اگر به نحوه کنترل و اندازه‌گیری دمای کوره‌ها و فلزات مذاب فکر کنید، احتمالاً از خود می‌پرسید، با چه تجهیزی و چگونه می‌توان دمای آن‌ها را اندازه‌گیری کرد؟ یا چگونه می‌توان دمای اجسام در فرآیند‌های در حال حرکت را به طور صحیح تخمین زد؟
امروزه با پیشرفت تکنولوژی ِطراحی و ساخت سنسورها، به‌راحتی می‌توان دمای کوره‌های القایی و فلزات مذاب در حال حرکت را اندازه‌گیری کرد. سنسور پیرومتر یکی از این سنسورها است. در این مقاله، ضمن معرفی سنسور پیرومتر، ساختمان و عملکرد این تجهیز را به‌طور کامل توضیح داده‌ایم.
برای یادگیری بیشتر در مورد انواع سنسور و نحوه کار آن‌ها پیشنهاد می‌کنیم به صفحه زیر از سایت ماهر مراجعه کنید.
سنسور پیرومتر چیست؟
پیرومتر (Pyrometer) تجهیزی برای اندازه‌گیری دمای سطحِ اجسام است. این واژه از دو بخش پیرو (Pyro) به معنای آتش و متر (Meter) به معنای اندازه‌گیری تشکیل شده‌است.
سنسور‌های پیرومتر می‌توانند از یک فاصله معین، دمای اجسام را به کمک انرژی پرتوهای حرارتی ساطع شده از سطحِ آن‌ها اندازه‌گیری کنند. در واقع این سنسورها برای اندازه‌گیری دما از روش آنالیز تشعشعات (طیف رادیومتری) استفاده می‌کنند.
لزوم استفاده از پیرومتر
اندازه‌گیری دما در فرآیند‌های صنعتی یک ضرورت به حساب می‌آید. برای مثال، کنترل دمای کوره‌های القایی حساسیت زیادی دارد، زیرا عدم کنترل آن، منجر به بروز خسارت‌های جبران ناپذیری می‌شود. دمای کوره، معمولاً بیش از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است. در این حالت، اندازه‌گیری دما از روش تماسِ مستقیمِ سنسور، امکان‌پذیر نیست. زیرا قرار دادن سنسور در این دما منجر به تخریب یا حتی ذوب شدن سنسور می‌شود.
علاوه بر این، در مواردی مانند فرآیند نورد فولاد و ریخته‌گری به دلیل متحرک بودن فرآیند، امکان تماس مستقیم سنسور وجود ندارد. در صنایع شیمیایی نیز به دلیل خاصیت مخرب و زیان‌آور برخی مواد ِشیمیایی، تماس مستقیم سنسور امکان‌پذیر نیست. در این شرایط باید از سنسور پیرومتر استفاده کنیم تا امکان اندازه‌گیری دما بدون تماس مستقیم فراهم شود.
کاربرد سنسور پیرومتر
مهم‌ترین کاربرد‌های سنسور پیرومتر عبارت‌اند از:
- اندازه‌گیری دمای اجسام با سطحِ ظریف و باریک مانند برگه‌های کاغذ و ورق‌های پلاستیکی.
- اندازه‌گیری دمای اجسامی که متحرک هستند و ممکن است سریع حرکت کنند.
- اندازه‌گیری دمای اجسام، از راه دور.
- اندازه‌گیری و کنترل دمای اجسام بسیار داغ، مانند کنترل دمای فرایند جوشکاری.
- اندازه‌گیری و کنترل دمای بخار در بویلر‌ها (Boilers)
- کنترل عملکرد بالن‌ها به کمک اندازه‌گیری گرما در قسمت‌های بالایی بالن.
- اندازه‌گیری دمای آتشفشان‌های فعال به منظور پیش‌بینی و کنترل حادثه.
- کنترل و اندازه‌گیری دمای اجسام در صنایع ذوب و متالورژی (Metallurgy).
انواع سنسور‌های پیرومتر
سنسور‌های پیرومتر بر اساس مکانیزمِ عملکرد به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:
پیرومتر نوری
پیرومتر نوری (Optical Pyrometer) رایج‌ترین نوع پیرومتر است که با نام فیلامان نامرئی (Disappearing Filament) نیز شناخته می‌شود. این تجهیز بر اساس تابش حرارتیِ اجسام در طیف مرئی (بخشی از طیف الکترومغناطیسی که با چشم انسان قابل تشخیص و دیدن است)، دمای آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. معمولاً برای اندازه‌گیری اجسام بسیار داغ از پیرومتر نوری استفاده می‌شود.
در این پیرومتر یک لامپ فیلامان قرار دارد که درخشندگی آن توسط اپراتور قابل تنظیم است. اشعه فیلامان به سطح جسم می‌تابد و با چشم غیر مسلح دیده می‌شود. پس از مدتی، درخشندگی آن با تابش حرارتی جسم یکی می‌شود و دیگر قابل رویت نیست. در این‌حالت، جریانِ برق گذرنده از فیلامان به دما تبدیل شده و روی نمایشگرِ پیرومتر، نمایش داده می‌شود.
ماکزیمم دمای قابل اندازه‌گیری با این پیرومتر‌ها حدود ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است. البته این تجهیز می‌تواند دماهای پایین‌تر مانند ۲۰- را هم اندازه‌گیری کند. دقت عملکرد پیرومتر نوری، ۱٪ یا ۲٪ از کل رنج اندازه‌گیری آن است. در شکل ۴ نحوه عملکرد این تجهیز را می‌بینید.
پیرومتر تشعشعی
عملکرد پیرومتر‌های تشعشعی (Radiation Pyrometer) بر مبنای انرژی ساطع شده از اجسام است. این انرژی در محدوده امواج مرئی (۰/۷۸-۰/۴ میکرومتر) و امواج فروسرخ (۲۰ – ۰/۷۸ میکرومتر) قرار می‌گیرد.
ساختمان این پیرومتر مشابه پیرومتر نوری است، با این تفاوت که به جای چشمی و لامپ فیلامان، از یک آشکارسازِ انرژی در این تجهیز استفاده شده‌است. به کمک لنز و آینه محدب، تمامی امواج ساطع شده از جسم در یک نقطه متمرکز شده و سپس در آشکارسازِ انرژی اندازه‌گیری می‌شود. با استفاده از تخمین انرژی دریافت‌شده، دمای جسم محاسبه و روی نمایشگرِ پیرومتر نشان داده می‌شود.
این پیرومتر می‌تواند دماهایی در محدوده ۱۰۰- تا ۳۶۰۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه گیری کند. در شکل ۶ نحوه عملکرد این تجهیز را می‌بینید.
پیرومتر مادون‌قرمز
پیرومتر مادون قرمز (Infarared pyrometer) نوعی پیرومتر تشعشعی است که با استفاده از تابش‌های سطح یک جسم دمای آن را اندازه‌گیری می‌کند. این سنسور می‌تواند تابش گرما را در ناحیه مادون قرمز، کنترل کند.
در پیرومتر مادون قرمز، گرمای ساطع شده از سطح جسم به یک ترموکوپل منتقل می‌شود. این ترموکوپل (Thermocouple) می‌تواند با گرم شدن، جریان الکتریکی تولید کند. هرچه گرمای ساطع شده از سطح بیشتر باشد، ترموکوپل جریان بیشتری تولید می‌کند. سپس با استفاده از جریان تولید شده توسط ترموکوپل، دمای جسم تخمین زده می‌شود.
این پیرومتر می‌تواند دماهایی در محدوده ۳۲- تا ۵۳۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری کند. در شکل ۸ نحوه عملکرد این تجهیز را می‌بینید.
مزایای استفاده از سنسور پیرومتر
مهم‌ترین مزایای استفاده از سنسور پیرومتر عبارت‌اند از:
- سرعت اندازه‌گیری بالا
- رنج اندازه‌گیری بالا (مثلاً ۱۰۰- تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد)
- عدم استهلاک و خرابی سنسور
- قابلیت اندازه‌گیری دماهای بسیار بالا برخلاف ترموکوپل (در دماهای بسیار بالا، ترموکوپل ذوب خواهد شد)
- عدم تاثیرگذاری روی دمای جسم (در اثر تماس با جسم)
- امکان اندازه‌گیری دمای اجسام متحرک
- امکان اندازه‌گیری دما در ولتاژهای بالا و محیط‌هایی با شرایط خطرناک و نامطلوب
- عملکرد مستقل از محیط‌هایی با درصد آلودگی بالا
- دقت اندازه‌گیری بالا (۲٪-۱٪ در کل دامنه اندازه‌گیری)
- قیمت مناسب
معایب استفاده از سنسور پیرومتر
مهم‌ترین معایب استفاده از سنسور پیرومتر عبارت‌اند از:
- غیر خطی بودن مقیاس پیرومتر
نمودار شکل ۱۲، غیر خطی بودن این سنسور را به‌خوبی نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، انرژی ساطع شده از سطح اجسام داغ در طول‌موج‌های مختلف، ساختاری غیر خطی دارد و این ساختار نسبت به پارامتر دما متغیر است.
- وجود خطاهای احتمالی ناشی از جذبِ تشعشعات توسط بخار و گاز‌های موجود در جو
- تاثیر مخرب توان گسیلش (Emissivity) جسم داغ بر اندازه‌گیری دما
- وجود خطای اندازه‌گیری در اثر کثیف بودن لنز پیرومتر
بیشتر بدانیم:
توان گسیلش (Emissivity): قدرت ارسال انرژی یک سطح در مقایسه با سطحی که به رنگ سیاه است.
توان گسیلش یک سطح نه تنها به جنس ماده؛ بلکه به ماهیت سطح نیز بستگی دارد. برای مثال، یک سطح فلزی تمیز و صیقلی، توان گسیلش کمی دارد، در حالی که یک سطح فلزی زِبر و اکسید شده توان گسیلش بالایی دارد. کافی نبودنِ توان گسیلش در اجسام، اندازه‌گیری دمای واقعی آن‌ها را مشکل می‌کند؛ در نتیجه خطای اندازه‌گیری بیشتر می‌شود.
کالیبراسیون پیرومتر
همان‌طور که می‌دانید اولین و ضروری‌ترین قدم هنگام کار با تجهیزات اندازه‌گیری، کالیبره کردن آن‌ها است. سنسور پیرومتر با استفاده از تجهیزی به‌نام جسم سیاه یا Black Body کالیبره می‌شود. معمولاً کالیبراسیون تجهیزاتِ اندازه‌گیری، توسط متخصصین و در آزمایشگاه‌های اندازه‌گیری انجام می‌شود. مراحل کالیبره کردن پیرومتر عبارت‌اند از :
۱) پیرومتر تحت کالیبراسیون را به صورت فیزیکی بررسی و سالم بودن آن را ارزیابی کنید.
۲) جسم سیاه را به منبع تغذیه وصل کنید.
۳) دمای جسم سیاه را در درجه دل‌خواه تنظیم کنید.
۴) توان گسیلشِ (Emissivity) پیرومتر را مطابق با توان گسیلش جسم سیاه تنظیم کنید.
۵) هنگامی که دما در جسم سیاه به پایداری رسید، می‌توانید خواندن دمای پیرومتر را آغاز کنید.
۶) پیرومتر را در مرکز حفره جسم سیاه قرار دهید، تا بتوانید دمای مناسب را اندازه‌گیری کنید.
۷) دمای پیرومتر را ۱۰ مرتبه با فواصل زمانیِ ۱ دقیقه بخوانید.
۸) خطای اندازه‌گیری را با مقایسه اعداد به دست آمده از هر مرحله خواندنِ دما، می‌توان اندازه‌گیری کرد. (خطای اندازه‌گیری بیش از ۲٪ نباشد)
۹) هنگامی که اعداد خوانده شده در پیرومتر به دمای تنظیم شده در جسم سیاه نزدیک شود کالیبراسیون به‌درستی انجام می‌شود.
جمع بندی
در این مقاله، برای پاسخ به سوال کلیدی سنسور پیرومتر چیست:
- این تجهیزِ اندازه‌گیری را به طور اجمالی معرفی کردیم؛
- با خصوصیات و قابلیت‌های آن آشنا شدیم؛
- اجزای داخلی و نحوه عملکرد آن را بررسی کردیم؛
- و با کاربرد‌های مختلف این تجهیز در صنعت و البته مزایای استفاده از آن به طور کامل آشنا شدیم.
مطلب خوبی بود چون هر روزه مورد استفاده در شرکت ما می باشد
سپاس از همزاهی شما
عالی
سپاس