تاریخچه اندازه‌گیری دما

در این مقاله، شما در مورد اهمیت و توسعه فناوری اندازه‌گیری دما خواهید آموخت. ما این موضوع را با عمق کافی پوشش خواهیم داد و شما:

• دما چیست و چرا اینقدر مهم است؟
• تاریخچه سنسورهای دما
• اهمیت حسگرهای دما در کاربردهای آزمایش و اندازه‌گیری

اندازه‌گیری دما (شدیدترین کمیت فیزیکی جهان)

دما برای سلامت ما و محیط زیست ما بسیار مهم است: ساختمان‌هایی که در آنها زندگی و کار می‌کنیم، جاده‌ها و زیرساخت‌های ما و هر ماشینی در جهان.

دمای غیرطبیعی بدن انسان یکی از اولین نشانه‌های بیماری ماست. دماهای شدید می‌تواند به ماشین‌ها و سازه‌ها آسیب برساند یا آنها را از بین ببرد.

اندازه‌گیری دما همیشه حیاتی بوده است، اما اندازه‌گیری دقیق آن همیشه امکان‌پذیر نبوده است.

دما چیست؟

نقاط انجماد و جوش آب، مرجع عملی در هر دو مقیاس اندازه‌گیری دما در سلسیوس و فارنهایت هستند.

دما یک معیار فیزیکی برای سنجش گرمی یا سردی ماده یا تابش است. همچنین به جریان انرژی از اجسام گرم‌تر به اجسام سردتر اشاره دارد.

کلوین (K) واحد بین‌المللی دما (SI) است. سردترین دما “صفر مطلق” است، حالتی که تقریباً هیچ فعالیت مولکولی وجود ندارد. این نقطه به عنوان 0 درجه کلوین شناخته می‌شود.

اگر کنجکاو هستید، باید بگویم که صفر مطلق برابر با 273.15- درجه سانتی‌گراد (459.67- درجه فارنهایت) است. این دما واقعاً سرد است!

در مقیاس سلسیوس، نقطه انجماد آب 0 درجه و نقطه جوش آب 100 درجه است. فارنهایت نیز از این دو نقطه مرجع استفاده می‌کند، اما آنها روی 32 و 212 درجه فارنهایت تنظیم شده‌اند.

فارنهایت که زمانی استاندارد جهانی بود، در قرن بیستم با مقیاس سلسیوس جایگزین شد. امروزه، فارنهایت فقط درایالات متحده و چند کشور دیگر استفاده می‌شود.

سلسیوس در سال 1948 به افتخار دانشمند سوئدی آندرس سلسیوس که آن را در سال 1742 توسعه داد، به “سلسیوس” تغییرنام دارد.

او پیشنهاد کرد که 0 درجه باید نقطه جوش آب و 100 درجه نقطه انجماد باشد. این مقیاس بعداً معکوس شد تا قابل درک‌تر باشد.

مقیاس‌های سلسیوس و فارنهایت در دمای 40- درجه یکدیگر را قطع می‌کنند. فشار اتمسفر (که به عنوان فشار بارومتریک یا فشار هوا نیز شناخته می‌شود) بر رفتار آب تأثیر می‌گذارد.

از آنجایی که نقاط انجماد و جوش آب به عنوان مرجع در هر دو مقیاس سلسیوس و فارنهایت استفاده می‌شوند، اندازه‌گیری‌ها باید در فشار 1 اتمسفر در سطح دریا انجام شوند.

مقادیر دما را با فرمت زیر می‌نویسیم:

• 25 درجه سانتی‌گراد
• 107 درجه فارنهایت
• 23.45 درجه شمالی

اندازه‌گیری‌های نسبی اولیه

تا قرن شانزدهم، اندازه‌گیری دما در بهترین حالت ابتدایی بود. هیچ ابزاری نمی‌توانست دمای واقعی را اندازه‌گیری کند. آنها فقط می‌توانستند اندازه‌گیری‌های نسبی انجام دهند.

حدود 250 سال قبل از میلاد، مهندس یونانی بیزانسی، فیلو مکانیکوس، یک کره سربی توخالی را با هوا و آب پر کرد و آن را توسط یک لوله به یک کوزه روباز متصل کرد.

با افزایش دمای هوای داخل کره، کره منبسط شد و آب را به داخل لوله هل داد. هنگامی که دما کاهش یافت، آب عقب‌نشینی کرد.

هیروی اسکندریه حدود سال 50 میلادی یک دماسنج ابتدایی ساخت. او همچنین آن را بر اساس این ایده بنا نهاد که آب یا هوای درون یک کره هنگام گرم شدن منبسط و هنگام سرد شدن منقبض می‌شود.

این کار را با حرکت آب از طریق یک لوله متصل برای نمایش افزایش یا کاهش دما می‌توان انجام داد.

یک قرن بعد، جالینوس، پزشک رومی متولد یونان، دماسنج مشابهی را ساخت، اما مقیاسی به آن اضافه کرد که دماهای گرم، سرد و خنثی را نشان می‌داد، که نه گرم بودند و نه سرد.

تا اواخر دهه 1500 و 1600 میلادی پیشرفت قابل توجهی در اندازه‌گیری حاصل نشد.

اندازه‌گیری دما با ترموسکوپ

گالیله، ستاره‌شناس مشهور ایتالیایی (1564-1642)، به همراه سانتوریو، رابرت فلاد و کورنلیوس دربل، یکی از دانشمندانی است که در اختراع ترموسکوپ نقش داشت.

یک لامپ متصل به یک لوله بلند در یک شیشه آب رنگی قرار می‌گیرد. هوای داخل لامپ در دماهای بالاتر منبسط می‌شد و سطرح مایع داخل لوله را بالا می‌برد.

گالیله و معاصرانش در آن زمان متوجه این موضوع نشدند، اما تغییراتی در فشار بارومتریک وجود داشت که بر این اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذاشت.

ترموسکوپ به تأیید مشاهده تغییرات نسبی دما کمک کرد، اما قرائت‌های دقیقی ارائه نداد.

ظهور کالیبراسیون

در اوایل دهه 1700، ستاره‌شناس دانمارکی، اوله کریستنسن رومر، مقیاسی برای دما بر اساس نقاط انجماد و جوش آب، از 7.5 تا 60 درجه ابداع کرد.

این اولین مقیاس دمای کالیبره و کاملاً جدید بود. تمام اندازه‌گیری‌های دمای قبلی نسبی بودند.

تصادفاً، فیزیکدان انگلیسی، ایزاک نیوتن، تقریباً در همان زمان، یک مقیاس دمای کالیبره را پیشنهاد داد. نیوتن نقطه انجماد آب را صفر درجه تعیین کرد.

با این حال، از آنجایی که او مدیر ضرابخانه بریتانیا بود، از نقاط مرجع ثانویه مانند نقاط ذوب قلع، سرب و سایر فلزات استفاده می‌کرد.

اولین دماسنج کاربردی

برای اینکه اثرات فشار بارومتریک بر روی قرائت از بین برود، دانشمندان سعی کرده‌اند از مایعی در یک ظرف شیشه‌ای دربسته استفاده کنند.

دوک بزرگ توسکانی، فردیناندو دوم د مدیچی، در اوایل سال 1654 چنین دماسنجی را با استفاده از الکل ساخت.

در سال 1709، دانیل گابریل فارنهایت، متولد لهستان، با پر کردن بخشی از یک لوله آب‌بندی با جیوه رنگی، اولین دماسنج شیشه‌ای کاربردی را ساخت.

فارنهایت ایده مقیاس خود را پس از بازدید از رومر در سال 1708 به دست آورد. او لوله را با مقیاسی از 32 در نقطه انجماد آب تا 212 در نقطه جوش آب علامت‌گذاری کرد.

بنابراین، اختراع فارنهایت اندازه‌گیری‌های قابل اعتمادی انجام داد و در پزشکی و سایر کاربردها کاربرد عملی داشت.

اندازه‌گیری دما با پیرومتر

در اواسط قرن هجدهم، جوزایا وجوود، سفالگر انگلیسی، یک آذرسنج مکانیکی را برای اندازه‌گیری دمای داخل کوره‌های خود اختراع کرد.

سایر آذرسنج‌ها از نظر ساختار پیچیده‌تر بودند، آن‌ها بر انبساط یک میله فلزی (a) هنگام گرم شدن توسط کوره متکی هستند که یک سوزن را در امتداد یک مقیاس مشخص فشار می‌دهد.

هنگامی که دما کاهش می‌یابد، یک فنر میله و سوزن را به موقعیت‌های اصلی خود فشار می‌دهد.

ترموکوپل سیبک

در سال 1821، توماس سیبک، پزشک و فیزیکدان اهل بالتیک، مجذوب رابطه بین گرما و مغناطیس شد.

او کشف کرد که اتصال دو فلز رسانای مختلف در دو نقطه و اینکه یکی از اتصالات در معرض منبع گرما قرار می‌گیرد، یک میدان مغناطیسی (و از این رو یک ولتاژ کوچک) در امتداد سیم تولید می‌کند.

یون هنوز کشف نشده بود، بنابراین او از آن بی‌اطلاع بود، اما او در حال مشاهده یک نیروی محرکه الکتریکی بود که بعداً به افتخار او اثر سیبک نام‌گذاری شد.

سیبک همچنین مشاهده کرد که این جریان با توجه به دمای محیط افزایش یا کاهش می‌یابد. کار او مستقیماً به اختراع ترموکوپل منجر شد.

اندازه‌گیری دما با RTD

در سخنرانی‌های بیکریان در سال 1871، سر کارل ویلهلم زیمنس مقاله‌ای در مورد تمایل رساناهای الکتریکی به افزایش مقاومت الکتریکی خود با افزایش دما ارائه داد.

او مشاهده کرد که مقاومتی که می‌توان بین فلزات خاص اندازه‌گیری کرد با دما تغییر می‌کند.

در سال 1885، فیزیکدان بریتانیایی، هیو لانگبورن، یک RTD (آشکارساز دمای مقاومتی) مبتنی بر پلاتین اختراع کرد که کالندار آن را قابل اعتمادتر و از نظر تجاری موفق‌تر ساخت.

برخلاف ترموکوپل‌ها، خروجی‌های RTD خطی هستند. با این حال، سنسور باید تغذیه شود. در نتیجه، سیم‌کشی آنها پیچیده‌تر از ترموکوپل‌ها است.

ترمیستور

ترمیستور یک نیمه‌رسانا است که با فشردن اکسیدهای فلزی به شکل مهره، دیسک، ویفر یا شکل‌های دیگر کوچک و پخت در دماهای بالا ایجاد می‌شود. این قطعه معمولاً با اپوکسی یا شیشه مستور می‌شود.

وقتی جریان از یک ترمیستور عبور می‌کند، می‌توانید ولتاژ دو سر ترمیستور را بخوانید و دمای آن را تعیین کنید. یک ترمیستور معمولی در دمای 25 درجه سانتی‌گراد مقاومت 2000 اهم دارد. ضریب دمایی 3.9%.

اندازه‌گیری دما با مادون قرمز بدون تماس

پیرومتر مادون قرمز 

دانشمند انگلیسی ویلیام هرشل وجود تابش فروسرخ را در اوایل درهه 1800 کشف کرد.

اما بیش از 100 سال طول کشید تافیزیکدان آلمانی، ماکس پلانک، معادلات ریاضی تابش الکترومغناطیسی را توسعه دهد. او نظریه کوانتوم و فیزیک را برای توصیف تابش طیفی ترکیب کرد.

اولین دماسنج مادون قرمز در سال 1931 معرفی شد، اما این فناوری به دلیل جنگ جهانی دوم در دهه 1940 به سرعت پیشرفت کرد.

اولین حسگرهای مادون قرمز تا دهه 1960 گران و برای استفاده روزمره غیرعملی بودند، تا اینکه دکتر تئودور بنزینگر آلمانی در یک آذرسنج دستی ارزان قیمت برای کاربردهای پزشکی ساخت.

رایج‌ترین دماسنج مادون قرمز، پیرومتر یا پیرومتر مادون قرمز «نقطه‌ای» است. یک نقطه لیزر قرمز بی‌ضرر به کاربر کمک می‌کند تا پیرومتر را هدف قرار دهد و تقریباً در هر صنعتی در کاربردهای بازرسی یافت می‌شود.

دوربین‌های تصویربرداری حرارتی

یک آذرسنج مادون قرمز نقطه‌ای فقط می‌تواند دما را در یک مکان خاص در یک زمان اندازه‌گیری کند.

اما اگر بخواهیم به یک موتور در حال کار نگاه کنیم و دمای داخل آن را ببینیم، چه؟ یا کل بدن انسان؟ خوشبختانه، راه حلی برای این مشکل وجود دارد که تصویربرداری حرارتی نام دارد.

فیزیکدان مجارستانی، کالمان تیهانی، چندین فناوری پیشگامانه مرتبط با اختراع تلویزیون را در اوایل دهه 1920 به ثبت رساند.

سال 1929، او به لندن نقل مکان کرد و با وزارت هوایی بریتانیا برای ساخت دوربینی که از فناوری مادون قرمز استفاده می‌کرد تا پدافندهای هوایی را قادر به دیدن مؤثر در تاریکی کند، همکاری کرد. در همان سال، او اولین دوربین مادون قرمز را اختراع و به ثبت رساند.

در اواخر جنگ جهانی دوم، دانشمندان آلمانی فناوری «دید در شب» تیهانی را برای کاربردهای هدف‌گیری نظامی دنبال کردند.

تا دهه 1970، فناوری مادون قرمز پیشرفت کرده بود، اما حسگرها هنوز باید با نیتروژن مایع خنک می‌شدند و بسیار بزرگ و گران بودند.

یکی از شاخه‌های طرح دفاع استراتژیک ایالات متحده در دهه 1980، اختراع «حسگرهای هوشمند» بود.

این طرح، یک حسگر را با پردازش، فیلتر کردن و سایر محاسبات پیشرفته در یک مجتمع واحد ترکیب می‌کرد. پیشرفت در حسگرهای هوشمند و قدرت پردازش، این فناوری را حتی فراتر می‌برد.

امروزه دوربین‌های تصویربرداری حرارتی در طی گسترده‌ای از کاربردها، از جمله بازرسی ماشین‌آلات، پزشکی، آتش‌نشانی و عملیات نجات استفاده می‌شوند.

تنظیم سیگنال سنسور دما

همه دیتالاگرها و سیستم‌های DAQ، سیگنال‌های آماده‌ برای ترموکوپل‌ها و سنسورهای RTD را فراهم می‌کنند.

اگرچه می‌توان دماسنج‌ها را مستقیماً به سیستم‌های DAQ متصل کرد، اما این امر نادر است. دوربین‌های IR با خروجی‌های دیجیتال و درایورهای سخت‌افزاری می‌توانند مستقیماً به سیستم‌های DAQ مبتنی بر کامپیوتر متصل شوند.

نتیجه‌گیری

امروزه، میلیاردها حسگر دما در سراسر جهان در هر ثانیه از هر روز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از کوچکترین ترمیستورها تا پیشرفته‌ترین دوربین‌های IR، دما همچنان یک اندازه‌گیری حیاتی برای ماموریت است.