لماذا تعتبر العاملات الحرارية الخيار المفضل لقياس درجة الحرارة بدقة عالية؟

السؤال كما يُطرح عادةً يحتوي على افتراض لا يصمد أمام مقارنة أوراق البيانات. المزدوجة الحرارية ليست أكثر مستشعرات درجة الحرارة دقة المتاحة، ولا تُباع على هذا النحو. يصل مقياس حرارة مقاومة البلاتين إلى تفاوت يبلغ حوالي ±0.15 درجة مئوية بالقرب من درجة حرارة الغرفة، ويقوم الثرمستور بأداء أفضل في نطاق ضيق. تبدأ المزدوجة الحرارية من النوع K بـ ±1.5 درجة مئوية بموجب معيار التفاوت الدولي، قبل أي انحراف في الخدمة.

ما تفعله المزدوجة الحرارية بشكل أفضل من أي منهما هو تغطية نطاق لا يمكن لأي مستشعر مقاومة واحد الوصول إليه، وتحمل بيئة معادية، والملاءمة في مساحة بضعة ملليمترات، والاستجابة في أجزاء من الثانية. هذا المزيج هو سبب هيمنتها على القياس الصناعي، وهو ادعاء مختلف عن الدقة. يجب على المشتري الذي يحتاج إلى ±0.1 درجة مئوية عند 40 درجة مئوية ألا يشتري مزدوجة حرارية، والمشتري الذي يحتاج إلى قراءة عند 1300 درجة مئوية داخل فرن ليس لديه خيار آخر.

تضع هذه الصفحة المقارنة بصدق، ثم توضح من أين تأتي دقة المزدوجة الحرارية فعليًا: فئة التفاوت للسلك، وآليتي الانحراف اللتين تؤثران عليها في الخدمة، والوصلة الباردة، ونقاط المعايرة. هذه العناصر الأربعة تحدد النتيجة، ولا شيء منها هو جسم المستشعر.

المقارنة أدناه هي التي يجب أن تبدأ بها المواصفات. الأرقام نموذجية لكل عائلة وتتحرك مع المنتج المحدد، لذا تُستخدم لوضع العائلات وليس لاختيار جزء.

اقرأ الصف الأول مقابل الصف الثاني. العائلة ذات النطاق الأوسع لديها التفاوت الأقل، والعائلة ذات التفاوت الأضيق لديها النطاق الأضيق. هذا ليس عيبًا في أي من المنتجين. إنه سبب وجود كليهما، والمواصفات التي تطلب أوسع نطاق وأضيق تفاوت في نفس الوقت تطلب تركيبة لا يقدمها أي مستشعر.

يحدد IEC 60584-1 تفاوت خرج المزدوجة الحرارية حسب النوع والفئة، ويُعبر عن التفاوت إما كرقم ثابت بالدرجات أو كجزء من درجة الحرارة المقاسة. الجدول يعطي حدود الفئة 1 والفئة 2 لأنواع المعادن الأساسية والمعادن الثمينة الشائعة، لأقطار الأسلاك بين حوالي 0.1 مم و 3 مم.

يحمل صفان في هذا الجدول معلومات أكثر من الباقي. النوع T هو أضيق أنواع المعادن الأساسية عند درجة حرارة منخفضة، عند ±0.5 درجة مئوية أقل من 125 درجة مئوية، وهذا هو سبب ظهوره في العمليات المبردة والطبية. النوعان S و R هما نوعا المعادن الثمينة، وتفاوتها مستقل تقريبًا عن درجة الحرارة أقل من 1100 درجة مئوية عند ±1.0 درجة مئوية، وهذا يبدو أسوأ من النوع K حتى يتم قراءة النطاق: يُسمح للنوع K عند 1000 درجة مئوية بـ ±4 درجة مئوية، ولا يزال يُسمح للنوع المعدني الثمين بـ ±1 درجة مئوية.

يذكر المعيار أيضًا ما لا يغطيه التفاوت. تنطبق الحدود على الأسلاك كما تم توريدها، ولا تسمح بانحراف المعايرة أثناء الاستخدام. هذه الجملة هي سبب وجود القسم التالي.

المزدوجة الحرارية لا تبقى عند قيمة شهادتها. تتغير العناصر الحرارية في الخدمة، ويظهر التغيير كتحول في الجهد الذي تنتجه الزوجة عند درجة حرارة معينة. في النوع K، يعمل التغييران في اتجاهين متعاكسين، وهذا هو سبب عدم إمكانية إصلاحها بعامل تصحيح واحد.

الآلية الأولى هي تغيير في الترتيب الذري للعنصر الحراري الإيجابي، وهو سبيكة النيكل والكروم. بين حوالي 200 درجة مئوية و 600 درجة مئوية، تطور السبيكة ترتيبًا قصير المدى، مما يعني أن الذرات تتخذ ترتيبًا مفضلاً محليًا دون تكوين طور جديد. هذا الترتيب يزيد من معامل سيبيك للسبيكة، لذا تقرأ المزدوجة الحرارية بشكل مرتفع. التأثير يعتمد على الوقت، وينمو نحو الحد الأقصى عند درجة حرارة معينة، ويحدث الحد الأقصى للتغيير بالقرب من 400 درجة مئوية. فوق 600 درجة مئوية، يكون العنصر الحراري الإيجابي غير مرتب تمامًا، وينعكس التأثير.

الآلية الثانية هي الأكسدة. في سبيكة النيكل والكروم، يتأكسد الكروم بشكل تفضيلي، ومحتوى الكروم في السبيكة ليس عاليًا بما يكفي لتكوين طبقة أكسيد كروم خارجية مستمرة. النتيجة هي أكسيد نيكل خارجي فوق طبقة أكسيد غنية بالكروم، ويتم أخذ الكروم الذي يشكل هذه الطبقة من المعدن تحته. تُترك السبيكة مستنفدة من الكروم، وانخفاض محتوى الكروم يعني انخفاض معامل سيبيك، لذا تقرأ المزدوجة الحرارية بشكل منخفض.

النتيجة العملية هي أن المزدوجة الحرارية من النوع K التي شهدت كلا النطاقين تحمل خطأ صافيًا يعتمد توقيعه على تاريخ التركيب، والطريقة الوحيدة لمعرفته هي قياسه. فحص المعايرة بعد الخدمة هو الأداة التي تكشف المجموع، والمسبار الذي تم إعادته إلى مختبر المعايرة بعد حملة هو الطريقة الموثوقة الوحيدة لمعرفة مدى تحركه.

تقيس المزدوجة الحرارية فرقًا، وليس درجة حرارة مطلقة. الجهد الذي تنتجه هو الفرق بين تأثير سيبيك عند الوصلة الساخنة وتأثير سيبيك عند الأطراف، لذا يجب أن يعرف الجهاز درجة حرارة الأطراف للإبلاغ عن نتيجة. هذه هي الوصلة الباردة، والخطأ فيها يمر مباشرة إلى القراءة دون تخفيف.

هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام، وتختلف في افتراضاتها. مرجع ثابت يحافظ على الأطراف عند درجة حرارة معروفة، تاريخيًا حمام ثلج والآن كتلة منظمة حراريًا. طرف معوض يقيس درجة حرارة الطرف بمستشعر منفصل ويضيف الجهد المقابل إلكترونيًا. كتلة متساوية الحرارة تفترض أن جميع الأطراف عند نفس درجة الحرارة وتقيس درجة الحرارة هذه مرة واحدة.

الخطأ الأسهل في إزالته هو الخطأ الأكثر شيوعًا الذي يُترك في مكانه. المزدوجة الحرارية المثبتة بكابل نحاسي عادي بين رأس المسبار والجهاز خلقت وصلتين جديدتين عند الانتقال، وهذه الوصلات عند درجة حرارة الغرفة للخزانة. تعتمد القراءة بعد ذلك على درجة حرارة الخزانة بالإضافة إلى العملية، والاعتماد غير مرئي ما لم يتم تسخين الخزانة أو تبريدها.

كابل التعويض موجود لهذا السبب. إنه مصنوع من سبائك تتطابق مع السلوك الكهروحراري للمزدوجة الحرارية عبر نطاق درجة حرارة محدود، لذا فإن الانتقال من المسبار إلى الجهاز لا يخلق خطأ. الكابل له قطبية، وله نطاق درجة حرارة حيث يكون التطابق صحيحًا، ويجب توصيله بالطريقة الصحيحة. كابل تعويض معكوس ينتج خطأ يساوي ضعف درجة حرارة الوصلة، وهو كبير ويبدو كخطأ في الجهاز.

فئة التفاوت هي حد تصنيع وليست بيانًا حول مسبار معين. الطريقة لمعرفة ما تقرأه المسبار هي معايرته، واختيار طريقة المعايرة يحدد مقدار النطاق الذي يتم تغطيته.

معايرة المقارنة تضع المسبار ومقياس حرارة مرجعي في نفس الحمام أو الفرن وتسجل الفرق عند مجموعة من النقاط. إنها سريعة، وتغطي النطاق الذي يمكن للحمام الوصول إليه، وعدم يقينها محدود بالمرجع وتوحيد الحمام. معايرة النقطة الثابتة تحتفظ بالمسبار عند انتقال طور ديناميكي حراري، مثل نقطة تجمد معدن، حيث يتم تعريف درجة الحرارة بالفيزياء وليس بمقياس حرارة مرجعي. إنها أبطأ وأكثر تكلفة، وتعطي عدم يقين أقل عند النقاط التي تستخدمها.

لا تزيل أي من الطريقتين الانحراف الذي يحدث بعد المعايرة. المسبار الذي تم معايرته قبل التركيب واستخدم لمدة عام عند 400 درجة مئوية لديه شهادة تصف حالة لم يعد يمتلكها. الممارسة التي تلتقط هذا هي فحص دوري عند نقطة أو نقطتين، مع مقارنة النتيجة بالشهادة الأصلية، وتحديد الفترة بناءً على مدى سرعة تحرك القراءات وليس بناءً على تقويم.

تكون حالة المزدوجة الحرارية أقوى حيث لا يمكن للبدائل الذهاب. يحدد الجدول الظروف والسبب الذي يشير به كل منها إلى هذه العائلة.

تحدد أربع خصائص للسلك أداء المزدوجة الحرارية النهائية، ويتم تحديدها جميعًا قبل تجميع المسبار.

يحدد التركيب معامل سيبيك، وفئة التفاوت هي بيان حول مدى إحكام التحكم في التركيب والمعالجة. انحراف في محتوى الكروم بنسبة جزء من المائة يحرك خرج زوج من النوع K بمقدار له أهمية عند حد التفاوت، وهذا هو سبب كون مواصفات السبائك لأسلاك المزدوجات الحرارية أضيق من مواصفات نفس السبائك المستخدمة كمادة مقاومة أو هيكلية.

التجانس يحدد مدى اعتماد القراءة على مكان سقوط تدرج درجة الحرارة. السلك الذي تم تشغيله بشكل غير متساوٍ، أو الذي يحتوي على تدرج في التركيب على طوله، ينتج جهدًا مختلفًا اعتمادًا على أي جزء منه يقع في المنطقة الساخنة. هذا هو سبب عدم قطع المزدوجة الحرارية من ملف وتركيبها دون معرفة تاريخها، وسبب أن المسبار المستخدم الذي تم تقصيره قد يقرأ بشكل مختلف عن الذي استبدله.

تحدد حالة السطح سرعة تقدم آلية الأكسدة. السلك ذو السطح النظيف والمتجانس يتأكسد بطريقة يمكن التنبؤ بها، والسلك ذو علامات السحب أو بقايا التشحيم يتأكسد محليًا ويستنزف الكروم بشكل غير متساوٍ على طوله.

يحدد القطر العمر. يستغرق السلك الأسمك وقتًا أطول لفقدان الكروم الذي تستهلكه طبقة الأكسيد، لذا فإن مسبار قياس ثقيل يدوم لفترة أطول في نفس الفرن، مقابل استجابة أبطأ. هذا هو المقايضة التي يقوم بها المشتري عند الاختيار بين سلك رفيع للاستجابة وسلك ثقيل للعمر.

يتم طلب أسلاك المزدوجات الحرارية حسب النوع، والفئة، والقطر، والعزل، والمعيار الذي يحكم الخرج منفصل عن المعيار الذي يحكم السبائك.

توفر DLX سبائك المزدوجات الحرارية في تشانغتشو، جيانغسو، في أسلاك من 0.025 مم، وقضبان مستديرة حتى 50 مم، وشرائط من 0.50 مم إلى 2.5 مم في السماكة. يغطي النطاق سبائك النيكل والكروم والنيكل والسيليكون للنوع K والنوع N، وسبائك النحاس والنيكل للنوع T والنوع J، وسبائك البلاتين والروديوم للنوع S والنوع R، جنبًا إلى جنب مع سبائك كابلات التعويض المطابقة.

يتم توريد الأسلاك مقابل مواصفات السبائك وفئة التفاوت المسماة في الطلب، مع شهادة EN 10204 3.1 عند الطلب ورقم الدفعة قابل للتتبع إلى نتائج الاختبار. السؤال المفيد ليس أي نوع هو الأكثر دقة بشكل عام، بل أي نوع يحافظ على تفاوتاته عبر نطاق وبيئة التركيب.

لا، وأوراق البيانات تقول ذلك. يصل مقياس حرارة مقاومة البلاتين من الفئة A إلى حوالي ±0.15 درجة مئوية بالقرب من درجة حرارة الغرفة، بينما يُسمح للمزدوجة الحرارية من النوع K من الفئة 1 بـ ±1.5 درجة مئوية أقل من 375 درجة مئوية. تفوز المزدوجة الحرارية في النطاق، والحجم، وسرعة الاستجابة، والقدرة على تحمل بيئة معادية. يفوز مقياس حرارة المقاومة في الدقة والاستقرار حيث يمكن استخدامه.

إنها تفاوت تصنيع من IEC 60584-1: ±1.5 درجة مئوية بين -40 و 375 درجة مئوية، و ±0.004 ضعف درجة الحرارة المقاسة بين 375 و 1000 درجة مئوية، وهو ما يعادل ±4 درجة مئوية عند 1000 درجة مئوية. ينص المعيار على أن الحدود تنطبق على الأسلاك كما تم توريدها ولا تسمح بانحراف المعايرة أثناء الاستخدام، لذا قد لا يكون المسبار من الفئة 1 الذي قضى عامًا في درجة الحرارة ضمن الفئة 1.

لأن آليتين تعملان على نطاقات درجة حرارة مختلفة وتدفعان القراءة في اتجاهين متعاكسين. بين حوالي 200 و 600 درجة مئوية، تطور الساق الإيجابي ترتيبًا قصير المدى، مما يزيد من معامل سيبيك الخاص به ويجعل الزوج يقرأ مرتفعًا، مع أقصى تأثير بالقرب من 400 درجة مئوية. فوق حوالي 900 درجة مئوية في الهواء، يتأكسد الكروم ويستنزف المعدن تحته من الكروم، مما يقلل من معامل سيبيك ويجعل الزوج يقرأ منخفضًا. يعتمد الخطأ الصافي على تاريخ التركيب.

يمكن توصيلها، ويخلق الاتصال وصلتين جديدتين عند درجة حرارة الغرفة للخزانة. تعتمد القراءة بعد ذلك على درجة حرارة الغرفة بالإضافة إلى العملية، والاعتماد غير مرئي حتى يتم تسخين الخزانة. يتجنب كابل التعويض المصنوع من سبائك تتطابق مع المزدوجة الحرارية عبر نطاق محدود الخطأ، بشرط أن يكون من النوع الصحيح وموصلًا بالقطبية الصحيحة.

يجب أن تتبع الفترة الانحراف الذي يتم ملاحظته فعليًا، وليس تقويمًا ثابتًا. المسبار في فرن نظيف عند درجة حرارة ثابتة ينحرف أقل من المسبار الذي يمر عبر نطاق الترتيب أو يعمل في الهواء فوق 900 درجة مئوية. فحص دوري عند نقطة أو نقطتين، مقارنة بالشهادة الأصلية، يعطي معدل الانحراف، والمعدل يحدد الفترة.

عندما تكون درجة الحرارة فوق النطاق العملي لأنواع المعادن الأساسية، أو عندما يجب أن يظل التفاوت عند درجة حرارة عالية. يُسمح للنوع K بـ ±4 درجة مئوية عند 1000 درجة مئوية في الفئة 1، بينما يُسمح للنوع S أو R بـ ±1.0 درجة مئوية حتى 1100 درجة مئوية. أنواع المعادن الثمينة تكلف أكثر، وهي أكثر حساسية للتلوث، وهي الحل عندما تكون الدقة عند درجة الحرارة أكثر أهمية من سعر السلك.

المزدوجة الحرارية هي الخيار المفضل لقياس درجة الحرارة الصناعية لأنها تغطي نطاقًا لا يصل إليه مستشعر مقاومة، وتتحمل بيئات تدمر واحدًا، وتستجيب في أجزاء من الثانية. إنها ليست المستشعر الأكثر دقة، والمواصفات التي تعاملها على هذا النحو تبدأ من فرضية خاطئة.

الدقة المتاحة تأتي من أربعة عناصر: فئة التفاوت للسلك، والانحراف الذي ينتجه التركيب، والوصلة الباردة، والمعايرة. الانحراف له آليتان في النوع K تعملان في اتجاهين متعاكسين، وهذا هو سبب عدم إمكانية استبدال عامل التصحيح بفحص معايرة. يمر خطأ الوصلة الباردة إلى القراءة دون تخفيف، وهذا هو سبب أهمية كابل التعويض وكتلة الأطراف الموحدة بقدر أهمية المسبار.

IEC 60584-1، المزدوجات الحرارية، دوال مرجعية وتفاوتات. مصدر لتفاوتات الفئة 1 والفئة 2 حسب النوع ونطاق درجة الحرارة، بما في ذلك حدود ±1.5 درجة مئوية و ±0.004 ضعف t للنوع K، وحدود ±0.5 درجة مئوية و ±0.004 ضعف t للنوع T، وحدود ±1.0 درجة مئوية و ±(1 + 0.003 × (t - 1100)) للنوعين S و R.

IEC 60584-2، المزدوجات الحرارية، تفاوتات، كوثيقة مصاحبة للدوال المرجعية.

بيانات فنية منشورة عن أسلاك المزدوجات الحرارية من النوع K، توضح تغير الجهد الكهروحراري المتولد التقريبي البالغ 42 ميكروفولت لكل كلفن عند 100 درجة مئوية و 39 عند 1000 درجة مئوية، والنطاق المستمر من 0 إلى 1100 درجة مئوية، والنطاق قصير المدى من -180 إلى 1350 درجة مئوية، والبيان بأن التفاوتات القياسية لا تسمح بانحراف المعايرة أثناء الاستخدام.

بحث منشور من جامعة كامبريدج حول الانحراف في المزدوجات الحرارية من النوع K ذات الأسلاك العارية. مصدر لتحويل الترتيب قصير المدى في العنصر الحراري الإيجابي بين 200 و 600 درجة مئوية، وزيادة معامل سيبيك الذي ينتجه، وأقصى تأثير بالقرب من 400 درجة مئوية، والحالة غير المرتبة فوق 600 درجة مئوية، وآلية استنزاف الكروم الناجمة عن الأكسدة التفضيلية فوق 900 درجة مئوية والتي تقلل من معامل سيبيك.

IEC 60751، مقاييس حرارة مقاومة البلاتين الصناعية ومستشعرات درجة حرارة البلاتين، كمصدر لتفاوت الفئة A البالغ حوالي ±0.15 درجة مئوية بالقرب من درجة حرارة الغرفة المستخدمة في المقارنة.

ASTM E230، مواصفات قياسية وجداول جهد كهربائي ودرجة حرارة للمزدوجات الحرارية القياسية، كالنظير لأمريكا الشمالية لدوال IEC المرجعية.

ASTM E220، طريقة اختبار قياسية لمعايرة المزدوجات الحرارية بتقنيات المقارنة.

EN 10204، وثائق الفحص، لتعريف شهادة 3.1 كوصفة تحمل نتائج اختبار فعلية وتصادق عليها ممثل فحص مستقل من الشركة المصنعة.

التفاوتات ودرجات الحرارة المذكورة أعلاه هي قيم قياسية للأنواع والفئات المسماة، وتنطبق على الأسلاك كما تم توريدها وليس على مسبار في الخدمة. التفاوت هو حد تصنيع وليس عدم يقين قياس، وعدم يقين القراءة المعينة يشمل الوصلة الباردة، وسلك التمديد، والجهاز، والانحراف الذي أنتجه التركيب. آليات الانحراف الموصوفة للنوع K تعمل بمرور الوقت ويعتمد حجمها على درجة الحرارة، والجو، والتعرض، لذا يجب فحص المسبار وعدم افتراضه. أرقام الدقة لمقاييس حرارة المقاومة والثرمستورات هي قيم نموذجية للفئات المسماة وتختلف مع المنتج المحدد. يتم مراجعة مواصفات المنتج، ويحكم الإصدار المسمى في أمر الشراء. لا شيء في هذه الصفحة هو بديل للإصدار الهندسي أو لاختبار التأهيل المتفق عليه بين المشتري والمورد.