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 و سرعة الاستجابة والربط الحرارى والبيئة (كيميائية – كهربية – طبيعية ) .
الجدول التالى يبين أن:
الثرموكابل (الازدواج الحرارى) :
هو الأنسب لقياس لكل من درجات الحرارة المنخفضة ودرجات الحرارة المرتفعة . المدى العملى له هو -270 C إلى +2600 C . الثرموكابل رخيص الثمن ومتين جدا .يمكمن استخدامه فى معظم البيئات الكيميائية والطبيعية . لا يحتاج فى تشغيله إلى قدرة خارجية ودقتة العملية حوالى +/- 1 C
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 .
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 :
تستخدم 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 .
أجهزة قياس درجة الحرارة بالاشعاع Radiation thermometry
تستخدم 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 :
الحاس 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 . درجو حرارة الغاز تقع بين 0 C و +50 C .
ما هو الحساس المناسب ؟
الحل :
يمكن استخدام مغظم الحساسات لهذا الغرض ولكن من المحتمل أن يكون الاختيار الأفضل هو حساس الدائرة المتكاملة ذات السعر الأقل .
القادم إن شاء الله :
حساسات درجة الحرارة نوع الثرموكابل Thermocouple Temperature Sensors
درجة الحرارة وحساساتها وقياسها Temperature and its Measurement
