دما و کالیبراسیون سنسور دما در سیالات کاری مختلف

درمورد دما: دما بطور کلی یک ویژگی ماده است که یک کمیت فیزیکی است و با استفاده از دما سنج (از هر نوعی) گرمی و سردی آن ماده بیان میشود.

سنسور دما: سنسور دما سنسوری است که دما یا گرما را اندازه‌گیری و آشکارسازی می‌کند که ما انواع مختلفی از این سنسور داریم.

معرفی :

میدانیم دما یک پارامتر مهم در هر سیستمی است. اندازه گیری دما به دلیل نقش حیاتی آن، هم در زمینه دانشگاهی و هم در زمینه صنعتی مورد نیاز است. برای اندازه گیری دما یا اختلاف دما که در انتقال حرارت بسیار مهم است، ترموکوپل نوع K به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، زیرا قیمت نسبتاً پایینی دارد، خود برق دارد و دارای طیف گسترده ای از اندازه گیری است که می تواند در سیستم های پیچیده اعمال شود.

مدت ها پیش، برای به دست آوردن داده های اندازه گیری، محققان مجبور بودند نتایج اندازه گیری را به صورت دستی و دوره ای ثبت کنند. امروزه برای سهولت اندازه گیری، محققان معمولاً از جمع آوری داده ها استفاده می کنند. با این حال، هزینه ابزارهای تجاری یک مانع مهم برای راه اندازی شبکه های نظارتی مهم مانند جمع آوری داده ها است. آردوینو، سیستم نمونه سازی الکترونیکی پلتفرم باز بسیار قابل تنظیم، اگر سنسورها به خوبی کالیبره شده باشند، می تواند یک جمع آوری داده معتبر باشد.

بنابراین، آردوینو برای استفاده در این مطالعه انتخاب شده است تا کارایی آن برای جمع‌آوری و کالیبراسیون داده‌ها را آزمایش کند. برای بدست آوردن داده های دما با استفاده از ترموکوپل آردوینو و نوع K، ماژولی برای جبران اتصال سرد ترموکوپل مورد نیاز است. MAX6675 یکی از بسیاری از ماژول های سازگار با آردوینو است که می تواند اتصال سرد ترموکوپل نوع K را جبران کند. استفاده از ترموکوپل نوع K که بر روی ماژول MAX6675 نصب شده است در بین محققان رایج تر شده است، اما افراد زیادی برای کالیبره کردن سنسور به خصوص در شرایط محیطی تلاش نکرده اند.

در شرایط محیطی که تقریباً هیچ تفاوت دمایی بین ترموکوپل اتصال سرد و ترموکوپل اتصال گرم وجود ندارد، داده ترموکوپل نوع K و MAX6675 نامنظم است و دقت در مقایسه با داده های گرفته شده از سنسور DS18B20 به خطر می‌افتد. هدف از این مطالعه کالیبره کردن مقدار اندازه گیری حاصل از ترموکوپل نوع K و سنسور MAX6675 است.

2 شیوه شناسی

سنسورهای مورد استفاده در این آزمایش ، دو ترمیستور ضد آب DS18B20 به عنوان کالیبراتور و چهار ترموکوپل نوع K که بر روی ماژول MAX6675 هستند.  ترموکوپل نوع K دارای طیف وسیعی از اندازه گیری است که از -250 درجه سانتیگراد تا 1100 درجه سانتیگراد شروع می شود، اما هنگامی که بر روی MAX6675 به عنوان یک ماژول جبران اتصال سرد نصب می شود، محدوده اندازه گیری از 0 درجه سانتیگراد تا 1024 درجه سانتیگراد با وضوح 0.25  درجه سانتیگراد تصویر محدود می شود.

سنسورهای DS18B20 به عنوان کالیبراتور مورد استفاده قرار گرفتند زیرا سنسورها قبلاً با استفاده از دماسنج ASTM-117C کالیبره شده بودند و وضوح عالی 0.0625 درجه سانتیگراد دارند. محدوده اندازه گیری سنسور از -55 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد است و خطای بین سنسورها پس از کالیبراسیون از 0.23 درجه سانتیگراد تا 0.42 درجه سانتیگراد متغیر است.

مقدار واقعی دمای اندازه‌گیری شده میانگین خوانش‌هایی است که توسط دو حسگر DS18B20 در هر بار گرفته‌شده تولید می‌شود، زیرا این تکنیک امکان جبران تغییراتی که بین سنسورها پس از کالیبراسیون وجود دارد را می‌دهد. برای انجام این کالیبراسیون از ریزپردازنده آردوینو استفاده شده است. اگرچه آردوینو بیشتر به عنوان یک کنترلر استفاده می شود، اما می توان از آن به عنوان ابزار جمع آوری داده نیز استفاده کرد که می تواند به عنوان دیتا لاگر ارتقا یابد.

خروجی آردوینو، که می تواند مهندسی شود، برای کالیبراسیون مفید است. سپس خروجی مهندسی شده را می توان در کارت SD ذخیره کرد. سازگاری با کارت SD و آردوینو مصرف برق را برای رایانه ها کاهش می دهد، اما نظارت مستقیم بر داده ها بدون کمک نمایشگر کریستال مایع بسیار دشوار است. برای دستیابی به کالیبراسیون، تمام سنسورها به آردوینو متصل می شوند که به کامپیوتر وصل می شود تا دستورات اندازه گیری دما را وارد کند.

بازیابی اطلاعات دما از شش حسگر هر 100 میلی ثانیه انجام می شود. سپس دماهای اندازه‌گیری شده در آردوینو مهندسی شدند تا در کارت SD به‌عنوان فایل txt ذخیره شوند. فرآیند تثبیت و کالیبراسیون در شرایط محیطی با استفاده از انرژی محیط و انتقال حرارت محیطی انجام شد. فرآیند کالیبراسیون باید در یک وضعیت ثابت که در آن دما ثابت است انجام شود تا مقدار واقعی آن بدست آید. انتقال حرارت محیطی ، حالت پایدار طبیعی را فراهم می کند که برای هدف کالیبراسیون مفید است.

برای آزمایش اینکه آیا ترموکوپل های نوع K نصب شده روی MAX6675 را می توان با سنسورهای DS18B20 کالیبره کرد، ابتدا لازم است الگوهای آنها را با خواندن دمای محیط آب مشاهده کنید. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، چهار ترموکوپل نوع K که هر کدام روی MAX6675 (𝑇𝐶𝑖) نصب شده بودند، به مدت 24 ساعت با دو ترمیستور DS18B20 (𝐷𝑆𝑖) در یک ظرف باز حاوی آب غوطه ور شدند. محیط آب محیط برای مشاهده اندازه گیری اولیه حسگرها انتخاب شد زیرا آب ظرفیت گرمایی ویژه بالایی دارد. بنابراین، تغییر دمای محیط اطراف تأثیر کمی بر دمای آب خواهد داشت.

شکل 1: راه اندازی آزمایشی

اگر الگوی هر دو سنسور در خواندن دمای محیط آب یکسان باشد، مرحله بعدی کالیبره کردن سنسورها است. روش‌های ریاضی ساده‌ای برای کالیبره کردن ترموکوپل نوع K که روی حسگرهای MAX6675 نصب شده‌اند، مانند میانگین‌گیری، فیلتر کردن و برازش انتخاب شدند.

میانگین تمام داده های اندازه گیری شده تولید شده در هر ثانیه توسط هر ترموکوپل نوع K و MAX6675 با استفاده از معادله (1) می تواند نویز سنسورها را کاهش دهد. فرآیند فیلتر کردن با استفاده از معادله (2)، بر اساس وضوح MAX6675 ، 0.25 درجه سانتیگراد، می تواند نوسانات را کاهش دهد به طوری که داده ها در محدوده ± 0.25 درجه سانتیگراد توزیع می شوند.

فرآیند مناسب با استفاده از معادله (4)، می تواند دقت ترموکوپل نوع K را در خواندن مقادیر دما افزایش دهد. فرآیند برازش یا ترجمه خط فرآیند مهمی برای کاهش خطای سیستماتیک سنسورها است. ضریب ترجمه یا بعد از آن به عنوان مقدار برازش (FV) توصیف می‌شود که با میانگین دلتای اندازه‌گیری‌ها بین سنسورهای DS18B20 و ترموکوپل نوع K نصب شده بر روی سنسورهای MAX6675 در شرایط ثابت محاسبه می‌شود.

•  (1)    𝑇𝐶= ∑ 𝑇𝐶𝑖.j / 4
•  (2)    𝑇𝐶𝑖 = |𝑇𝐶𝒾,𝑗+1− 𝑇𝐶𝒾,j| < 0.25
• (3)        𝑇C= ∑ 𝑇𝐶 / 4
• (4)      𝑇𝐶∗ = 𝑇𝐶 – 𝐹V

Between 08 PM and 11 PM; 08𝑃𝑀 ≤ 𝑡 ≤ 11𝑃M

• (5)    𝐹V = 𝑇𝐶𝑡−𝐷𝑆𝐴𝑉t / 𝑗t
• (𝐷𝑆𝐴𝑉𝑡 = ∑ 𝐷𝑆i / 2       (6

Where

TC = the data of measurement from the K-type thermocouple and MAX6675 (°C)

Subscript i = the order of sensor

Subscript j = the data of measurement at each time

𝑇𝐶∗ = the measured data after calibration (°C)

𝑗t = the data of measurement at each time for a predetermined hour

FV = Fitting value (°C)

𝐷𝑆 𝐴V = The true value indicated by the average measurements taken from two DS18B20 sensors (°C)

روش های فوق به صورت کد (کدگذاری) نوشته شده و در آردوینو اسکچ آپلود شده و در نتیجه مقادیر به صورت خودکار کالیبره می شوند. این روش ها نه تنها در خواندن دمای محیط آب بلکه دمای هوا-محیط نیز مورد استفاده قرار خواهند گرفت. سپس نتایج حاصل از خواندن دمای آب محیط و هوا محیط با روش های پیشنهادی مقایسه خواهد شد.

3 نتایج

3.1 قبل از کالیبراسیون

اندازه گیری های انجام شده توسط هر سنسور ترموکوپل نوع K که روی MAX6675 (TCi) نصب شده است در مقایسه با مقدار واقعی نشان داده شده توسط میانگین سنسورهای DS18B20 (DSAv) در خواندن دمای محیط آب در شکل 2 نشان داده شده است. از آنجایی که هر سنسور ترموکوپل نوع K دارای الگوهای مشابه با میانگین سنسورهای DS18B20 است، کالیبراسیون ترموکوپل نوع K به سنسور DS18B20 قابل انجام است.

بر اساس شکل 2 و جدول 1، ترموکوپل نوع K نصب شده بر روی MAX6675 در خواندن دمای محیط نسبتا دقیق است اما بطورکامل دقیق نیست. محدوده دمای محیط در آن روز (24 ساعت) همانطور که توسط میانگین سنسورهای DS18B20 نشان داده شده است از 27.7 درجه سانتیگراد تا 28.7 درجه سانتیگراد بود.  اطلاعات های متفاوتی از سنسورهای ترموکوپل نوع K و MAX6675 تولید شد. دمای اندازه گیری شده توسط ترموکوپل های نوع K و سنسورهای MAX6675 با وجود اینکه مشخصات یکسانی دارند و از یک سازنده خریداری شده اند یکسان نبودند.

میانگین انحراف بین سنسورها از 0.23 درجه سانتیگراد تا 0.26 درجه سانتیگراد متغیر بود. میانگین خطاهای سیستماتیک هر سنسور به ترتیب 1.72 درجه سانتی گراد، 0.86 درجه سانتی گراد، 1.46 درجه سانتی گراد و 1.49 درجه سانتی گراد در مقایسه با مقدار واقعی بود.  میانگین مقدار خطا (%) قبل از کالیبراسیون 4.9٪ بود.

شکل 2: خواندن ترموکوپل های نوع K (TC) در اندازه گیری دمای آب محیط قبل از کالیبراسیون در مقایسه با مقدار واقعی نشان داده شده توسط میانگین دو سنسور DS18B20 (DSAv) (دما)

3.2 بعد از کالیبراسیون

با تأخیر 100 میلی‌ثانیه برای بازیابی داده‌ها، تنها چهار عمل توسط آردوینو در یک ثانیه انجام می‌شود. این به احتمال زیاد به این دلیل است که آردوینو برای تبدیل و ذخیره تاریخ، زمان و مقادیر اندازه گیری چاپ شده به متن در کارت SD به زمان نیاز دارد. با میانگین گیری تمام داده ها در هر ثانیه از هر اندازه گیری گرفته شده توسط ترموکوپل نوع K و MAX6675، انحراف کمتر می شود و از 0.12 درجه سانتی گراد تا دما 0.14 درجه سانتی گراد متغیر است.

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، فیلتر کردن داده ها با دما ± 0.25 درجه سانتیگراد می تواند نویز اندازه گیری را کاهش دهد. انحراف پس از میانگین گیری و فیلتر کردن داده ها از دما 0.11 درجه سانتیگراد تا دما 0.13 درجه سانتیگراد متغیر است که در جدول 2 خلاصه شده است. برای سهولت تطبیق داده‌های چهار سنسور ترموکوپل نوع K و MAX6675 به DS18B20، میانگین‌گیری آن چهار جفت با استفاده از معادله 3 انجام شد.

مقادیر اندازه گیری گرفته شده توسط چهار جفت ترموکوپل نوع K نصب شده بر روی MAX6675 یا دو سنسور DS18B20 باید نتیجه یکسانی را نشان می دادند زیرا آنها در شرایط یکسان و نسبتاً نزدیک به یکدیگر قرار گرفتند. با این حال، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، آنها نتایج متفاوتی را در خواندن مقدار دما نشان دادند، بنابراین فرآیند میانگین گیری برای تبدیل چهار جفت نشان داده شده به یک مقدار که نشان دهنده دما چهار مورد از آنها است، انجام شد.پس از محاسبه این میانگین همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، دلتای بین آن یک مقدار و مقدار واقعی، در این مورد میانگین سنسورهای DS18B20، محاسبه شد.

سپس دلتای اندازه‌گیری‌ها بین سنسورها در شرایط ثابت محیط، از ساعت 8:00 تا 11:00 بعد از ظهر، برای محاسبه یک مقدار ثابت یا مقدار مناسب برای مستعد سازی سنسورهای کالیبره نشده با مقدار واقعی به‌طور میانگین محاسبه شد. دما مناسب برای این آزمایش 1.31 درجه سانتیگراد بود.

شکل 3: نتایج پس از فیلتر کردن و میانگین گیری چهار داده اندازه گیری شده توسط هر ترموکوپل نوع K نصب شده بر روی MAX6675

شکل 4 : میانگین سنسورهای ترموکوپل همه نوع K و MAX6675 برای تسهیل فرآیند اتصال

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، اندازه گیری انجام شده پس از درج مقدار مناسب بر اساس معادله (4) در کدگذاری آردوینو ثابت کرده است که ترموکوپل نوع K و MAX6675 از قبل همان دما را با سنسورهای DS18B20  در محیط آب به دلیل وضوح سنسورها با نوسانات بیشتر اندازه گیری می کنند.

انحراف و خطا (%) پس از کالیبراسیون در آب محیط به ترتیب 0.087 درجه سانتی گراد و 0.42٪ است. از همان کدگذاری برای اندازه‌گیری شرایط محیطی هوا به مدت 24 ساعت استفاده شد، بنابراین هر دو ترموکوپل اتصال گرم و اتصال سرد در هوای محیط بودند.

ر اساس شکل 6، روش‌های پیشنهادی با مقدار مناسب 1.31 درجه سانتی‌گراد همچنان می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، حتی اگر مقدار مورد نظر نتیجه ترموکوپل اتصال داغ در محیط آبی باشد. انحراف و خطا (٪) پس از کالیبراسیون در هوای محیط همانطور که در جدول 2 خلاصه شده است به ترتیب 0.112 درجه سانتیگراد و 0.61٪ بود.

شکل 5: ترموکوپل نوع K و MAX6675 در خواندن مقادیر دمای محیط آب پس از کالیبراسیون

شکل 6 : ترموکوپل نوع K و MAX6675 در خواندن مقادیر دمای محیط هوا پس از کالیبراسیون

4 نتیجه گیری

تثبیت و کالیبراسیون سنسورهای ترموکوپل MAX6675 و نوع K در خواندن دمای محیط به دلیل اصل کار ترموکوپل مورد نیاز است. در شرایط محیطی، اتصالات ترموکوپل تقریباً هیچ تفاوت دمایی ندارند، بنابراین مقادیر اندازه‌گیری شده باید به عنوان پایه افست صفر تثبیت شوند.

شرایط محیطی نزدیک به حالت پایدار طبیعی می تواند به عنوان پایه ای برای کالیبره کردن ترموکوپل نوع K که بر روی سنسورهای MAX6675 نصب شده است استفاده شود، زیرا در این شرایط، دما فقط بسیار کمی تغییر می کند که برای کالیبراسیون مفید است. فرآیند کالیبراسیون با استفاده از روش‌های ساده ریاضی مانند میانگین‌گیری، فیلتر کردن و برازش می‌تواند برای تثبیت و کالیبره کردن حسگرها استفاده شود. فرآیند میانگین گیری و فیلتر کردن دقت مقادیر اندازه گیری شده را افزایش داد، در حالی که فرآیند مناسب سازی خطای سیستماتیک را کاهش داد.

با استفاده از روش های پیشنهادی، 𝑇𝐶∗ = 𝑇𝐶 − 1.31، و شرایط حالت پایدار طبیعی برای کالیبره کردن سنسورها ، دقت سنسورها را از 4.9% به 0.42% در خواندن دمای آب محیط و به 0.61% در خواندن دمای هوای محیط با میانگین انحراف 0.12 درجه سانتی گراد افزایش داد. در مجموع، روش پیشنهادی با استفاده از ریزپردازنده آردوینو می‌تواند برای افزایش دقت و صحت سنسورهای ترموکوپل نوع K و MAX6675 در خواندن مقادیر دما مورد استفاده قرار گیرد.

:references

(Septiana, Roihan et al. 2020)

Septiana, R., et al. (2020). “Testing a Calibration Method for Temperature Sensors in Different Working Fluids.” Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences 68(2): 84-93

Testing a Calibration Method for Temperature Sensors in Different Working Fluids | Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences (akademiabaru.com)

 MAX6675 Cold-Junction-Compensated K-Thermocouple-to-Digital Converter (0°C to 1024°C). Maxim. Accessed October 28, 2019

Koestoer, R. A., N. Pancasaputra, I. Roihan, and Harinaldi. “A simple calibration methods of relative humidity sensor DHT22 for tropical climates based on Arduino data acquisition system.” In AIP Conference Proceedings, vol. 2062, no. 1, p. 020009. AIP Publishing LLC, 2019.

López-Vargas, Ascensión, Manuel Fuentes, Marta Vivar García, and Francisco J. Muñoz-Rodríguez. “Low-Cost Datalogger Intended for Remote Monitoring of Solar Photovoltaic Standalone Systems Based on Arduino™.” IEEE Sensors Journal 19, no. 11 (2019): 4308-4320.