اصول و مبانی ابزاردقیق: بخش هشتم – مبدل های سیالات (4)

مبدل هاي دما (Temperature Transducers) – بخش اول

ترموکوپل و انواع آن را بشناسیم

مطالعات در زمينه سوخت، انرژي خورشيدي، موتورهاي جديد و نيز صرفه جويي در انرژي، از بخش های بسيار مهم و فعال مراكز تحقيقاتي مي­ باشد. در تمامي موارد ياد شده، اندازه گيري دقيق دما نيز از اهميت خاصي برخوردار است. در كليه كارخانجات توليدي، مستقل از نوع توليد، نوعي فرایند­هاي حرارتي نیز وجود دارد كه جهت اندازه گيري، نمايش و كنترل دما به مبدل ­هاي دما نياز دارند.

در اين قسمت، چهار نوع مبدل دما كه نسبت به ديگر مبدل­ ها رايج ­تر هستند، به ترتيب زير معرفي و مورد بحث قرار خواهند گرفت:

• ترموكوپل
• RTD
• ترميستور
• سنسورهاي مدار مجتمع

 

مزايا و معايب كلي اين چهار نوع سنسور (مبدل)، در جدول زير مقايسه شده است:

 

شکل (1). بررسی مزایا و معایب انواع مبدل (سنسور) دما

 

تاریخ سنجش دما

ترمومتر (Thermometer) توسط گاليله در سال 1952 میلادی اختراع شد. او در مخزنی سر باز و پر شده از الكل رنگي، لوله ای باريك و شيشه­ اي كه در قسمت بالاي آن يك حفره كروي قرار داشت؛ به صورت معلق قرار داد. زمانی که اين ظرف حرارت داده مي­ شد، هواي درون كره افزايش پيدا مي­ كرد و حباب­ ها به سمت مايع حركت مي ­كردند. خنك كردن كره موجب حركت مايع به سمت بالاي لوله شيشه­ اي مي­ شد. بنابراين توانست نوسانات دماي محيط را با خواندن وضعيت مايع درون لوله اندازه گيري کند.

در اوايل قرن هفدهم، گابريل فارنهايت (Gabriel Fahrenheit)، دانشمند آلمانی و مبتکر در ساخت ابزاردقيق، ترمومتری جيوه ­اي با دقت و صحت بالا طراحی کرد. کم ترین درجه دمايي كه با این وسیله قابل اندازه گيري بود با استفاده از تركيب آب يخ و نمك (صفر درجه) به دست آمد و بالاترين دما را با دماي خون انسان كاليبره نمود و آن را معادل 96 درجه قرار داد. اين دامنه دمایی، ابتدا 12 قسمت داشت و سپس به تدريج به 24، 48 و 96 قسمت رسید. اين تقسيم بندي فارنهايت، به دليل دقت و صحت بالای این ترمومتر، رواج پیدا کرد.

در سال 1742، اندرس سلسيسوس (Anders Celsius)، پيشنهاد داد كه نقطه ذوب يخ و نقطه جوش آب به عنوان دو عدد مرجع، مورد استفاده قرار بگيرند. او درجه صفر را براي نقطه ذوب يخ و 100 درجه را براي نقطه جوش آب انتخاب كرد. در سال 1948، اين ميزان، به صورت رسمي به نام “درجه سلسيوس” نام گذاري شد.

در سال 1800 ويليام تامسون (لرد كلوين، Sir William Thomson)، سيستمی واحد، جهت اندازه گيري ترموديناميك جهاني بر اساس “ضرايب انبساط گاز ايده ال”، وضع نمود. او ايده “صفر مطلق” را پايه گذاري نمود و سيستم واحد او براي اندازه گيري دما استاندارد شد:

واحد رانكاين نیز از واحدهای اندازه گیری دماست که معادل فارنهايت واحد كلوين بوده و توسط فردي با همين نام (Macquorn Rankine)، نام گذاري شده است.

 

 1. ترموكوپل (Thermocouple)

وقتي دو سيم فلزي و غیر هم جنس، از دو انتها به يگديگر متصل شوند و انتهاي دیگر آن ها حرارت داده شود، جريانی پيوسته در مسير “ترموالكتريك” اين دو سيم به وجود مي­ آيد. اين سیستم توسط توماس سيبك (Thomas Seebeck) در سال 1821 ساخته شد و “ترموکوپل” نام گرفت:

 

شکل (2). طرحی ساده از سیستم “ترموکوپل” (Thermocouple)

 

اگر اين مدار از وسط قطع شود، ولتاژ اين مدار (ولتاژ سيبك)؛ تابعي از درجه حرارت نقطه تماس و اتصال دو سيم فلزي مي ­باشد. اما نمي­ توان اين ولتاژ را به صورت مستقيم اندازه گيري نمود، چون با اتصال یک ولت متر به ترموكوپل در محل اتصالات، يك مدار ترموالكتريك ايجاد مي­ شود.

 

شکل (2). طرح ساده ای از مدار”ترموالکتریک” (Thermoelectric)

 

اگر يك ولت متر(Voltmeter) به ترموكوپل مس-كنستانتان (نوع T) وصل شود، با مشاهده ولتاژ خروجي مشخص می شود كه ولتاژ قرائت شده تنها ولتاژ V₁ نیست. بلكه علاوه بر نقطه تماس J₁، دو نقطه تماس ديگر J₂ و J₃ ايجاد شده، اين دو اتصال اضافي در شكل زير نمایش داده شده است.

اتصال J₂، يك اتصال مس به كنستانتان است كه ولتاژ V₂ را در خلاف جهت ولتاژ، افزایش می دهد. در نتيجه ولتاژ قرائت شده توسط ولت متر، متناسب است با اختلاف دماي بين اتصالات J₁ و J₂. اين تناسب به اين معنا است كه تا دماي نقطه J₂ مشخص نباشد، نمي­ توان دماي اتصال J₁ را تعيين کرد.

 

شکل (3). ولت متر در ترموكوپل مس-كنستانتان

 

يك روش براي تعيين دماي اتصال J₂ اين است كه اين نقطه اتصال را به صورت فيزيكي در يك ظرف محتوي آب و يخ قرار دهيم. با این روش، دماي اتصال J₂ را به صورت غیرطبیعی، صفر قرار داده ايم كه اين خود به معنای نقطه مرجع می باشد.

 

شکل (4). تقطه اتصال ترموکوپل در یخ : نقطه مرجع

 

 

 

 

 

 

باید به این نکته نیز توجه داشت كه ولتاژ مربوط به اتصال در محلول يخ، صفر نيست بلكه تابعي از دماي مطلق مي­ باشد. حال با داشتن اتصال مرجع در محلول يخ، ولتاژ خروجي ولت متر V،  نسبت به صفر درجه سانتي گراد خواهد بود.

اين روش بسیار دقيق است، به این علت که دماي محلول يخ را مي توان هميشه به آسانی و به صورت يكسان به دست آورد. نقطه مرجع محلول يخ، را سازمان ملي استاندارد (NBS) به عنوان نقطه مرجع پايه براي تمامي جداول ترموكوپل، اعلام کرده است. بنابراين با مراجعه به جداول اين سازمان، مي­ توان به سادگی، ولتاژ را به دماي اتصال مورد نظر T_j1 تبديل کرد.

با استفاده از يك ترميستور (Thermistor) كه مقاومت آن (R_T) تابعي از دما ­باشد، مي ­توان راهي براي اندازه گيري دماي اتصال ولت متر پيدا کرد. همان گونه که در شكل زير مشاهده می شود، ترميستور و اتصالات ولت متر به ترموكوپل، همگي در محفظه ای با دماي يكسان قرار داده شده ­اند و با استفاده از يك ولت متر ديجيتالي تحت كنترل كامپيوتر، مي توان به آسانی:

• R_T را اندازه گرفت و دماي مرجع T_ref را محاسبه نمود و سپس آن را به ولتاژ معادل نقطه مرجع V_ref تبديل کرد.
• ولتاژ V را اندازه گيري کرد و با كسر  V_ref از آن، V₁ را محاسبه نمود و سپس آن را به T_j1 تبديل کرد.

 

شکل (5). اتصال ترمیستور (Thermistor) و ولت متر (Voltmeter) به ترموکوپل

 

اين روش به عنوان “تصحيح نرم افزاري“ شناخته مي ­شود، زیرا بر اساس برنامه ای كامپيوتري كه اثر اتصال نقطه مرجع را جبران مي­ كند، استوار است. سنسور دماي به كار گرفته شده در محفظه ايزوترمال، مي ­تواند هر دستگاهی كه با دماي مطلق، نسبت مستقيم دارد، مانند RTD، ترميستور و يا سنسور مدار مجتمع باشد.

 

حال اين سئوال مطرح مي­ شود كه اگر وسيله ­اي در دسترس باشد كه بتواند دماي مطلق را اندازه گيري كند، آیا باز هم نيازي به استفاده از ترموكوپل ایجاد می شود تا اتصال مرجع آن را جبران سازي نماید؟

جواب اين است كه هر سنسور دما، در يك محدوده دمايی خاص، كار مي ­كند اما ترموكوپل و انواع آن براي دامنه های وسيعي از دما مناسب مي­ باشند. از طرف ديگر، ترموکوپل ها براي شرايط محيطي سخت موجود در اغلب محيط­ هاي صنعتي مناسب بوده و نصب آن ها نيز با شرايط محيطي سازگار است. برای مثال، ترموكوپل را مي ­توان با جوشكاري به يك قسمت فلزي يا اتصال به يك پيچ، مورد استفاده قرار داد. هم چنين مي­ توان آن ها را در محل و با جوشكاري و يا لحيم­ كاري ساخت. به دلیل استفاده گوناگون از ترموكوپل و تكنيك ­هاي فراوان موجود جهت جبران نقطه مرجع، اين کار، بسيار ساده و عادي به نظر مي­ رسد.

در ضمن، استفاده از ترموكوپل زمانی که اندازه­ گيري چندين نقطه مورد نظر باشد؛ مناسب به نظر مي­ رسد. در چنين حالتي، تنها يك محفظه ايزوترمال، جهت جبران نقطه مرجع نياز مي ­باشد. به گونه ای که در شكل زير مشاهد مي­ شود، با استفاده از يك سوئيچ ترتيبي، در هر لحظه تنها يك ترموكوپل به ولت متر متصل شده و تمامي نقاط مرجع، درون يك محفظه ايزوترمال قرار می گیرند و تنها از يك سنسور دماي مطلق كه در وسط محفظه نصب مي ­شود؛ استفاده شده است. در اين حالت نیز، مستقل از نوع ترموكوپل­ ها از روش جبران­ سازي حرارتي نرم افزاري استفاده مي ­شود.

 

شکل (6). روش جبران­ سازي حرارتي نرم افزاري در ترموكوپل

 

جبران سازي سخت افزاری، روشی متفاوت از روش جبران­ سازي نرم افزاري است که در آن، مي ­توان از يك باطري، جهت خنثي نمودن ولتاژ آفست مربوط به نقطه مرجع استفاده نمود. ولتاژ جبراني e، تابعي است از مقاومت سنسور دماي مطلق R_T.

 

شکل (7). روش جبران­ سازي حرارتي سخت افزاري در ترموكوپل

 

نام ديگر براي اين روش، “نقطه انجماد مرجع الكترونيكي” مي ­باشد. مدار الكترونيكي اين روش، براي ولت مترها و انواع ترموكوپل­ ها به صورت تجاري، موجود مي­ باشد. از معایب اصلي اين روش اين است كه براي هر ترموكوپل، يك مدار واحد و منحصر به فرد، مورد نياز است. اما مزيت اصلي روش سخت افزاري، سرعت بيش تر آن است. زیرا در آن، دو مرحله از عمليات محاسبات كامپيوتري حذف مي­ گردد.

 

شکل (8). روش جبران­ سازي حرارتي سخت افزاري (نقطه انجماد مرجع الكترونيكي) در ترموكوپل

 

برای نمونه مدار عملي، مي توان AD594/AD595 از Analog Devices كه تقويت كننده ای عملياتي كامل و با مدار جبران كننده اتصال مرجع و به صورت مدار مجتمع مي ­باشد؛ را معرفي نمود. اين مدار، شامل مرجع نقطه انجماد با تقويت كننده ای از قبل كاليبره شده است که براي توليد ولتاژ خروجي 10 ميلي ولت به ازاء هر درجه سانتي گراد به صورت مستقيم از ترموكوپل ساخته شده است. اين آي سي داراي آلارم اعلام خرابي ترموكوپل نیز می باشد كه با باز شدن يكي از اتصالات آن انجام می شود. اين آي سي را مي­ توان با استفاده از يك ولتاژ معمولي 5+ ولتي و يا از يك ولتاژ دوبل 5-/+ ولتي تغذيه نمود.

AD594 براي ترموكوپل نوع J (آهن – كنستانتنان) و AD595 براي ترموكوپل نوع K (كرم – آلومل) كاليبره شده ­اند.

 

شکل (9). مدار AD594/AD595 در ترموكوپل

 

در اين مدار مي ­توان با اضافه كردن دو يا سه مقاومت، ولتاژ مبدل دما و بهره (گين) را، براي انواع گوناگونی از ترموكوپل، دوباره كاليبره کرد. سه نكته را مي­ بايد براي استفاده از اين مدار در نظر داشت:

• اول، اتصال سيم آهن يا كرم به پين شماره يك اين آي سي و در عين حال به پايه مشترك (Common) مي­ باشد.
• دوم، اتصال خروجي است كه از پايه هاي شماره 8 و 9 گرفته مي ­شود.
• سوم، چون خروجي ترموكوپل غير خطي است؛ اين آي سي، به نحوی، عمل تقويت سيگنال را انجام مي­ دهد تا تقريباً  mV/˚C 10، حاصل شود. خروجي دقيق براي اين آي سي، در جدول زير نمایش داده شده است:

 

شکل (10). خروجی آی. سی. AD594/AD595 در ترموكوپل

 

به دليل غير خطي بودن سيگنال خروجي ترموكوپل، موسسه ملي استاندارد، جداولي را براي انواع گوناگون ترموكوپل ارائه نموده است كه برای مثال، جدول زير مربوط به ترموكوپلی از نوع J مي­ باشد:

 

شکل (11). اتصالات خروجی ترموكوپل J

 

با قرار دادن مقادير اين جداول در كامپيوتر، مي­ توان با قرائت ولتاژ خروجي و مراجعه به اين جداول، درجه حرارت اندازه گيري شده را تعيين نمود. اما در صورت كمبود فضاي حافظه مي ­توان با استفاده از منحني غير خطي دما، نسبت به ولتاژ يك تا چند جمله اي، به صورت زير تقريب زد:

که در آن:

T  =  دما

x = ولتاژ ترموكوپل

a = ضرايب چند جمله ­اي كه براي هر ترموكوپل منحصربه فرد مي­ باشد.

n = توان حداکثری چند جمله­ اي

هر چه n افزايش پيدا کند، دقت چند جمله اي نیز افزايش می یابد. برای مثال، ضريب n=9، معادل دقت +/-1˚C مي­ باشد.

جدول زير مثالي از ضرايب چند جمله ­اي براي خطي سازي نرم افزاري يك سيستم ثبت اطلاعات مي ­باشد:

 

شکل (12). ضرايب چند جمله ­اي براي خطي سازي نرم افزاري يك سيستم

 

همان گونه كه بیان شد، جهت اندازه گيري سيگنال خروجي ترموكوپل، باید از ولت متر ديجيتالي استفاده کرد که در جدول زير، دقت مورد نياز براي اندازه گيري ترموكوپل­ هاي گوناگون، ارائه شده است:

 

شکل (13). دقت اندازه گيري ترموكوپل­ هاي گوناگون

 

به گونه ای که مشاهده می شود، حتي براي ترموكوپل نوع K كه بسیار رايج بوده نیز ولت متر باید قابليت اندازه گيري 4 ميكروولت را داشته باشد تا بتوان دما را با دقت 0.1 درجه سانتي گراد اندازه گيري نمود. اما بايستي توجه کرد كه اين ولتاژ با اين دامنه كم، می تواند به شدت تحت تاثير نويز باشد. بنابراین در طراحي سيستم­ هاي ابزاردقيق، تكنيك ­هاي حذف نويز از اهميت خاصي برخوردار هستند.

به صورت خلاصه، به نكات مهمی را که باید در رابطه با سيستم­ هاي داراي ترموكوپل رعايت نمود؛ اشاره می شود:

1. در محدوده اندازه گيري دما، بزرگ ترين سيمی که موجود است را به کار ببرید تا خطاي كم تري ایجاد شود.
2. اگر سيم با طول کم، مورد نياز است، فقط آن را در محدوده اندازه ­گيري به کار ببرید و از سيم معمولي براي محيطي كه باید دمای آن اندازه ­گيري شود؛ استفاده نماييد.
3. از ايجاد تنش و لرزه مكانيكي كه باعث ایجاد كرنش در سيم مي ­گردد، خودداري كنيد.
4. وقتي از سيم بلند برای ترموكوپل استفاده مي­ كنيد، سيم شيلد را به ترمينال زمين ولت متر ديجيتالي وصل نموده و از زوج سيم به هم تابيده و جهت اتصال استفاده كنيد.
5. سعي كنيد از سيم ترموكوپل در دامنه مرتبط با فعالیت، استفاده كنيد.
6. از مبدل A/D ، حفاظت شده داخلي (Integrating) استفاده كنيد.
7. سيم معمولي ارتباطي را فقط در محيط با دماي پايين استفاده كنيد.

در  ویدئوی زیر،  توضیح ساده تری از “ترموکوپل” را مشاهده می کنید: