چرا ترموپول ها انتخاب ترجیحی برای اندازه گیری دمای با دقت بالا هستند؟

سوال به طور معمول حاوی فرضی است که با مقایسه برگه های داده سازگار نیست. ترموکوپل دقیق ترین سنسور دما در دسترس نیست و به عنوان یکی از آنها فروخته نمی شود. دماسنج مقاومتی پلاتین به تلورانس حدود ±0.15 درجه سانتیگراد در نزدیکی دمای اتاق می رسد و ترمیستور در یک باند باریک بهتر عمل می کند. ترموکوپل نوع K با تلورانس ±1.5 درجه سانتیگراد تحت استاندارد تلورانس بین المللی، قبل از هرگونه انحراف در سرویس شروع می شود.

آنچه ترموکوپل بهتر از هر دو انجام می دهد، پوشش دادن محدوده ای است که هیچ سنسور مقاومتی نمی تواند به آن برسد، زنده ماندن در محیط خصمانه، جا شدن در فضایی به عرض چند میلی متر و پاسخگویی در میلی ثانیه. این ترکیب دلیل تسلط آن بر اندازه گیری صنعتی است و ادعایی متفاوت از دقت است. خریداری که به ±0.1 درجه سانتیگراد در دمای 40 درجه سانتیگراد نیاز دارد، نباید ترموکوپل بخرد، و خریداری که به خواندن در دمای 1300 درجه سانتیگراد در داخل کوره نیاز دارد، گزینه دیگری ندارد.

این صفحه مقایسه را صادقانه تنظیم می کند، سپس نشان می دهد که دقت ترموکوپل در واقع از کجا ناشی می شود: کلاس تلورانس سیم، دو مکانیزم انحراف که در سرویس بر آن تأثیر می گذارد، اتصال سرد، و نقاط کالیبراسیون. این چهار مورد نتیجه را تعیین می کنند و هیچ کدام از آنها بدنه سنسور نیست.

مقایسه زیر همان مقایسه ای است که یک مشخصات باید از آن شروع کند. اعداد معمول هر خانواده هستند و با محصول خاص حرکت می کنند، بنابراین برای قرار دادن خانواده ها و نه برای انتخاب قطعه استفاده می شوند.

ردیف اول را در مقابل ردیف دوم بخوانید. خانواده ای با وسیع ترین محدوده، شل ترین تلورانس را دارد و خانواده ای با سفت ترین تلورانس، باریک ترین محدوده را دارد. این نقص در هیچ یک از محصولات نیست. این دلیل وجود هر دو است، و مشخصاتی که وسیع ترین محدوده و سفت ترین تلورانس را همزمان می خواهد، ترکیبی را می خواهد که هیچ سنسوری ارائه نمی دهد.

IEC 60584-1 تلورانس خروجی ترموکوپل را بر اساس نوع و کلاس تعیین می کند، و تلورانس به صورت یک عدد ثابت درجه یا کسری از دمای اندازه گیری شده بیان می شود. جدول محدودیت های کلاس 1 و کلاس 2 را برای انواع رایج فلز پایه و فلز گرانبها، برای قطر سیم بین حدود 0.1 میلی متر و 3 میلی متر ارائه می دهد.

دو ردیف در آن جدول اطلاعات بیشتری نسبت به بقیه دارند. نوع T سفت ترین نوع فلز پایه در دمای پایین، با ±0.5 درجه سانتیگراد زیر 125 درجه سانتیگراد است، به همین دلیل در کارهای برودتی و پزشکی ظاهر می شود. انواع S و R انواع فلز گرانبها هستند و تلورانس آنها تقریباً مستقل از دما زیر 1100 درجه سانتیگراد با ±1.0 درجه سانتیگراد است، که بدتر از نوع K به نظر می رسد تا زمانی که محدوده خوانده شود: نوع K در دمای 1000 درجه سانتیگراد مجاز به ±4 درجه سانتیگراد است، و نوع فلز گرانبها هنوز مجاز به ±1 درجه سانتیگراد است.

استاندارد همچنین بیان می کند که تلورانس چه چیزی را پوشش نمی دهد. محدودیت ها برای سیم در زمان عرضه اعمال می شود و انحراف کالیبراسیون را در طول استفاده مجاز نمی دانند. این جمله دلیل وجود بخش بعدی است.

ترموکوپل در مقدار گواهی خود باقی نمی ماند. ترموالمان ها در سرویس تغییر می کنند و این تغییر به صورت شیفت در ولتاژی که جفت در دمای معین تولید می کند ظاهر می شود. در نوع K، دو تغییر در جهت مخالف عمل می کنند، به همین دلیل یک ضریب تصحیح نمی تواند آنها را برطرف کند.

اولین مکانیزم، تغییر در آرایش اتمی ترموالمان مثبت، آلیاژ نیکل-کروم است. بین حدود 200 درجه سانتیگراد و 600 درجه سانتیگراد، آلیاژ نظم کوتاه برد ایجاد می کند، به این معنی که اتم ها یک آرایش ترجیحی موضعی بدون تشکیل فاز جدید می گیرند. این نظم ضریب سیبک آلیاژ را افزایش می دهد، بنابراین ترموکوپل بالا می خواند. این اثر وابسته به زمان است، به حداکثر در دمای معین رشد می کند، و حداکثر تغییر در نزدیکی 400 درجه سانتیگراد رخ می دهد. بالای 600 درجه سانتیگراد، ترموالمان مثبت کاملاً نامنظم است و اثر معکوس می شود.

مکانیزم دوم اکسیداسیون است. در آلیاژ نیکل-کروم، کروم به طور ترجیحی اکسید می شود و محتوای کروم آلیاژ برای تشکیل یک لایه اکسید کروم خارجی پیوسته کافی نیست. نتیجه یک اکسید نیکل خارجی روی یک لایه اکسید غنی از کروم است، و کرومی که آن لایه را تشکیل می دهد از فلز زیرین گرفته می شود. آلیاژ از کروم تخلیه می شود و محتوای کروم کمتر به معنای ضریب سیبک کمتر است، بنابراین ترموکوپل پایین می خواند.

پیامد عملی این است که یک ترموکوپل نوع K که هر دو باند را دیده است، خطای خالص را حمل می کند که علامت آن به تاریخچه نصب بستگی دارد، و تنها راه دانستن آن اندازه گیری آن است. بررسی کالیبراسیون پس از سرویس ابزاری است که مجموع را آشکار می کند، و یک پروب که پس از یک دوره به آزمایشگاه کالیبراسیون بازگردانده می شود، تنها راه قابل اعتماد برای دانستن میزان حرکت آن است.

ترموکوپل تفاوت را اندازه می گیرد، نه دمای مطلق. ولتاژ تولید شده توسط آن تفاوت بین اثر سیبک در اتصال داغ و اثر سیبک در ترمینال ها است، بنابراین دستگاه باید دمای ترمینال را برای گزارش نتیجه بداند. این اتصال سرد است، و خطا در آن بدون تضعیف مستقیماً وارد خواندن می شود.

سه روش رایج هستند و در آنچه فرض می کنند متفاوتند. یک مرجع ثابت ترمینال ها را در دمای شناخته شده نگه می دارد، به طور تاریخی حمام یخ و اکنون یک بلوک ترموستاتیک. یک ترمینال جبران شده دمای ترمینال را با یک سنسور جداگانه اندازه گیری می کند و ولتاژ مربوطه را به صورت الکترونیکی اضافه می کند. یک بلوک ایزوترمال فرض می کند که تمام ترمینال ها در دمای یکسان هستند و آن یک دما را یک بار اندازه گیری می کند.

خطایی که حذف آن آسان تر است، خطایی است که اغلب در جای خود باقی می ماند. یک ترموکوپل نصب شده با کابل مسی معمولی بین سر پروب و دستگاه، دو اتصال جدید در نقطه انتقال ایجاد کرده است، و آن اتصالات در دمای محیط کابینت قرار دارند. سپس خواندن به دمای کابینت و همچنین فرآیند بستگی دارد، و این وابستگی نامرئی است مگر اینکه کابینت گرم یا سرد شود.

کابل جبران کننده به همین دلیل وجود دارد. این کابل از آلیاژهایی ساخته شده است که رفتار ترموالکتریکی ترموکوپل را در یک محدوده دمایی محدود مطابقت می دهد، بنابراین انتقال از پروب به دستگاه خطایی ایجاد نمی کند. کابل دارای قطبیت است، محدوده دمایی دارد که در آن تطابق برقرار است، و باید به درستی وصل شود. یک کابل جبران کننده معکوس خطایی دو برابر دمای اتصال ایجاد می کند که بزرگ است و شبیه خطای دستگاه به نظر می رسد.

کلاس تلورانس یک حد تولید است و نه بیانیه ای در مورد یک پروب خاص. راه دانستن اینکه یک پروب چه می خواند، کالیبره کردن آن است، و انتخاب روش کالیبراسیون تعیین می کند که چه مقدار از محدوده پوشش داده می شود.

کالیبراسیون مقایسه ای، پروب و یک دماسنج مرجع را در همان حمام یا کوره قرار می دهد و تفاوت را در مجموعه ای از نقاط ثبت می کند. این سریع است، محدوده ای را که حمام می تواند به آن برسد پوشش می دهد، و عدم قطعیت آن توسط مرجع و یکنواختی حمام محدود می شود. کالیبراسیون نقطه ثابت، پروب را در یک گذار فاز ترمودینامیکی، مانند نقطه انجماد یک فلز، نگه می دارد، جایی که دما توسط فیزیک و نه توسط دماسنج مرجع تعریف می شود. این کندتر و گران تر است، و عدم قطعیت کمتری در نقاطی که استفاده می کند، ارائه می دهد.

هیچ یک از این دو روش انحراف پس از کالیبراسیون را حذف نمی کند. یک پروب کالیبره شده قبل از نصب و استفاده برای یک سال در دمای 400 درجه سانتیگراد، دارای گواهی است که وضعیتی را توصیف می کند که دیگر ندارد. روشی که این را تشخیص می دهد، یک بررسی دوره ای در یک یا دو نقطه است، با نتیجه مقایسه شده با گواهی اصلی، و فاصله زمانی بر اساس سرعت حرکت خوانش ها و نه بر اساس تقویم تعیین می شود.

مورد برای ترموکوپل در جایی که جایگزین ها نمی توانند بروند قوی ترین است. جدول شرایط و دلیل اینکه هر کدام به این خانواده اشاره می کند را بیان می کند.

چهار ویژگی سیم، عملکرد ترموکوپل نهایی را تعیین می کند و هر چهار مورد قبل از مونتاژ پروب تعیین می شوند.

ترکیب، ضریب سیبک را تعیین می کند، و کلاس تلورانس بیانیه ای در مورد اینکه ترکیب و پردازش چقدر دقیق نگه داشته شده اند، است. انحراف در محتوای کروم کسری از درصد، خروجی یک زوج نوع K را به مقداری منتقل می کند که در حد تلورانس اهمیت دارد، به همین دلیل مشخصات آلیاژ برای سیم ترموکوپل دقیق تر از مشخصات همان آلیاژ مورد استفاده به عنوان ماده مقاومتی یا ساختاری است.

همگنی تعیین می کند که خواندن چقدر به محل شیب دمایی بستگی دارد. سیمی که به طور ناهموار کار کرده است، یا دارای گرادیان ترکیب در طول خود است، ولتاژ متفاوتی بسته به اینکه کدام قسمت از آن در منطقه داغ قرار دارد، تولید می کند. به همین دلیل نباید ترموکوپل را از یک قرقره برش داد و بدون دانستن تاریخچه آن نصب کرد، و چرا یک پروب استفاده شده که کوتاه شده است می تواند متفاوت از پروب جایگزین شده بخواند.

شرایط سطح، سرعت پیشرفت مکانیزم اکسیداسیون را تعیین می کند. سیمی با سطح تمیز و یکنواخت به روشی قابل پیش بینی اکسید می شود، و سیمی با علائم کشش یا روان کننده باقی مانده به صورت موضعی اکسید می شود و کروم را در طول آن به طور ناهموار تخلیه می کند.

قطر، عمر را تعیین می کند. سیم ضخیم تر برای از دست دادن کرومی که لایه اکسید مصرف می کند، زمان بیشتری می برد، بنابراین یک پروب با گیج سنگین تر در همان کوره عمر طولانی تری دارد، با هزینه پاسخ کندتر. این مبادله همان چیزی است که خریدار هنگام انتخاب بین سیم نازک برای پاسخ و سیم سنگین برای عمر انجام می دهد.

سیم ترموکوپل بر اساس نوع، کلاس، قطر و عایق سفارش داده می شود، و استاندارد حاکم بر خروجی از استاندارد حاکم بر آلیاژ جدا است.

DLX آلیاژهای ترموکوپل را در چانگژو، جیانگ سو، در سیم از 0.025 میلی متر، میله گرد تا 50 میلی متر، و نوار از 0.50 میلی متر تا 2.5 میلی متر ضخامت عرضه می کند. این محدوده شامل آلیاژهای نیکل-کروم و نیکل-سیلیکون برای نوع K و N، آلیاژهای مس-نیکل برای نوع T و J، و آلیاژهای پلاتین-رودیوم برای نوع S و R، همراه با آلیاژهای کابل جبران کننده مطابق است.

سیم بر اساس مشخصات آلیاژ و کلاس تلورانس نامگذاری شده در سفارش، با گواهی EN 10204 3.1 در صورت درخواست و شماره حرارت قابل ردیابی به نتایج تست عرضه می شود. سوال مفید این نیست که کدام نوع به طور کلی دقیق ترین است، بلکه این است که کدام نوع تلورانس خود را در محدوده و اتمسفر نصب حفظ می کند.

خیر، و برگه های داده این را می گویند. یک دماسنج مقاومتی پلاتین کلاس A به حدود ±0.15 درجه سانتیگراد در نزدیکی دمای اتاق می رسد، در حالی که یک ترموکوپل نوع K کلاس 1 مجاز به ±1.5 درجه سانتیگراد زیر 375 درجه سانتیگراد است. ترموکوپل در محدوده، اندازه، سرعت پاسخ و توانایی زنده ماندن در محیط خصمانه برنده می شود. دماسنج مقاومتی در دقت و پایداری جایی که می تواند استفاده شود برنده می شود.

این یک تلورانس تولید از IEC 60584-1 است: ±1.5 درجه سانتیگراد بین -40 و 375 درجه سانتیگراد، و ±0.004 برابر دمای اندازه گیری شده بین 375 و 1000 درجه سانتیگراد، که برابر با ±4 درجه سانتیگراد در 1000 درجه سانتیگراد است. استاندارد بیان می کند که محدودیت ها برای سیم در زمان عرضه اعمال می شود و انحراف کالیبراسیون را در طول استفاده مجاز نمی دانند، بنابراین یک پروب کلاس 1 که یک سال در دما بوده است ممکن است دیگر در کلاس 1 نباشد.

زیرا دو مکانیزم بر روی باندهای دمایی مختلف عمل می کنند و خواندن را در جهت مخالف فشار می دهند. بین حدود 200 و 600 درجه سانتیگراد، پایانه مثبت نظم کوتاه برد ایجاد می کند که ضریب سیبک آن را افزایش می دهد و باعث می شود زوج بالا بخواند، با حداکثر اثر نزدیک به 400 درجه سانتیگراد. بالای حدود 900 درجه سانتیگراد در هوا، کروم اکسید می شود و فلز زیرین از کروم تخلیه می شود که ضریب سیبک را کاهش می دهد و باعث می شود زوج پایین بخواند. خطای خالص به تاریخچه نصب بستگی دارد.

می توان آن را وصل کرد، و اتصال دو اتصال جدید در دمای محیط کابینت ایجاد می کند. سپس خواندن به آن دمای محیط و همچنین فرآیند بستگی دارد، و این وابستگی تا زمانی که کابینت گرم شود نامرئی است. کابل جبران کننده ساخته شده از آلیاژهایی که ترموکوپل را در یک محدوده محدود مطابقت می دهند، خطا را اجتناب می کند، به شرطی که نوع مناسب باشد و با قطبیت صحیح وصل شود.

فاصله زمانی باید انحراف مشاهده شده واقعی را دنبال کند، نه یک تقویم ثابت. یک پروب در یک کوره تمیز در دمای ثابت کمتر از پروبی که از باند نظم عبور می کند یا در هوا بالای 900 درجه سانتیگراد کار می کند، منحرف می شود. یک بررسی دوره ای در یک یا دو نقطه، مقایسه شده با گواهی اصلی، نرخ انحراف را می دهد، و نرخ، فاصله زمانی را تعیین می کند.

زمانی که دما بالاتر از محدوده عملی انواع فلز پایه باشد، یا زمانی که تلورانس باید در دمای بالا حفظ شود. نوع K در دمای 1000 درجه سانتیگراد در کلاس 1 مجاز به ±4 درجه سانتیگراد است، در حالی که نوع S یا R تا 1100 درجه سانتیگراد مجاز به ±1.0 درجه سانتیگراد است. انواع فلز گرانبها گران تر هستند، به آلودگی حساس ترند، و در جایی که دقت در دما مهمتر از قیمت سیم است، پاسخگو هستند.

ترموکوپل انتخاب ارجح برای اندازه گیری دمای صنعتی است زیرا محدوده ای را پوشش می دهد که هیچ سنسور مقاومتی به آن نمی رسد، در محیط هایی که یکی را از بین می برد زنده می ماند و در میلی ثانیه پاسخ می دهد. این دقیق ترین سنسور نیست، و مشخصاتی که آن را به عنوان یکی از آنها در نظر می گیرد از یک فرض نادرست شروع می شود.

دقتی که در دسترس است از چهار مورد ناشی می شود: کلاس تلورانس سیم، انحراف تولید شده توسط نصب، اتصال سرد، و کالیبراسیون. انحراف در نوع K دو مکانیزم دارد که در جهت مخالف عمل می کنند، به همین دلیل ضریب تصحیح نمی تواند جایگزین بررسی کالیبراسیون شود. خطای اتصال سرد بدون تضعیف وارد خواندن می شود، به همین دلیل کابل جبران کننده و بلوک ترمینال یکنواخت به اندازه پروب اهمیت دارند.

IEC 60584-1، ترموکوپل ها، توابع مرجع و تلورانس ها. منبع تلورانس های کلاس 1 و کلاس 2 بر اساس نوع و محدوده دما، از جمله محدودیت های ±1.5 درجه سانتیگراد و ±0.004 برابر t برای نوع K، محدودیت های ±0.5 درجه سانتیگراد و ±0.004 برابر t برای نوع T، و محدودیت های ±1.0 درجه سانتیگراد و ±(1 + 0.003 x (t - 1100)) برای انواع S و R.

IEC 60584-2، ترموکوپل ها، تلورانس ها، به عنوان سند همراه توابع مرجع.

داده های فنی منتشر شده در مورد سیم ترموکوپل نوع K، که تغییر تقریبی ولتاژ تولید شده 42 میکرو ولت در هر کلوین در دمای 100 درجه سانتیگراد و 39 در دمای 1000 درجه سانتیگراد، محدوده پیوسته 0 تا 1100 درجه سانتیگراد، محدوده کوتاه مدت -180 تا 1350 درجه سانتیگراد، و بیان اینکه تلورانس های استاندارد انحراف کالیبراسیون را در طول استفاده مجاز نمی دانند.

تحقیقات منتشر شده از دانشگاه کمبریج در مورد انحراف در ترموکوپل های سیم بدون پوشش نوع K. منبع تبدیل نظم کوتاه برد در ترموالمان مثبت بین 200 و 600 درجه سانتیگراد، افزایش ضریب سیبک که تولید می کند، حداکثر اثر نزدیک به 400 درجه سانتیگراد، حالت نامنظم بالای 600 درجه سانتیگراد، و مکانیزم تخلیه کروم ناشی از اکسیداسیون ترجیحی بالای 900 درجه سانتیگراد که ضریب سیبک را کاهش می دهد.

IEC 60751، دماسنج های مقاومتی پلاتین صنعتی و سنسورهای دمای پلاتین، به عنوان منبع تلورانس کلاس A حدود ±0.15 درجه سانتیگراد در نزدیکی دمای اتاق که در مقایسه استفاده می شود.

ASTM E230، مشخصات استاندارد و جداول ولتاژ الکتریکی دما برای ترموکوپل های استاندارد شده، به عنوان همتای آمریکای شمالی توابع مرجع IEC.

ASTM E220، روش استاندارد تست برای کالیبراسیون ترموکوپل ها با تکنیک های مقایسه.

EN 10204، اسناد بازرسی، برای تعریف گواهی 3.1 به عنوان سندی که نتایج واقعی تست را حمل می کند و توسط نماینده بازرسی مستقل تولید کننده تایید شده است.

تلورانس ها و دماهای فوق مقادیر استاندارد برای انواع و کلاس های نامگذاری شده هستند و به سیم در زمان عرضه اعمال می شوند و نه به پروب در سرویس. تلورانس یک حد تولید است و نه یک عدم قطعیت اندازه گیری، و عدم قطعیت یک خواندن خاص شامل اتصال سرد، سیم امتداد، دستگاه، و انحراف تولید شده توسط نصب است. مکانیزم های انحراف توصیف شده برای نوع K در طول زمان عمل می کنند و بزرگی آنها به دما، اتمسفر و قرار گرفتن در معرض بستگی دارد، بنابراین یک پروب باید بررسی شود و فرض نشود. ارقام دقت برای دماسنج های مقاومتی و ترمیستورها مقادیر معمول برای کلاس های نامگذاری شده هستند و با محصول خاص متفاوتند. مشخصات محصول بازبینی می شوند و نسخه نامگذاری شده در سفارش خرید حاکم است. هیچ چیز در این صفحه جایگزین انتشار مهندسی یا تست صلاحیت توافق شده بین خریدار و تامین کننده نیست.