درجة الحرارة وقياسها Temperature and its Measurement

[F.Abdelaziz]

درجة الحرارة وقياسها Temperature and its Measurement
درجة الحرارة من أهم البارامترات فى عملية التحكم . القياس الدقيق لدرجة الحرارة ليس سهلا وللحصول على دقة أفضل من 0.5 C تحتاج إلى عناية كبيرة . يحدث الخطأ نتيجة عدة مصادر مثل عدم خطية خواص الحساس non-linearity والهبوط (الانحدار) فى درجة الحرارة gradient وأخطاء المعايرة calibration والتوصيل الحرارى الردىء .
سوف نتناول مقاييس (تدارييج) درجةالحرارة Temperature scales و أنواع الحساسات Types of sensors والمقارنة بينها.



مقاييس درجة الحرارة Temperature scales
وحدة الكمية الطبيعية المعروفة باسم Thermodynamic temperature " درجة حرارة الديناميكا الحرارية " هى الكلفن Kelvin ويرمز لها بالحرف K . معظمنا يتعامل مع درجة الحرارة المئوية أو " درجة سلزيوس" Celsius ويرمز لها بالحرف C . العلاقة بين الكلفن والسلزيوس هى :
T = C +273
الجدول التالى يبين بعض درجات الحرارة الشائعة بكل من تدريج السلزيوس و الفهرينهيت Fahrenheit (F) .



F=(degrees Celsius x 9/5) + 32
C=(degrees Fahrenheit – 32) x 5/9

أنواع الحساسات Types of sensors
يوجد أنواع كثيرة من حساسات قياس درجة الحرارة . بعض الحساسات من الطراز القديم (ولكنها مازالت تستخدم بكثرة بسبب مميزاتها الكبيرة ) مثل "الازدواج الحرارى" أو الثرموكابل thermocouple والمقاومة الحرارية "مقاومة كشف الحرارة" RTD والثرمستور thermistor . الجيل الجديد من الحساسات مثل حساسات الدوائر المتكاملة وأجهزة قياس الحرارة بالاشعاع radiation thermometry يستخدم فى تطبيقات خاصة محدودة.
يعتمد اختيار الحساس على الدقة accuracy ومدى قياس درجة الحرارة rang وسرعة الاستجابة والربط الحرارى والبيئة (كيميائية – كهربية – طبيعية ) .
الجدول التالى يبين مقارنة بين حساسات قياس درجة الحرارة :



1- الثرموكابل (الازدواج الحرارى) :
هو الأنسب لقياس كل من درجات الحرارة المنخفضة ودرجات الحرارة المرتفعة . المدى العملى له هو
-270 C إلى +2600 C . الثرموكابل رخيص الثمن ومتين جدا . و مكن استخدامه فى معظم البيئات الكيميائية والطبيعية . لا يحتاج فى تشغيله إلى قدرة خارجية ودقتة العملية حوالى +/- 1 C




2- مقاومة كشف درجة الحرارة RTD :
تستخدم فى فى درجات الحرارة المتوسطة من -200 C إلى +600 C . وهى توفر دقة عالية حوالى +/- 0.2 C .ويمكا أن تستخدم فى معظم البيئات الكيميائية والطبيعية ولكنها ليست بمتانة الثرموكابل . عملها يحتاج مصدر قدرة خارجى .




3- الثرمستور Thermistor



يستخدم الثرمستور فى تطبيقات درجة الحرارة المنخفضة والمتوسطة فى المدى من -50 C إلى +200 C . وهى ليست بمتانة الثرموكابل أو RTD ولا يمكن استخدامها بسهولة فى البيئة الكيميائية .الثرمستور رخيص الثمن ودقته حوالى + / - 0.2 C .
حساسات الدوائر المتكاملة :



وتستخدم فى تطبيقات درجة الحرارة المنخفضة فى المدى من -40 C إلى +125 C . الربط أو التوصيل الحرارى بالبيئة يحتاج إلى عناية خاصة ودقتها حوالى + / 1 C . وهى رخيصة الثمن ويوجد منها أنواع تعطى مخارج رقمية يمكنها من التوصيل المباشر بأجهزة الكومبيوتر والميكروكونترولر بدون الحاجة إلى محول من تناظرى إلى رقمى ADC .
4- أجهزة قياس درجة الحرارة بالاشعاع Radiation thermometry




وتستخدم فى قياس الاشعاع الصادر (المنبعث) من الكائنات الساخنة وتعتمد على خاصية قابلية إنبعاث الحرارة emissivity من الكائنات . لكن هذه الخاصية عادة لا تعرف بدقة وأنها قد تتغير مع الزمن كما أن التحويل من الانبعاث إلى درجة الحرارة صعب . أيضا الاشعاع من المكان المحيط يؤثر على جهاز القياس ويسبب خطأ فى القياس . ميزة هذه الطريقة هى إمكانية قياس درجة الحرارة فى مدى واسع من 450 C إلى 2000 C بدقة أفضل من 0.5 % . هذا النوع يحتاج إلى إجهزة hardware معالجة إشارة وبرمجيات software خاصة .

مثال 1 :
مطلوب قياس نقطة إنصهار melting point مادة كيميائية والمعروف أنها تقع بين 1500 C و 1800 C . ما هو الحساس المناسب ؟
الحل :
الحساس الوحيد الذى يعمل عند درجة الحرارة المطلوبة هو الثرموكابل . يجب التأكد انه من النوع المناسب للعمل فى البيئة الكيميائية .
مثال 2 :
مطلوب قياس درجة حرارة غاز بدقة فى حدود عدة درجات . درجة حرارة الغاز تقع بين 0 C و +50 C .
ما هو الحساس المناسب ؟
الحل :
يمكن استخدام معظم الحساسات لهذا الغرض ولكن من المحتمل أن يكون الاختيار الأفضل هو حساس الدائرة المتكاملة ذات السعر الأقل .

[Sallam]

أشكرك جدا أستاذي الكريم

دائما متميز كالعادة في تقديم الفائدة والمعرفة

بارك الله بك