۱-۴-۱- اندازه ­گیری دما با بهره گرفتن از مبدل­های غیرالکتریکی
۱-۴-۱-۱- ترمومترها (حرارت سنج­های محتوی سیال)
۱-۴-۱-۱-۱- حرارت سنج­های محتوای مایعات: اساس کار این نو ع حرارت سنج­ها رابطۀ بین دما و حجم مایع می­باشد.
V_T = V_{0 (}1+ αT + βT² +…). (۱-۳)
مایع مورد استفاده در این نوع دستگاه­ها عموماً الکل، هیدرو­کربن­ها و جیوه می­باشد. از آن­جا که درجه­بندی از طریق رویت قرائت می­ شود، برای قرائت و حتی محدوده مقدار بالای قرائت محدودیت­هایی وجود دارد، زیرا در درجات بالاتر از نقطۀ جوش مایع بخار تولید شده، فشار متناسب با خود ایجاد می­ کند که موجب اشتباه در قرائت می­گردد (شکل ۱-۲).

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۱-۲: حرارت سنج محتوی مایعات
۱-۴-۱-۱-۲- حرارت سنج­های محتوی گاز: برای گازها در حجم ثابت و درجه حرارت متفاوت، رابطه بین دما و فشار تقریباً به صورت زیر می­باشد.
. (۱-۴)
در حرارت سنج­های محتوی گاز (شکل ۱-۳) می­توان با دقت کافی، از این رابطه استفاده نمود. در حرارت سنج­های محتوی گاز عموماً از ازت و هلیوم استفاده می­گردد.
شکل ۱-۳: حرارت سنج محتوی گاز
۱-۴-۱-۱-۳- حرارت سنج­های محتوی بخار: فشار بخار یک مایع، تابعی از درجه حرارت آن می­باشد؛ از این خاصیت در حرارت سنج­های صنعتی (شکل ۱-۴) استفاده می­گردد. سرعت زیاد پاسخ، قیمت کم، سادگی تعمیرات از مزایای این وسیله می­باشد.
مایعات مورد استفاده در این نوع حرارت سنج ها الکل، اتر، متیل کلراید، سولفور و تولوئن می­باشد.
شکل ۱-۴: حرارت سنج محتوی بخار
۱-۴-۱-۲- حرارت سنج­های بی­متال
در مواردی که نیاز به قرائت دما بطور مرتب نمی ­باشد و کنترل دما صرفاً جهت اطمینان از عملکرد سیستم به کار می­رود، حرارت­های بی­متال (شکل ۱-۵) مورد استفاده می­گیرد. اختلاف انبساط دو فلز تشکیل دهنده این دستگاه در اثر حرارت معیار عملکرد دستگاه می­باشد. از آن­جا که ضریب انبساط فلزات تشکیل دهنده عنصر حساس بی­متال کاملاً خطی نیست، درجه­بندی این نوع حرارت سنج­ها نیز خطی نمی ­باشد.
شکل ۱-۵: حرارت سنج بی­متال
۱-۴-۱-۳- پیرومترها
در میان وسایل اندازه ­گیری درجۀ حرارت، پیرومترهای تشعشعی و نوری بزرگترین محدوده اندازه ­گیری را دارند و برخلاف سایر وسایل نیازی به اتصال فیزیکی با جسم مورد اندازه ­گیری را ندارند. اساس کار این نوع وسیله به صورت زیر است:
در پیرومترهای نوری (شکل ۱-۶) مقایسۀ دو رنگ، یکی متعلق به جسم گداخته شده و دیگری متعلق به مقاومت الکتریکی یا فیلامان پیرومتر مبنای تعیین درجۀ حرارت جسم گداخته شده می­باشد. با منطبق کردن چشمی از داخل تلسکوپ پیرومتر بر روی جسم گداخته شده و تغییر شدت جریان فیلامان توسط پتانسیومتر به ترتیبی که باعث محو و عدم تشخیص آن در زمینۀ جسم گداخته گردد، درجۀ حرارت مجهول جسم گداخته شده برابر درجه حرارت معلوم فیلامان خواهد بود.
شکل ۱-۶: پیرومتر نوری
در پیرومتر تشعشعی (شکل ۱-۷) انرژی ساطع شده از جسم گرم را توسط یک لنز و یا یک مجموعه آینه بر روی عنصر حسگر دما متمرکز می­ کنند. این عنصر می ­تواند مقاومت حساس یا ترموکوپل باشد. در نتیجه برخلاف پیرومتر نوری که باید به صورت دستی تنظیم یا قرائت گردد، پیرومتر تشعشعی قابل استفاده به صورت اتوماتیک می­باشد.
شکل ۱-۷: پیرومتر تشعشعی
۱-۴-۲- اندازه ­گیری دما با بهره گرفتن از مبدل­های الکتریکی
۱-۴-۲-۱- ترمیستور
ترمیستور نوعی مقاومت حساس به دما است که به وسیلۀ تغییرات دمایی، مقاومتش تغییر می کند. در واقع با اندازه ­گیری مقاومت یک ترمیستور (شکل ۱-۸)، می توان دمای آن را تعیین نمود؛ به همین دلیل این ابزار به عنوان سنسور دما مورد استفاده قرار می­گیرد. ترمیستورها معمولاً از مواد نیمه رسانا تشکیل شده ­اند، از این رو در دماهای بالا، زودتر خراب شده و عمر کوتاه­تری دارند. مقاومت اغلب آن­ها با افزایش دما افزایش می­یابد. تغییر مقاومت ترمیستور توسط مدار پل وتستون اندازه ­گیری می­گردد.
شکل ۱-۸: ترمیستور
۱-۴-۲-۲- ترموکوپل
ترموکوپل­ها از جمله ابزارهای پرکاربرد برای اندازه ­گیری دما به شمار می­روند. این ابزار، متشکل از دو رشته سیم فلزی با جنس­های متفاوت است (شکل ۱-۹). این دو فلز غیر هم­جنس، از یک یا چند نقطه به یکدیگر متصل هستند، اعمال حرارت به نقطۀ اتصالی که در آن اندازه ­گیری صورت می­گیرد؛ باعث به وجود آمدن اختلاف پتانسیل الکتریکی ضعیفی می­ شود که به سختی می­توان به دقت اندازه گیری دمای کمتر از رسید.
شکل ۱-۹: انواع ترموکوپل­ها
ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً متصل شود. فلزات ترموکوپلی بطور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند. این دو گروه ترموکوپل به ترموکوپل­های فلز پایه و ترموکوپل­های فلزات قیمتی معروفند.
امتیاز عمده ترموکوپل­ها محدوده وسیع اندازه ­گیری آن­هاست که بطور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتی ­گراد را در برمی­گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپل­ها، عملکرد خطی آن­ها در محدوده اندازه ­گیری است.
ترموکوپل­ها اغلب برای مکان­هایی که قرار است رنج دمای بالا (تا ) را اندازه بگیرند استفاده می­شوند و برای رنج دمایی پایین و یا دقت بالا (برای مثال رنج دمایی بین ۰ تا با دقت ) از ترمیستورها و RTD ها استفاده می­ شود.
۱-۴-۲-۲-۱- اثر ترموالکتریک^[۶]
اولین بار ترموکوپل‌ در سال ۱۸۲۱ میلادی توسط سیبک (Seebeck) ساخته شد، بطوری ­که او دریافت، در اثر تماس دو فلز غیر هم­جنس و حرارت‌ دادن محل تماس، یک جریان الکتریکی کوچک ایجاد می‌شود (شکل ۱-۱۰).
شکل ۱-۱۰: اثر ترموالکتریک
ولتاژ ایجاد شده به جنس دو فلز و میزان حرارت در نقطه تماس بستگی دارد؛ هر یک از این دو فلز هادی با توجه به مولکول­ها و الکترون‌های آزادشان در ایجاد این ولتاژ مؤثرند، زمانی که هادی در اثر حرارت گرم می‌شود الکترون­های آن در اثر افزایش انرژی به حرکت و جنبش در می‌آید.
چنانچه در اثر افزایش حرارت یک سر هادی گرم شود این گرما به الکترون‌های آزاد منتقل شده و سرعت گردشی آن­ها بیشتر می‌شود و در نهایت الکترون‌ها از آن سر هادی که گرم شده است دور می‌شوند و به سمت دیگر هادی که سرد است منتقل می­شوند. به عبارتی آن سر از هادی که در معرض حرارت قرار گرفته مثبت و سر دیگر که خنک است و الکترون­ها در آن تجمع کرده‌اند قطب منفی می‌باشد (شکل ۱-۱۱).
شکل ۱-۱۱: انتقال حرارت در یک هادی
این مسئله علت انتقال گرما در یک فلز می­باشد؛ در اثر حرکت الکترون­های درون فلز نیز انرژی گرمایی در طول فلز منتقل می‌شود.
حال اگر یک فلز دیگر از همان جنس، در محل اتصال به فلز اولیه متصل شود در این فلز جدید نیز یک اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود ولی اختلاف پتانسیل ایجاد شده در هر دو فلز یکسان است. اگر ولتاژ انتهای آن­ها را اندازه بگیریم عملاً اختلاف پتانسیل صفر را مشاهده خواهیم کرد.
اگر یک فلز غیر هم­جنس با فلز اولیه را به آن متصل کنیم، اختلاف پتانسیل ایجاد شده در دو سر آزاد فلزها دیگر صفر نبوده و این اختلاف توسط یک دستگاه اندازه ­گیری قابل مشاهده خواهدبود (شکل ۱-۱۲).
شکل ۱-۱۲: اتصال دو فلز غیر هم­جنس
۱-۴-۲-۲-۲- روش­های استفاده و اندازه ­گیری دما^[۷]
همان­طور که گفته شد، دو رشته سیم تشکیل دهندۀ ترموکوپل، در یک یا چند نقطه می­توانند به هم متصل شوند. در شکل ۱-۱۳ شمای ساده­ای از یک ترموکوپل را مشاهده می­کنید که در آن دو فلز با جنس­های متفاوت، در یک نقطه به یکدیگر متصل شده ­اند. به این نقطه که در معرض حرارت قرار می­گیرد، اصطلاحاً اتصال گرم یا Hot junction گفته می­ شود. دو سر دیگر سیم­های ترموکوپل به وسیلۀ اندازه ­گیری الکتریکی، همانند تراشه­های ویژه (MAX6675)، ترمیستور، ولت متر و… متصل شده است؛ این نقطۀ نیز اتصال سرد (Reference junction یا Cold junction) نامیده می­ شود.

شکل ۱-۱۳: اتصال سرد و گرم در ترموکوپل
ولتاژی که بین دو رشته سیم فلزی به وجود می ­آید، به دمای نقطۀ اتصال سرد و اتصال گرم و جنس دو فلز بستگی دارد. از آن­جایی که ترموکوپل یک ابزار اندازه ­گیری تفاضلی (Differential measurement) است، لازم است که دمای نقطۀ اتصال گرم نسبت به یک دمای مرجع سنجیده شود. این دمای مرجع همان دمای نقطه اتصال سرد است که باید با دقت بسیار خوبی بدست آید. اصطلاحاً به، بدست آوردن دمای نقطۀ مرجع، جبران سازی نقطۀ سرد (Cold-Junction Compensation) اطلاق می­ شود.
همچنین برای اندازه ­گیری دمای یک ترموکوپل نمی­ توان به صورت مستقیم سیم­های مولتی­متر را به ترموکوپل وصل کرد زیرا در محل اتصال دو سیم ترموکوپل و مولتی­متر یک حالت ترموالکتریک دیگری به وجود می ­آید که باعث اندازه ­گیری اشتباه می­ شود، برای مثال در شکل ۱-۱۴ ترموکوپل نوع T را مشاهده می­کنید که به یک ولت متر متصل است و در نقاط اتصال J₂ و J₃ دو ولتاژ V₂ و V₃ به وجود آمده است.
شکل ۱-۱۴: مدار معادل اتصال مولتی­متر به ترموکوپل
چون در نقطه J₃ هر دو فلز یکسان هستند طبق رابطه Seebeck ولتاژ V₃=0 می­ شود. در نتیجه ولت متر ولتاژ V₁-V₂ را می­خواند یا به عبارت دیگر به جای اندازه ­گیری دمای J₁ تفاضل دمای J₁ و J₂ را محاسبه می­ کند. در نتیجه، تا وقتی که دمای J₂ را نداشته باشیم دمای J₁ را نمی­توانیم محاسبه کنیم.