این مقاله به کالیبراسیون سنسورهای دما می‌پردازد که در تولید و ثبت و ضبط دما استفاده می‌شوند، از جمله اینکه سنسورها چرا و هر چند وقت یکبار نیاز به کالیبراسیون دارند. همچنین به قابلیت‌های تجهیزات کالیبراسیون و دلایل موافقت و مخالفت با آن ها نیز پرداخته‌ایم.
انواع سنسورهای دما
پنج نوع دستگاه که معمولا در تولید یافت می‌شوند، عبارتند از:
- دماسنج‌های دو فلزی (بی‌متال) یا نوع فنری. با وجود واکنش آهسته و عدم دقت، این دماسنج‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، چون ارزان هستند و به راحتی تنظیم می‌شوند.
- ترموکوپل‌ها. پراستفاده‌ترین سنسور صنعتی هستند، متشکل از دو سیم فلزی غیرمشابه که در یک انتها به یکدیگر متصل شده‌اند و ولتاژی متناسب با دما تولید می‌کنند.
- آشکارسازهای مقاومت در برابر دما یا RTDها. به طور معمول از سیم پلاتین پیچیده می‌شود، RTDها گران هستند، اما واکنشی سریع و دقت اندازه‌گیری خوبی دارند.
- ترمیستورها. این دستگاه‌های مبتنی بر نیمه‌هادی، دما را در یک بازه‌ی محدودی اندازه‌گیری می‌کنند و اغلب در کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند.
- آشکارسازهای تشعشعات مادون قرمز (IR). این سنسورهای غیر تماسی، دمای سطحی را اندازه‌گیری می‌کنند و به دو نوع مختلف تقسیم می‌شوند: پیرومترهای IR و دوربین‌های تصویربرداری حرارتی. استفاده از هر دو نوع، به سرعت رو به افزایش است و محصولات بیشتری هر روز به بازار می‌آیند.
همانطور که دیدید در این فهرست، دماسنج‌های مایع شیشه‌ای وجود ندارد. این مدل دماسنج را نمی‌توان کالیبره کرد، چون قابل تنظیم نیست و در نتیجه فقط می‌توان میزان خطای آن‌ها را تعیین کرد. علاوه بر این، نگرانی‌هایی در مورد خطر شکستگی، به خصوص با دماسنج‌های جیوه‌ای سنتی وجود دارد.
سنجش دما و مستندسازی
در بسیاری از صنایع، کنترل دما کافی نیست: بلکه داشتن مدارک و اسناد مهم است، مانند گواهی کالیبراسیون، در مورد دما یا چرخه حرارتی که محصول تحت آن قرار گرفته است. چنین یادداشت‌هایی، در فرآوری مواد غذایی و تولید و نگهداری مواد دارویی مورد نیاز است. این کار را می‌توان با استفاده از کنترلرهای دما با قابلیت ثبت و ضبط (recording) انجام داد. برای موارد حیاتی-ایمنی مانند توپی چرخ‌ها، اتصالات تعلیق یا اجزای ترمز، این مستندات به سازنده کمک می‌کند که ثابت کند یک قطعه، به درستی تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و نه خیلی شکننده و نه خیلی نرم بوده است.
یکی از حوزه‌هایی که اهمیت آن رو به افزایش است، تولید اجزای فیبر کربنی برای استفاده در خودروسازی و هوافضاست. مانند سایر فرآیندهای عمل آوردن، دما و فشار باید دقیقا کنترل شوند. حتی در شرایطی که کنترل دما برای عملکرد محصول ضروری نیست، تکرارپذیری برای حفظ انسجام و یکدست بودن محصول تولیدی مورد نیاز است.
سیستم‌های مدیریت کیفیت در سطح جهانی، نیاز به کالیبراسیون تمام تجهیزات اندازه‌گیری دارند، تجهیزاتی که می‌توانند بر کیفیت محصول نهایی تاثیر بگذارند. در حالی که کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری معمولا درک‌شده است، اهمیت کالیبراسیون سنسورهای دما گاهی نادیده گرفته می‌شود.
چرا دستگاه‌ها به کالیبراسیون نیاز دارند؟
هر دستگاهی که برای اندازه‌گیری‌های حیاتی فرآیند استفاده می‌شود، باید به‌طور دوره‌ای چک و بررسی شود تا اطمینان حاصل شود که همچنان، دقت لازم را ارائه می‌کند.
در مواردی که تنظیم امکان‌پذیر باشد، دستگاهی که خارج از محدوده مورد انتظار اندازه‌گیری می‌شود، باید به سطح عملکرد قابل قبولی برگردد، اما در مورد تجهیزاتی که قابل تنظیم نیستند، انحراف یا عملکرد اندازه‌گیری باید ثبت و ضبط شود و این تصمیم‌گیری انجام شود که آیا مناسب هدف و مقصود مورد نظر است یا خیر.
در مورد تجهیزات اندازه‌گیری دما، خواص دو فلزی و سیم ترموکوپل با استفاده و زمان تغییر می‌کند (به ویژه زمانی که در دماهای بالا استفاده می‌شود) که منجر به کژرفت یا دریفتِ اندازه‌گیری می‌شود.
به علاوه، یک پروب ترموکوپل ممکن است در حین کار، احتمالا به صورت مکانیکی یا در اثر خوردگی، آسیب ببیند که منجر به خراب شدن سریع سیم می‌شود. RTD و ترمیستورها نیز هر دو دستگاه‌هایی شکننده هستند و به راحتی آسیب می‌بینند، بنابراین باید به طور دوره‌ای چک و بررسی شوند. همین امر در مورد دماسنج‌های IR و دوربین‌های تصویربرداری حرارتی نیز صدق می‌کند.
فرکانس کالیبراسیون
استانداردهای کیفیت به طور کلی این مساله را به کاربر واگذار می‌کنند که هر چند وقت یکبار، یک دستگاه کالیبره شود. با این حال، یک حسابرس برای هر فرکانسی، توقع دارد که توجیه درستی را بشنود. هنگام در نظر گرفتن و تثبیت تناوب کالیبراسیون، باید به نوع استفاده دستگاه، خطر آسیب و میزان دریفت (که می‌تواند از سوابق تاریخی کالیبراسیون تعیین شود) توجه شود.
در صورتی که کالیبراسیون نشان دهد دستگاهی خارج از محدوده قابل قبول کار می‌کند، باید رویه‌هایی برای تعیین اقدامات مورد نیاز، پیاده‌سازی شود. برای مثال، محصولی که بعد از آخرین کالیبراسیون، تولید شده است، ممکن است نیاز به فراخوانی داشته باشد (و هزینه انجام این کار ممکن است بر تناوب کالیبراسیون تاثیر بگذارد). در شرایط بحرانی ایمنی، مانند تجهیزات تولید مواد غذایی یا دارویی، ممکن است لازم باشد که هر روز یا حتی هر شیفت، کالیبراسیون انجام شود.
کالیبره کردن دستگاه‌های اندازه‌گیری دما
ساده‌ترین راه برای کالیبره کردن یک سنسور دما، مانند ترموکوپل، بررسی نحوه خواندن دمای دو ثابت فیزیکی است: دمای ذوب شدن یخ و نقطه جوش آب (البته دومی باید برای فشار اتمسفریک اصلاح شود). اگرچه سریع و ارزان است، اما یکی از نقاط ضعف این روش این است که معمولا کالیبراسیون قابل پیگیری NIST نیست.
کالیبراتورهای پروب بلوک خشک بر این مشکل غلبه کرده و وسیله‌ای سریع و دقیق برای کالیبره کردن ترمیستور، ترموکوپل و پروب‌های RTD ارائه می‌کند.
کارکرد ترموکوپل را نیز می‌توان با شبیه‌سازی سیگنال الکتریکی تولید شده توسط پروب و بررسی خوانش مورد انتظار در برابر آنچه نشان داده شده است، تایید کرد.
کالیبراتورهای جسم سیاه (blackbody) مادون قرمز برای کالیبره کردن تجهیزات اندازه‌گیری غیر تماسی دما مانند دوربین‌های حرارتی و پیرومترها استفاده می‌شوند. اینها از سطحی با گسیل «بی‌نقص» یا «کامل» (بین 0.95 و 0.98) استفاده می‌کنند که گرم شود و تا دمای مشخصی بالا برود و با خوانش دستگاه مقایسه شود. (توجه داشته باشید که دقت، به کیفیت اندازه‌گیری دما در کالیبراتور جسم سیاه بستگی دارد و ممکن است تنها یک درصد باشد، تکرارپذیری باید بسیار بالا باشد).
برای کیفیت محصول، ضروری است
بسیاری از فرآیندهای تولید، از گرما برای اصلاح ویژگی‌های محصول استفاده می‌کنند. در برخی موارد، کنترل دقیق دما برای اطمینان از متناسب شدن با هدف ضروری است و یک مدرک کاغذی (یادداشت‌های مرتبط با دما به اضافه مدارک کالیبراسیون) تایید می‌کند که تولیدکننده، اقدامات مناسبی را برای حفظ کیفیت اقلام تولیدشده، برداشته است. کالیبراسیون سنسورهای دما، چه در داخل کارخانه مشتری انجام شود و چه در یک لابراتوار تخصصی، بخشی حیاتی از این فعالیت است.