کالیبراسیون دما

آزمایشگاه کالیبراسیون راد سیستم البرز مهر

نکات قابل توجه در اندازه گیری دما به روش تماسی

 

هنگام تماس آشکارساز، دما و توزیع دمای جسم مورد اندازه گیری تا حد امکان نباید تغییر کند. به این منظور رعایت نکات زیر الزامی است :

برای اینکه شرایط رسانایی و همرفت گرما تغییر نکند  بهتر است ظرفیت گرمایی بخش آشکار کننده در مقایسه با ظرفیت گرمایی جسم مورد اندازه گیری کوچک انتخاب شود. در مورد جسم مورد اندازه گیری با اندازه کوچک دقت خاصی باید بعمل آید.

هرگاه دمای جسم مورد اندازه‌گیری یا دمای اطراف آن نامتعادل باشد، بخش آشکار کننده را در امتداد ناحیه همدما قرار دهید بطوریکه تغییری در توزیع دما بوجود نیاید.

هرگاه در اثر اختلاف دما بین جسم مورد اندازه گیری و محیط اطراف آن گرما بصورت تابش منتقل شود، تماس بخش آشکار کننده با جسم را به گونه ای برقرار سازید که تا حد امکان شرایط تابش گرمایی تغییر نکند. بهتر است آهنگ تابشی بخشی از جسم که با سطح بخش آشکار کننده در تماس است با آهنگ تابشی جسم مورد اندازه گیری یکی باشد.

 

دمای المان حس کننده باید با دمای جسم مورد اندازه گیری یکی باشد، به این منظور رعایت نکات زیر پیشنهاد می شود:

تماس فیزیکی جسم مورد اندازه گیری با بخش آشکار کننده کامل باشد. علاوه بر این، باید در نظر داشت که دمای جسمی دیگر هیچ تأثیری بر اندازه گیری نداشته باشد.

از آشکار سازی با کمترین تأخیر زمانی استفاده شود. تأخیر زمانی متناسب با ساختار آشکار ساز و نوع جسم مورد اندازه گیری و شرایط آن تغییر می کند. بعنوان مثال، هنگام اندازه گیری دمای گاز ساکن بوسیله آشکارسازی با ظرفیت گرمایی بالا، تأخیر زمانی بسیار زیاد است.

وقتی دمای جسم مورد  اندازه گیری در حال تغییر باشد، هرچه ثابت زمانی کوچکتر شود دمای بخش آشکار کننده سریعتر به دمای جسم مورد اندازه گیری نزدیک می شود و در نتیجه خطای ناشی از تأخیر زمانی نیز کوچکتر می شود.

حتی وقتی دمای جسم مورد اندازه گیری تغییر نمی کند، جسم مورد اندازه گیری باید برای مدتی طولانی با المان حس کننده کاملاً در تماس باشد تا دمای هر دو یکسان شود. بعنوان مثال، اگر ثابت زمانی سه بار اندازه گیری شود، اختلاف دمای بین سه بار اندازه گیری نباید بیشتر از یک درصد اختلاف دمای اولیه باشد.

در مورد آشکار ساز با لوله محافظ، طول مناسبی از لوله محافظ باید با جسم مورد اندازه گیری در تماس باشد.

هنگام اندازه گیری دمای گازهای داغ، توصیه می شود لوله محافظ فلزی را تا طولی معادل 15 تا 20 برابر قطر آن و لوله محافظ غیر فلزی را تا طولی حدود 10 تا 15 برابر قطر آن در محیط مورد اندازه گیری فرو برید.

هنگام اندازه گیری دمای سیال در یک لوله، لوله محافظ را درون لوله سیال فرو برید. اگر لوله سیال آنقدر باریک باشد که نتوان طول مناسبی ازلوله محافظ را درآن فرو برد، از بخش خمیده  لوله سیال طوری استفاده کنید که لوله محافظ در جهت  جریان رو به بالای سیال قرار گیرد.

هنگام اندازه گیری دمای سطح ، بخش آشکار کننده باید در تمام طول سطح با آن در تماس باشد و دمای آن با دمای جسم مورد اندازه گیری یکی باشد.

در اندازه گیری دمای گاز، هرگاه انتقال گرما از طریق تابش بین بخش آشکار کننده و خارج از محیط اندازه گیری زیاد باشد با استفاده از حفاظ تابشی[1] خطا کاهش می یابد.

توصیه می شود ساختار آشکار ساز مورد استفاده به گونه ای انتخاب شود که با محیط مورد اندازه گیری برهم کنش منفی نداشته باشد.

1-      Radiation shield

 

  
نویسنده : سحر غنی ; ساعت ٢:٤٩ ‎ب.ظ روز ۱۳٩۱/۱٢/٢۸


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.

  
نویسنده : سحر غنی ; ساعت ٩:٢٤ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۱/۱۱/٢٥


منابع خطا در دماسنج های مقاومتی:

 

هنگام اندازه گیری با دماسنج های مقاومتی ، عوامل مختلفی که در ساختمان فیزیکی و در مدار الکتریکی آن وجود ندارد در مقدار دما تاثیر گذار است :

1-     مقاومت ناشی از عایق بندی ناکافی

بین اتصالات و ماده عایق که حسگر در درون آن قرار گرفته است مقاومت محدود و مشخصی قابل تعریف است . مقدار این مقاومت زیاد است. اگر بین اتصالات و ماده ای که مقاومت در آن قرار گرفته عایق بندی ضعیفی انجام شده باشد و یا اتصالی برقرار شود در مقدار دمای اندازه گیری شده تاثیر می گذارد و مقدار دما معمولا کمتر نشان داده می شود.

در دما سنج های مقاومتی پلاتینی Pt100  ، مقاومت عایقی 100 کیلو اهم خطای C° 25/0 و مقاومت عایقی 25 کیلو اهم خطای C° 1 ایجاد می کند.

2-     اثر خود گرمایشی

در دماسنج مقاومتی اساس اندازه گیری دما عبور جریان الکتریکی از حسگر دماسنج است، این جریان موجب می شود در مقاومت مقداری توان تلف شود و حسگر مقداری گرم شود. و گرم شدن حسگر سبب نشان دادن دما بیش از مقدار واقعی می شود. معمولا سازندگان دماسنج های مقاومتی ضریب خود گرمایشی دماسنج را نعیین می کنند و اعلام می نمایند که به ازای یک توان معلوم دما چقدر افزایش می یابد.

به عبارت دیگر می توان گفت ،

نمایشگر دما که بر اساس حسگر مقاومتی عمل می کند ، برای اندازه گیری مقاومت باید افت ولتاژ هر سر مقاومت را هنگامی که جریان مشخصی از آن عبور می کند اندازه گیری نموده و بر اساس مقاومت بدست آمده دمای معادل را نشان دهد. هنگام عبور جریان از یک مقاومت بخشی از انرژی به صورت انرژی گرمایی تلف می شود که مقدار آن برابر است با RI2  .

گرمای تلف شده باعث تغییر دما و ایجاد خطا می شود. برای به حداقل رساندن این خطا جریان عبوری از المان مقاومتی باید به حداقل برسد به همین علت بسیاری از حسگر های مقاومتی با جریان یک میلی آمپر کار می کنند.

3-     ولتاژ های گرمایی

اگر در پیوند گاههای سیم های دماسنج مقاومتی که به یکدیگر متصل می شوند دما یکسان نباشد ولتاژ گرمایی به وجود می آید که به آن ولتاژ ترموالکتریک می گویند که برابر است با حاصل ضرب گرادیان دما در ثابت ترموالکتریک - ضریب سی بک - سیم مورد نظر . به دلیل یکسان بودن جنس فلز در دماسنج مقاومتی پلاتینی مقدار این ولتاژ صفر است.

اگر سیمی از جنس دیگری به دماسنج وصل شود در پیوندگاه آن گرادیان دمایی به وجود می آید به عنوان مثال اگر این سیم از جنس مس باشد ، اختلاف ضریب سی بک پلاتین و ضریب سی بک مس μV/°C  7 است و هر گاه 1 میلی آمپر جریان از مدار عبور کند خطای ایجاد شده در مقدار دما 02/0 درجه سانتیگراد خواهد بود.

4-     خطای ناشی از طول سیم رابط و مقاومت مدار

این خطا بخصوص در حسگر های دو سیمه قابل ملاحظه است باید توجه داشت که مقاومت مدار از حداکثر مقاومت مجاز ورودی نمایشگر تجاوز ننماید. روش ایده آل برای حل مسئله مقاومت های سیم های رابط استفاده از روش 4 سیمه است.

 

 

  
نویسنده : سحر غنی ; ساعت ٦:۱۸ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٩/۳/٢۳