کالیبراسیون ترموکوپل

:تاریخ آخرین بروزرسانی مقاله اردیبهشت ۸ام, ۱۴۰۳ در ۰۷:۰۴ ق٫ظ

کالیبراسیون ترموکوپل (Thermocouple Calibration)، یکی از موضوعات بسیار حائز اهمیت است که قصد داریم در این مقاله از 0 تا 100 درباره آن صحبت کنیم. بسیاری از شما عزیزان درباره فرآیند و نحوه کالیبره کردن حسگرهای دما از ما سوالات بسیاری کردید که در ادامه به بررسی کامل این مبحث می پردازیم. از شما دعوت می کنم که تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

حسگرهای دما ترموکوپل، تجهیزاتی کاملاً حرفه ای و پرکاربرد در دنیای اندازه گیری دما هستند. اصل اندازه گیری این تجهیزات بر اساس اثر Seebeck است که به وسیله آن اختلاف دمایی دو محل اتصال آن، نیروی الکتروموتور (emf) معادل اختلاف دمای دو اتصال ترموالمان ایجاد می کند.

فرآیند کالیبراسیون حسگر دما ترموکوپل چگونه است؟

فرآیند کالیبراسیون ترموکوپل، شامل مقایسه مقدار اندازه گیری شده توسط یک استاندارد مرجع و خود جفت حرارتی از طریق روشی است که قابلیت ردیابی اندازه گیری را به طور رسمی تضمین نماید. استاندارد به رسمیت شناخته شده توسط «دفتر بین المللی اوزان و معیارها» (BIPM) به این معنا، مرکز اندازه شناسی اسپانیا (CEM) بیانیه ای را ارائه کرد که سعی دارد مفاهیم مربوط به اندازه شناسی را روشن کند.

به دلیل مقاومت، محدوده اندازه گیری گسترده و استاندارد بودن، استفاده از آن در صنایع گسترده شده است. انواع ترموکوپل هایی که در آزمایشگاه ها قابل کالیبره شدن هستند، ترموکوپل های با فلزات پایه و فلزات نجیب مطابق با استاندارد UNE EN ISO 60854 هستند. ترموکوپل ها بر اساس ترکیب فلزاتشان طبقه بندی می شوند که به آنها خواص حرارتی، خطی شدن چند جمله ای و ضریب حساسیت نسبت می دهند.

سازماندهی کالیبراسیون Thermocouple، اتصال به نشانگر اتصال سنسور به نشانگر، بستگی به استفاده از اتصال مرجع داخلی یا خارجی دارد. به طور معمول، اتصالات مرجع داخلی در کاربردهای با کارایی بالا و با دقت کم تا متوسط ​​استفاده می شود.احتمال خطا کمتر و فرآیند ساده تر است. محدودیت در دقت به دلیل عدم قطعیت اضافی (معمولاً 0.05 درجه سانتیگراد تا 0.25 درجه سانتیگراد) در خود مدار جبران اتصال مرجع است.

اتصال به اتصال مرجع داخلی جفت حرارتی، دو سیم را مستقیماً به نشانگر یا از طریق یک کابل جبرانساز متصل کنید. لطفاً به قطبیت توجه داشته باشید. از متریال مس برای extension استفاده نکنید، زیرا باعث ایجاد خطا می گردد. مطمئن شوید که همه اتصالات محکم  و عالی هستند. اتصالات شُل یا کثیف، باعث ایجاد ولتاژ کاذب و خطاهای اندازه گیری می گردد. استفاده از سوئیچ ها و مالتی پلکسرها نیز باعث ایجاد خطا می شوند، زیرا این دستگاه ها معمولاً از مس ساخته می شوند. در صورت کالیبره شدن تعداد زیادی ترموکوبل از همان نوع می توان از کلیدهای ساخته شده از متریال جفت هی حرارتی استفاده کرد. با این حال، چنین سوئیچ هایی ایجاد خطا کمک می کنند.

اتصال به لینک مرجع خارجی

لینک های مرجع خارجی، بالاترین دقت اندازه گیری را ارائه می دهند و تقریباً همیشه برای کالیبره کردن حسگرهای دما ترموکوپل فلزی نجیب (نوع R و S و B) استفاده می گردند. به طور کلی، آنها برای الزامات دقت ترموکوپل های مبتنی بر فلز ضروری نیستند. این نوع کوپلینگ باید زمانی استفاده شود که دقت بالایی مورد نیاز است یا زمانی که نشانگر دارای جبران کوپلینگ مرجع داخلی نیست (مانند DMM معمولی). اتصال پیوند مرجع خارجی تا حدودی به یک واحد ساده در حال آزمایش (UUT) مرتبط است، اما زمانی که چندین UTT کالیبره می شوند، می تواند پیچیده تر شود و عدم قطعیت ها باید به حداقل برسد.

سیم های مسی با کیفیت بالا، بنابراین، اتصالات ترموکوپل مسی در یک حمام یخ غوطه ور می شوند تا اتصال مرجع را تشکیل دهند. اتصالات باید از نظر فیزیکی خشک و از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده باشند. سیم ها معمولاً جوش داده می شوند یا محکم می پیچند و دارای محافظ لوله گرما انقباض پذیر هستند. سیم های در یک لوله فلزی با دیواره نازک یا یک لوله شیشه ای مهر و موم شده قرار می گیرند. در مقابل، لوله داخل حمام یخ قرار می گیرد و عمق غوطه وری مهم است و به قطر سیم بستگی دارد. به طور معمول، به شش تا دوازده اینچ می رسد. سرنخ های مسی مستقیماً یا از طریق یک سوئیچ به نشانگر متصل می شوند، هر UUT به یک جامپر مرجع جداگانه نیاز دارد، برخی از آنها در اتصالات ترموکوپل خاتمه می یابند و نمی توان آنها را به راحتی وصل کرد. در این موارد می توان «پروب رسانایی مرجع» را از سیم مسی و ترموکوپل از نوع دلخواه ساخت. انتهای ترموکوپل به کانکتورهایی ختم می شود که با کانکتورهای UUT جفت می شوند. در صورت نیاز به دقت بالا، این سنسورها باید کالیبره شوند. همچنین می توان از جبران عضویت مرجع داخلی استفاده کرد. گیج هایی با این نوع جبران اغلب دارای کانکتورهای ترموکوپل داخلی هستند.

قرار دادن پروب

کلیه منابع دما، دارای ناپایداری و شیب هستند. اینها باعث ایجاد خطا یا عدم قطعیت در کالیبراسیون می شوند. پروب ها باید تا حد امکان نزدیک به یکدیگر قرار گیرند تا اثرات ذکر شده به حداقل برسد. در منابع دمایی درای چاه، نقاط غوطه ور شدن پروب ثابت هستند. حمام ها و کوره های لوله باز، انعطاف پذیری را در قرار دادن پروب ارائه می دهند. پروب هایی که کالیبره می گردند، باید به صورت شعاعی قرار گیرند. کاوشگر مرجع در مرکز دایره قرار خواهد گرفت. هنگام استفاده از کوره لوله ای، ترموکوپل ها دور یک دماسنج مرجع که با سیم یا نوار فایبر گلاس مصتل شده است، پیچیده شده و در یک کوره لوله قرار می گیرند. این قرارگیری فاصله مساوی از پروب مرجع تا هر یک از UUT ها را تضمین می کند.

عناصر تشخیص نیز باید در همان صفحه باشند. اتصالات ترموکوپل معمولاً در نوک پروب قرار دارند. غوطه وری کافی باید به دست آید تا هیچ تلفاتی در میله رخ ندهد. غوطه وری کافی معمولاً زمانی حاصل می شود که کاوشگرها در عمقی معادل 15 برابر قطر آنها به اضافه طول عنصر حسگر غوطه ور شوند. به عنوان مثال، ما یک کاوشگر داریم که قطر آن 0.25 اینچ است و یک عنصر حسگر به طول 1.25 اینچ است. کاوشگر باید حداقل تا 5 اینچ ([15 x 0.25 اینچ] + 1.25 اینچ = 5 اینچ) زیر آب قرار گیرد. این قانون کلی معمولاً برای پروب هایی که از دیواره های نازک ساخته شده اند و زمانی که انتقال گرما خوب اتفاق می افتد به درستی اعمال می شود. اگر کاوشگر از دیواره ضخیم تری ساخته شده باشد یا زمانی که انتقال حرارت ضعیف اتفاق می افتد (مانند در چاه خشک با سوراخ هایی با اندازه نامناسب، غوطه وری بیشتر مورد نیاز است. )

جمع آوری داده ها

استانداردها و دستورالعمل های صنعت ایجاب می کنند که Thermocoupleها در تمام محدوده دمایی که استفاده می شوند، کالیبره می گردند. کالیبراسیون می تواند زمان زیادی طول بکشد، به خصوص اگر چندین سنسور بایستی کالیبره شوند. در این فرآیند، منبع دما به تدریج تا یک نقطه مشخص بالا می رود و زمانی که مقدار ذکر شده پایدار است، قرائت دما ثبت می گردد. در هر نقطه تنظیم، زمان کافی بایستی در نظر گرفته شود تا منبع دما قبل از ثبت، به ثبات و یکنواختی دست یابد. این فرآیند در هر نقطه تنظیم، در یک سری که محدوده دمای کاری سنسور را پوشش می دهد، تکرار می شود.

دو گزینه کالیبراسیون حسگر دما

دو نوع کالیبراسیون ترموکوپل وجود دارد: تعیین مشخصات و تست تحمل.

اکثر حسگرهای دما به اندازه کافی برای کالیبراسیون خصوصیات پایدار نیستند. پروب های ترموکوپل یا سیم های پروب معمولاً برای انطباق با طبقه بندی های خطای ASTM (انجمن آمریکایی تست و مواد) تست تحمل می شوند. تست تحمل شامل اندازه گیری ولتاژ خروجی در دماهای مختلف و محاسبه خطا از جداول استاندارد است.

تست تحمل

برای بیشتر کاربردها، ترموکوپل‌ها برای تأیید اینکه مطابق با مدل استاندارد، در محدوده‌های معینی رفتار می‌کنند، تلورانس آزمایش می‌شوند. ASTM مجموعه‌ای از محدودیت‌ها را به نام «محدودیت‌های استاندارد خطا» و «محدودیت‌های خطای ویژه» ایجاد کرد. محدودیت‌های خطای ویژه از تلورانس‌های سخت‌تر استفاده می‌کنند و به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که عملکرد بهبود یافته سیم‌های با رتبه بالاتر را که در ترموکوپل‌های گران‌تر استفاده می‌شوند، در بر بگیرد. با کالیبره کردن یک ترموکوپل بر اساس مشخصات ASTM مشخص می شود که مطابق با مدل استاندارد است. در برخی موارد، پروب های ترموکوپل جداگانه کالیبره می شوند. در برخی دیگر، کل رول کابل ها باید گواهینامه دریافت کنند. روش ساده است، نیازی به تنظیمات داده یا محاسبات پیچیده ندارد.

مراحل بررسی تحمل

1. مقادیر ولتاژ و دمای ترموکوپل های با همان اندازه گیری های به دست آمده از یک ترموکوپل مرجع استاندارد مورد آزمایش مقایسه می شوند. بخش مقادیر ولتاژ قابل خواندن است مستقیماً از یک ولت متر دیجیتال که دقت کافی دارد یا از دیگری شاخص مناسب برای کار.
2. به تفاوت “°C” هر کدام توجه کنید سنسور تست شده دما از ترموکوپل استاندارد مرجع را تبدیل با جدول ولتاژ انجام می گردد. در مقابل مقادیر مربوط به درجه حرارت (در درجه سانتیگراد) برای نوع خاصی از ترموکوبل، جداول قابل قبول بایستی حاوی همان داده ها و مقادیر در مونوگراف NIST 175 (1993) یا در ASTM E230-03 (2011  پیدا می شود.
3. تلرانس های ترموکوپل، برای تعیین اینکه آیا با ترموکوپل ها مطابقت دارند یا خیر استفاده می شوند. میزان تلرانس های حد ویژه یا استانداردها با توجه به اندازه گیری هایی که از ترموکوپل مرجع به دست می آیند.

مشخصات ترموکوپل ها

هنگامی که تست تلرانس، اطلاعات لازم را در مورد پاسخدهی ولتاژ دماسنج Thermocouple در دمای اعمال شده ارائه نمی کند، توصیف عملکرد ترموکوبل در محدوده کامل آن تجزیه و تحلیل کامل تری را ارائه می دهد. به طور معمول، این فرآیند برای کاربردهای با دقت بالا که شامل ترموکوپل‌های فلز نجیب می‌شود محفوظ است. در اغلب موارد، ترموکوپل‌های مبتنی بر فلز پایدار نیستند و رفتار مشاهده‌ شده در طول مشخصه‌سازی را بازتولید نمی‌کنند.

خصوصیات ترموکوپل شامل تعیین تفاوت بین ولتاژ اندازه گیری شده و استاندارد و تصحیح اختلاف مذکور با تطبیق آن با یک چند جمله ای مرتبه دوم است. تنظیم داده ها در تئوری ساده است، اما در عمل می تواند پیچیده باشد. در اصل، این فرآیند شامل حل مجموعه ای از معادلات همزمان حاوی داده های کالیبراسیون، برای رسیدن به مجموعه ای از ترموکوپل و ضرایب کالیبراسیون منحصر به فرد است. “تعیین مشخصات” پذیرفته شده بر اساس اصول ایجاد شده در NIST SpecialPublication 250-35 است و به طور مشابه در کالیبراسیون به منظور تأیید مجدد ترموکوپل های نوع S و R استفاده می شود.

مراحل مشخصات

1. ترموکوپل ها به صورت متوالی در چهار سلول نقطه ثابت (PF) قرار می گیرند.ولتاژ سنسورهای های تحت آزمایش با توجه به چهار دمای مرجع سلول های PF اندازه گیری می شود. در حالی که محل اتصال اندازه گیری ترموکوپل در سلول PF قرار دارد، اتصال مرجع در یک حمام آب انجماد با استفاده از یک ترمیستور استاندارد جداگانه نظارت می شود. توجه: برای تسهیل محیط مورد نیاز برای تست دما، می توان به جای سلول های PF از اجاق گاز و ترموکوپل مرجع استفاده کرد. برای انجام این کار، کوره باید در دماهای مرجع مختلف پیکربندی شود، به طوری که ترموکوپل های مورد آزمایش قرار داده شده به صورت مورب با خوانش های اندازه گیری شده توسط ترموکوپل های مرجع استاندارد قرار داده شده در مرکز کوره مقایسه شوند.
2. هنگامی که حسگر تحت آزمایش و سلول PF به تعادل حرارتی رسیدند، ولتاژ سنسور ثبت می شود. همین امر در مورد چهار دمای سلول های PF نیز صدق می کند. هر مقدار ولتاژ شامل ثبت متناظر دمای نقطه انجماد در یک ظرف عایق است که محل اتصال مرجع ترموکوپل در آن قرار می گیرد.
3. اندازه‌گیری‌های ولتاژ منحصربه‌فرد به‌دست‌آمده از ترموکوپل تحت آزمایش در هر PF، مؤلفه‌های لازم برای فرمول‌بندی «تابع انحراف» را فراهم می‌کند. این تابع علاوه بر “تابع مرجع” استاندارد از نوع سنسور است. نتیجه نهایی یک مشخصه جفت حرارتی تحت آزمایش است.

برای فرموله کردن “تابع انحراف” چندین عملیات جبر خطی برای تعیین “حل حداقل مربعات” سیستم انجام می شود که با “دمای PF و مقادیر مجذور آنها” و “تفاوت پتانسیل بین مقادیر اندازه گیری شده” بیش از حد تعیین می شود. توسط ترموکوپل.” تحت آزمایش در دمای PF” و مقادیر ولتاژ مربوط به “تابع مرجع” در دمای PF یکسان. راه حل حداقل مربعات دو ضریب را به صورت جبری به عبارت های مربوطه در “تابع مرجع” اضافه می کند تا “مشخصات حرارتی” را ایجاد کند. تابع B را برای خلاصه ای از فرآیندهای جبر خطی ببینید.

گواهی کالیبراسیون سنسور دما چیست؟

در فرآیند کالیبراسیون ترموکوپل ها، از استانداردهای دمایی تایید شده استفاده می گردد. نتیجه کالیبراسیون این تجهیزات، در گواهی کالیبراسیون گنجانده شده است که بایستی حاوی یک سری حداقل اطلاعات مندرج در استاندارد ISO 17025 برای اطمینان از قابلیت ردیابی نتیجه تست باشد. با کالیبره کردن ترموکوپل ها در یک آزمایشگاه کالیبراسیون معتبر ISO 17025، ما قابلیت اطمینان و ایمنی قانونی را در فرآیندهای اندازه گیری که سنسورها در آن دخیل هستند، ارائه می دهیم. به همین ترتیب، با کالیبره کردن جفت های حرارتی، ما قادر خواهیم بود سوابق مربوطه را ایجاد کرده تا بتوانیم سیستم مدیریت کیفیت را مستندسازی کنیم و اقدامات مناسب را برای اطمینان از کیفیت محصولات و خدمات انجام دهیم.

گواهی کالیبراسیون حرارتی صادر شده در آزمایشگاه شامل تمام اطلاعات لازم برای اطمینان از قابلیت ردیابی اندازه گیری ها می باشد. عدم قطعیت اندازه گیری بر اساس راهنمای اروپایی EA-4/02 محاسبه می شود و اعتبار ENAC سیستم کیفیت آن، متدولوژی کار را با ضمانت فنی کامل تضمین می کند. این آزمایشگاه گواهی های کالیبراسیون برای ترموکوپل ها را به صورت دیجیتال صادر می کند که مدیریت را بهبود می بخشد و زمان اجرای کار را کاهش می دهد.

نتیجه گیری

در این مقاله درباره کالیبراسیون ترموکوپل از 0 تا 100 صحبت کردیم و مطالبی را در این زمینه برای شما عزیزان بیان کردیم. اگر در زمینه تست و نحوه کالیبره کردن این تجهیزات سوالید راید، در بخش دیدگاه های همین مقاله آن را بیان فرمایید.