سنسورهای دما بدون تماس

سنسورهای دما بدون تماس چیست؟

تقریباً هر جرمی بالاتر از دمای صفر مطلق، تابش الکترومغناطیسی (فوتون یا نور) را به عنوان تابعی از آن دما ساطع می کند.

این واقعیت اساسی اندازه گیری دما را با تجزیه و تحلیل نور ساطع شده از یک جسم امکان پذیر می کند.

قانون انرژی تابیده شده استفان-بولتزمن این واقعیت را کمیت می کند و اعلام می کند که نرخ گرمای از دست رفته توسط گسیل تابشی از یک جسم داغ متناسب با توان چهارم دمای مطلق است:

کجا،

dQ/dt = نرخ تلفات حرارتی تابشی (وات)

e = ضریب انتشار (بدون واحد)

σ = ثابت استفان بولتزمن (۵٫۶۷ × ۱۰^−۸ W/m²·K⁴)

A = سطح (متر مربع)

T = دمای مطلق (کلوین)

مزیت اصلی دماسنج غیر تماسی (یا پیرومتری که اغلب به اندازه گیری دمای بالا گفته می شود) کاملاً واضح است: بدون نیاز به قرار دادن سنسور در تماس مستقیم با فرآیند ،

طیف گسترده ای از اندازه گیری دما ممکن است انجام شود که انجام آنها با استفاده از هر فناوری دیگری غیرعملی یا غیرممکن است.

یکی از معایب مهم دماسنج غیر تماسی این است که فقط دمای سطح یک جسم را نشان می دهد.

برای مثال، حس کردن تشعشعات حرارتی ساطع شده از یک لوله، فقط دمای سطح آن لوله را به شما می گوید نه دمای واقعی سیال درون لوله.

مثال دیگر زمانی است که پزشکان از دماسنج غیر تماسی برای ارزیابی بی نظمی در دمای بدن استفاده می کنند: چیزی که آنها تشخیص می دهند فقط دمای پوست است.

اگرچه ممکن است درست باشد که “نقاط داغ” در زیر سطح یک جسم ممکن است از این طریق قابل تشخیص باشند، تنها به این دلیل است که دمای سطح آن جسم در نتیجه نقطه(های) داغ زیر آن متفاوت است.

اگر یک ناحیه گرمتر از حد معمول در داخل یک جسم نتواند انرژی حرارتی کافی را به سطح منتقل کند تا به عنوان دمای سطح داغتر ظاهر شود،

ممکن است برخی از خوانندگان متوجه شوند که پیرومتری غیر تماسی تقریباً به قدمت فن آوری ترموکوپل است، شگفت زده شود، اولین پیرومتر غیر تماسی در سال ۱۸۹۲ ساخته شد.

تمرکز پیرومتر

یک طراحی قدیمی برای پیرومترهای غیر تماسی، متمرکز کردن نور فرودی از سطح یک جسم گرم شده روی یک عنصر کوچک حسگر دما است.

افزایش دما در حسگر، شدت انرژی نوری مادون قرمز را نشان می‌دهد که بر روی آن می‌افتد،

که همانطور که قبلاً گفته شد تابعی از دمای سطح جسم مورد نظر (دمای مطلق تا توان چهارم) است:

کلاس

مشخصه قدرت چهارم قانون استفان بولتزمن به این معنی است که دو برابر شدن دمای مطلق در جسم داغ باعث می شود که انرژی تابشی شانزده برابر بر حسگر بیفتد و بنابراین افزایش شانزده برابری در افزایش دمای سنسور نسبت به محیط. سه برابر شدن دمای هدف (مطلق) هشتاد و یک برابر انرژی تابشی تولید می کند و بنابراین افزایش دمای سنسور ۸۱ برابر می شود.

این غیرخطی شدید، کاربرد عملی پیرومتری غیر تماسی را در محدوده‌های نسبتاً باریکی از دمای هدف محدود می‌کند، هر جا که دقت خوبی لازم باشد.

ترموکوپل ها اولین نوع حسگر مورد استفاده در پیرومترهای غیر تماسی بودند و هنوز هم در نسخه های مدرن همان فناوری کاربرد دارند.

از آنجایی که حسگر تقریباً به اندازه جسم مورد نظر داغ نمی شود، خروجی هر اتصال ترموکوپل منفرد در ناحیه حسگر بسیار کوچک خواهد بود.

به همین دلیل، سازندگان ابزار اغلب از آرایه‌ای از ترموکوپل‌های متصل به سری به نام ترموپیل برای تولید سیگنال الکتریکی قوی‌تر استفاده می‌کنند.

مفهوم اساسی ترموپل این است که چندین اتصال ترموکوپل را به صورت سری به هم متصل می کند تا ولتاژ آنها اضافه شود:

کلاس

با بررسی علائم قطبیت هر اتصال (سیم های ترموکوپل نوع E در این مثال فرض می شوند:

کرومل و ثابتان)، می بینیم که تمام ولتاژهای اتصالات “گرم” به یکدیگر کمک می کنند.

مانند تمام ولتاژهای اتصالات “سرد”. با این حال، مانند تمام مدارهای ترموکوپل، هر ولتاژ اتصال “سرد” با ولتاژ اتصال “گرم” مخالف است.

نمونه حرارتی نشان داده شده در این نمودار، با چهار اتصال گرم و چهار اتصال سرد، چهار برابر اختلاف پتانسیلی را ایجاد می کند که یک جفت اتصال سرد/گرم ترموکوپل واحد نوع E ایجاد می کند، با این فرض که همه اتصالات گرم در یک دما هستند و همه اتصالات سرد در همان دما هستند.

هنگامی که دماسنج به عنوان آشکارساز برای یک پیرومتر غیر تماسی استفاده می شود،

جهت گیری دماسنج طوری است که تمام نور متمرکز بر روی اتصالات داغ (“نقطه کانونی” که در آن نور متمرکز می شود، می افتد.

یک نقطه کوچک)، در حالی که اتصالات سرد از نقطه کانونی به سمت منطقه ای با دمای محیط روبرو هستند.

بنابراین، ترموکوپل مانند یک ترموکوپل چند برابر شده عمل می کند و ولتاژ بیشتری نسبت به اتصال یک ترموکوپل در شرایط دمایی یکسان تولید می کند.

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.