نکات کاربردی محیطهای دمایی مورد استفاده برای کالیبراسیون دما

کوره کالیبراسیون عمودی

نکات کاربردی محیطهای دمایی مورد استفاده برای کالیبراسیون دما

مقدمه

محیطهای دمایی شامل حمامها و کوره های مورد استفاده در آزمایشگاههای کالیبراسیون ،  برای کالیبراسیون انواع حسگرهای دما مانند ترموکوپلها ، دماسنجهای مقاومت پلاتینی ، ترمیستورها ، سوئیچهای دما و همچنین انواع نشانگرها ، نمایشگرها و مبدلهای (ترانسمیترهای) دما همراه با حسگر آنها را میتوان  بصورت زیر دسته بندی کرد:

  • حمام نقطه یخزدگی
  • نقاط انجماد
  • نقطه سه گانه آب
  • حمامهای  سیال (آب ، روغن ، پودر ، نمک و…)
  • یخچال یا حمام سرماساز
  • حمام بخار
  • حمام خشک یا  کوره مجهز به بلوکه های فلزی
  • کوره لوله ای

  سه پارامتر (مشخصه ) مهم در محیطهای دمایی عبارتند از :

  •  پایداری (Stability) : معیاری برای ثابت بودن دما نسبت به مروز زمان (در کوتاه مدت یا بلند مدت)
  • یکنواختی (Uniformity)  : معیاری برای یکسان نبودن دما در محلهای فیزیکی مختلف محیط دمایی
  • عمق فروبری (Depth of Immersion) : معیاری برای امکان کالیبراسیون حسگرها با طولهای مختلف (بلند و کوتاه)

شرایط مورد نیاز برای حمامها یا کوره های کالیبراسیون بعنوان مقایسه گر عبارتند از:

  • بایستی دمای محیط دمایی (حمام یا کوره) چنان کنترل شود که اتصال اندازه گیری ترموکوپل تحت کالیبره در دمای یکسان با  دماسنج مرجع قرار گیرد
  • در منطقه ای از محیط دمایی که کالیبراسیون در آن انجام میشود ، بایستی شرایط هم دمایی و یکنواختی فضایی از جنبه دما  وجودداشته باشد

یکنواختی و پایداری دمایی منطقه کالیبراسیون فوق بایستی از طریق روشهای مناسب …

  • بایستی دمای محیط دمایی (حمام یا کوره) چنان کنترل شود که اتصال اندازه گیری ترموکوپل تحت کالیبره در دمای یکسان با  دماسنج مرجع قرار گیرد
  • در منطقه ای از محیط دمایی که کالیبراسیون در آن انجام میشود ، بایستی شرایط هم دمایی و یکنواختی فضایی از جنبه دما  وجودداشته باشد
  • یکنواختی و پایداری دمایی منطقه کالیبراسیون فوق بایستی از طریق روشهای مناسب و منظم  مثل رسم نمودار کنترلی و در صورت نیاز درزمان آزمون بایستی مورد اندازه گیری و پایش قرارگیرد و درصورت نیاز اصلاحات لازم انجام گیرد
  • تمامی حسگرهای دمایی یا سایر وسایل دمایی تحت کالیبره و دماسنج مرجع بایستی تا میزان مناسب در این منطقه فروبرده شوند تا اطمینان حاصل شود که دمای نقطه اتصال مرجع تحت تاثیر زیاد اثر هدایت حرارتی در طول ساختار فیزیکی حسگرها و وسایل دمایی و دماسنج مرجع قرار نمی گیرد
  • برای جلوگیری از آلوده شدن سیمهای حسگرها بالخصوص برای  ترموکوپل و عایق ماندن آنها نسبت به یکدیگر ، بایستی از تماس مستقیم  سیالات ومایعات موجود در حمامها اجتناب کرد

انواع حمامها

۱          حمام نقطه یخزدگی Ice-Point

  • ساده ترین و متداولترین نقطه ثابت دمایی ، نقطه یخزدگی است
  • نقطه یخزدگی (مخلوط آب و یخ که باروش خاصی ایجاد میشود ASTM-E563  ) دمای صفر درجه سلسیوس را با خطای کمتر از ۰٫۰۱ درجه سلسیوس ایجاد میکند

۲         حمام نقاط انجماد Freezing Points

این حمامها طوری طراحی میشوند که براساس استاندارد بین المللی دما ITS-90 در نقاط ثابت انجماد دمایی عناصر و مواد با خلوص بسیار بالا میتوانند یک دمای انجماد ثابت را ایجاد کنند.

  • نقطه انجماد حالت تعادل مایع و جامد ماده خالص است
  • گستره دمایی  ۲۹  تا ۱۰۸۵ درجه سلسیوس است

حمام نقطه انجماد برای چند ماده باخلوص بالا ساخت شرکت ISOTECH

Industrial  lab Uncertainty (mK)

Freezing Point, ITS-90, ºC

Material

۱

۲۹٫۷۶۴۶

Gallium

۱۰

۱۵۶٫۵۹۸۵

Iridium

۱۰

۲۳۱٫۹۲۸

Tin

۲۷۱٫۴۰۳

Bismuth

۱۰

۳۲۱٫۰۶۹

Cadmium

۱۰

۳۲۷٫۴۶۲

Lead

۱۰

۴۱۹٫۵۲۷

Zinc

۵۰

۶۳۰٫۶۳۰

Antimony

۲۰

۶۶۰٫۳۲۳

Aluminum

۴۰

۹۶۱٫۷۸

Silver

۱۰۶۴٫۱۸

Gold

۵۰

۱۰۸۴٫۶۲

Copper

  ۳        نقطه سه گانه آب Triple Point of Water -TPW

نقطه سه گانه آب ، دمای مرجع برای تعریف یکای اندازه گیری دما است و در بسیاری از کالیبراسیونهای دما و کنترل میانی حسگرهای بادرستی بالا مثل SPRT یا حتی IPRT استفاده میشوند

  • یکی از نقاط ثابت دمایی متداول در کالیبراسیون دماسنجهای مقاومتی
  • تعادل سه فاز آب ، یخ و بخار آب
  • دمای ایجادی: ۲۷۳٫۱۶ کلوین (معادل ۰.۰۱ درجه سلسیوس) براساس ITS-90
  • بسته به روش آماده سازی (ASTM E 1750) عدم قطعیت گسترده آن بین  ۰٫۱mK±و  ۰٫۰۵mK±  میباشد
  • برای حفظ دمای نقطه سه گانه آب و جلوگیری از انتقال حرارت با محیط بیرون،  از حمام نگهدارنده مخصوص که دمایی نزدیک دمای ذوب یخ دارد استفاده میشود

بترتیب از راست: حمام نگهدارنده ، سلول سه گانه آب و سازنده پوشش یخ در سلول ساخت ISOTECH

۴  حمام های سیال  Fluid Baths

حمام روغن ، آب ،ضد یخ، پودر سیال خشک و نمکهای مذاب و فلزات درحالت مایع در این دسته قرار میگیرند.

  •  دمای این حمامها با گرم یا سرد شدن سیالی که هم میخورد کنترل میشود
  •  دمای حمام باید ثابت نسبت به زمان  و یکنواخت در کل فضاری کاری آن باشد
  • برای آزمون پایداری دما ، از یک دماسنج مرجع استفاده و آنرا در فضای کاری حمام فرو برده و تغییرات دمایی نسبت به زمان  را بعنوان معیار پایداری دمایی ثبت کنید
  • برای آزمون یکنواختی از دو دماسنج مرجع استفاده کنید. یکی را در یک نقطه از فضای کاری حمام ثابت نگهدارید و دیکری را در نقلط مختلف ان بجرخانید و اختلاف دما آن دو را بعنوان معیار یکنواختی ثبت کنید
  • استفاده از بلوکه های فلزی مسی ،آلومینیومی یا سایر بلوکه های فلزی که با سیال موجود تطابق دارند و کاملا در سیال حمام شناور شده باشند میتواند پایداری و یکنواختی دمایی را بهبود ببخشد
  • معمولا سوراخهایی در این بلوکه ها برای اعمال دماسنجها پیش بینی شده است

بترتیب از راست: حمام مایع و حمام پودرسیال (اکسید آلومینیوم) ساخت ISOTECH

۴-۱    حمامهای( سیال) مایع Liquid Baths

  • معمولا از حمامهای مایع در گستره دمایی ۱۵۰- تا ۶۳۰ درجه سلسیوس برای کالیبراسیون استفاده میکنند
  • حمامهای مایع بایستی مجهز به کنترل تثبیت و یکنواخت کننده دما و همزن باشند
  • در دمای ۱۵۰- تا ۱۹۶- درجه سلسیوس ساختار حمامها پیچیده و سیستمهای تجاری بیشتر براساس سرد شدن با نیتروژن مایع  ساخته میشوند
  • در دمای۱۰۶- درجه سلسیوس که نقطه جوش نیتروژن مایع است ،  بلوکه های مسی را در ظروف دو جداره و عایق بندی شده سر بازی که از نیتروژن مایع پر شده اند فرو میکنند تا شرایط هم دمایی ایجاد شود
  • یک حمام مایع خوب ، دارای گرادیان دمایی کمتر از حمامهای پودر سیال یا کوره های لوله ای است
  • بطور دوره ای و منظم بایستی گرادیان دمایی حمامهای روغن  ارزیابی شود زیرا چسبندگی روغن براثر استفاده در دماهای بالا افزایش زیادی می یابد
  • عیب عمده  هرحمام مایع  در محدود بودن گستره دمایی آن با توجه به سیال مورد استفاده در آن است
  • حمامهای مایع مجهز به چند گرمکن ،نیاز به سیستمی دارند که روشن یا خاموش بودن آنها را نشان دهد

 

ساختار اصولی یک حمام مایع مجهز به همزن(طراحی شرکت Fluke-Hart Scientific)

۴-۱-۱        حمام های آب  Water Baths

یکی از انواع حمامهای مایع  محسوب میشود ودارای ویژگیهای نوعی زیر است:

  • مناسب برای بازه دمایی صفر تا ۱۰۰ درجه سلسیوس
  • اکثر انواع تجاری آنها مجهز به تجهیزات زیر هستند:
      • گرمکن (هیتر)
      • کویلهای خنک کننده
      • همزن برقی
      • کنترل کننده دما

۴-۲   حمامهای پودر سیال

  • معمولا از حمامهای پودر سیال در گستره دمایی  ۷۰- تا ۹۸۰ درجه سلسیوس استفاده میشود
  • این حمامها از پودر اکسید آلومینیوم یا پودرهای مشابه که با سیال گاز هم میخورند تشکیل میشوند
  • تقریبا همیشه لازمست تا از بلوکه های یکسان کننده دما (Equalizing Blocks)  در درون حمامهای سیال استفاده شود تا تغییرات دمایی در فضای حمام یا تغییرات موقت دمایی را کاهش داد
  • تثبیت گرادیان حرارتی در این بلوکها به ثابت نگه داشتن سطح پودر در حمام و تثبیت جریان (فلو) گاز در پودردارد
  • بررسی و تصدیق گرادیان دمایی حمامهای پودر سیال بایستی با اضافه کردن یک دماسنج مرجع دوم یا ترموکوپل استاندارد انجام شود

۴-۳   حمام های نمک  Salt Baths

  • مناسب برای بازه دمایی ۲۰۰ تا ۶۲۰ درجه سلسیوس
  • پایداری دمایی بالایی دارند
  • از ورود هر ماده ارگانیک یا مایع با نقطه جوش پایین مثل آب به  نمک مذاب بایستی اجتناب کرد تا آتش سوزی یا انفجاری پیش نیاید (بالخصوص در دمای بالاتر از ۴۰۰ºC )
  • حمام رابایستی به آهستگی گرم کرد تا از تشکیل حبابهای نمک مذاب که میتواند بترکد و نتایج فاجعه باری در برداشته باشد جلوگیری شود
  • در دماهای پایین ، دماسنجهای شیشه ای را میتوان مستقیم درون نمک قرارداد
  • در دماهای بالا تماس دماسنج با بدنه شیشه ای ممکن  است منجر به شکستن شیشه شود ، لذا استفاده از چاهکهای فولادی توصیه میشود
  • معمولا حمامهای نمک نیاز به سیستم تهویه هوا دارند تا بخارات خورنده از محیط خارج شود

حمام نمک تا ۵۰۰ درجه سلسیوس ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific

۴-۴   سیالهای مورد استفاده در حمامها  Fluids Bath

پارامترهای مهم درانتخاب سیال حمام عبارتند از :

  • بازه دمایی قابل استفاده
  • چسبندگی  Viscosity
  • نقطه اشتعال Flash Point
  • ظرفیت گرمایی Heat capacity
  • هدایت حرارتی Thermal Capacity
  •  انبساط حرارتی Thermal Expansion
  • وزن مخصوص(چگالی نسبت به آب)   Specific Gravity
  • فشار بخار (دمایی که میزان تبخیر سیال از میزان تغلیظ آن فراتر برود و بخار سیال به هوای محیط وارد شود)
  • دلمه شدن Gelling
  • جذب یا وجود آب
  • تهویه مورد نیاز

Model

Description

۵۰۱۹

Halocarbon 0.8 Cold Bath Fluid
Usable Range§: –۱۰۰°C to 70°C
Flash Point: n/a

۵۰۲۳

HFE Cold Bath Fluid
Usable Range§: –۷۵°C to 100°C
Flash Point: n/a

۵۰۲۲

Dynalene HF/LO
Usable Range§: –۶۵°C to 58°C
Flash Point: ۶۰°C

۵۰۲۰

Ethylene Glycol (Mix 1:1 with water)
Usable Range§: –۳۰°C to 90°C
Flash Point: n/a

۵۰۱۰

Silicone Oil Type 200.05
Usable Range§: –۴۰°C to 130°C
Flash Point: ۱۳۳°C

۵۰۱۲

Silicone Oil Type 200.10
Usable Range§: –۳۰°C to 160°C
Flash Point: ۲۱۱°C

۵۰۱۳

Silicone Oil Type 200.20
Usable Range§: ۱۰°C to 230°C
Flash Point: ۲۳۲°C

۵۰۱۴

Silicone Oil Type 200.50
Usable Range§: ۳۰°C to 278°C
Flash Point: ۲۸۰°C

۵۰۱۷

Silicone Oil Type 710
Usable Range§: ۸۰°C to 300°C
Flash Point: ۳۰۲°C

۵۰۱۱ – Mineral Oil

Mineral Oil
Usable Range§: ۱۰°C to 175°C
Flash Point: ۱۷۷°C

۵۰۰۱ – Bath Salt

Bath Salt, 125 lb.
Potassium Nitrate 53%
Sodium Nitrite 40%
Sodium Nitrate 7%
Usable Range§: ۱۸۰°C to 550°C
Flash Point: n/a

۱۲۵ lb. bath salt fills a 7.9-gallon tank.

Atmospheric pressure affects the usable ranges of some fluids. The temperatures quoted are at sea level.
Flash point is the temperature at which a vapor (not the fluid) will ignite if exposed to an open flame. When the flame is removed, the vapor will stop burning. (Open cup method.)

جدول انواع سیالهای مورد استفاده در حمامهای ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific

۵     حمام های سرماساز  Refrigerated Baths

  • مناسب برای دماهای سردتر (کمتر)از دمای محیط
  •  برای سرد کردن این حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نیتروژن مایع یا یخچال استفاده میکنند
  • بسته به بازه دمایی از سیالات مختلفی بایستی استفاده کرد
  • طراحی این حمامها بایستی بگونه ای باشد که تشکیل و تجمیع رطوبت در حمام صورت نگیرد
  • برخی از سیالهای مورد استفاده در این حمامها بخارات سمی دارند یا در دمای محیط مشتعل میشوند، لذا کارباآنها نیاز به مراقبت اضافه دارد

بترتیب ازراست: حمام نوع یخچالی (to -40 ºC ethanol) و حمام نوع یخچالی(to -80 ºC methanol)

۶         حمام های بخار Vapor Baths

  • مناسب برای دماهای زیر صفر درجه سلسیوس
  • برای سرد کردن این حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نیتروژن مایع استفاده میکنند
  • یک فضای همدما برای قرار گرفتن دماسنج تحت کالیبره و دماسنج مرجع دارد
  • یک گرمکن الکتریکی حول این فضای همدما (بلوکه) قرار گرفته است
  • بخارات حاصل از ماده سرماساز مثل نیتروژن مایع بلوکه فوق  را سرد میکند
  • •اعمال چند میلی وات به گرمکن اکتریکی حول بلوکه ، دما را بمیزان مورد نظر بالا میبرد.معمولا از کنترل کننده دما برای این منظور استفاده میشود.
  • از یک منبع تغذیه تثبیت شده برای تثبیت میزان بخار شدن ماده سرماساز استفاده میشود
  • برای تثبیت دمای بلوکه  معمولا از هدایت کننده هایی(Baffles) برای انتقال گرما استفاده میشود

۷        حمام خشک (کوره) مجهز به بلوکه های فلزیDry Blocks (کوره های عمودی)

  • مناسب برای دماهای بیش از ۳۰۰ درجه سلسیوس
  • برای تثبیت ویکنواختی دما از بلوکه های فلزی  بزرگ استفاده میکند
  • دمای بالای کوره باتوجه به یکنواختی دمای بلوکه و خطای ناشی از هدایت حرارتی دماسنج تحت کالیبره محدود میشود
  • دماسنج تحت کالیبره و دماسنج مرجع در دو سوراخ که عمق کافی داشته و نزدیک هم هستند قرار میگیرند تا خطای ناشی از اتلاف حرارتی کوره قابل صرف نظر باشد

 کوره کالیبراسیون عمودی -سمت راست مدل Hart 9150T ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific و سمت چپ مدل CL1201 ساخت شرکت Omega

۷-۱         بلوکه های همدما کننده

  • بلوکهای هم دما کننده نقش  کم کننده اختلافات دمایی بین دماسنج مرجع و ترموکوپلهای تحت کالیبره رادارند
  • این بلوکها بایستی از مواد با هدایت حرارتی بالا که درضمن آلاینده ترموکوپلهای تحت کالیبره نیستندساخته شوند
  • خاصیت هدایت حرارتی بالا ، باعث کم شدن تغییرات دمایی در فضای بلوکه شده و منجر به برقراری بهتر تعادل حرارتی بین دماسنج مرجع و ترموکوپلهای تحت کالیبره میشود
  • بلوکه های هم دماکننده میتوانند از افت و خیز و نوسانات موقتی  دماسنجها جلوگیری کنند
  • هرچه ظرفیت حرارتی بلوکه بیشتر باشد یا اینکه انتقال حرارت به محیط اطراف کوره یا حمام کاهش پیداکند ، افت وخیز و نوسانات موقتی کاهش می یابد
  • با کم شده میزان این  افت وخیز و نوسانات  ، زمان لازم برای پایداری دمایی بلوکه بیشترمیشود
  • بنابراین بایستی بطور تجربی بلوک را نه چندان بزرگ و حجیم و نه چندان عایق شده انتخاب کرد
  • اختلاف دمایی بین  دماسنج مرجع و ترموکوپلهای تحت کالیبره را بایستی درکل گستره دمایی  ارزیابی کرد:
      • ارزیابی عمق فروبری (اختلاف دما در عمقهای مختلف) با استفاده از ترموکوپلهای استاندارد
      • ارزیابی پایداری دمایی بااستفاده از ترموکوپلهای استاندارد که در سوراخهای مختلف قرار میگیرند

۸        کوره های لوله ای (افقی)

  • معمولا از کوره های لوله ای در دماهای بیشتر از حدود ۶۲۰  درجه سلسیوس استفاده میشود
  • معمولا این کوره ها بصورت الکتریکی گرم شده و دارای یک منطقه همدما  است
  • از کوره های لوله ای آزمایشگاهی  میتوان برای کالیبراسیون در هر دمایی استفاده کرد ، بشرط آنکه عدم قطعیت افزوده شده بخاطر تغییرات دمایی لحاظ شود
  • در طراحی این کوره ها بایستی به تثبیت دمایی ±۱  درجه سلسیوس در طول زمانی ۱۰ دقیقه  برای کل گستره استفاده توجه شود
  • پروفایل دمایی محوری (Axial)  کوره لوله ای بایستی پایش شود تا محل منطقه همدما که بیشترین پایداری دمایی را دارد رابتوان معین کرد
  • کوره های مجهز به چند گرمکن ،نیاز به سیستمی دارند که روشن یا خاموش بودن آنها را نشان دهد
  • پروفایل دمایی کوره های تک منطقه ای ، معمولا باافزایش عمر المنت گرم کننده تغییر میکنند و نیاز به ارزیابی و پایش پروفایل دمایی بیشتری پیدا میکنند

کوره لوله اییک نمونه کوره لوله ای (افقی) برای کالیبراسیون ترموکوپلها ساخت Fluke

محسن جزمی

منبع: نواندیشان

اشتراک گذاری این نوشته