استانداردهای دما

استانداردهای دما چیست؟

متداول ترین فناوری های صنعتی اندازه گیری دما ماهیت الکتریکی دارند: RTD و ترموکوپل. به این ترتیب، استانداردهای مورد استفاده برای کالیبراسیون چنین دستگاه‌هایی همان استانداردهایی هستند که برای کالیبره کردن ابزارهای الکتریکی مانند مولتی متر دیجیتال (DMM) استفاده می‌شوند.

برای RTD ها، این بدان معناست که یک استاندارد مقاومت دقیق مانند یک جعبه دهه که برای تنظیم دقیق مقادیر شناخته شده مقاومت الکتریکی استفاده می شود.

برای ترموکوپل ها، این به معنای پتانسیومتر دقیقی است که برای تولید مقادیر دقیق ولتاژ DC پایین (در محدوده میلی ولت، با وضوح میکروولت) استفاده می شود.

عکس‌های پتانسیومترهای عتیقه مورد استفاده برای کالیبره کردن ابزارهای سنجش دما در اینجا ظاهر می شود: (مدل های قدیمی)

کلاس

کالیبراتورهای الکترونیکی مدرن اکنون برای کالیبراسیون ابزار RTD و ترموکوپل نیز در دسترس هستند که به ترتیب قادر به تامین مقادیر دقیق مقاومت الکتریکی و میلی ولتاژ DC برای شبیه سازی عناصر RTD و ترموکوپل هستند.

عکسی از استاندارد آزمایشگاهی Fluke مدل ۵۲۵A در اینجا نشان داده شده است:

هم پتانسیومترهای قدیمی و هم کالیبراتورهای آزمایشگاهی مدرن مانند Fluke 525A منابع مستقلی هستند که برای شبیه سازی خروجی های الکتریکی سنسورهای دما مفید هستند.

اگر عکس‌های پتانسیومتر را از نزدیک مشاهده کنید، می‌توانید اعداد حک شده در اطراف دور صفحه‌ها را ببینید، که به کاربر نشان می‌دهد که دستگاه در هر تنظیمی چقدر ولتاژ خروجی می‌دهد

با توجه به یک ولت متر دقیق، می توان پتانسیومتر کالیبراسیون خود را برای شبیه سازی میلی ولتاژ خروجی ترموکوپل ساخت.

یک تقسیم‌کننده ولتاژ ساده که برای کاهش ولتاژ DC یک منبع تغذیه ولتاژ متغیر معمولی تنظیم شده باشد، تا زمانی که تنظیم کافی را ارائه کند، کافی است:

.

برخلاف پتانسیومترهای قدیمی، که خوانش مستقیم میلی ولتاژ را در صفحه(های) پتانسیومتر ارائه می کردند، ما در اینجا به دقت مولتی متر دقیق تکیه می کنیم تا به ما بگوید چه زمانی داریم. با منبع تغذیه و مدار تقسیم کننده ولتاژ ما به میلی ولتاژ مورد نیاز رسید.

این بدان معناست که عملکرد مولتی متر با دقت بالا به عنوان استاندارد کالیبراسیون در این مجموعه، امکان استفاده از اجزای غیر دقیق را در بقیه مدار فراهم می کند.

از آنجایی که نشانگر مولتی متر تنها متغیری است که هنگام کالیبره کردن فرستنده دمای ورودی ترموکوپل به دقت قابل اعتماد است، مولتی متر تنها مؤلفه (توجه) در مدار است که بر عدم قطعیت کالیبراسیون ما تأثیر می گذارد.

توجه: البته، این فرض را بر این می گذارد که پتانسیومتر دارای قابلیت تنظیم به اندازه کافی خوب است که می توانیم سیگنال میلی ولتاژ را با دقت دلخواه تنظیم کنیم.

اگر مجبور شویم از یک پتانسیومتر درشت استفاده کنیم – که قادر به تنظیم مقدار دقیق میلی ولتاژ مورد نظر ما نیست – آنگاه دقت کالیبراسیون ما نیز به دلیل ناتوانی ما در کنترل دقیق ولتاژ اعمال شده محدود می شود.

شبیه سازی الکتریکی خروجی ترموکوپل یا RTD زمانی که ابزاری که می خواهیم کالیبره کنیم از ترموکوپل یا RTD به عنوان عنصر حسگر خود استفاده می کند، ممکن است کافی باشد.

با این حال، برخی از ابزارهای اندازه‌گیری دما وجود دارند که ماهیت الکتریکی ندارند: این دسته شامل دماسنج‌های دو فلزی، سیستم‌های دمای حباب پر شده، و پیرومترهای نوری است. برای کالیبره کردن این نوع ابزارها باید دمای کالیبراسیون را در فروشگاه ابزار دقیق ایجاد کنیم. به عبارت دیگر، ابزاری که باید کالیبره شود باید در معرض دمای واقعی با مقدار دقیق شناخته شده قرار گیرد.

.

حتی با RTD ها و ترموکوپل ها – جایی که سیگنال سنسور ممکن است به راحتی با استفاده از تجهیزات تست الکترونیکی شبیه سازی شود – استفاده از منبع واقعی دمای دقیق برای کالیبره کردن ابزار دما، شایستگی دارد.

به عنوان مثال، شبیه سازی ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل در یک دمای دقیق، برای کالیبره کردن دستگاه به طور معمول سیگنال میلی ولتاژ را از ترموکوپل دریافت می کند، خوب است،

اما این تست کالیبراسیون برای تأیید صحت خود عنصر ترموکوپل کاری نمی کند!

بهترین نوع کالیبراسیون برای هر ابزار اندازه‌گیری دما، از منظر یکپارچگی کلی، قرار دادن عنصر حسگر در دمای کاملاً مشخص است.

یک استاندارد قدیمی برای کالیبراسیون صنعتی در دمای پایین، آب خالص است، به ویژه نقاط انجماد و جوش آب. آب خالص در سطح دریا (فشار کامل اتمسفر) در دمای ۳۲ درجه فارنهایت (۰ درجه سانتیگراد) یخ می زند و در ۲۱۲ درجه فارنهایت (۱۰۰ درجه سانتیگراد) می جوشد.

در واقع، مقیاس دمایی سلسیوس با این دو نقطه تغییر فاز برای آب در سطح دریا تعریف می‌شود.

برای استفاده از آب به عنوان استاندارد کالیبراسیون دما، به سادگی ظرفی را برای یکی از دو حالت آماده کنید: تعادل حرارتی در هنگام انجماد یا تعادل حرارتی در زمان جوش.

“تعادل حرارتی” در این زمینه به سادگی به معنای دمای برابر در سراسر نمونه فاز مخلوط است. در مورد انجماد، این به معنای یک نمونه خوب مخلوط از یخ جامد و آب مایع است. در مورد جوش، این به معنای یک دیگ آب در یک جوش ثابت (بخار بخار و آب مایع در تماس مستقیم) است. آنچه در اینجا می‌خواهید به دست آورید، تماس کافی بین دو فاز (جامد و مایع؛ یا مایع و بخار) برای از بین بردن نقاط گرم یا سرد است.

.

وقتی کل نمونه آب از نظر دما همگن و در فاز ناهمگن باشد (یعنی ترکیبی از فازهای مختلف)، نمونه تنها یک درجه آزادی ترمودینامیکی خواهد داشت: دمای آن یک درجه است. عملکرد انحصاری فشار اتمسفر از آنجایی که فشار اتمسفر نسبتاً پایدار و شناخته شده است، این دما را در یک مقدار ثابت ثابت می کند.

برای کالیبراسیون دمای فوق العاده دقیق در آزمایشگاه ها، نقطه سه گانه آب به عنوان مرجع استفاده می شود. هنگامی که آب به نقطه سه گانه خود می رسد (یعنی هر سه فاز جامد، مایع و گاز در تماس مستقیم با یکدیگر)، نمونه دارای درجه آزادی ترمودینامیکی صفر خواهد بود، که به این معنی است که هم دما و هم فشار آن خواهد بود. در مقادیر پایدار قفل می شوند: فشار در ۰٫۰۰۶ اتمسفر و دما در ۰٫۰۱ درجه سانتیگراد.

محدودیت اصلی آب به عنوان یک استاندارد کالیبراسیون دما این است که فقط دو نقطه کالیبراسیون را ارائه می دهد: ۰ درجه سانتیگراد و ۱۰۰ درجه سانتیگراد، که دومی به شدت وابسته به فشار است.

اگر دماهای مرجع دیگری برای کالیبراسیون مورد نیاز باشد، باید از ماده ای غیر از آب استفاده شود.

انواع مختلفی از مواد با نقاط تغییر فاز شناخته شده به عنوان نقاط ثابت در مقیاس بین المللی دمای عملی (ITS-90) استاندارد شده اند.

.

لیست زیر نمونه ای از برخی از این مواد و حالت فاز و دمای مربوطه آنهاست:

• نئون (نقطه سه گانه) = -۲۴۸٫۶ درجه سانتیگراد
• اکسیژن (نقطه سه گانه) = -۲۱۸٫۸ درجه سانتیگراد
• عطارد (نقطه سه گانه) = -۳۸٫۸۳ درجه سانتیگراد
• قلع (نقطه انجماد) = ۲۳۱٫۹۳ درجه سانتیگراد
• روی (نقطه انجماد) = ۴۱۹٫۵۳ درجه سانتیگراد
• آلومینیوم (نقطه انجماد) = ۶۶۰٫۳۲ درجه سانتیگراد
• مس (نقطه انجماد) = ۱۰۸۴٫۶۲ درجه سانتیگراد

مواد در نقطه سه گانه باید در تعادل حرارتی با فازهای جامد، مایع و بخار باشند.

مواد در نقطه انجماد باید مخلوط دو فازی جامد و مایع باشند (یعنی مایع در حال انجماد، نه یک نمونه کاملا مایع و نه یک نمونه کاملا جامد). اصل فیزیکی در همه این مثال‌ها گرمای نهان است: تبادل انرژی حرارتی مورد نیاز برای تغییر فاز یک ماده.

.

تا زمانی که حداقل نیاز مبادله حرارتی برای تغییر فاز کامل برآورده نشود، ماده ای در میانه انتقال فاز دمای ثابتی از خود نشان می دهد و بنابراین به عنوان یک استاندارد دما رفتار می کند.

. مقادیر اندک افزایش یا اتلاف حرارت در چنین نمونه ای صرفاً نسبت یک فاز به فاز دیگر را تغییر می دهد (مثلاً چقدر جامد در مقابل مقدار مایع)، اما دما تا زمانی که نمونه به یک فاز تبدیل شود در یک مقدار ثابت باقی می ماند.

یکی از معایب عمده استفاده از تغییرات فاز برای تولید دمای دقیق در مغازه، در دسترس بودن محدود دما است. اگر برای اهداف کالیبراسیون نیاز به ایجاد دمای دیگری دارید، یا باید ماده مناسبی را پیدا کنید که تغییر فاز دقیقاً در همان دما اتفاق می‌افتد (موفق باشید!) یا باید یک منبع دمایی قابل تنظیم پیدا کنید و از یک دماسنج دقیق استفاده کنید. تا ابزار مورد آزمایش خود را با آن مقایسه کنید.

سناریوی دوم مشابه استفاده از یک ولت متر با دقت بالا و یک منبع ولتاژ قابل تنظیم برای کالیبره کردن یک ابزار ولتاژ است: مقایسه یک ابزار (مطمئن به دقیق بودن) با ابزار دیگر (در حال آزمایش).

.

ایمن سازی دماسنج های درجه آزمایشگاهی نسبتاً آسان است.

منابع دمای متغیر مناسب برای استفاده کالیبراسیون شامل کالیبراتورهای حمام روغن و حمام شن و ماسه است. این دستگاه‌ها دقیقاً همان چیزی هستند که به نظر می‌رسند: گلدان‌های کوچک پر از روغن یا شن، حاوی یک عنصر گرمایش الکتریکی و یک سیستم کنترل دما با استفاده از یک سنسور حرارتی درجه آزمایشگاهی (قابل ردیابی NIST).

در مورد حمام های شنی، مقدار کمی هوای فشرده در انتهای ظرف وارد می شود تا ماسه را “سیال” کند، بنابراین دانه ها مانند مولکول های یک مایع در اطراف حرکت می کنند و به سیستم کمک می کند تا به تعادل حرارتی برسد.

برای استفاده از کالیبراتور نوع حمام، ابزار درجه حرارت مورد نظر را طوری قرار دهید که عنصر حسگر در حمام فرو رود، سپس منتظر بمانید تا حمام به دمای مورد نظر برسد.

یک کالیبراتور دمای حمام روغن در عکس زیر نشان داده شده است، با سوکت هایی برای پذیرش هفت پروب دما در مخزن روغن گرم شده:

کلاس

.

این واحد حمام روغن خاص هیچ نشانه داخلی از دمای مناسب برای استفاده به عنوان استاندارد کالیبراسیون ندارد.

یک دماسنج درجه استاندارد یا سایر عناصر حساس به دما باید همراه با سنسور تحت آزمایش در داخل حمام روغن قرار داده شود تا یک نشانه مرجع مفید برای کالیبراسیون ارائه شود.

کالیبراتورهای دمای Dry-block نیز برای ایجاد دمای کالیبراسیون دقیق در محیط فروشگاه ابزار وجود دارند.

به جای حمام مایع (یا پودر سیال) به عنوان محیط حرارتی، این دستگاه‌ها از بلوک‌های فلزی با سوراخ‌های کور (بن بست) حفر شده برای قرار دادن ابزارهای سنجش دما استفاده می‌کنند.

یک کالیبراتور درجه حرارت بلوک خشک ارزان قیمت در نظر گرفته شده برای سرویس رومیزی در این عکس نشان داده شده است:

کلاس

این کالیبراتور دمای بلوک خشک خاص با استفاده از یک نمایشگر دیجیتال در پانل جلویی خود، نشانگر بصری مستقیم دمای بلوک را ارائه می دهد.

اگر دقت بیشتری مورد نظر باشد، ممکن است یک سنسور دمای درجه مرجع آزمایشگاهی همراه با سنسور در حال آزمایش در همان بلوک قرار داده شود و حسگر درجه مرجع به عنوان استاندارد دما به جای نمایشگر دیجیتال کالیبراتور بلوک خشک تکیه می‌کند.

ابزارهای دمای نوری به نوع متفاوتی از ابزار کالیبراسیون نیاز دارند: ابزاری که تشعشعاتی معادل تابش شی فرآیند در دماهای مشخص خاص ساطع می کند.

این نوع ابزار کالیبراسیون، کالیبراتور بدن سیاه (Note) نام گذاری می شود که دارای ناحیه هدفی است که ابزار نوری ممکن است در آن هدف قرار گیرد.

.

مانند کالیبراتورهای حمام روغن و شن، کالیبراتور بدن سیاه به عنوان مرجع برای کنترل انتشار نوری هدف جسم سیاه در هر دمای مشخصی در محدوده عملی، به عنصر حسگر دمای داخلی متکی است.

توجه: “جسم سیاه” یک جسم ایده آل است که مقدار انتشار دقیقاً یک (۱) دارد.

به عبارت دیگر، یک جسم سیاه یک رادیاتور کامل انرژی حرارتی است.

جالب توجه است، یک سوراخ کور که در هر جسمی در عمق کافی حفر می شود، به عنوان یک جسم سیاه عمل می کند، و گاهی اوقات به عنوان رادیاتور حفره ای نامیده می شود.

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.