نکات کاربردي محيطهاي دمايي مورد استفاده براي کاليبراسيون دما

مقدمه

محيطهاي دمايي شامل حمامها و کوره هاي مورد استفاده در آزمايشگاههاي کاليبراسيون ،  براي کاليبراسيون انواع حسگرهاي دما مانند ترموکوپلها ، دماسنجهاي مقاومت پلاتيني ، ترميستورها ، سوئيچهاي دما و همچنين انواع نشانگرها ، نمايشگرها و مبدلهاي (ترانسميترهاي) دما همراه با حسگر آنها را ميتوان  بصورت زير دسته بندي کرد:

  • حمام نقطه يخزدگي
  • نقاط انجماد
  • نقطه سه گانه آب
  • حمامهاي  سيال (آب ، روغن ، پودر ، نمک و…)
  • يخچال يا حمام سرماساز
  • حمام بخار
  • حمام خشک يا  کوره مجهز به بلوکه هاي فلزي
  • کوره لوله اي

  سه پارامتر (مشخصه ) مهم در محيطهاي دمايي عبارتند از :

  •  پايداري (Stability) : معياري براي ثابت بودن دما نسبت به مروز زمان (در کوتاه مدت يا بلند مدت)
  • يکنواختي (Uniformity)  : معياري براي يکسان نبودن دما در محلهاي فيزيکي مختلف محيط دمايي
  • عمق فروبري (Depth of Immersion) : معياري براي امکان کاليبراسيون حسگرها با طولهاي مختلف (بلند و کوتاه)

شرايط مورد نياز براي حمامها يا کوره هاي کاليبراسيون بعنوان مقايسه گر عبارتند از:

  • بايستي دماي محيط دمايي (حمام يا کوره) چنان کنترل شود که اتصال اندازه گيري ترموکوپل تحت کاليبره در دماي يکسان با  دماسنج مرجع قرار گيرد
  • در منطقه اي از محيط دمايي که کاليبراسيون در آن انجام ميشود ، بايستي شرايط هم دمايي و يکنواختي فضايي از جنبه دما  وجودداشته باشد
  • يکنواختي و پايداري دمايي منطقه کاليبراسيون فوق بايستي از طريق روشهاي مناسب …

    • بايستي دماي محيط دمايي (حمام يا کوره) چنان کنترل شود که اتصال اندازه گيري ترموکوپل تحت کاليبره در دماي يکسان با  دماسنج مرجع قرار گيرد
    • در منطقه اي از محيط دمايي که کاليبراسيون در آن انجام ميشود ، بايستي شرايط هم دمايي و يکنواختي فضايي از جنبه دما  وجودداشته باشد
    • يکنواختي و پايداري دمايي منطقه کاليبراسيون فوق بايستي از طريق روشهاي مناسب و منظم  مثل رسم نمودار کنترلي و در صورت نياز درزمان آزمون بايستي مورد اندازه گيري و پايش قرارگيرد و درصورت نياز اصلاحات لازم انجام گيرد
    • تمامي حسگرهاي دمايي يا ساير وسايل دمايي تحت کاليبره و دماسنج مرجع بايستي تا ميزان مناسب در اين منطقه فروبرده شوند تا اطمينان حاصل شود که دماي نقطه اتصال مرجع تحت تاثير زياد اثر هدايت حرارتي در طول ساختار فيزيکي حسگرها و وسايل دمايي و دماسنج مرجع قرار نمي گيرد
    • براي جلوگيري از آلوده شدن سيمهاي حسگرها بالخصوص براي  ترموکوپل و عايق ماندن آنها نسبت به يکديگر ، بايستي از تماس مستقيم  سيالات ومايعات موجود در حمامها اجتناب کرد

    انواع حمامها

    1          حمام نقطه يخزدگي Ice-Point

    • ساده ترين و متداولترين نقطه ثابت دمايي ، نقطه يخزدگي است
    • نقطه يخزدگي (مخلوط آب و يخ که باروش خاصي ايجاد ميشود ASTM-E563  ) دماي صفر درجه سلسیوس را با خطاي کمتر از 0.01 درجه سلسیوس ايجاد ميکند

    2         حمام نقاط انجماد Freezing Points

    اين حمامها طوري طراحي ميشوند که براساس استاندارد بين المللي دما ITS-90 در نقاط ثابت انجماد دمايي عناصر و مواد با خلوص بسيار بالا ميتوانند يک دماي انجماد ثابت را ايجاد کنند.

    • نقطه انجماد حالت تعادل مايع و جامد ماده خالص است
    • گستره دمايي  29  تا 1085 درجه سلسیوس است

    حمام نقطه انجماد براي چند ماده باخلوص بالا ساخت شرکت ISOTECH

    Industrial  lab Uncertainty (mK)

    Freezing Point, ITS-90, ºC

    Material

    1

    29.7646

    Gallium

    10

    156.5985

    Iridium

    10

    231.928

    Tin

    271.403

    Bismuth

    10

    321.069

    Cadmium

    10

    327.462

    Lead

    10

    419.527

    Zinc

    50

    630.630

    Antimony

    20

    660.323

    Aluminum

    40

    961.78

    Silver

    1064.18

    Gold

    50

    1084.62

    Copper

      3        نقطه سه گانه آب Triple Point of Water -TPW

    نقطه سه گانه آب ، دماي مرجع براي تعريف يکاي اندازه گيري دما است و در بسياري از کاليبراسيونهاي دما و کنترل مياني حسگرهاي بادرستي بالا مثل SPRT يا حتي IPRT استفاده ميشوند

    • يکي از نقاط ثابت دمايي متداول در کاليبراسيون دماسنجهاي مقاومتي
    • تعادل سه فاز آب ، يخ و بخار آب
    • دماي ايجادي: 273.16 کلوین (معادل ۰.۰۱ درجه سلسیوس) براساس ITS-90
    • بسته به روش آماده سازي (ASTM E 1750) عدم قطعيت گسترده آن بين  0.1mK±و  0.05mK±  ميباشد
    • براي حفظ دماي نقطه سه گانه آب و جلوگيري از انتقال حرارت با محيط بيرون،  از حمام نگهدارنده مخصوص که دمايي نزديک دماي ذوب يخ دارد استفاده ميشود

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

    4  حمام هاي سيال  Fluid Baths

    حمام روغن ، آب ،ضد يخ، پودر سيال خشک و نمکهاي مذاب و فلزات درحالت مايع در اين دسته قرار ميگيرند.

    •  دماي اين حمامها با گرم يا سرد شدن سيالي که هم ميخورد کنترل ميشود
    •  دماي حمام بايد ثابت نسبت به زمان  و يکنواخت در کل فضاري کاري آن باشد
    • براي آزمون پايداري دما ، از يک دماسنج مرجع استفاده و آنرا در فضاي کاري حمام فرو برده و تغييرات دمايي نسبت به زمان  را بعنوان معيار پايداري دمايي ثبت کنيد
    • براي آزمون يکنواختي از دو دماسنج مرجع استفاده کنيد. يکي را در يک نقطه از فضاي کاري حمام ثابت نگهداريد و ديکري را در نقلط مختلف ان بجرخانيد و اختلاف دما آن دو را بعنوان معيار يکنواختي ثبت کنيد
    • استفاده از بلوکه هاي فلزي مسي ،آلومينيومي يا ساير بلوکه هاي فلزي که با سيال موجود تطابق دارند و کاملا در سيال حمام شناور شده باشند ميتواند پايداري و يکنواختي دمايي را بهبود ببخشد
    • معمولا سوراخهايي در اين بلوکه ها براي اعمال دماسنجها پيش بيني شده است

    بترتيب از راست: حمام مايع و حمام پودرسيال (اکسيد آلومينيوم) ساخت ISOTECH

    4-1    حمامهاي( سيال) مايع Liquid Baths

    • معمولا از حمامهاي مايع در گستره دمايي ۱۵۰- تا ۶۳۰ درجه سلسیوس براي کاليبراسيون استفاده ميکنند
    • حمامهاي مايع بايستي مجهز به کنترل تثبيت و يکنواخت کننده دما و همزن باشند
    • در دماي ۱۵۰- تا ۱۹۶- درجه سلسیوس ساختار حمامها پيچيده و سيستمهاي تجاري بيشتر براساس سرد شدن با نيتروژن مايع  ساخته ميشوند
    • در دماي۱۰۶- درجه سلسیوس که نقطه جوش نيتروژن مايع است ،  بلوکه هاي مسي را در ظروف دو جداره و عايق بندي شده سر بازي که از نيتروژن مايع پر شده اند فرو ميکنند تا شرايط هم دمايي ايجاد شود
    • يک حمام مايع خوب ، داراي گراديان دمايي کمتر از حمامهاي پودر سيال يا کوره هاي لوله اي است
    • بطور دوره اي و منظم بايستي گراديان دمايي حمامهاي روغن  ارزيابي شود زيرا چسبندگي روغن براثر استفاده در دماهاي بالا افزايش زيادي مي يابد
    • عيب عمده  هرحمام مايع  در محدود بودن گستره دمايي آن با توجه به سيال مورد استفاده در آن است
    • حمامهاي مايع مجهز به چند گرمکن ،نياز به سيستمي دارند که روشن يا خاموش بودن آنها را نشان دهد

     

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

    4-1-1        حمام هاي آب  Water Baths

    يکي از انواع حمامهاي مايع  محسوب ميشود وداراي ويژگيهاي نوعي زير است:

    • مناسب براي بازه دمايي صفر تا ۱۰۰ درجه سلسیوس
    • اکثر انواع تجاري آنها مجهز به تجهيزات زير هستند:
        • گرمکن (هيتر)
        • کويلهاي خنک کننده
        • همزن برقي
        • کنترل کننده دما

    4-2   حمامهاي پودر سيال

    • معمولا از حمامهاي پودر سيال در گستره دمايي  ۷۰- تا ۹۸۰ درجه سلسیوس استفاده ميشود
    • اين حمامها از پودر اکسيد آلومينيوم يا پودرهاي مشابه که با سيال گاز هم ميخورند تشکيل ميشوند
    • تقريبا هميشه لازمست تا از بلوکه هاي يکسان کننده دما (Equalizing Blocks)  در درون حمامهاي سيال استفاده شود تا تغييرات دمايي در فضاي حمام يا تغييرات موقت دمايي را کاهش داد
    • تثبيت گراديان حرارتي در اين بلوکها به ثابت نگه داشتن سطح پودر در حمام و تثبيت جريان (فلو) گاز در پودردارد
    • بررسي و تصديق گراديان دمايي حمامهاي پودر سيال بايستي با اضافه کردن يک دماسنج مرجع دوم يا ترموکوپل استاندارد انجام شود

    4-3   حمام هاي نمک  Salt Baths

    • مناسب براي بازه دمايي ۲۰۰ تا ۶۲۰ درجه سلسیوس
    • پايداري دمايي بالايي دارند
    • از ورود هر ماده ارگانيک يا مايع با نقطه جوش پايين مثل آب به  نمک مذاب بايستي اجتناب کرد تا آتش سوزي يا انفجاري پيش نيايد (بالخصوص در دماي بالاتر از 400ºC )
    • حمام رابايستي به آهستگي گرم کرد تا از تشکيل حبابهاي نمک مذاب که ميتواند بترکد و نتايج فاجعه باري در برداشته باشد جلوگيري شود
    • در دماهاي پايين ، دماسنجهاي شيشه اي را ميتوان مستقيم درون نمک قرارداد
    • در دماهاي بالا تماس دماسنج با بدنه شيشه اي ممکن  است منجر به شکستن شيشه شود ، لذا استفاده از چاهکهاي فولادي توصيه ميشود
    • معمولا حمامهاي نمک نياز به سيستم تهويه هوا دارند تا بخارات خورنده از محيط خارج شود

    حمام نمک تا 500 درجه سلسيوس ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific

    4-4   سيالهاي مورد استفاده در حمامها  Fluids Bath

    پارامترهاي مهم درانتخاب سيال حمام عبارتند از :

    • بازه دمايي قابل استفاده
    • چسبندگي  Viscosity
    • نقطه اشتعال Flash Point
    • ظرفيت گرمايي Heat capacity
    • هدايت حرارتي Thermal Capacity
    •  انبساط حرارتي Thermal Expansion
    • وزن مخصوص(چگالي نسبت به آب)   Specific Gravity
    • فشار بخار (دمايي که ميزان تبخير سيال از ميزان تغليظ آن فراتر برود و بخار سيال به هواي محيط وارد شود)
    • دلمه شدن Gelling
    • جذب يا وجود آب
    • تهويه مورد نياز

    Model

    Description

    5019

    Halocarbon 0.8 Cold Bath Fluid
    Usable Range§: –100°C to 70°C
    Flash Point: n/a

    5023

    HFE Cold Bath Fluid
    Usable Range§: –75°C to 100°C
    Flash Point: n/a

    5022

    Dynalene HF/LO
    Usable Range§: –65°C to 58°C
    Flash Point: 60°C

    5020

    Ethylene Glycol (Mix 1:1 with water)
    Usable Range§: –30°C to 90°C
    Flash Point: n/a

    5010

    Silicone Oil Type 200.05
    Usable Range§: –40°C to 130°C
    Flash Point: 133°C

    5012

    Silicone Oil Type 200.10
    Usable Range§: –30°C to 160°C
    Flash Point: 211°C

    5013

    Silicone Oil Type 200.20
    Usable Range§: 10°C to 230°C
    Flash Point: 232°C

    5014

    Silicone Oil Type 200.50
    Usable Range§: 30°C to 278°C
    Flash Point: 280°C

    5017

    Silicone Oil Type 710
    Usable Range§: 80°C to 300°C
    Flash Point: 302°C

    5011 – Mineral Oil

    Mineral Oil
    Usable Range§: 10°C to 175°C
    Flash Point: 177°C

    5001 – Bath Salt

    Bath Salt, 125 lb.
    Potassium Nitrate 53%
    Sodium Nitrite 40%
    Sodium Nitrate 7%
    Usable Range§: 180°C to 550°C
    Flash Point: n/a

    125 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

    5     حمام هاي سرماساز  Refrigerated Baths

    • مناسب براي دماهاي سردتر (کمتر)از دماي محيط
    •  براي سرد کردن اين حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نيتروژن مايع يا يخچال استفاده ميکنند
    • بسته به بازه دمايي از سيالات مختلفي بايستي استفاده کرد
    • طراحي اين حمامها بايستي بگونه اي باشد که تشکيل و تجميع رطوبت در حمام صورت نگيرد
    • برخي از سيالهاي مورد استفاده در اين حمامها بخارات سمي دارند يا در دماي محيط مشتعل ميشوند، لذا کارباآنها نياز به مراقبت اضافه دارد

    بترتيب ازراست: حمام نوع يخچالي (to -40 ºC ethanol) و حمام نوع يخچالي(to -80 ºC methanol)

    6         حمام هاي بخار Vapor Baths

    • مناسب براي دماهاي زير صفر درجه سلسيوس
    • براي سرد کردن اين حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نيتروژن مايع استفاده ميکنند
    • يک فضاي همدما براي قرار گرفتن دماسنج تحت کاليبره و دماسنج مرجع دارد
    • يک گرمکن الکتريکي حول اين فضاي همدما (بلوکه) قرار گرفته است
    • بخارات حاصل از ماده سرماساز مثل نيتروژن مايع بلوکه فوق  را سرد ميکند
    • •اعمال چند ميلي وات به گرمکن اکتريکي حول بلوکه ، دما را بميزان مورد نظر بالا ميبرد.معمولا از کنترل کننده دما براي اين منظور استفاده ميشود.
    • از يک منبع تغذيه تثبيت شده براي تثبيت ميزان بخار شدن ماده سرماساز استفاده ميشود
    • براي تثبيت دماي بلوکه  معمولا از هدايت کننده هايي(Baffles) براي انتقال گرما استفاده ميشود

    7        حمام خشک (کوره) مجهز به بلوکه هاي فلزيDry Blocks (کوره هاي عمودي)

    • مناسب براي دماهاي بيش از 300 درجه سلسيوس
    • براي تثبيت ويکنواختي دما از بلوکه هاي فلزي  بزرگ استفاده ميکند
    • دماي بالاي کوره باتوجه به يکنواختي دماي بلوکه و خطاي ناشي از هدايت حرارتي دماسنج تحت کاليبره محدود ميشود
    • دماسنج تحت کاليبره و دماسنج مرجع در دو سوراخ که عمق کافي داشته و نزديک هم هستند قرار ميگيرند تا خطاي ناشي از اتلاف حرارتي 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

    7-1         بلوکه هاي همدما کننده

    • بلوکهاي هم دما کننده نقش  کم کننده اختلافات دمايي بين دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره رادارند
    • اين بلوکها بايستي از مواد با هدايت حرارتي بالا که درضمن آلاينده ترموکوپلهاي تحت کاليبره نيستندساخته شوند
    • خاصيت هدايت حرارتي بالا ، باعث کم شدن تغييرات دمايي در فضاي بلوکه شده و منجر به برقراري بهتر تعادل حرارتي بين دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره ميشود
    • بلوکه هاي هم دماکننده ميتوانند از افت و خيز و نوسانات موقتي  دماسنجها جلوگيري کنند
    • هرچه ظرفيت حرارتي بلوکه بيشتر باشد يا اينکه انتقال حرارت به محيط اطراف کوره يا حمام کاهش پيداکند ، افت وخيز و نوسانات موقتي کاهش مي يابد
    • با کم شده ميزان اين  افت وخيز و نوسانات  ، زمان لازم براي پايداري دمايي بلوکه بيشترميشود
    • بنابراين بايستي بطور تجربي بلوک را نه چندان بزرگ و حجيم و نه چندان عايق شده انتخاب کرد
    • اختلاف دمايي بين  دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره را بايستي درکل گستره دمايي  ارزيابي کرد:
        • ارزيابي عمق فروبري (اختلاف دما در عمقهاي مختلف) با استفاده از ترموکوپلهاي استاندارد
        • ارزيابي پايداري دمايي بااستفاده از ترموکوپلهاي استاندارد که در سوراخهاي مختلف قرار ميگيرند

    8        کوره هاي لوله اي (افقي)

    • معمولا از کوره هاي لوله اي در دماهاي بيشتر از حدود 620  درجه سلسیوس استفاده ميشود
    • معمولا اين کوره ها بصورت الکتريکي گرم شده و داراي يک منطقه همدما  است
    • از کوره هاي لوله اي آزمايشگاهي  ميتوان براي کاليبراسيون در هر دمايي استفاده کرد ، بشرط آنکه عدم قطعيت افزوده شده بخاطر تغييرات دمايي لحاظ شود
    • در طراحي اين کوره ها بايستي به تثبيت دمايي ±1  درجه سلسیوس در طول زماني 10 دقيقه  براي کل گستره استفاده توجه شود
    • پروفايل دمايي محوري (Axial)  کوره لوله اي بايستي پايش شود تا محل منطقه همدما که بيشترين پايداري دمايي را دارد رابتوان معين کرد
    • کوره هاي مجهز به چند گرمکن ،نياز به سيستمي دارند که روشن يا خاموش بودن آنها را نشان دهد
    • پروفايل دمايي کوره هاي تک منطقه اي ، معمولا باافزايش عمر المنت گرم کننده تغيير ميکنند و نياز به ارزيابي و پايش پروفايل دمايي بيشتري پيدا میکنند

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

    محسن جزمی


درباره نویسنده

مطالب مرتبط