انداره گیری دما با دقت

اندازه گیری دما Thermometry)):

شاید دما اولین کمیتی باشد که انسان به کنترل آن فکر کرده است. در اکثر محیط های صنعتی ، دما یکی از کمیت هایی است که مایل به کنترل یا اندازه گیری آن می باشیم. اندازه گیری دما را می توان به سه دسته ی کلی ، اندازه گیری مکانیکی دما ، اندازه گیری الکتریکی دما و اندازه گیری تشعشعی دما تقسیم کرد. البته در بعضی دسته بندی ها اندازه گیری تشعشعی زیر مجموعه ی اندازه گیری الکتریکی جا داده شده است ، که دسته بندی نوع اول را انتخاب نمودیم. در زیر هر دسته با توضیح بیشتری آورده شده است.

دماسنج IR با دقت ، پایداری با دمای 0.001 درجه سانتی گراد می خواند:

دماسنج مبتنی بر مادون قرمز که توسط NIST ساخته شده است و از یک طراحی خلاقانه ، اصلاح های چندگانه و یک ردیاب پیرو الکتریک برای تحقق عملکرد دقیق چند هزارم درجه سانتیگراد استفاده می کند. اندازه گیری دما آسان است ، اما اندازه گیری مکرر با دقت ، دقت و تکرار زیاد دشوار است. تحقق این اهداف با رویکرد اندازه‌گیری IR ، که از یک لنز برای تمرکز اشعه مادون قرمز و یک سنسور پیرو الکتریک برای تبدیل انرژی گرمای آن به یک سیگنال الکتریکی استفاده می کند ، به ویژه دشوار است. این روش غیر تماسی برای اندازه گیری دما با اندازه گیری تابش گرما داده شده توسط اشیاء ، مزایای بسیاری را ارائه می دهد. با این وجود ، به دلیل عواملی مانند اختلاف دما در طول دماسنج و دمای خارج از ابزار ، منابع خطایی نیز وجود دارد. محققان انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک دماسنج قابل حمل IR به صورت کاملاً جمع و جور (60 سانتی متر در 24 اینچ) و قابل حمل را ایجاد کردند – کلاسی که به طور رسمی دماسنج اشعه مادون قرمز با تابش حرارتی (TIRT) نامیده می شود – که این محدودیت ها را پشت سر می گذارد (شکل). 1) این ماده در محدوده 50 ⁰ 50 درجه سانتیگراد (258 درجه فارنهایت) تا 150 درجه سانتیگراد (302 درجه فارنهایت) (متناسب با طول موج مادون قرمز بین 8 تا 14) متر کار می کند و می تواند دما را با دقت چند هزارم درجه سانتیگراد اندازه گیری کند.

در ادامه در چند شکل نحوه اندازه گیری را تشریح میکنیم و توضیحات لازم داده می شود.

1.همانطور که در آرایش طراحی نوری ART نشان داده شده است ، لنزهای ZnSe و محفظه تثبیت شده در دما ، ایستگاه میدان کج ، توقف دیافراگم ، لنزها و آشکارسازها را نگه می دارند. کل مونتاژ در سمت راست چرخ هلی کوپتر دما در دمای 23 درجه سانتیگراد تثبیت شده است. فاصله از لنز هدف تا ردیاب پیرو الکتریک حدود 55 سانتی متر است. توجه داشته باشید که مورد بیرونی ART درجه حرارت تثبیت نشده است.   هووارد یون ، فیزیکدان NIST و رهبر پروژه  می گویید ، این دامنه جایی است که بیشتر فعالیت های مورد علاقه دما با وجود همه تلاش ها در هر دو محدوده سرمازا و فوق العاده زیاد انجام می شود. وی خاطرنشان كرد: “طول 200 درجه تقریباً همه دماهایی را كه روی زمین اتفاق می افتد را پوشش می دهد. اگر تأثیر زیادی در اندازه گیری اشیاء در آن محدوده داشته باشید ، واقعاً مهم است.  برنامه های کاربردی برای اندازه گیری با این کلاس از دقت و پایداری از تشخیص عادی و غیرمعمول غیر معمولی تجهیزات مکانیکی تا استفاده بسیار خواستارتر در اندازه گیری دمای سطح دریا برای تأیید صحت سنجی هوا و حسگرهای اقلیمی و ماهواره ای برخوردار هستند.

دماسنج کامل پرتوی محیطی NIST (ART) (شکل 2) از مجموعه ای از دماسنج های داخلی برای سنجش دما به طور مداوم در نقاط مختلف دستگاه استفاده می کند. این قرائت ها سپس در حلقه بازخورد استفاده می شوند ، که سیلندر هسته 30 سانتی متری (12 اینچی) حاوی مونتاژ ردیاب را در دمای ثابت 23 درجه سانتیگراد (72 درجه فارنهایت) نگه می دارد. این واحد همچنین شامل ویژگی های تمرکز اضافی دیگری برای کاهش خطاها در اثر تابش IR در داخل دستگاه از خارج از میدان دید هدفمند (به نام اثر منبع) است. 2- در دماسنج پرتوی محیطی NIST ، نور مادون قرمز از منبع کالیبره شده با دمای ثابت (در سمت راست ، نشان داده نشده) از طریق این لنز وارد محفظه دماسنج می شود که تابش اشعه را بر روی “توقف میدان” متشکل از f-stop متصل می کند. دیافراگم در عکاسی (1). هلی کوپتر فلزی دایره ای ، پرتوهای IR را به دنباله ای از پالس ها (2) خرد می کند. اولین لنز داخل استوانه مرکزی ، نور را از محل توقف میدان به پرتو موازی (3) تبدیل می کند. نور از درون این استوانه عایق (طول حدود 30 سانتی متر) عبور می کند ، که توسط سیستم بازخورد کنترل می شود. تشعشعات ولگرد با توقف دیگری مسدود می شود (4). لنز دوم نور را روی یک آشکارساز پیرو الکتریک متمرکز می کند (5). خروجی آشکارساز به یک آمپلی فایر هدایت می شود که سطح سیگنال را افزایش می دهد (6). مونتاژ ردیاب ، که از یک ایستگاه متناوب ، دو لنز ، Lyot stop و خود ردیاب تشکیل شده است ، برای عملکرد پایدار و کم صدا بسیار مهم است. (توقف Lyot یک “توقف” نوری است که میزان شعله ور ناشی از پراش سایر توقف ها و درگیری ها در سیستم های نوری را کاهش می دهد.) مونتاژ ردیاب ، به طول حدود 30 سانتی متر ، روی یک لوله آلومینیومی آندی شده است که دمای آن تا 23 درجه تثبیت می شود. C از طریق سه کولر مستقل ترموالکتریک (TE) – هر یک برای بخش هایی که متوقف می شوند ، متوقف می شوند ، Lyot متوقف می شوند. سنجش دما از دو بخش و ردیاب با استفاده از سه ترمیستور جداگانه محصور شده با شیشه انجام می شود و از کنترلرهای تجاری TE برای تثبیت مونتاژ استفاده می شود. تشعشع به دست آمده با چرخ چرخنده چرخان تعدیل می شود (یک روش مشابه در مسیرهای سیگنال الکترونیکی برای جلوگیری از رانش DC استفاده می شود) ، و سیگنال های مدوله شده با استفاده از یک تقویت کننده قفل تجاری اندازه گیری می شود.  دمای مجامع در دمای تعیین شده نسبت به 2 mK بهتر است. برای عملکرد بهینه حلقه بسته ، با اجازه دادن به همه بخش ها تا دمای آزمایشگاه ، درجه حرارت تثبیت می شود. سپس نقطه تنظیم به 500 Ω زیر مقاومت ترمیستور تعادل کاهش می یابد ، مربوط به یک نقطه تنظیم است که در حدود 1 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای آزمایشگاه است. پس از آن ، دمای تثبیت شده اندکی بالاتر از دمای آزمایشگاه قرار دارد تا اثرات همرفت را به حداقل برساند.   کاربردها:سیستم اندازه گیری پیشنهادی در زمینه برنامه های کاربردی کشاورزی مورد استفاده قرار گرفت که نیاز به اندازه گیری برگ گیاه و اندازه گیری دمای محیط به همراه سایر پارامترها به منظور تصمیم گیری در مورد تیمارهای دقیق آبیاری داشت [4]. علاوه بر این ، سیستم مورد نیاز برای پشتیبانی از یک فرایند یادگیری ماشینی به منظور ایجاد قوانین جدید برای بهبود دقت در ارزیابی وضعیت گیاه در فرایند تصمیم گیری بود. در یک محیط گلخانه ای ، شبکه ای از هشت ماژول بی سیم شامل 36 ترمیستور مستقر شده و برای مدت زمان 52 روز از اندازه گیری دقیق دما به الگوریتم تصمیم گیری با مدت زمان اندازه گیری 5 دقیقه استفاده شده است (شکل 5a – c). گره ها با مقاومت در برابر آب محافظت می شوند تا در برابر شرایط سخت میدان مقاومت کنند. اندازه گیری دقیق دما عامل مهمی در موفقیت مدل زراعی حاصل از آن بود که ضمن حفظ کیفیت بالای محصول ، منجر به کاهش 20٪ آب آبیاری در مقایسه با روش های سنتی شد.

لایه رابط میکروکنترلر بی سیم اجازه می دهد تا هر ترکیبی از حداکثر هشت سنسور یا محرک مختلف در هر زمان با هم متصل شده و به طور مستقل روشن و خاموش شود. با اتصال چندین دستگاه سنسور (یعنی ترمیستورها با مدار آنها) تعداد ماژول های مورد نیاز در هر سنسور کاهش می یابد که منجر به هزینه کلی کمتر می شود. به منظور تغییر نوع سنسور / محرک متصل ، هر یک از هشت تنظیم کانال رابط به راحتی در این زمینه قابل تغییر است. در این نرم افزار ، استقرار ترمیستورها یک فرایند مهم و وقت گیر بود. مجموعه ای از گیره های برگ برای اتصال ترمیستورها به برگهای گیاه طراحی شده است (شکل 5b). ترميستورها از طريق دو سيم كه بايد به قسمت بالاي محك ها ثابت شوند براي به حداقل رساندن حركت توسط رشد گياهان يا كاربران به متصل شدند. در حین استقرار ، به منظور به حداقل رساندن تغییرات محلی ، به انتخاب برگ هایی که از نظر اندازه ، رنگ ، شکل و محل مشابه بودند ، توجه ویژه ای شد.

ما در حال حاضر با استفاده از سیستم توسعه یافته تنظیم شده با قطر 10 میلی متر در یک برنامه نظارت بر سلامت که دمای پوست را به صورت غیر متجاوز تشخیص می دهد (شکل 7a) و بر اساس آن استرس کاربر را با استفاده از ترکیبی از سیگنال های فیزیولوژیکی تشخیص می دهد. دمای پوست با فرکانس 1 هرتز کنترل می شود و ویژگی های آماری (میانگین ، استیو ، حداکثر ، حداقل) در ویندوزهای زمانی مختلف محاسبه می شود. تست Stoop که به شرکت کننده نیاز دارد تا رنگ یک کلمه تعیین شده با رنگی متفاوت را تحت فشار زمانی نامگذاری کند ، برای القاء فشار روانی به داوطلبان به دنبال یک پروتکل آزمایشی که شامل دوره های آرامش و استرس 10 دقیقه در هر زمان است ، در حالی که پوست تغییر سیگنال دما کنترل می شود (شکل 7b). آزمایشات با حسگر پوشیدنی نمونه برداری شده در یک آزمایشگاه با شرایط محیطی پایدار انجام شده است. با این حال ، در مکان های فیزیکی ، دمای محیط در طول روز نوسان دارد و این بر اندازه گیری دمای پوست تأثیر می گذارد. برای رفع این مشکل ، مدل های دیفرانسیل با در نظر گرفتن هم پوست و هم دمای محیط استفاده می شود.

منابع:https://www.ncbi.nlm.nih.gov

https://www.buch-holm.comh

ttps://www.electronicdesign.com

https://www.anton-paar.com

https://www.researchgate.net

https://www.maximintegrated.com

https://web.mst.edu

https://www.metrotik.com