اندازهگیری دما در بسیاری از فرایندهای صنعتی فقط برای اطلاع از سرد یا گرم بودن یک محیط انجام نمیشود. دما میتواند روی کیفیت محصول، عملکرد تجهیزات، مصرف انرژی، ایمنی خط تولید و حتی طول عمر ماشینآلات اثر بگذارد. به همین دلیل، در کارخانهها و تأسیسات صنعتی از تجهیزات مختلفی برای اندازهگیری و پایش دما استفاده میشود.
نکته مهم این است که یک تجهیز مشخص را نمیتوان برای تمام کاربردها مناسب دانست. شرایط یک کوره صنعتی با یک مخزن نگهداری مواد غذایی متفاوت است و تجهیزی که در موتورخانه بهخوبی کار میکند، ممکن است برای یک خط پتروشیمی انتخاب مناسبی نباشد.
برای انتخاب تجهیزات اندازهگیری دما باید عواملی مانند محدوده دمای فرایند، دقت مورد نیاز، سرعت تغییرات دما، فشار سیال، شرایط محیطی، وجود لرزش، نوع سیال و نحوه انتقال اطلاعات به سیستم کنترل را در نظر گرفت.
در این مقاله با تجهیزات رایج اندازهگیری دما و معیارهایی آشنا میشویم که هنگام انتخاب آنها در صنایع مختلف باید مورد توجه قرار گیرند.
چرا انتخاب تجهیزات اندازهگیری دما اهمیت دارد؟
گاهی دمای یک نقطه فقط باید در همان محل توسط اپراتور مشاهده شود. در چنین شرایطی استفاده از یک گیج دما میتواند نیاز فرایند را برطرف کند. اما در یک خط تولید دیگر ممکن است مقدار دما علاوه بر اندازهگیری، به اتاق کنترل ارسال شود تا PLC یا DCS بر اساس آن تصمیمگیری کند. در این حالت استفاده از سنسور و ترانسمیتر دما مطرح میشود.
بنابراین پیش از انتخاب تجهیز باید مشخص شود که از اندازهگیری دما چه انتظاری داریم.
برای مثال، آیا تنها مشاهده دما در محل کافی است؟ آیا مقدار اندازهگیریشده باید ثبت شود؟ آیا سیستم کنترل باید بر اساس تغییر دما فرمان صادر کند؟ تجهیز در چه محدوده دمایی قرار میگیرد و چه فشار یا ارتعاشی در محل نصب وجود دارد؟
تجهیزات رایج برای اندازهگیری دما
در صنعت روشهای مختلفی برای اندازهگیری دما وجود دارد. برخی تجهیزات کاملاً مکانیکی هستند، برخی دما را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند و گروهی نیز امکان انتقال اطلاعات به سیستم کنترل را فراهم میکنند.
شناخت تفاوت این تجهیزات کمک میکند برای هر نقطه از فرایند راهکار متناسبی انتخاب شود.
گیجهای دما
گیجهای مکانیکی یا عقربهای برای نمایش مستقیم دما در محل استفاده میشوند. این تجهیزات معمولاً نیازی به منبع تغذیه ندارند و اپراتور میتواند مقدار دما را مستقیماً روی صفحه نمایش مشاهده کند.
در کاربردهای صنعتی، گیجهای بیمتال و گازی از نمونههای رایج هستند.
در مدل بیمتال، تغییر دما باعث تغییر شکل یک المان متشکل از دو فلز با ضریب انبساط متفاوت میشود و این تغییر مکان در نهایت عقربه را حرکت میدهد. در مدلهای گازی نیز تغییر دمای گاز داخل سیستم اندازهگیری موجب تغییر فشار و حرکت مکانیزم نمایش میشود. WIKA این دو روش را در کنار گیجهای انبساطی از فناوریهای متداول اندازهگیری مکانیکی دما معرفی میکند.
گیجهای دما در موتورخانهها، خطوط لوله، مخازن، سیستمهای HVAC، تجهیزات فرایندی و بخشهای مختلف کارخانه کاربرد دارند.
سنسور RTD
RTD یا Resistance Temperature Detector بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی یک ماده در اثر تغییر دما کار میکند. یکی از شناختهشدهترین انواع آن Pt100 است که مقاومت نامی آن در صفر درجه سانتیگراد برابر ۱۰۰ اهم است.
RTDها به دلیل پایداری، تکرارپذیری و رفتار نسبتاً خطی در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده میشوند. Endress+Hauser محدوده متداول RTDهای صنعتی را تا حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد عنوان میکند، هرچند محدوده واقعی هر تجهیز به نوع سنسور و ساختار آن وابسته است.
در فرایندهایی که کنترل دقیق دما اهمیت دارد، مانند صنایع غذایی، دارویی، برخی خطوط شیمیایی و سیستمهای کنترل فرایند، RTD میتواند یکی از گزینههای قابل بررسی باشد.
ترموکوپل
ترموکوپل از اتصال دو فلز متفاوت ساخته میشود. اختلاف دما میان محل اندازهگیری و نقطه مرجع موجب ایجاد ولتاژ کوچکی میشود که با اندازهگیری آن میتوان دما را تعیین کرد.
یکی از ویژگیهای ترموکوپل امکان استفاده در دماهای بالا است. بسته به نوع ترموکوپل و ساختار حفاظتی آن، برخی مدلها برای فرایندهایی با دمای بالاتر از محدوده کاری معمول RTD مناسب هستند. برای نمونه، ترموکوپلهای نوع K و N در بسیاری از کاربردهای صنعتی دمای بالا استفاده میشوند و انواع R، S و B میتوانند در شرایط خاص به محدودههای بالاتر نیز برسند.
کورهها، تجهیزات عملیات حرارتی، صنایع فولاد، اگزوزها، راکتورها و برخی فرایندهای پتروشیمی از جمله محیطهایی هستند که ترموکوپل در آنها کاربرد دارد.
ترانسمیتر دما
سنسور دما الزاماً سیگنالی مناسب برای انتقال در فاصله زیاد یا استفاده مستقیم در سیستم کنترل تولید نمیکند. در چنین شرایطی ترانسمیتر دما وارد مدار میشود.
ترانسمیتر سیگنال سنسورهایی مانند RTD یا ترموکوپل را دریافت و آن را به سیگنال استاندارد قابل استفاده در سیستمهای کنترل تبدیل میکند. برای نمونه، در بسیاری از سیستمهای صنعتی از سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر استفاده میشود.
نصب ترانسمیتر نزدیک نقطه اندازهگیری میتواند به انتقال پایدارتر سیگنال در محیطهای صنعتی کمک کند، بهخصوص زمانی که نویز الکتریکی یا فاصله کابلکشی مطرح باشد.
ترموول
ترموول خودش سنسور اندازهگیری دما نیست، اما نقش مهمی در مجموعه اندازهگیری دارد. ترموول یک غلاف محافظ است که سنسور یا ساقه تجهیز اندازهگیری داخل آن قرار میگیرد.
این قطعه میتواند سنسور را در برابر فشار، جریان سیال، خوردگی و شرایط مکانیکی محافظت کند. یکی دیگر از مزایای آن این است که در بسیاری از طراحیها امکان خارج کردن یا تعویض تجهیز اندازهگیری بدون باز کردن خط فرایند فراهم میشود. البته استفاده از ترموول میتواند زمان پاسخ مجموعه اندازهگیری را نیز افزایش دهد.
مقایسه تجهیزات اندازهگیری دما
انتخاب میان تجهیزات مختلف باید بر اساس نیاز فرایند انجام شود. جدول زیر یک دید کلی از کاربرد هر گروه ارائه میدهد :
| تجهیز | نوع اندازهگیری | کاربرد رایج | ویژگی اصلی | نکته هنگام انتخاب |
|---|---|---|---|---|
| گیج مکانیکی دما | محلی | خطوط، مخازن، موتورخانه | نمایش مستقیم بدون نیاز به برق | محدوده دما، نوع اتصال و شرایط نصب |
| RTD | الکتریکی | کنترل فرایند، صنایع غذایی و دارویی | پایداری و دقت مناسب | محدوده دما و مقاومت در برابر شرایط محیطی |
| ترموکوپل | الکتریکی | کوره، فولاد، پتروشیمی | امکان کار در محدودههای دمای بالا | نوع ترموکوپل و جنس غلاف |
| ترانسمیتر دما | انتقال سیگنال | PLC و DCS | تبدیل و انتقال سیگنال | نوع ورودی و خروجی و پروتکل ارتباطی |
| ترموول | محافظتی | خطوط تحت فشار و سیالات فرایندی | حفاظت از تجهیز اندازهگیری | جنس، طول، ضخامت و شرایط جریان |
این جدول یک راهنمای اولیه است و برای انتخاب نهایی باید مشخصات واقعی فرایند بررسی شود.
معیارهای انتخاب تجهیزات اندازهگیری دما
پیش از مشخص کردن مدل یا برند، بهتر است اطلاعات فرایندی جمعآوری شود. این اطلاعات معمولاً تعیین میکنند که چه فناوری و چه ساختاری برای نقطه اندازهگیری مناسب است.
۱. محدوده دما
عادی را پوشش دهد.
انتخاب محدوده بسیار بزرگ نیز همیشه مطلوب نیست. برای یک نقطه کاری محدود، صفحه یا سنسوری که برای بازه بسیار وسیع طراحی شده ممکن است خوانایی یا تفکیک مورد نیاز را فراهم نکند.
برای نمونه، WIKA برای برخی ترمومترهای بیمتال صنعتی محدودههایی تا حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد و برای مدلهای گازی محدودههایی از حدود ۲۰۰- تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد ذکر میکند. محدوده دقیق باید بر اساس مدل انتخابی بررسی شود.
۲. دقت مورد نیاز
همه نقاط یک کارخانه نیازمند سطح یکسانی از دقت نیستند.
اگر هدف فقط مشاهده وضعیت عمومی یک خط آب گرم باشد، الزام اندازهگیری با یک فرایند حساس دارویی یکسان نیست. به همین دلیل باید قبل از انتخاب تجهیز مشخص شود چه میزان خطا برای فرایند قابل قبول است.
RTDها معمولاً در محدودههای دمایی میانی، زمانی که دقت و پایداری اهمیت دارد، مورد توجه قرار میگیرند؛ در حالی که ترموکوپلها به دلیل محدوده دمایی و ساختار مقاوم در بسیاری از محیطهای سخت صنعتی استفاده میشوند.
۳. زمان پاسخ
در بعضی فرایندها دما بهآرامی تغییر میکند و چند ثانیه اختلاف در نمایش تأثیر چندانی ندارد. در برخی خطوط دیگر، افزایش دما میتواند در مدت کوتاهی رخ دهد و سرعت پاسخ تجهیز اهمیت پیدا میکند.
نوع سنسور، قطر پراب، جنس غلاف و وجود ترموول همگی میتوانند روی زمان پاسخ تأثیر داشته باشند.
حتی در میان گیجهای مکانیکی نیز زمان پاسخ یکسان نیست. طبق اطلاعات WIKA، ترمومترهای گازی در شرایط مشخص میتوانند نسبت به برخی مدلهای بیمتال واکنش سریعتری به تغییرات دما داشته باشند.
۴. شرایط مکانیکی محل نصب
لرزش، ضربه، فشار و سرعت جریان سیال از عواملی هستند که نباید نادیده گرفته شوند.
برای نمونه، اگر تجهیز روی یک پمپ، کمپرسور یا خط دارای ارتعاش نصب شود، ساختار تجهیز باید برای چنین شرایطی در نظر گرفته شده باشد. در برخی گیجهای عقربهای از مایع پرکننده داخل قاب برای کاهش نوسان عقربه ناشی از لرزش استفاده میشود.
در خطوط فرایندی با فشار یا سرعت جریان قابل توجه نیز طراحی ترموول اهمیت زیادی پیدا میکند.
۵. جنس سیال و شرایط محیطی
آب، بخار، روغن، مواد شیمیایی و سیالات خورنده شرایط یکسانی ایجاد نمیکنند.
جنس بخشهایی که با فرایند تماس دارند باید با سیال سازگار باشد. همچنین شرایط محیط اطراف تجهیز مانند رطوبت، گردوغبار، شستوشوی دورهای، دمای محیط و احتمال قرارگیری در محیطهای خطرناک باید بررسی شود.
در صنایع غذایی و دارویی، طراحی اتصال فرایندی و امکان شستوشو نیز اهمیت ویژهای دارد.
۶. نوع نمایش و انتقال اطلاعات
یکی از مهمترین تصمیمها این است که مقدار دما کجا مورد نیاز است.
اگر اپراتور فقط باید مقدار دما را کنار دستگاه مشاهده کند، یک نمایشگر محلی میتواند کافی باشد. اما اگر داده قرار است در اتاق کنترل نمایش داده شود، ذخیره شود، برای آلارم استفاده شود یا وارد یک حلقه کنترل شود، استفاده از سنسور و تجهیزات انتقال سیگنال مطرح خواهد شد.
در برخی پروژهها نیز هر دو نیاز وجود دارد؛ یعنی اپراتور باید دما را در محل ببیند و سیستم کنترل نیز سیگنال آن را دریافت کند.
۷. تعمیرات و دسترسی
محل نصب باید از دید تعمیرات نیز بررسی شود.
اگر تجهیز در نقطهای قرار دارد که توقف فرایند برای تعویض سنسور هزینه زیادی ایجاد میکند، استفاده از ترموول میتواند امکان سرویس یا تعویض تجهیز را سادهتر کند. همچنین باید فضای کافی برای خارج کردن سنسور، دسترسی به کابلها و انجام کالیبراسیون وجود داشته باشد.
انتخاب تجهیزات دما در صنایع مختلف
شرایط اندازهگیری از یک صنعت به صنعت دیگر تغییر میکند. به همین دلیل نمیتوان تنها بر اساس محدوده دما تصمیم گرفت.
صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
در این صنایع ممکن است تجهیزات اندازهگیری با فشار بالا، سیالات خورنده، محیطهای خطرناک و تغییرات گسترده دما روبهرو شوند.
در نقاطی که نمایش محلی مورد نیاز است، گیجهای مکانیکی کاربرد دارند. برای انتقال داده به سیستم کنترل نیز RTD، ترموکوپل و ترانسمیتر بر اساس شرایط فرایند انتخاب میشوند.
وجود ترموول نیز در بسیاری از نقاط اندازهگیری اهمیت دارد، زیرا سنسور را از تماس مستقیم با شرایط سخت خط محافظت میکند.
صنایع غذایی و نوشیدنی
در صنایع غذایی، کنترل دما با کیفیت محصول و کنترل مراحل تولید ارتباط مستقیم دارد. پاستوریزاسیون، مخازن فرایندی، سیستمهای CIP، سردخانهها و خطوط تولید هر کدام شرایط اندازهگیری خاصی دارند.
در این محیطها علاوه بر دقت اندازهگیری، مواردی مانند جنس قسمتهای در تماس با محصول، طراحی بهداشتی و قابلیت شستوشو نیز باید بررسی شود.
RTDهای صنعتی به دلیل پایداری و دقت در بسیاری از کاربردهای فرایندی این حوزه مورد استفاده قرار میگیرند.
صنایع فولاد و کوره
دما در کورهها و عملیات حرارتی میتواند به محدودههایی برسد که استفاده از بعضی سنسورهای مقاومتی مناسب نیست.
در چنین شرایطی ترموکوپلها نقش پررنگی دارند. نوع ترموکوپل، جنس غلاف، روش نصب و محدوده حرارتی باید بر اساس شرایط واقعی کوره انتخاب شود.
ترموکوپلهای صنعتی بسته به نوع و ساختار میتوانند برای دماهای بسیار بالا مورد استفاده قرار گیرند.
تأسیسات و سیستمهای HVAC
در موتورخانهها، بویلرها، سیستمهای آب گرم و سرد، چیلرها و تجهیزات تهویه معمولاً نیاز به مشاهده ساده و مستقیم دما وجود دارد.
در چنین نقاطی، استفاده از گیجهای عقربهای راهکاری رایج است. عواملی مانند رنج صفحه، قطر صفحه، طول ساقه، جهت اتصال و محل قرارگیری تجهیز باید بر اساس طراحی تأسیسات تعیین شوند.
صنایع دارویی و فرایندهای حساس
در صنایع دارویی و فرایندهایی که تغییر کوچک دما میتواند روی کیفیت محصول اثر بگذارد، دقت، قابلیت کالیبراسیون، مستندسازی و طراحی بهداشتی اهمیت زیادی دارد.
در چنین کاربردهایی معمولاً انتخاب سنسور تنها بخشی از کار است و کل زنجیره اندازهگیری، از سنسور تا ترانسمیتر و سیستم ثبت داده، باید بررسی شود.
جمعبندی
تجهیزات اندازهگیری دما بخش مهمی از سیستمهای پایش و کنترل صنعتی هستند، اما نوع تجهیز باید با شرایط واقعی فرایند هماهنگ باشد.
گیجهای مکانیکی برای مشاهده مستقیم دما، RTDها برای بسیاری از کاربردهای نیازمند پایداری و دقت، ترموکوپلها برای شرایط دمایی و محیطی خاص، ترانسمیترها برای انتقال داده و ترموولها برای حفاظت مجموعه اندازهگیری مورد استفاده قرار میگیرند.
در زمان انتخاب نیز نباید تنها محدوده دما را در نظر گرفت. دقت، زمان پاسخ، فشار، نوع سیال، لرزش، شرایط محیطی، نوع اتصال و نحوه استفاده از داده همگی در تصمیم نهایی نقش دارند.
اگر هدف یک نقطه فرایندی تنها مشاهده مقدار دما در محل باشد، بررسی مشخصات مدلهای مختلف گیج دما میتواند نقطه شروع مناسبی باشد؛ اما برای سیستمهای کنترلی و فرایندهای حساس باید کل زنجیره اندازهگیری، از محل نصب سنسور تا انتقال و پردازش سیگنال، بهصورت یک مجموعه بررسی شود.
- 10
- 5
