دما چیست؟

دما در فیزیک به معنی سرعت متوسط جنبش مولکول های تشکیل دهنده یک ماده می باشد. دما میزان گرما یا حرارت را مشخص می نماید. در واقع هنگامی که دو ماده در مجاورت هم قرار می گیرند، گرما از ماده ای که دمای بالاتری دارد به ماده ای که دمای کمتری دارد منتقل میگردد. لذا گرما و سرما صرفا لفظی برای توصیف میزان دما می باشند. گرما دادن به یک جسم به معنی قرار دادن آن جسم در مجاورت ماده ای است که دمای بیشتری دارد. وقتی به جسمی گرما داده می شود، سرعت حرکت مولکول های آن افزایش پیدا کرده و باعث بالا رفتن دما می شود. برعکس آن نیز صادق است. یعنی وقتی از جسمی گرما می گیریم یا به عبارتی در مجاورت ماده ای با دمای کمتر قرارش می دهیم، سرعت حرکت مولکول های آن و به تبع دمای آن کاهش می یابد.

هممان طور که گفته شد گرمی و سردی معیار های کیفی دما می باشند. اما برای سنجش میزان کمی دما باید از تجهیزات اندازه گیری دما استفاده نمود. به طور کلی این تجهیزات را که عمل سنجش دما را انجام می دهند، دماسنج می نامند. دماسنج ها دارای تنوع بسیاری هستند. با پیشرفت تکنولوژی دماسنج ها نیز به مرور تخصصی تر شده و برای کاربری های مختلف، از دماسنج های مخصوص آن با دقت های متفاوت استفاده می شود. برای مثال اندازه گیری دمای محیط نیاز به دماسنج محیطی با رنج اندازه گیری محدود، دماسنج های صنعتی که اکثرا ترموویژن ها هستند دارای رنج وسیع تری می باشند. در ادامه به معرفی بیشتر دما و انواع دماسنج می پردازیم.

کنترل دما در صنعت از مهم ترین عواملی است که به طور مداوم باید چک شود. خواص بسیاری از مواد با افزایش یا کاهش دما دچار تغییر می شود. وایستگی بعضی از واکنش های شیمیایی به دما به حدی است که ممکن است با یک درجه اختلاف دما محصول و فراورده نهایی که ایجاد می کنند دچار تغییر شود. لذا کنترل دما در واکنش های شیمایی تاثیر بسزایی بر کیفیت محصول نهایی دارد. علاوه بر این بسیاری از تجهیزات مانند پمپ ها، موتور ها، دیگ های بخار، کوره ها، توربین ها، مخازن، کمپرسور ها و ... برای بهبود عملکرد و جلوگیری از آسیب دیدگی نیازمند سنجش مداوم دما هستند.

روش های اندازه گیری دما در شرایط و کاربرد های مختلف متفاوت است. به طور کلی شاید بتوان آن ها را به چهار دسته تقسیم نمود: 1- دماسنج انبساطی 2- دماسنج های مقاومتی 3- دماسنج های ترمو الکتریکی 4- ترمومتر لیزری

۲- برخی دیگر از سنسورها با تغییر دما مقاوت الکتریکی خود را تغییر می دهند این خصوصیت منحصر به فرد نیز به عنوان ابزاری جهت اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد. RTD یا دماسنج های مقاومتی از این دسته تجهیزات می باشند.

در ذیل به بررسی انواع دماسنج ها و روش عملکرد آنها پرداخته و اشاره ای گذرا نیز به تجهیزات مورد استفاده در آنها می نماییم:

- دماسنج های انبساطی:

در این دسته از دماسنج ها، افزایش یا کاهش دما باعث تغییر در برخی مشخصات فیزیکی مانند طول یا حجم سنسور دماسنج می شود. دماسنج های جیوه ای و سنسور های بای متال (دوفلزی) از پر مصرف ترین این نوع دماسنج ها هستند. در ادامه به توضیح دو نوع دماسنج از این دسته می پردازیم.

۱- دماسنج های گازی (Gas Actuated Thermometer):

عملکرد این نوع دماسنج مانند دماسنج جیوه ای بر اساس افزایش حجم است. در هنگام مجاورت گاز درون حباب با سیال و انتقال گرما، گار منبسط شده و وارد یک لوله باریکی می شود. در انتهای لوله یک تیوپ مارپیچی شکل و منعطف وجود دارد که متصل به عقربه ی نشانگر است. با افزایش دما و انبساط و ورود گاز به این تیوپ، شعاع تیوپ بر اثر فشار گاز افزایش پیدا کرده و باعث تغییر در عقربه ی نشانگر شده و دما را روی یک صفحه مندرج نشان می دهد.

۲- دماسنج های دو فلزی (Bimetal Thermometer):

اساس کار این نوع دماسنج ها اختلاف در تغییرات طول است. سنسور این دماسنج از اتصال دو فلز فنری غیر هم جنس با ضریب دمایی متفاوت که اغلب از آهن و نیکل هستند تشکیل می شود. یک سر فنر به صورت ثابت قرار گرفته است و سر دیگر آن به عقربه ی نمایشگر متصل است. با افزایش دما، با توجه به اختلاف ضریب دمایی دو فلز، یکی از آن ها بیشتر از دیگری افزایش طول پیدا کرده و باعث خمیدگی فنر و به دنبال آن جابه جایی عقربه نمایشگر می شود. عملکرد این سنسور ها مانند ترموکوپل است با این تفاوت که سیگنال الکتریکی از طریق دماسنج های دو فلزی ارسال نمی شود. این سنسور ها با دوام بوده و دقت کمی دارند لذا قیمت آن ها هم پایین تر از ترموکوپل هاست و بیشتر برای اندازه گیری های محیطی استفاده می شوند.

دماسنج های مقاومتی

 این دسته از دماسنج ها دارای سنسور هایی هستند که با افزایش دما مقاومت داخلی آن ها تغییر می کند. RTD ها و ترمیستور ها از این گروه هستند.

۱- دماسنج های مقاومتی Resistance Temperature Detector) RTD)

این دماسنج ها کاربرد زیادی در مدارات الکتریکی دارند. با توجه به تغییر مقاومت الکتریکی سنسور و تاثیر آن بر مقدار ولتاژ مدارهایی مانند پل وتستون، میزان دما قابل شناسایی خواهد بود. سنسور دماسنج های RTD اکثرا از جنس پلاتین یا نیکل هستند و با توجه با مقاومت بالایی که دارند به صورت سیم پیچ ساخته می شوند. واکنش فلز پلاتین در مقابل گرما به صورت خطی بوده و حساسیت بالای آن موجب شده تا بیشتر در مورد استفاده قرار بگیرد. این سنسور ها که با نام PT100 و دماسنج آجری نیز شناخته شده هستند، در محدوده دمایی میانی کار میکنند و دارای دقت بسیار بالایی می باشند. از ایراداتی که به این نوع مقاومت ها وارد است، تولید گرما توسط خود مقاومت و بالا رفتن دمای اندازه گیری شده می باشد.  جهت افزایش دقت می توان از سنسورهای سه سیمه و یا چهار سیمه استفاده نمود در این حالات از تاثیر مقاومت یکی از سیم های رابط و یا همه آنها حذف می شود.

۲- ترمیستور با ضریب دمایی منفی یا مثبت(Negative or Positive Temperature Coefficient)

نوع دیگری از سنسورهای مقاومتی هستند که بر اساس فناوری نیمه هادی طراحی شده اند. در حالت ضریب حرارتی مثبت (PTC) مقاومت الکتریکی با افزایش دما افزایش و با کاهش آن کاهش می یابد اما در مدل ضریب حرارتی منفی (NTC) مقاومت الکتریکی با افزایش دما کاهش و با کاهش آن افزایش می یابد. این نوع دماسنج ها عمدتا" به منظور حفاظت از سیم پیچ موتور در یرایر افزایش دما در بدنه موتورهای الکتریکی بزرگ استفاده می شوند.

دماسنج های ترموالکتریکی

ترموکوپل (Thermocouple):

متداول ترین تجهیزات انداه گیری الکتریکی دما در صنعت، ترموکوپل ها هستند. بر اساس پدیده ترموالکتریک، زمانی که دو فلز غیرهمنام بهم متصل شوند و تحت تاثیر گرما قرار بگیرند، یک ولتاژ الکتریکی در حد میلی ولت متناسب با دمای نقطه ی اتصال ایجاد می شود. این ولتاژ را به احترام کاشف آن، توماس سیبک، ولتاژ سیبک می گویند. ترموکوپل ها نیز بر همین اساس کار می مکنندو با اندازه گیری مقدار ولتاژ ایجاد شده، میتوان مقدار دمای اعمالی را محاسبه نمود. ترموکوپل ها بازه ی دمایی وسیعی را پوشش می دهند. معممولا دمای بین 180- تا 1800 درجه سانی گراد توسط ترموکوپل قابل اندازه گیری می باشد. از انواع ترموکوپل ها می شود به تیپ K، تیپ T و تیپ J اشاره نمود.

دماسنج های لیزری

نسل جدید دماسنج ها شامل ترمو متر های لیزری و ترموویژن ها می شود. سنسور های این دستگاه میزان انرژی تابشی اجسام را در اثر تغییر دما اندازه گیری می کند. این دماسنج ها به صورت غیر تماسی عمل می کنند و در مواردی که اکان دسترسی به سیال وجود نداشته باشد یا تماس با آن موجب آسیب رسیدن به سیال یا کاربر یا دماسنج شود، از دماسنج های لیزری استفاده می شود. ترمومتر ها قابلیت اندازه گیری دما را تا 4000 درجه سانتی گراد با دقت قابل قبولی دارند.