ده توصیه برای اندازه گیری دقیق دما در فرایند

انتخاب و نصب دقیق حسگرهای دما می تواند کارآیی این حسگرها را تضمین کند که درنتیجه باعث افزایش کیفیت محصولات و بازدهی تولید خواهد شد.

توصیه ی 1 : حسگر مناسب برای کاربرد موردنظر خود انتخاب کنید.

ممکن است به نظر بدیهی برسد، اما جالب است بدانید که بازده فرآیند تا چه حد می تواند با به کارگیری ترموکوپل نامناسب دچار مشکل شود. شاخص هایی مانند زمان در دما، درجه دقت و نرخ سیکل گرمایی و محیط کاربری این تجهیزات می تواند بر روی بهترین انتخاب ممکن برای نوع ترموکوپل موردنظر به منظور دستیابی به کارآیی دقیق، اتکاپذیر و بلندمدت، تاثیر بگذارد. در مورد بیشتر کاربردهایی که با دمای Fº1400 (Cº760) یا کمتر کار کار می کنند، کالیبراسیون هر یک از فلزهای پایه (T,E,J و K) عملی خواهد بود، اما تمام آن ها نتیجه ی مشابهی به دست نخواهند دارد.

 نوع J وسیع ترین محدوده ی محیطی شامل محیط خلاء محیط اکسیدکننده، احیاکننده و یا اتمسفر خنثی را از دمای 32 تا Fº1400 (صفر تا Cº760) شامل می شود. اما در دمای بالاتر از Fº1000 (Cº538)، میله ی آهنی در معرض اکسیداسیون سریع قرار گرفته و در دمای پایین تر از Fº32 نیز آهن دچار زنگ زدگی و شکنندگی می شود.

 نوع T برای دماهای پایین، شامل دماهای زیر صفر (Fº330- یا Cº200-) مناسب بوده و در مقابل خوردگی در محیط مرطوب مقاوم است. اما در هوا یا محیط های اکسیدکننده، در دمای بالاتر از Fº700 (Cº370) اکسیدشدن المان مسی اتفاق خواهد افتاد.

نوع K انتخاب مناسبی برای محیط های اکسیدکننده و خنثی تا دمای Fº2300 (Cº1260) می باشد. این نوع ترموکوپل ها که از مقاومت اکسایشی بالاتر نسبت به انواع E، J و T برخوردار است، بیشتر در دماهای بالاتر از Fº1000 استفاده می شود، هرچند این نوع ترموکوپل ها در دماهای بالاتر از Fº1000 استفاده می شود، هرچند این نوع ترموکوپل ها در ترموکوپل های نوع K برای استفاده در محیط هایی که واکنش احیا در آن اتفاق می افتد و یا محیط هایی که واکنش اکسیداسیون و احیا هر دو به صورت متناوب در آن ها رخ می دهد، همچنین در محیط های گوگرددار یا در شرایط خلا توصیه نمی شوند.

 ترموکوپل نوع E بالاترین حساسیت را در بین ترموکوپل های فلز پایه از خود نشان داده و اغلب برای این منظور به کار می رود. این نوع ترموکوپل ها به خوبی در محدوده ی دمایی بین Fº330- یا Cº2300-) (201- تا Cº1260) در محیط های اکسیدکننده یا خنثی عمل می نمایند. این نوع ترموکوپل ها همچنین 

مقاومت مناسبی در برابر خوردگی در محیط های دارای رطوبت بالا از خود نشان می دهند. ترموکوپل های نوع E برای محیط های احیاکننده یا شرایط خلاء توصیه نمی شوند.

 ترموکوپل های فلزات کمیاب (S، R و B) و همچنین نوع C بهترین انتخاب برای دماهای بسیار بالا هستند، گرچه قیمت بالاتری دارند. انتخاب المان گرمایی، تنها مساله ای نیست که باید مورد توجه قرار گیرد. انتخاب دقیق مواد عایق کننده و غلاف دستگاه، همچنین دقت در این زمینه که کنش متقابل این مواد با یکدیگر چگونه است، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مورد با تولیدکننده ی حسگرها مشورت نموده و تمام جزییات مربوط به محیط کاربری خود را در اختیار وی قرار دهید تا اطمینان حاصل کنید که بهترین انتخاب را برای کاربرد مورد نظر خود انجام داده اید.

توصیه ی 2 : از طول غوطه وری مناسب اطمینان حاصل کنید

یکی از معمول ترین خطاهایی که در پیکربندی یک حسگر دمایی رخ می دهد، عدم وجود طول غوطه وری (immersion) مناسب است. در کاربردی مانند لوله های یک فرآیند حسگر بایستی با طولی مانند لوله های یک فرآیند، حسگر بایستی با طولی حداقل به اندازه ی یک سوم قطر داخلی لوله، وارد آن گردد و بهترین محل نیز برای قرارگیری آن، مرکز قطر لوله است. زمانی که این فاصله را محاسبه می کنید، مطمئن شوید که طول کافی برای ضخامت لوله و فلنج نصب آن نیز درنظر گرفته شود. مساله دیگری که باید مورد نظر قرار گیرد، هدایت گرمایی ساقه ی حسگر است. این امر درواقع همان انتقال حرارت ناخواسته ی غلاف ترموکوپل است. برای خنثی کردن این اثر، حداقل طول غوطه وری را هفت تا ده برابر قطر پروب درنظر بگیرید.

توصیه ی 3 : با کاهش جرم، زمان پاسخ گویی حسگر را افزایش دهید

مقدار جرم ماده ی تشکیل دهنده ی حسگر، با سرعت پاسخ گویی آن رابطه ی تنگاتنگی دارد. هرچه این جرم کمتر باشد، پاسخ گویی حسگر سریع تر خواهد شد. بیشتر کوره های و مشعل ها، نیاز به المان های حسگر با قطر زیاد ندارند، زیرا محیط این تجهیزات عموماً بی ضرر بوده و غلاف حسگر مورد نیاز نمی باشد. المان های دمایی بدون غلاف، دارای زمان پاسخ گویی کمتری نسبت به المان های دارای غلاف با اندازه ی مشابه می باشند. توجه به این نکته، به خصوص در طول منحنی گرمایی و زمان سرد شدن، از اهمیت خاصی برخوردار است. زیرا افزایش جرم ماده، موجب اختلال در قابلیت حسگر در ردیابی سریع تغییرات دما خواهد. شد.

توصیه ی 4 : قرائت های کمتر از مورد انتظار، ممکن است نشان دهنده ی ساختار نامناسب باشد.

یکی دیگر از مشکلاتی که معمولاً در کارکرد حسگرها مشاهده می شود، نشان دادن دمایی پایین تر از حد انتظار در حسگر است. در دماهای پایین (کمتر از Fº250 یا Cº121)، این امر ممکن است نشان دهنده ی انحراف گرمایی به علت تخریب عایق انتهای سرد حسگر باشد. برای بررسی این موضوع، مقاومت برقی عایق بندی ترموکوپل، بین سیم های رابط و غلاف فلزی را اندازه بگیرید. مقاومت الکتریکی این عایق باید در 

500 ولت جریان مستقیم بیش از 109 اهم باشد. انحراف دما در دماهای پایین تر نیز می توان در اثر نفوذ رطوبت در انتهای سرد پخش عایق بندی شده بروز نماید. دلایل دیگری نیز وجود دارد که می تواند باعث قرائت های پایین تر از حد انتظار گردد. لخت کردن پیش از اندازه ی سیم های رابط یا اعمال عایق بندی نامناسب، می تواند باعث نفوذ رطوبت و آلودگی شده و باعث انحراف المان های دمایی شود که باعث کاهش مقاومت عایق بندی موجود می گردد. این مشکل به سادگی با تمیزکردن ترمینال ها و اطمینان از این که ماده ی عایق تمام سیم های موجود را به استثنای بخشی که درست زیر پیچ های ترمینال قرار دارد، پوشش داده است، رفع می شود.

توصیه ی 5 : از سیم های مناسب استفاده کنید.

سیم های رابط معمولی، محدوده ی دمایی محدودتری را نسبت به سیم های نوع ترموکوپل، پوشش می دهند. سیم های رابط عادی، عموماً تا دمای مشخصی از منحنی (دما EMF) مشابه سیم های نوع ترموکوپل پیروی کرده و پس از آن به میزان قابل توجهی انحراف از خود نشان می دهند. اگر از سیم های عادی در خارج از محدوده ی فوق استفاده می کنید. احتمالاً خطای فاحشی در قرائت هایتان مشاهده خواهید کردم. به منظور دستیابی به قرائت های اتکاپذیر، سیم ترموکوپل در سر ترمینال بایستی به سیم نوع ترموکوپل مشابهی که در تمام مسیری که در بخش سرد دستگاه وجود دارد به کار رفته است (از قبیل قرائت کننده ها، PLC، انتقال دهنده ها و غیره) وصل باشد. در مورد حسگرهای S.R.C و B، سیم های نوع ترموکوپل می توانند بسیار گران قیمت باشند، چون سیم های دارای آلیاژ خاصی برای استفاده در این مواد هستند.

یکی از روش های صرفه جویی در هزینه ها که معمولاً در این مورد به کار می رود، استفاده از سیم های مسی معمولی به جای سیم های رابط است، اما مس به هیچ وجه از منحنی دما EMF پیروی نکرده و به همین دلیل خطای قابل توجهی را ایجاد می نماید، تنها مورد استثنا در این زمینه، ترموکوپل های نوع B هستند که می توانند از سیم های مسی تا دمای 100ºc استفاده نمایند.

توصیه ی 6 : دستگاه را از تداخل امواج رادیویی محافظت کنید.

ترموکوپل هایی که از سیم های رابط معمولی استفاده می کنند، به «نویز»های الکتریکی خارجی که توسط امواج رادیویی، قطع کننده های جریان و رله های الکتریکی و همچنین دستگاه های دیگری که میدان مغناطیسی تولید می کنند، حساسیت نشان می دهند. روش های گوناگونی برای از بین بردن اثرات ناخواسته ی مربوط به تداخل این قبیل نویزها وجود دارد. یکی از ساده ترین روش ها، استفاده از ترموکوپل های فاقد اتصال زمین به جای ترموکوپل های دارای نوع اتصال زمین، همراه با سیم های غلاف (شیلد)دار است. روش دیگر، حفاظت کامل از تمام پوشش ها و عبوردادن سیم از داخل یک مجرای فلزی است. آخرین روش، استفاده از بهینه ساز سیگنال 4 تا 20 میلی آمپری است که می تواند در داخل و یا نزدیک به 

المان گرمایی نصب شود. سیگنال میلی آمپری، بسیار کمتر از ولتاژ بسیار پایین حسگر در مقابل این قبیل تداخل ها آسیب پذیر است.

توصیه ی 7 : به منظور افزایش دقت، حسگرهای سطحی را به درستی نصب نمایید.

نصب روی سطح، یک روش آسان و ارزان قیمت برای پایش دمای یک فرآیند بدون نفوذ در «مرز فشار» آن است، البته بایستی به یاد داشته باشیم که دمای سطحی یک لوله ی عایق بندی نشده می تواند توسط عواملی مانند تابش و یا اثرات مربوط به سردشدن خارجی، تحت تاثیر قرار گیرد. برای دستیابی به اندازه گیری دقیق تر، ناحیه ی اطراف حسگر را از نظر حرارتی عایق بندی کنید، جرم حسگر را به حداقل کاهش دهید تا از اتلاف گرما جلوگیری شود و یا این که سطح تماس بین حسگر و سطح نسب شونده را افزایش دهید. این افزایش سطح می تواند با استفاده از صفحات جوش داده شده یا بست زدن طول مشخصی از عایق حسگر در تماس با سطح نصب شونده، انجام شود.

توصیه ی 8 : خطاهای رانش (Drift) ترموکوپل را در دوره های مشخص کالیبره نمایید.

ترموکوپل هایی که در محیط های فرآیندی با دماهای بالا به کار گرفته می شود، ممکن است به علت آلوده شدن اتصالات سیم، از دست رفتن اجزای سازنده ی آلیاژ مربوطه و یا به علت واکنش بین اجزای دستگاه (مانند المان های گرمایی، عایق و غلاف) دچار تغییراتی در کالیبراسیون شوند. میزان این خطا، بستگی به محیط فرآیند و خلوص موادی دارد که برای ساخت ترموکوپل به کار رفته است. ترموکوپل ها در شرایط مساعد، حتی می توانند در دمای 1000ºf نیز با پایداری مناسبی در زمان طولانی کار کنند. برای به حداقل رساندن خطاهای سیستم، بایستی حسگرها را به طور دوره ای دوباره کالیبره نمایید.

توصیه ی 9 : توجه داشته باشید که دقت اندازه گیری، تابعی از تمام شاخص های سیستم است.

در بیشتر موارد، تلاش هایی که برای دستیابی به یک شرایط ایده آل در اندازه گیری دقیق صورت می گیرد، بیشتر بر روی حسگرها تکیه داشته و تمام اجزای سیستم اندازه گیری دما را درنظر نمی گیرد. این اجزاء می توانند بخش قابل توجهی از دقت سیستم را تحت تاثیر قرار دهند. به عنوان مثال، تولرانس سیم های رابط می توانند به اندازه ی دوبرابر محدوده ی خطای ترموکوپل ها بر روی خطای سیستم موثر باشد. محیط های مبنا مانند حمام های یخ یا تصحیح کننده های برقی می توانند خطاهایی به میزان 0.09 تا ºf 1.8 (0.05 تا ºc1) را موجب شوند. قرائت کننده ها یا انتقال دهنده های 4 تا 20 میلی آمپری، موارد دیگری از عوامل ایجادکننده ی خطا به شمار می آیند. به عنوان مثال، انتقال دهنده ی دو سیمی 4 تا 20 میلی آمپر می توانند خطای مبنایی به میزان ºf0.9 (ºc0.5) ایجاد نمایند. یکی از روش هایی که برای جلوگیری از این خطا به کار می رود، انجام کالیبراسیون بر روی سیستم حسگر انتقال دهنده است.

توصیه ی 10 : در زمان بررسی دقت سیستم، عدم قطعیت کالیبراسیون را نیز درنظر بگیرید.

در بیشتر موارد، حسگرها همراه با داده های کالیبراسیون خریدار می شوند تا بتوان انحراف واقعی را در محدوده ی خطای قابل قبول تعریف نمود. درک این نکته که این داده های کالیبراسیون، عدم قطعیتی 

ذاتی را در بر دارند دارای اهمیت است. عدم قطعیت کالیبراسیون بایستی حداقل 10 برابر کمتر از دقت حسگر مورد نیاز شما باشد. کالیبراسیون هایی که در آزمایشگاه انجام می گیرند، به عدم قطعیتی معادل +/-1.8F در دمای ºF 1832 (ºC1000) یا بالاتر می رسند. معمولا این اطلاعات در گواهی کالیبراسیون ارائه شده همراه با دستگاه ذکر می شود. بعد از این که ترموکوپل ها برای مدت معینی کار کرده و نیاز به کالیبراسیون مجدد پیدا کردند، دستگاه می تواند در محل خود کالیبره شده و یا به شرایط کالیبراسیون آزمایشگاهی منتقل شود. با این که شرایط کالیبراسیون آزمایشگاهی از لحاظ نظری عدم قطعیت بسیار کمتری را بدست خواهد داد. اما کالیبراسیون در محل نیز می تواند مفید باشد زیرا آزمایش های مربوطه بر روی ترموکوپل در شرایط واقعی کارکرد دستگاه انجام می گیرد. در مواردی که اندازه گیری دما از حساسیت بالایی برخوردار است، دانستن میزان عدم قطعیت حسگر، اطمینان پذیری اندازه گیری ها را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد.

دانلود متن