترموکوپل دوم در ثبت نتایج اختلال ایجاد نکند. به عمل حذف اثر ترموکوپل ناخواسته جبران سازی اتصال سرد می گویند. [9]

در حدود 12 نوع ترموکوپل استاندارد وجود دارد که معمولا مورد استفاده قرار می گیرند. به هر نوع ترموکوپل یک نوع حرف بین المللی نسبت داده می شود که نشان می دهد ترموکوپل از چه موادی ساخته شده است. در زیر انواع پر کاربرد به اختصار شرح داده شده اند:

o       نوعK : ترموکوپل نوع K از فلزهای Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می شود.این ترموکوپل ها ارزان قیمت است و یکی از معروف ترین ترموکوپل های همه منظوره می باشد. محدوده ی عملکرد دمایی آن بین ۱۸۰- و ۱۳۵۰+ درجه سانتی گراد و حساسیت آن تقریبا ˚C /V𝜇 42 است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

o       نوع J: این ترموکوپل از فلزات آهن Fe و آلیژهای مس - نیکل  Cu-Niساخته می شود. محدوده ی دمایی این ترموکوپل بین  ۱۸۰- و ۷۵۰+ درجه سانتی گراد  است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل ، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی ˚C /V𝜇 54 است و برای طرح های جدید توصیه می شود.

o       نوع N: ترموکوپل نوع N از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می شود. محدوده ی دمایی آن بین  ۲۷۰- و ۱۳۰۰+ درجه سانتی گراد  است. حساسیت این ترموکوپل ، به اندازه ی ˚C /V𝜇 30 است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

o       نوع T: ترموکوپل نوع T از مس Cu و آلیاژ نیکل - مس Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل ،  بین ۲۵۰- و ۴۰۰+ درجه سانتی گراد است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترموکوپل ، ˚C /V𝜇 46 است.

o       نوع E: ترموکوپل نوع E با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی آن ، بین ۴۰- و ۹۰۰+ درجه سانتی گراد است. این ترموکوپل با  ˚C /V𝜇 68 بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است ، استفاده کرد.

o       نوع R: ترموکوپل نوع R با استفاده از Pt-Rh (پلاتین - رادیوم) و Pt (پلاتین) ساخته می شود. حساسیت این ترموکوپل ، پایین و در حدود ˚C /V𝜇 8 است. محدوده ی دمایی این ترموکوپل ، بین  ۵۰- و ۱۷۰۰+ درجه سانتی گراد است. ترموکوپل نوع R برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا به کار می رود. به دلیل آن که این حسگر به آسانی آلوده می شود ، بنابراین نیاز به حفاظت دارد.

o       نوع B: ترموکوپل نوع B با استفاده از Pt-Rh (پلاتین - رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود. حساسیت آن بسیار کم و در حدود ˚C /V𝜇 1 و محدوده ی دمایی آن بین ۱۰۰- و ۱۷۵۰+ درجه سانتی گراد است. ترموکوپل نوع B در اندازه گیری دماهای بالا مثلا در صنعت شیشه به کار می رود.

مقایسه ی انواع ترموکوپل [20]

ترموکوپل ها معمولا توسط کد رنگ شناخته می شوند. متاسفانه ، کد رنگ استاندارد برای شناسایی ترموکوپل ها وجود ندارد و کشورهای مختلف ، کدهای مختلفی را می پذیرند.

در ترموکوپل ها کابل اتصال با استفاده از هادی ترموکوپل طراحی شده اند. کابل های اتصال با وارد کردن حرف X پس از ترموکوپل شناخته می شوند. [9]

ترموکوپل ها با فلزات پایه (Base) یعنی از نوع J , T , K  و E برای اندازه گیری دمای کمتر از 1000 درجه سانتی گراد مناسب می باشند. برای اندازه گیری دما تا حدود 2000 درجه نیز از ترموکوپل هایی با فلزات اصیل (Noble) و دیر گداز (Refractory) یعنی نوع S و R استفاده می شود.

برای جلوگیری از خوردگی و آلودگی که منجر به تغییر مشخصات ترموکوپل و اختلال در کار آن می شود و همچنین حفاظت مکانیکی آن ، معمولا ترموکوپل را در یک غلاف محافظت قرار می دهند. این غلاف امکان نصب ترموکوپل را در محل مورد نظر فراهم می کند. معمولا جنس غلاف متناسب با محیطی است که ترموکوپل در آن قرار می گیرد. البته استفاده از غلاف محافظ موجب افزایش ثابت زمانی ترموکوپل می گردد.

اگر بخواهیم دمای یک ماده ی ثابت و ساکن را اندازه بگیریم ، برای جلوگیری از خطای ناشی از تبادل حرارتی غلاف با محیط خارج ، باید اندازه ی فرورفتگی غلاف در ماده حداقل 10 برابر قطر غلاف باشد. در حالتی که ماده ی مورد نظر در حال حرکت است ، ترموکوپل باید در محلی نصب گردد که دارای بیشترین سرعت حرکت ماده باشد ، در این صورت تبادل حرارتی سریع بوده و اندازه گیری دقت و سرعت بیشتری دارد. اگر سرعت ماده خیلی کم باشد ، بهتر است از دمنده برای افزایش سرعت تبادل حرارت بین ماده و ترموکوپل استفاده کنیم. در پروسه هایی با دمای خیلی بالا مثل کوره ها ، بهتر است ترموکوپل را به طور عمودی از سقف نصب کنیم ، چرا که نصب افقی باعث خمیدگی ترموکوپل می شود. [2]

برای تعیین پلاریته ی یک ترموکوپل یک حالت را در نظر می گیریم؛ فرض می کنیم که دمای اتصال گرم بیشتر از دمای اتصال سرد باشد ، آن فلزی که از آن جریان الکتریکی به سمت اتصال سرد جریان می یابد ، از نقطه نظر ترموالکتریکی مثبت بوده و فلزی که جریان الکتریکی از سمت نقطه ی اتصال سرد در آن جریان می یابد ، منفی ترموالکتریکی است. در واقع یک فلز نسبت به دیگری مثبت تر است. برقراری جریان الکتریکی ، مستلزم این است که یک نقطه ی مدار گرم شده و سایر نقاط سرد باقی بماند. [7]

زمان پاسخ ترموکوپل زمانی است که طی آن ترموکوپل در اثر ایجاد یک تغییر پله ای در دما به 63% مقدار خود در حالت پایدار می رسد. زمان پاسخ ، به پارامتر های مختلفی از جمله قطر ترموکوپل ، دمای ناحیه ی اتصال و ساختار اتصال بستگی دارد. زمان پاسخ برای یک اتصال قابل دسترسی از همه ی انواع دیگر کم تر است. همچنین زمان پاسخ برای یک اتصال زمین شده (اتصالی که به غلاف متصل است و در معرض اغتشاشات الکتریکی است) به زمان پاسخ اتصال عایق بندی شده (اتصالی که از عایق جداست) کم تر است.با کاهش قطر ترموکوپل ، زمان پاسخ کم تر می شود. همچنین در اتصالات با دماهای پایین تر ، پاسخ زمانی سریع تر است. (ربای مثال ، پاسخ زمانی یک اتصال عایق بندی شده با قطر 3 میلی متر در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد در حدود 1 ثانیه است. پاسخ زمانی یک اتصال زمین شده با همین قطر و همین دما 4/0 ثانیه است. اگر قطر ترموکوپل را تا مقدار 1 میلی متر کاهش دهیم ، پاسخ زمانی اتصال عایق 16/0 ثانیه و پاسخ زمانی زمین شده 07/0 ثانیه خواهد بود). [9]

     حسگرهای دمای RTD: RTD کوتاه شده ی عبارت آشکار ساز مقاومتی دما (Resistor Temperature Detector) است. RTD یک ابزار حسگر دما است که مقاومت آن با افزایش دما ، افزایش می یابد. RTD ها ابزارهای کامله خطی هستند. RTD ها براین اساس کار می کنند که مقاومت الکتریکی فلزات با دما تغییر می کند. اگر چه در تئوری می توان هر نوع فلزی برای تشخیص دما استفاده کرد ، ولی در عمل فلزاتی با نقطه ذوب بالا که در برابر خوردگی مقاوم هستند و نیز فلزاتی که مقاوت مخصوص بالایی دارند ، برای این منظور انتخاب می شوند. طلا و نقره ، مقاومت مخصوص پایینی دارند و به دلیل مقاومت نسبتا پایین آن ها ، اندازه گیری توسط آن ها مشکل است. مس هم مقاومت مخصوص بسیار پایینی دارد ولی به دلیل قیمت پایین ، مورد استفاده قرار می گیرد. معروف ترین انواع RTD ها از نیکل ، پلاتین یا آلیاژهای نیکل ساخته می شوند. حسگرهای نیکلی در مواردی که قیمت ، معیار مهمی نیست (مثل کالاهای مشتری پسند) به کار می روند و محدوده ی اندازه گیری دمایی آن ها محدود است. آلیاژهای نیکل ، مثل نیکل – آهن از نیکل خالص ارزان تر هستند و علاوه بر آن ، دمای عملکرد بالاتری نیز دارند. پلاتین تا کنون پر کاربرد ترین ماده در ساخت RTD ها بوده و دلیل آن نیز ، مقاومت مخصوص بالا ، پایداری طولانی آن در هوا (خنثی بودن از نظر شیمیایی) ، رنج حرارتی نسبتا وسیع ، ثابت زمانی کم تر نسبت به سایر فلزات (به دلیل نیاز نداشتن به پوشش) است.

RTD ها ، دارای دقت بسیار بالایی در محدوده ی دمایی گسترده هستند و دقت برخی از آن ها بهتر از  001/0 درجه سانتی گراد است. مزیت دیگر RTD ها آن است که میزان انحراف از تنظیم آن ها کم تر از  1/0 درجه سانتی گراد در سال می باشد. به دلیل مقاومت پایین و تغییرات کوچک مقاومتی RTD ها با دما ، که معمولا در محدوده ی 4/0 بر درجه ی سانتی گراد است ، اندازه گیری آن ها مشکل به نظر می رسد. برای اندازه گیری دقیق تغییرات کوچک در مقاومت ، معمولا ساختارهای مداری خاص مورد نیاز است. [9]

RTD ها معمولا در مقاومت های ده اهمی تا ده کیلو اهمی ساخته می شوند. RTD ها ممکن است در داخل غلاف شیشه ای که به نام Resistance Bulb معروف هستند قرار داده شوند. مشابه با ترموکوپل ها ، ممکن است RTD ها نیز در غلاف فلزی و یا سرامیکی جاسازی شوند. RTD ها در مواردی مورد استفاده واقع می شوند که دقت اندازه گیری دما زیاد بوده و محدوده ی اندازه گیری آن کم باشد. آن ها همچنین برای اندازه گیری محدوده ی خاص از درجه حرارت (که اندازه گیری آن برای ترموکوپل ها مشکل باشد) مورد استفاده واقع می شوند. در RTD ها مقدار تغییر مقاومت در برابر ˚C 1 تغییر دما را ضریب مقاومت حرارتی (Temperature Coefficient of Resistance) نامیده و آن را با 𝛼 نشان می دهند. [3]

برای دستیابی به پایداری و دقت بالا ، حسگرهای RTD باید عاری از آلودگی باشند. در دماهای کم تر از ˚C250 ، آلودگی مشکل جدی ایجاد نمی کند ولی در دماهای بالاتر ، برای به حد اقل رساندن میزان آلودگی عنصر RTD روش های تولید خاصی استفاده می شود. حسگرهای RTD معمولا به دو روش ساخته می شوند: سیم پیچی شده (Wound Wire) و یا فیلم نازک (Thin Film). RTD های سیم پیچی شده با پیچیدن یک رشته ی بسیار ظریف از سیم پلاتینی به شکل یک پیچک به دور یک ماده ی غیر هادی (مثل سرامیک یا شیشه) تا رسیدن به مقاومت مورد نظر ساخته می شوند.سپس این مجموعه برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه و ایجاد مقاومت لرزشی ، آماده سازی می گردد. اگر چه RTD های سیم پیچی شده بسیار پایدار هستند ، اما هدایت حرارتی بین پلاتین و نقطه ی مورد اندازه گیری ، خیلی خوب نیست و در نتیجه ، پاسخ حرارتی آن ها کند است. [9] فلزات اساسا مقاومت الکتریکی کمی دارند ، بنابراین برای آشکار سازی تغییرات مقاومت الکتریکی باید اندازه ی مقاومت فلز در دمای صفر نسبتا بزرگ باشد ، به همین دلیل با ساخت مقاومت به صورت سیم پیچ طول آن را افزایش داده و مقاومت بزرگی می سازند. [2]

RTD های فیلم نازک ، با نشان دادن (Deposition) یک لایه پلاتین به شکل مقاومت روی یک زیر لایه ی سرامیکی ساخته می شوند. این فیلم نازک پرداخت می شود تا مقاومت مورد نیاز حاصل شود ، سپس جهت ایجاد مقاومت در برابر رطوبت و مقاومت ارتعاشی ، این فیلم نازک با شیشه یا اپوکسی (Epoxy) پوشانده می شود. از مزایای RTD های فیلم نازک پاسخ حرارتی بسیار سریع ، حساسیت کم نسبت به ارتعاش و قیمت کم تر آن ها نسبت به انواع سیم پیچی شده می باشد. RTD های فیلم نازک دارای قابلیت ایجاد مقاومت بالاتر برای یک اندازه ی مشخص هستند.این RTD ها پایداری کم تری نسبت به انواع سیم پیچی شده دارند ، ولی به دلیل قیمت بسیار پایین تر آن ها ، کاربرد آن ها به طور روز افزون در حال گسترش است. [9]

اندازه گیرهای مقاومتی را به دو دسته ی کلی می توان تقسیم کرد:

اندازه گیرهایی با ضریب حرارتی مثبت (Positive Temperature Coefficient) یا به اختصار PTC. مقاومت های الکتریکی PTC ها با افزایش دما افزایش و با کاهش دما کاهش می یابد. فلزات اساسا عناصر PTC هستند. پلاتین متداول ترین فلزی است که برای ساخت PTC ها استفاده می شود ، مس هر چند مشخصه ای نسبتا خطی دارد ،اما حوزه ی اندازه گیری آن کم تر از پلاتین است و در ضمن مقاومت مخصوص کم تری دارد. شیب مشخصه ی نیکل بیشتر از پلاتین است اما مشخصه ی آن برای دماهای بیش از ۴۰۰ درجه سانتی گراد  به شدت غیر خطی است. از تنگستن می توان برای اندازه گیری دماهای خیلی بالا استفاده نمود ، اما به دلیل مشکلات ساخت و ناپایداری ویژگی های آن ، کم تر مورد استفاده قرار می گیرد. [2] البته می توان این دسته بندی را به محدوده ی ترمیستورها هم برد که در آن بخش بیشتر به شرح خواهیم پرداخت. [9]

اندازه گیرهایی با ضریب حرارتی منفی (Negative Temperature Coefficient) یا به اختصار NTC. مقاومت های الکتریکی NTC ها با افزایش دما کاهش و با کاهش دما افزایش می یابد. این دسته از حسگرها بیشتر به ترمیستورها مربوط می شوند که شرح آن ها در بخش بعدی می آید. [2]

      حسگرهای دما از نوع ترمیستور: نام ترمیستور از کلمات Thermal به معنای حرارتی و Resistor به معنای مقاومت گرفته شده است. ترمیستورها نیمه هادی های غیر فعال و حساس به دما هستند که در هنگام قرار گرفتن در معرض تغییر کم دمای پیرامون ، تغییرات زیادی در مقاومت الکتریکی ایجاد می کنند. ترمیستورها به طور کلی دو نوع هستند: ترمیستورهایی با ضریب حرارتی مثبت یا PTC   (Positive Temperature Coefficient) و ترمیستورهایی با ضریب حرارتی منفی یا NTC (Negative Temperature Coefficient). معمولا ترمیستورهای PTC در مدارهای قدرت برای حفاظت در برابر جریان هجومی (In-Rush) به کار برده می شوند. از لحاظ تجاری دو نوع ترمیستور PTC وجود دارد. اولین نوع شامل مقاومت های سیلیکونی است که به سیلیستورها (Silistor) مشهور هستند. این ابزار آلات در بیشتر محدوده ی کاری خود دارای ضریب حرارتی مثبت نسبتا ثابتی می باشند ، ولی معمولا در دماهای بالاتر ضریب حرارتی منفی از خود نشان می دهند. سیلیستورها  معمولا برای جبران حرارتی نیمه هادی های سیلیکونی به کار برده می شوند. نوع دیگر و پر کاربرد تر ترمیستورهای PTC به ترمیستورهای Switching PTC معروف هستند. این ترمیستورها تا رسیدن به دمای بحرانی که دمای کوری (Curie) نیز نامیده می شود ، دارای ضریب حرارتی منفی کوچک می باشند. با رسیدن به دمای کوری ، این ابزارها ضریب حرارتی مثبت افزاینده ی مقاومتی از خود نشان می دهند و مقاومت آن ها افزایش می یابد. این ابزارها معمولا در کاربرد کلید زنی برای محدود سازی جریان در سطح مطمئن به کار می روند. ترمیستورهای PTC در کنترل دما و کاربردهای کنترلی به کار برده نمی شود.

 NTC :در صورت بالا رفتن دما مقدار مقاومت کاهش می یابد و آنرا از جنس اکسیدهای مختلف فلزات مثل آهن و منگنز می سازند و برای جلوگیری از ازدیاد جریان در لحظه روشن شدن  دستگاه  استفاده می شود  NTC   که در رادیو استفاده می شود عدسی رنگی (قرمز یا سبز ویا سفید است) واگر بسوزد قطع می شود و   NTC   که در تلویزیون استفاده می شود لولهای شکل و با فیلامان   سری می شود تا جریان به تدریج وارد تلویزیون شود زیرا در ابتدا سرد است.  غالبا به شکل هاي ديسکي و استوانه اي يافت مي شود.  

ترمیستورهای NTC قابلیت های زیادی را برای اندازه گیری و کنترل دما ارائه می دهند. مقاومت الکتریکی آن ها با افزایش دما ، کاهش می یابد و رابطه ی مقاومت – دمای آن ها خیلی غیر خطی است. بسته به نوع مواد به کار رفته و روش ساخت ، ترمیستورها می توانند در یک محدوده ی دمایی از ۵۰ تا ۱۵۰ درجه سانتی گراد  به کار برده شوند. نقطه ی مرجع مقاومت یک ترمیستور ۲۵ درجه سانتی گراد  است و برای اکثر کاربردها ، مقاومت در این دما بین 100 اهم تا 100 کیلو اهم می باشد. [9]

شیب مشخصه ی ترمیستورها بسیار بیشتر از عناصر PTC و ترموکوپل ها و RTD ها می باشد و این به معنی حساسیت بیشتر و امکان اندازه گیری دقیق تر می باشد. درصد تغییرات مقاومت یک ترمیستور در اثر یک درجه ی سانتی گراد تغییر ، چیزی در حدود 3 تا 5 درصد می باشد که درمقایسه با عدد 4/0 درصد برای فلزات PTC که در قبل بیان شد ، عدد قابل توجهی است. یک ترمیستور را می توان با مقاومتی حدود چند ده کیلو اهم ساخت ، درحالی که مقاومت های فلزی تا حدود چند صد اهم ساخته می شوند ، بنابراین اثر سیم های ارتباطی در ترمیستورها اساسا منتفی می گردد ، در حالی که در مقاومت های فلزی این اثر مشکل فراوانی را به وجود می آورد. ترمیستورها دارای اندازه ی خیلی کوچکی هستند و این باعث می شود که به تغییرات دمایی خیلی سریع پاسخ دهند. ساختار مکانیکی ترمیستورها به گونه ای است که دارای استحکام بالایی هستند و می توانند شوک مکانیکی و حرارتی و لرزش را بهتر از انواع دیگر حسگرها ی دما تحمل کنند. ترمیستورها می توانند برای حس کردن دمای موقعیت های خارجی به کار برده شوند و این کار را از طریق کابل های بلند انجام می دهند ، به این دلیل که مقاومت یک کابل بلند در مقایسه با مقاومت نسبتا زیاد ترمیستور کم است. ترمیستورها می توانند با تلرانس های (Tolerance) خیلی نزدیک به هم ساخته شوند (در صورتی که توسط یک سازنده ساخته شده باشند) و در نتیجه بدون نیاز به تنظیم مجدد سیستم اندازه گیری ، می توان آن ها را به جای هم تعویض کرد. [9] در برابر این مزایا ، ترمیستورها اشکالاتی هم دارند ، از جمله این که ترمیستورها در اثر عبور جریان الکتریسیته ، در خود تولید گرما می کنند. این سبب می شود که میزان مقاومت کم تر از مقدار صحیح آن نشان داده شود. همچنین مشخصه ی ترمیستور ها بسیار غیر خطی تر از فلزات است و از طرف دیگر حوزه ی اندازه گیری آن ها بسیار کوچک تر از فلزات می باشد. [9و2]

ثابت زمانی حرارتی (Thermal Time Constant) یک ترمیستور مدت زمانی است که ترمیستور احتیاج دارد تا به 2/63 درصد دمای جدید برسد. ثابت زمانی حرارتی به نوع و اندازه ی ترمیستور و همچنین روش به کار رفته جهت اتصال حرارتی ترمیستور به محیط اطراف بستگی دارد.

از آنجایی که ترمیستورها ابزارهایی غیر خطی هستند ، برای خطی کردن پاسخ ترمیستور به میزان بالا ، باید یک مقاومت به طور موازی به ترمیستور وصل شود. مقدار این مقاومت باید برابر با مقدار مقاومت ترمیستور در حد میانی دمای مورد نظر باشد. [9]

       اندازه گیری دما با استفاده از سنسور مدار مجتمع درجه حرارت: حسگرهای دمای مدار مجتمع (Integrated Circuit Temperature Sensor) ابزارهای نیمه هادی هستند که با روشی شبیه به روش ساخت دیگر ابزارهای نیمه هادی از قبیل میکرو کنترلرها ساخته شده اند. یک دیود سیلیکون که با جریان ثابت تغذیه شود ، می تواند به عنوان اندازه گیر درجه حرارت مورد استفاده قرار گیرد و بنابراین حتما برای عملکرد نیاز به یک منبع تغذیه دارند. برتری این اندازه گیرها سادگی و ارزانی می باشد ، اما حوزه ی اندازه گیری آن ها به کم تر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد محدود می گردد ، این سنسورها در مقایسه با سنسورهای اندازه گیری دیگر مانند ترموکوپل ، RTD و ترمیستور دارای سیگنال خروجی بالا و با تغییرات خطی نسبت به درجه حرارت می باشند. غالبا این حسگرها ارتباط دمایی خوبی با محیط بیرونی ندارند ، بنابراین از آن ها بیشتر برای آشکار سازی حدود اندازه گیری و به کار انداختن مدارهای ایمنی و آلارم استفاده می شود. این حسگرها دارای اندازه ی فیزیکی نسبتا کوچکی هستند. [9و3و2]

حسگرهای نیمه هادی دمای مدار مجتمع می توانند به دو دسته ی حسگر های رقمی دما و حسگرهای پیوسته ی دما تقسیم بندی می شوند ، که خود دسته ی حسگرهای پیوسته ی دما را می توان به دو دسته ی حسگرهای دما با خروجی ولتاژی و حسگرهای دما با خروجی جریانی تقسیم نمود.

حسگرهای پیوسته می توانند به طور مستقیم به ابزارهای اندازه گیری (از قبیل ولت مترها) متصل شوند و یا با استفاده از مبدل های A/D برای رقمی کردن خروجی ها استفاده شوند تا در کاربردهای مبتنی بر کامپیوتر ، مورد استفاده قرار گیرد.

حسگرهای دما با خروجی ولتاژی ، در خروجی یک سیگنال ولتاژی ارائه می دهند ، که با دمای اندازه گیری شده متناسب است.

حسگرهای دما با خروجی جریانی ، مانند منابع جریان ثابت دارای امپدانس بالا عمل می کنند و جریان خروجی متناسب با دما ارائه می دهند.

حسگرهای دما با خروجی رقمی ، خروجی های رقمی ای تولید می کنند که می توانند به طور مستقیم با ابزار مبتنی بر کامپیوتر ارتباط برقرار کنند. خروجی ها معمولا غیر استاندارد هستند و دما می تواند با استفاده از الگوریتم های مناسب ، به دست آید. [9]

منابع:

برگرفته از وبلاگ مسعود یحیایی

۲-    اصول کاربردی و آزمایشگاهی سیستم های کنترل خطی – جلد دوم / موسوی انزهایی- سید محمود – حاجی حسینی- پیمان / انتشارات سرافراز

۳-    اصول و اجزاء: کنترل صنعتی / سبزپوشان- سید حجت / انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران / چاپ پنجم 1386

۹-    ابزار دقیق و کنترل فرآیند به ضمیمه آزمایشگاه / تقوی فر- محسن / انتشارات صفار / چاپ چهارم 1386

 ۲۰-      www.en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermocouple&action

 و مطلبی دیگر در همین رابطه     (انواع دماسنجها)