آنچه باید درباره فرسودگی و رانش در ترموکوپل نوع K بدانید

به گزارش بازار، با قرار گرفتن مکرر در معرض دماهای بالا، دقت ترموکوپل نوع K کاهش می‌یابد. فرسودگی پدیده‌ای است که باعث می‌شود دمای اندازه‌گیری شده بیشتر از مقدار واقعی باشد، در حالی که رانش منجر به خوانش دمایی کمتر از مقدار واقعی می‌شود. اگرچه تمامی ترموکوپل‌های نوع K دچار فرسودگی و رانش می‌شوند، اما با رعایت بهترین روش‌های نگهداری می‌توان این مشکلات را به حداقل رسانده و عمر ترموکوپل را افزایش داد.

ترموکوپل‌های نوع K به دلیل قابلیت اطمینان، دوام و هزینه‌ی پایین، به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع استاندارد این ترموکوپل که دارای عایق معدنی (MI) است، از سه فلز تشکیل شده که هر یک بر میزان فرسودگی و رانش تأثیر می‌گذارند. در این نوع ترموکوپل، رسانای مثبت از Chromel (آلیاژ نیکل و کروم) ساخته شده و رسانای منفی از Alumel (آلیاژ نیکل، منگنز، سیلیکون و آلومینیوم) تشکیل شده است. فلز سوم، غلاف محافظ است که معمولاً از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مشابه، آلیاژ نیکل‌دار یا آلیاژ نیکل غیرفعال‌شده ساخته می‌شود.

اصطلاحات فرسودگی و رانش اغلب به‌جای یکدیگر به کار می‌روند، به‌ویژه زمانی که کاهش دقت خروجی ترموکوپل در طول زمان، تحت تأثیر دما و حرکت، مورد بحث است. با این حال، در این مقاله، فرسودگی در ترموکوپل‌های نوع K به‌عنوان پدیده‌ای تعریف می‌شود که در بازه دمایی ۶۰۰ درجه فارنهایت (۳۱۶ درجه سانتی‌گراد) تا ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (۶۴۹ درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد. فرسودگی باعث افزایش جزئی در مقدار دمای خوانده‌شده توسط حسگر می‌شود. همچنین، در این مقاله، رانش به‌عنوان پدیده‌ای تعریف می‌شود که در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (۶۴۹ درجه سانتی‌گراد) اتفاق می‌افتد و می‌تواند موجب کاهش قابل‌توجه در مقدار دمای خوانده‌شده شود.

با توجه به بازه دمای عملیاتی ۴۰- تا ۲۳۰۰ درجه فارنهایت (۴۰- تا ۱۲۶۰ درجه سانتی‌گراد)، تمامی ترموکوپل‌های نوع K در طول زمان دچار فرسودگی و رانش خواهند شد. با این حال، می‌توان اقداماتی را برای کاهش این اثرات انجام داد.

فرسودگی و نظم کوتاه‌برد در ترموکوپل نوع K

نظم کوتاه‌برد ( SRO)[۱] حالتی از ماده است که در آن اتم‌ها فقط در یک محدوده‌ی کوتاه به‌طور منظم و پیش‌بینی‌پذیر مرتب می‌شوند. در فلزات فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس، SRO به بی‌نظمی در چرخش الکترون‌ها اشاره دارد، که از یک وضعیت هم‌راستا (تمام چرخش‌ها به سمت شمال مغناطیسی) به یک آرایش کمی تصادفی‌تر تغییر می‌یابد.

این ویژگی متالورژیکی بر ترموکوپل‌های نوع K تأثیر می‌گذارد، بدون در نظر گرفتن اندازه‌ی سیم، تولیدکننده‌ی سیم‌های ترموکوپل یا تولیدکننده‌ی کابل‌های MIMS (کابل‌های عایق معدنی با غلاف فلزی) که معمولاً با نام ترموکوپل غلاف فلزی (TI) شناخته می‌شوند.

شکل ۱- ۱ زیر دمای کوری ، چرخش‌های مغناطیسی مجاور در یک فرومغناطیس حتی در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی هم‌راستا می‌شوند.

ویژگی فرسودگی، بی‌نظمی مغناطیسی در ساختار فلزی است که می‌تواند باعث تغییرات جزئی در مقدار دمای خوانده‌شده توسط ترموکوپل شود. نیکل موجود در رساناها خاصیت مغناطیسی دارد. هنگامی که نیکل به دمای کوری[۲] خود یعنی ۶۶۹ درجه فارنهایت (۳۵۴ درجه سانتی‌گراد) می‌رسد، خواص مغناطیسی آن شروع به تغییر و تضعیف می‌کند، که این امر بر اختلاف ولتاژ ایجاد شده در محل اتصال فلزات غیرمشابه تأثیر می‌گذارد.

نظم کوتاه‌برد در بازه‌ی دمایی ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه فارنهایت (۳۱۶ تا ۴۸۲ درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد و می‌تواند، با شدت کمتری، در بازه‌ی ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (۴۸۲ تا ۶۴۹ درجه سانتی‌گراد) نیز اتفاق بیفتد. این تغییر را می‌توان با انجام یک مرحله بازپخت در دمای حدود ۱۶۰۰ تا ۱۶۵۰ درجه فارنهایت (۸۷۱ تا ۸۹۹ درجه سانتی‌گراد) اصلاح کرد، اما این پدیده همچنان در سیم‌های آلیاژی نوع K تکرار خواهد شد. میزان تغییر دمایی با رخ دادن چندین مرتبه نظم کوتاه‌برد کاهش می‌یابد و مقدار حداکثر انحراف دما معمولاً ۵+ تا ۶+ درجه فارنهایت است.

شکل ۱- ۲ بالای دمای کوری، چرخش‌های مغناطیسی به‌صورت تصادفی جهت‌گیری می‌کنند، مگر اینکه یک میدان مغناطیسی اعمال شود.

در ادامه، یک نمونه از روند معمول تغییرات مورد انتظار در خوانش دما برای یک ترموکوپل نوع K با غلاف بازپخت‌شده ارائه شده است.

1. شرایط اولیه: دمای خوانده‌شده توسط ترموکوپل در حالت عادی قرار دارد و با مقایسه در یک حمام دمایی کنترل‌شده با یک حسگر مرجع با دقت بالا تأیید شده است. مقدار خوانده‌شده ۷۰۰ درجه فارنهایت (۱/۳۷۱ درجه سانتی‌گراد) است.
2. این ترموکوپل یا در شرایط عملیاتی دقیقاً در دمای ۷۰۰ درجه فارنهایت قرار داده می‌شود یا مجدداً در همان حمام کالیبراسیون با دمای ۷۰۰ درجه فارنهایت قرار می‌گیرد. به دلیل نظم کوتاه‌برد، مقدار جدید خوانده‌شده ۷۰۲ درجه فارنهایت (۲/۳۷۲ درجه سانتی‌گراد) است که افزایش ۲ درجه فارنهایت را نشان می‌دهد.
3. این ترموکوپل در حال کاهش خاصیت مغناطیسی و فرسودگی است. هنگامی که مجدداً در شرایط عملیاتی (در دمای ۷۰۰ درجه فارنهایت) یا در همان حمام کالیبراسیون قرار می‌گیرد، مقدار جدید خوانده‌شده۵/۷۰۳ درجه فارنهایت (۳۷۳ درجه سانتی‌گراد) است که ۵/۱ درجه فارنهایت افزایش یافته است.
4. مرحله‌ی سوم تکرار می‌شود. مقدار جدید خوانده‌شده۵/۷۰۴ درجه فارنهایت (۶/۳۷۳ درجه سانتی‌گراد) است که ۱ درجه فارنهایت افزایش را نشان می‌دهد.
5. مرحله‌ی چهارم تکرار می‌شود. مقدار جدید خوانده‌شده ۷۰۵ درجه فارنهایت (۹/۳۷۳ درجه سانتی‌گراد) است که ۵/۰ درجه فارنهایت افزایش یافته است. پس از این نقطه، تغییرات در مقدار دمای خوانده‌شده بسیار ناچیز خواهد بود. در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (۶۴۹ درجه سانتی‌گراد)، تغییرات در مقدار دمای خوانده‌شده به‌آرامی به مقدار اولیه‌ی کالیبراسیون بازخواهد گشت.

سایر انواع ترموکوپل نیز تحت تأثیر نظم کوتاه‌برد قرار می‌گیرند و در نتیجه، افزایش تدریجی در مقدار خروجی دما را تجربه می‌کنند. برای مثال، در ترموکوپل نوع J، یکی از سیم‌های رسانا از جنس آهن است که هنگام نزدیک شدن به دمای کوری خود، یعنی ۱۴۱۸ درجه فارنهایت (۷۷۰ درجه سانتی‌گراد)، دچار فرسودگی می‌شود.

رانش در ترموکوپل چیست؟

رانش به‌طور کلی به کاهش مقدار دمای خوانده‌شده توسط ترموکوپل اشاره دارد و می‌تواند ناشی از چندین پدیده‌ی مختلف باشد. این پدیده، به‌مرور زمان باعث کاهش تدریجی مقدار خوانده‌شده شده و حتی ممکن است در نهایت منجر به از کار افتادن ترموکوپل شود. معمولاً این خرابی زمانی رخ می‌دهد که مقدار دما ۲۵ درجه فارنهایت یا بیشتر نسبت به مقدار اولیه کاهش یابد. پدیده‌های متالورژیکی مؤثر در رانش را می‌توان به دو دسته‌ی زیر تقسیم کرد:

• تغییرات سطحی: که به تغییرات ایجادشده در عناصر ترموالکتریکی به دلیل واکنش‌های بین این عناصر و محیط اطراف مربوط می‌شود.
• تغییرات حجمی: که به تغییرات در ساختار کلی و حجم عناصر ترموالکتریکی ارتباط دارد.

تغییرات سطحی ممکن است به شکل‌های زیر ظاهر شوند:

• اکسیداسیون (در ترموکوپل‌های با سیم بدون پوشش)
• کاهش عناصر از ترموالمان‌ها (در ترموکوپل‌های سیمی بدون پوشش یا دارای غلاف معدنی)
• آلودگی ناشی از محیط (در ترموکوپل‌های با سیم بدون پوشش یا دارای غلاف معدنی)
• واکنش با عایق (در ترموکوپل‌های دارای غلاف معدنی)
• واکنش با غلاف محافظ (در ترموکوپل‌های دارای غلاف معدنی)

در میان تغییرات حجمی، پدیده‌های زیر قابل مشاهده هستند:

• تغییرات فازی
• رشد دانه‌های کریستالی
• حذف تنش‌های باقی‌مانده و نابودی نابجایی‌ها
• بازبلور شدن

سیستم‌های ترموکوپل، به‌ویژه آن‌هایی که در کوره‌های احتراقی قرار دارند، ممکن است همزمان دچار فرسودگی و رانش شوند. با این حال، پیش‌بینی دقیق اثرات واقعی این پدیده‌ها بر سیستم‌های ترموکوپل که در شرایط عملیاتی متحمل گرادیان دمایی هستند، بسیار دشوار یا حتی غیرممکن است.

چگونه می‌توان فرسودگی و رانش را در ترموکوپل نوع K به حداقل رساند

در بسیاری از کوره‌های احتراقی، دمای سطح لوله در محدوده‌ی فرسودگی و کمتر از ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (۶۴۹ درجه سانتی‌گراد) است، در حالی که دمای گازهای احتراق در محدوده‌ی رانش و بیش از ۲۰۰۰ درجه فارنهایت (۱۰۹۳ درجه سانتی‌گراد) قرار دارد. فرسودگی پدیده‌ای قابل پیش‌بینی است، اما رانش غیرقابل پیش‌بینی‌تر، مخرب‌تر و از عوامل اصلی خرابی سیستم محسوب می‌شود.

بهترین روش‌ها برای نصب ترموکوپل سطح لوله (TSTC)[۳] در کوره‌های احتراقی:

• حداقل‌سازی میزان گرمای تابشی/جابه‌جایی روی ترموکوپل. به عبارت دیگر، سعی کنید ترموکوپل را در خنک‌ترین بخش لوله نصب کنید. در طراحی‌های دوطرفه، ممکن است قرار دادن ترموکوپل در نیمه‌ی میانی لوله بهتر از نصب در یکی از دو سمت باشد.
• استفاده از طراحی‌های متعادل و محافظت‌شده. این طراحی‌ها کمک می‌کنند تا گرمای تابشی/جابه‌جایی به گرمای رسانشی تبدیل شود که کمتر به رانش منجر می‌شود.
• قرار دادن حداکثر ممکن از طول ترموکوپل در تماس نزدیک با لوله. این موضوع بسیار مهم است، زیرا لوله به‌عنوان یک منبع گرماگیر عمل می‌کند. استفاده از تعداد کافی کلیپس‌های اتصال برای جلوگیری از فاصله افتادن بین ترموکوپل و لوله ضروری است. هرگونه فاصله، لوله را به دمای گازهای احتراقی نزدیک‌تر می‌کند و این باعث ورود ترموکوپل به محدوده‌ی رانش و در نهایت آسیب به حسگر می‌شود.
• کاهش یا حذف مسیرهای خارج از لوله. توصیه می‌شود ترموکوپل را در امتداد لوله و به سمت خروجی هدایت کنید، به‌جای آنکه از لوله جدا شده و به‌صورت عمود به دیواره‌ی کوره متصل شود. پوشش‌های الیاف سرامیکی مانند Kaowool می‌توانند از مشکلات ناشی از جریان خاکستر جلوگیری کنند، اما نقشی در خنک نگه داشتن ترموکوپل ندارند. علاوه بر این، اگر ترموکوپل در فاصله‌ی طولانی از لوله قرار گیرد، همچنان در محدوده‌ی رانش حرارتی خواهد بود.
• استفاده از خروجی‌های پیستونی به‌جای کویل‌های انبساطی. خم شدن ترموکوپل احتمال رانش را افزایش می‌دهد، در حالی که خروجی‌های پیستونی می‌توانند این ریسک را کاهش داده یا حذف کنند. این امر به‌ویژه در کوره‌هایی با حرکت بالا مانند کوره‌های کُکر بسیار مهم است.
• در صورت عدم امکان استفاده از خروجی پیستونی، از کویل‌های انبساطی کوچک‌تر استفاده کنید. مواد اضافی باعث افزایش سطح جذب حرارت می‌شوند، بنابراین اندازه‌ی کویل‌ها باید حداقل باشد و در مناطقی قرار گیرند که از گرمای تابشی و جابه‌جایی در امان باشند. معمولاً استفاده از سه یا چهار کویل کوچک، بهتر از یک حلقه‌ی بزرگ است.
• انتخاب مناسب جنس غلاف بر اساس دما. هنگام انتخاب جنس غلاف ترموکوپل، باید دما را به‌عنوان یک معیار کلیدی در نظر گرفت. اگر از مسیری غیربهینه با پرش‌های طولانی از لوله استفاده شود، استفاده از دمای لوله به‌تنهایی برای تعیین غلاف ممکن است کافی نباشد. ارتقا به غلاف I۶۰۰ یا Pyrocil D می‌تواند میزان رانش را کاهش داده و عمر ترموکوپل را افزایش دهد، اما آن را به‌طور کامل از بین نخواهد برد.

فرسودگی و رانش به دلیل ویژگی‌های فلزات به‌کاررفته در ترموکوپل نوع K رخ می‌دهند. در حال حاضر، امکان ساخت ترموکوپلی که عاری از رانش یا فرسودگی باشد وجود ندارد. با این حال، دانشمندان علم مواد مانند کاترین ری[۴] و میکله اسکوروینی[۵] در حال تحقیق بر روی اصلاحات متالورژیکی برای تولید نسخه‌هایی با رانش کمتر از ترموکوپل نوع K و سایر ترموکوپل‌ها هستند.

مقاله‌ای از اسکوروینی به‌طور مفصل به بررسی رانش، دلایل وقوع آن و تغییرات متالورژیکی ناشی از دما می‌پردازد. این مقاله (اسکوروینی و ری، ۲۰۱۳) که در مجله‌ی مهندسی توربین‌های گازی و توان منتشر شده است، یک ترموکوپل بهبودیافته‌ی مبتنی بر نیکل با عایق معدنی و غلاف فلزی را برای کاربردهای دمای بالای توربین گازی مورد بررسی قرار می‌دهد.

شکل ۱- ۳ در این تصویر، کادر سبز مناطقی را نشان می‌دهد که معمولاً در معرض فرسودگی قرار دارند. کادر قرمز مناطقی را مشخص می‌کند که ممکن است دچار رانش شوند و در نتیجه، به ترموکوپل آسیب برسانند.

خرید ترموکوپل type k

گروه صنعتی کوپل

1. Short Range Ordering ↑
2. به این دما نقطه کوری نیز گفته می‌شود (نام‌گذاری‌شده به افتخار پیر کوری). این دمایی است که در آن برخی از مواد مغناطیسی دچار تغییر ناگهانی در ویژگی‌های مغناطیسی خود می‌شوند. زیر نقطه کوری، اتم‌هایی که مانند آهنرباهای کوچک رفتار می‌کنند، در برخی مواد مغناطیسی به‌صورت خودبه‌خودی در یک راستا قرار می‌گیرند. در مواد فرومغناطیس، آهنرباهای اتمی در هر ناحیه‌ی میکروسکوپی (حوزه‌ی مغناطیسی) در یک جهت هم‌راستا می‌شوند، به‌گونه‌ای که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها یکدیگر را تقویت می‌کنند. در مواد آنتی‌فرومغناطیس، آهنرباهای اتمی به‌طور متناوب در جهت‌های مخالف قرار می‌گیرند، به‌گونه‌ای که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند. در مواد فری‌مغناطیس، آرایش خودبه‌خودی ترکیبی از هر دو الگو است. معمولاً این مواد شامل دو نوع اتم مغناطیسی متفاوت هستند، به‌طوری که فقط تقویت جزئی میدان‌های مغناطیسی رخ می‌دهد. با افزایش دما تا نقطه‌ی کوری در هر یک از این سه گروه، تمام این آرایش‌های خودبه‌خودی به‌طور کامل مختل می‌شوند و تنها یک رفتار مغناطیسی ضعیف‌تر، که به آن پارامغناطیس گفته می‌شود، باقی می‌ماند. ↑
3. tubeskin thermocouple ↑
4. Catherine Rae ↑
5. Michele Scervini ↑