کالیبراسیون سه نقطه ای و پنج نقطه ای سنسور دما

مقدمه ای بر کالیبراسیون

اندازه گیری دما یکی از متداول ترین اندازه گیری ها در صنعت فرآیند است.
هر حلقه اندازه گیری دما به عنوان اولین جزء حلقه، دارای یک سنسور دما است.
بنابراین ، همه چیز با یک سنسور دما شروع می شود. سنسور دما نقش مهمی
در صحت کل حلقه اندازه گیری دما دارد. مانند هر ابزار اندازه گیری که نیازمند دقت
بالاست، سنسور دما نیز باید به طور مرتب کالیبره شود. عملا با نبود دقت لازم،
اندازه گیری دما کار بیهوده ای خواهد بود. در این مقاله، به چگونگی کالیبراسیون
سنسورهای دما و رایج ترین مواردی که هنگام کالیبره کردن سنسورهای دما باید توجه داشته باشید، خواهیم پرداخت.

سنسور دما چیست؟

بیایید از اصول اولیه شروع کنیم. بحث در مورد اینکه یک سنسور دما چیست:
همانطور که از نام آن مشخص است، یک سنسور دما ابزاری است که می تواند برای اندازه گیری دما استفاده شود.
این سنسور، سیگنال خروجی متناسب با دما را تولید خواهد کرد.

هنگامی که دمای سنسور تغییر می کند ، خروجی نیز بر این اساس تغییر می کند.
انواع حسگرهای دما وجود دارند که سیگنالهای خروجی متفاوتی دارند. برخی دارای خروجی مقاومت ، برخی دارای سیگنال ولتاژ ،
برخی دارای سیگنال دیجیتالی و بسیاری دیگر هستند.

در عمل ، در کاربردهای صنعتی ، سیگنال از سنسور دما به طور معمول به یک فرستنده دما متصل می شود ، که سیگنال را به
فرمی تبدیل می کند که انتقال برای مسافت های طولانی، آسان تر  به سیستم کنترل (DCS ، SCADA) تبدیل شود.

سیگنال استاندارد 4 تا 20 میلی آمپر برای دهه ها استفاده شده است. زیرا یک سیگنال جریان می تواند مسافت های طولانی تری را منتقل
کند و حتی اگر مقاومت در امتداد سیم ها وجود داشته باشد ، جریان تغییر نمی کند. امروزه فرستنده هایی با سیگنال های دیجیتال یا
حتی سیگنال های بی سیم استفاده می شوند.

به هر حال ، برای اندازه گیری دما ، عنصری که استفاده می شود سنسور دما است.

اندازه گیری خروجی سنسور دما

از آنجا که بیشتر سنسورهای دما دارای یک خروجی الکتریکی هستند ، بدیهی است که خروجی آن به نوعی باید اندازه گیری شود.
گفته می شود برای اندازه گیری سیگنال خروجی که به صورت مقاومت یا ولتاژ ظاهر خواهند شد، شما باید یک دستگاه اندازه گیری داشته باشید.
دستگاه اندازه گیری اغلب مقدار الکتریکی (مقاومت ، ولتاژ) را نشان می دهد و نه درجه حرارت. بنابراین لازم است بدانیم که
چگونه می توان آن سیگنال الکتریکی را به یک مقدار دما تبدیل کرد.

بیشتر سنسورهای دمای استاندارد دارای استانداردهای بین المللی هستند که نحوه محاسبه تبدیل الکتریکی / دما را با استفاده از جدول یا
فرمول مشخص می کنند. اگر سنسور غیر استاندارد دارید ، ممکن است لازم باشد که اطلاعات آن را از تولید کننده سنسور دریافت
کنید.

همچنین دستگاه های اندازه گیری وجود دارند که می توانند سیگنال سنسور دما را مستقیم به عنوان دما نمایش دهند. این دستگاه ها
همچنین سیگنال الکتریکی (مقاومت ، ولتاژ) را اندازه گیری می کنند و جداول حسگر ( چند جمله ای / فرمول ) را در داخل برنامه
ریزی می کنند. بنابراین با استفاده از این جدول آنها را به دما تبدیل می کنند. به عنوان مثال ، کالیبراسیون دما به طور معمول از رایج ترین سنسورهای
RTD ( مقاومت دما( و ترموکوپل ) T / C) استفاده شده در فرآیند صنعت  پشتیبانی می کنند.

چگونه یک سنسور دما را کالیبره کنیم؟

قبل از اینکه به موارد مختلفی بپردازیم که هنگام کالیبراسیون یک سنسور دما باید در نظر بگیریم ، به این اصل نگاه می کنیم.
اول ، از آنجا که سنسور دما دما را اندازه گیری می کند ، برای کالیبراسیون آن باید به یک دمای مشخص شده ( مرجع ) برای در مجاورت قرار دادن
حسگر نیاز داشته باشید.

“شبیه سازی” دما امکان پذیر نیست ، اما شما باید با استفاده از یک منبع دما، دمای واقعی ایجاد کنید.
شما می توانید دمای دقیقی تولید کنید و یا می توانید از یک سنسور درجه حرارت مرجع کالیبره شده برای اندازه گیری دمای تولید
شده استفاده کنید. به عنوان مثال ، شما ممکن است سنسور مرجع و سنسور را برای کالیبره شدن در یک مخزن مایع (ترجیحا یک
همزن) وارد کنید و می توانید کالیبراسیون را در آن نقطه دما انجام دهید. از طرف دیگر می توان از یک منبع به اصطلاح دمای
بلوک خشک استفاده کرد.

به عنوان نمونه ، استفاده از یک مخزن یخ زده هم زده ، دقت بسیار خوبی را برای کالیبراسیون نقطه 0 درجه سانتیگراد ( 32 درجه
فارنهایت) فراهم می کند. برای کالیبراسیون صنعتی و حرفه ای ، معمولا از مخزن های دما یا بلوک های خشک استفاده می شود.
اینها می توانند برای گرم کردن یا خنک کردن دما در یک نقطه معین برنامه ریزی شوند.
در برخی از کاربردهای صنعتی ، معمولا تعویض سنسورهای دما در فواصل منظم و کالیبره نبودن سنسورها بطور منظم است.

نحوه کالیبره کردن سنسورهای دما (مواردی که باید در نظر بگیرید)

بیایید شروع به کالیبراسیون واقعی سنسورهای دما و چیزهای مختلفی کنیم که باید در نظر بگیریم …

1 – سنسور دما در دست گرفتن

سنسورهای مختلف دارای ساختارهای مکانیکی مختلف و استحکام مکانیکی متفاوتی هستند.
دقیق ترین سنسورهای SPRT ( دماسنج استاندارد مقاومت در برابر پلاتین) ، که به عنوان سنسورهای مرجع در آزمایشگاه های دما
مورد استفاده قرار می گیرند ، بسیار شکننده هستند. افراد آزمایشگاه کالیبراسیون دما می گویند اگر SPRT چیزی را لمس کند تا
بتوانید صدایی را بشنوید ، سنسور قبل از هرگونه استفاده بیشتر باید بررسی شود.

خوشبختانه اکثر سنسورهای دما صنعتی قوی بوده و از عملکرد طبیعی استفاده می کنند. برخی از سنسورهای صنعتی وجود دارند که
بسیار مقاوم هستند و پس از آن مقاومت در برابر برخورد بسیار سختی دارند.
اما اگر از ساختار سنسور مطمئن نیستید که باید کالیبره شود ، بهتر است از امنیت اطمینان حاصل کنید. مسئولیت رسیدگی به هر سنسوری
مانند SPRTهرگز اشتباه نیست.

علاوه بر شوک های مکانیکی ، تغییر بسیار سریع دما می تواند یک خطر برای سنسور باشد و به آن آسیب برساند یا بر روی دقت
تأثیر بگذارد. ترموکوپل ها معمولا به اندازه پروب های RTD حساس نیستند.

2 – مقدمات

به طور معمول آماده سازی های زیادی وجود ندارد ، اما مواردی وجود دارد که باید آنها را
مورد توجه قرار دهیم. ابتدا یک بازرسی بصری انجام می شود تا ببینیم سنسور سالم به
نظر می رسد و مطمئن شوید که خم نشده یا آسیب دیده باشد و سیم ها سالم به نظر برسند.

آلودگی خارجی می تواند یکی از خطرات احتمالی باشد ، بنابراین خوب است بدانید که سنسور
در کجا استفاده شده است و چه نوع محیطی را اندازه گیری کرده است. ممکن است لازم باشد
قبل از کالیبراسیون ، سنسور را تمیز کنید ، به خصوص اگر قصد دارید از یک وان مایع برای کالیبراسیون استفاده کنید.

مقاومت عایق حسگر RTD را می توان قبل از کالیبراسیون اندازه گیری کرد. این برای اطمینان از
آسیب دیدن سنسور نیست و عایق بین سنسور و شاسی به اندازه کافی بالاست. افت مقاومت
عایق می تواند در اندازه گیری ها خطایی ایجاد کند و نشانه آسیب سنسور است.

3 – منبع دما

همانطور که گفته شد برای کالیبراسیون یک سنسور دما باید یک منبع دما داشته باشید. فقط
شبیه سازی دما امکان پذیر نیست. برای مقاصد صنعتی ، معمولا از بلوک خشک دما استفاده
می شود. بسیار مفید و قابل حمل است و معمولا به اندازه کافی دقیق است. برای نیازهای
دقیق تر می توان از مخزن مایع استفاده کرد. به طور معمول به راحتی قابل حمل نیست اما می تواند در شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد.

برای نقطه صفر درجه ، غالبا از حمام یخ زده استفاده می شود. بسیار ساده و
مقرون به صرفه است و در مورد نقطه صفر دقت خوبی را ارائه می دهد.
برای دقیق ترین دما از سلول های دارای نقطه ثابت استفاده می شود. این موارد
بسیار دقیق هستند ، اما همچنین بسیار گران هستند. اینها بیشتر در آزمایشگاههای دقیق و معتبر کالیبراسیون دما استفاده می شوند.

4 – سنسور دمای مرجع

دما با برخی از منابع گرمای ذکر شده در قسمت قبل تولید می شود. بدیهی است که شما باید
با درجه بسیار بالایی از درجه حرارت منبع حرارت مطلع باشید. بلوک های خشک و مخزن های مایع
یک سنسور مرجع داخلی ارائه می دهند که دما را اندازه گیری می کند. اما برای نتایج دقیق تر ،
شما باید از یک سنسور دمای دقیق مرجع جداگانه استفاده کنید که در همان درجه حرارت سنسورها برای کالیبره شدن درج شده است.

به طور طبیعی سنسور مرجع باید دارای کالیبراسیون قابل ردیابی معتبر باشد. ارسال حسگر مرجع
برای کالیبراسیون آسانتر از ارسال کل منبع دما است. همچنین خوب است که گرادیان دمای بلوک

دما را در نظر داشته باشید اگر فقط سنسور مرجع را کالیبره کرده اید و بلوک را کالیبره نکرده اید.

سنسور و سنسور مرجع برای کالیبره شدن باید در همان عمق در منبع دما غوطه ور شوند. به طور
معمول ، همه سنسورها در قسمت پایین بلوک خشک فرو می شوند. با وجود سنسورهای بسیار کوتاه
مشکل تر می شود زیرا تنها یک عمق محدود در منبع دما غوطه ور می شوند. شما باید مطمئن
شوید که سنسور مرجع شما به همان اندازه عمیق غوطه ور است. در بعضی موارد ، این مورد نیاز به یک سنسور مرجع کوتاه اختصاصی برای استفاده دارد.

با استفاده از سلول های ثابت ، دیگر نیازی به سنسور مرجع ندارید. زیرا درجه حرارت مبتنی بر
پدیده های فیزیکی است و از نظر ماهیت بسیار دقیق است.

5 – اندازه گیری سیگنال خروجی سنسور دما

بیشتر سنسورهای دما دارای خروجی الکتریکی (مقاومت یا ولتاژ) هستند که باید اندازه گیری شوند و به دما تبدیل شوند.
بنابراین ، شما نیاز به وسیله ای دارید که برای اندازه گیری استفاده شود. همچنین برخی منابع دما هم کانالهای
اندازه گیری را برای سنسورها ارائه می دهند. هم دستگاه مورد آزمایش ( DUT ) و هم مرجع.

اگر میزان الکتریسیته را اندازه گیری کنید ، باید با استفاده از استانداردهای بین المللی آن را
به دما تبدیل کنید. در بیشتر موارد صنعتی از یک دستگاه اندازه گیری استفاده می کنید که
می تواند تبدیل را برای شما انجام دهد. بنابراین می توانید سیگنال را به راحتی در واحد دما
( Centigrade یا Fahrenheit ) مشاهده کنید. به معنای استفاده از اندازه گیری ، اطمینان حاصل
کنید که صحت و عدم اطمینان دستگاه را می دانید،و از کالیبراسیون قابل ردیابی معتبر اطمینان دارید.

6 – عمق غوطه وری

عمق غوطه وری (چقدر حسگر را در منبع دما وارد می کنید) هنگام کالیبره کردن سنسورهای دما
یک نکته مهم است. افراد آزمایشگاه کالیبراسیون درجه حرارت ما هنگام استفاده از یک مخزن مایع همزن،

این قانون را به وجود آوردند:

دقت 1 – ٪ 5 قطر + طول عنصر سنجش را غوطه ور کنید.
دقت 0.01 – ٪ 10 قطر + طول عنصر سنجش را غوطه ور کنید.
دقت 0.0001 – ٪ 15 قطر + طول عنصر سنجش را غوطه ور کنید.

هدایت حرارت در مخزن مایع هم زده بهتر از بلوک خشک و عمق غوطه وری لازم است.
برای بلوک های خشک ، یک توصیه وجود دارد که شما باید 15 برابر قطر سنسور اضافه شده
با طول عنصر سنسور را غوطه ور کنید. بنابراین اگر یک سنسور قطر 6 میلی متر دارید

که یک عنصر 40 میلی متری قرار دارد : آن را 130 میلی متر ( 15*6+40)  غوطه ور کنید.

بعضی اوقات دشوار است بدانید که عنصر واقعی در داخل سنسور چقدر است ،
اما باید در مشخصات سنسور ذکر شود. همچنین ، باید از مکانی که در آن عنصر سنسور قرار دارد آگاه باشید.

(همیشه در نوک سنسور قرار ندارد).

حسگر کالیبره شده و سنسور مرجع باید در همان عمق غوطه ور شود تا نقاط میانی عناصر
حسگر واقعی در همان عمق قرار گیرند. به طور طبیعی با سنسورهای بسیار کوتاه ، امکان غوطه وری
در آنها بسیار عمیق نیست. این یکی از دلایل عدم اطمینان زیاد هنگام کالیبراسیون سنسورهای کوتاه است.

7 – ثبات

به یاد داشته باشید که یک سنسور دما همیشه دمای خود را اندازه می گیرد.
دما بسیار آهسته تغییر می کند و شما همیشه باید به اندازه کافی صبر کنید تا تمام قسمت ها
تا دمای هدف تثبیت شوند. هنگامیکه سنسور را در یک دما وارد می کنید ، همیشه مقداری زمان
طول خواهد کشید تا دمای سنسور به آن درجه رسیده و تثبیت شود.

سنسور مرجع شما و سنسور کالیبره شده ( DUT ) ممکن است خصوصیات ترمودینامیکی
بسیار متفاوتی داشته باشند ، به خصوص اگر از نظر مکانیکی متفاوت باشند.

اغلب یکی از بزرگترین عدم قطعیت ها مربوط به کالیبراسیون دما می تواند این باشد که کالیبراسیون
خیلی سریع انجام میشود. اگر بیشتر اوقات سنسورهای مشابه را کالیبره می کنید ، عاقلانه است
که برخی از تست ها را برای یادگیری رفتار آن سنسورها انجام دهید.

8 – دسته سنسور دما

قسمت دسته سنسور یا اتصالات انتقال معمولا محدودیتی دارد که چقدر گرم است. اگر بیش از حد گرم
گرم شود، ممکن است سنسور آسیب دیده باشد. حتما مشخصات سنسورهای کالیبراسیون را می دانید.
اگر کالیبره در دمای بالا انجام میشود توصیه میشود از محافظ دما برای محافظت از سنسور محافظت کنید.

9 – محدوده دمای کالیبره شده

در رابطه با سنسورهای دما ، بسیار معمول است که شما طیف وسیعی از دمای سنسور را کالیبره نکنید.
کران بالای دامنه چیزی است که در کالیبراسیون باید مراقب آن باشید. به عنوان مثال ، اگر کالیبراسیون
آن را در دمای خیلی زیاد انجام دهید، یک سنسور RTD می تواند به طور دائم در بیفتد.
همچنین ، سردترین نقاط محدوده دمای سنسور برای کالیبراسیون دشوار و گران است.
بنابراین کالیبره کردن دمایی که قرار است سنسور در آن استفاده شود ، کالیبره می شود.

10 – نقاط کالیبراسیون

در کالیبراسیون صنعتی ، شما باید نقاط کالیبراسیون کافی را انتخاب کنید تا ببینید سنسور خطی است.
غالبا برای کالیبراسیون سه تا پنج نقطه در کل محدوده کافی است. بسته به نوع سنسور ، اگر بدانید
ممکن است این سنسور خطی نباشد، ممکن است تقریب نزدیک تری داشته باشید.

اگر سنسورهای پلاتین را کالیبره کنید و قصد دارید ضرایب را بر اساس نتایج کالیبراسیون محاسبه کنید
باید در نقاط درجه حرارت مناسب کالیبره شوید تا بتوانید ضرایب را محاسبه کنید.

مهمترین ضرایب برای سنسورهای پلاتین ضرایب ITS-90 و Callendar van Dusen هستند. برای ترمیستورها
میتوان از ضرایب استاینهارت استفاده کرد. هنگامی که سنسورها در یک آزمایشگاه معتبر کالیبره می شوند،

ممکن است نقاط بر اساس کمترین عدم اطمینان آزمایشگاه انتخاب شوند.

11 – تنظیم / پیرایش سنسور دما

متأسفانه ، اکثر سنسورهای دما قابل تنظیم کردن نیستند. بنابراین ، اگر در کالیبراسیون خطایی مشاهده کردید،
نمیتوانید آن را تنظیم کنید. درعوض برای اصلاح خواندن سنسور باید از ضرایب استفاده کنید. در برخی موارد
میتوانید خطای حسگر را در سایر قسمت های حلقه اندازه گیری دما (در فرستنده یا در DCS) جبران کنید.

موارد دیگری که باید در نظر بگیرید

مستندات

مانند هر کالیبراسیون ، کالیبراسیون سنسور دما باید در یک برگه ی آزمایش کالیبراسیون ثبت شود.

قابلیت ردیابی

در کالیبراسیون ، استاندارد مرجع استفاده شده ، باید قابلیت ردیابی معتبر با استانداردهای ملی داشته باشد و
یا معادل آن باشد. قابلیت ردیابی باید زنجیره ای ناگسستنی از کالیبراسیون ها باشد که هرکدام دارای عدم قطعیت هستند.

عدم قطعیت

همیشه در کالیبراسیون ، همچنین در کالیبراسیون سنسور دما ، باید از عدم قطعیت کل فرآیند کالیبراسیون آگاه باشید. در
کالیبراسیون دما ، روند کالیبراسیون (روشی که کالیبراسیون را انجام می دهید) به راحتی می تواند بزرگترین
مولفه عدم قطعیت در عدم قطعیت کل باشد.

انتشار توسط سایت : https://www.intellico.ir