Zašto moj temperaturni senzor nije uspješno prošao kalibraciju?

Zašto moj temperaturni senzor nije uspješno prošao kalibraciju?

Temperatura je parametar koji se najčešće mjeri na svijetu. Temperaturni senzori koriste se u instrumentima koji su dizajnirani za mjerenje temperature. Da bi bili tačni, svi senzori moraju se kalibrirati prema poznatom standardu. Tokom kalibracije provjerava se samo kratkoročna stabilnost senzora. Korisnik treba pratiti i utvrđivati dugoročnu stabilnost senzora koje koristi za svoja mjerenja.

Povremeno se može desiti da temperaturni senzor ne prođe uspješno kalibraciju. Ovo se može desiti čak i kada se činilo da senzor radi ispravno prije slanja na kalibraciju. U tekstu ispod su neki osnovni razlozi zbog čega se može desiti da senzor ne prođe kalibraciju i prijedlozi kako da se osigura tačnost senzora i maksimizira njihov vijek upotrebe.

Uobičajni tipovi temperaturnih senzora

Termistori, platinasti otpornički termometri (PRT) i termoparovi su instrumenti od izbora za većinu aplikacija gdje se mjeri temperatura. Svaki od ovih instrumenata ima određene karakteristike i ograničenja. Obično su ovi instrumenti pouzdani i omogućuju besprijekoran rad. Međutim, korištenje ovih senzora koje nije u skladu sa preporukama proizvođača u velikoj mjeri utiče na njihovu tačnost i vijek trajanja. Stoga je izuzetno važno da se s njima ispravno postupa. Da biste to učinili, morate razumjeti kako ovi instrumenti rade i koja su njihova ograničenja.

Termistori

Termistori su najrobusniji temperaturni senzori. Izgrađeni su od tvrdog materijala koji se ponaša kao varijabilni otpornik. Pri promjeni temperature, mijenja se otpor. Ovi uređaji imaju odličnu osjetljivost i tačnost. Proizvode se u širokom opsegu vrijednosti otpora. Imaju odličan dugoročni drift i nisu osjetljivi na udarce, niti imaju ograničenja poput ostalih temperaturnih senzora. Obzirom da su otporni na udarce, na njihovu kalibraciju općenito ne utiču male vibracije ili ispadanje senzora. Međutim, njihovi rasponi temperature su obično ograničeni na 100 °C.

Platinasti otpornički termometri (PRT)

PRT-ovi su možda senzori koji se najviše koriste zbog njihovog širokog temperaturnog opsega i visoke tačnosti. Većina ih se koristi u opsegu od – 196 °C do 420 °C, sa nekoliko izuzetaka koji idu i do 500 °C ili čak više. Ovo naravno zavisi od specifikacije zasebnog modela i njihove kalibracije. Iako PRT-ovi imaju visoku tačnost i pokrivaju široki temperaturni opseg, oni ipak imaju svoja ograničenja. Za razliku od termistora, PRT-ovi su podložni promjenama pri kalibraciji ukoliko je platinasta žica kontaminirana, izložena vibracijama ili je pala. Promjene u kalibraciji kroz ove procese su kumulativne. Zbog toga se mora voditi velika pažnja pri rukovanju PRT-ovima.

Termoparovi

Termoparovi od baznih metala imaju prednosti u tome što imaju vrlo širok raspon temperature i imaju nisku cijenu. Njihovi nedostaci uključuju relativno lošiju tačnost, i podložni su nehomogenostima na visokim temperaturama. Termoparovi od plemenitih metala imaju veoma širok raspon temperature i veću tačnost, ali im je i cijena visoka. Poput termoparova od baznih metala, oni su također podložni nehomogenostima.

Uzroci neuspješne kalibracije

Samozagrijavanje termistora i PRT-ova

Kada se termistori i PRT-ovi kalibrišu, primjenjuje se nazivna uzbudna struja. Količina struje koja je potrebna se obično navodi na izvještaju o kalibraciji ili u specifikacijama proizvođača. Kako znamo iz Omovog zakona, kada struja teče kroz otpornik, snaga se rasipa. Ova snaga uzrokuje zagrijavanje senzora, tkz. samozagrijavanje. Kada se temperaturni senzor kalibrira, njegovo samozagrijavanje se uzima u obzir.

Kada koristite bilo koji tip senzora, budite sigurni da ste podesili čitač za ispravnu uzbudnu struju. Premalo ili previše struje će uzrokovati greške u mjerenju. Ovi senzori se čak mogu oštetiti ukoliko se primijeni previše struje.

Neki čitači će automatski podesiti ispravnu struju kada se izabere tip senzora. Primjer jednog takvog čitača je ovdje. Kod nekih čitača, ovo se mora podesiti ručno. Ova podešavanja su obično u izborniku za podešavanje sonde. Ukoliko birate struju ručno, uvijek koristite podatke iz specifikacije proizvođača ili certifikata o kalibraciji.

Nizak otpor izolacije i struje curenja

Nizak otpor izolacije se ponekad naziva otpor šanta, jer struja teče van mjernog kruga. To je kao postavljanje još jednog otpora paralelno senzoru. Kada se pojavi nizak otpor izolacije, vrlo često se dešava da temperatura prijelaznog spoja postaje previsoka.

Dodatno, nizak otpor izolacije se može pojaviti ako je izolacioni omotač savijen ili je na neki način kompromitovan, dopuštajući tako da vlaga dođe do senzora i žica. Ovaj problem se lako može izbjeći ako se sa senzorima postupa na pravilan način.  

Prijelazni spojevi

Termistori i PRT-ovi obično imaju prijelazne spojeve. Prijelazni spojevi su mjesta gdje su žice kabla spojene sa žicama senzora. Ove žice su obično zalemljene ili zavarene. Ukoliko su zalemljene i spoj postane previše vruć, lem će se otopiti i to će uzrokovati prekid u spoju.

Obično je spoj zaštićen sa epoksi masom da bi se spriječile kontaminacije. Ukoliko je spoj izložen temperaturama koje su iznad temperatura koje epoksi može izdržati, spoj može napuknuti. Ovo će omogućiti vlagi i drugim nečistoćama da prodru u spoj do žica i senzora. Nakupljanje vlage je najviše primjetno kada je temperaturni senzor izložen temperaturama koje su niže od ambijentalne ili je vlažnost okoline visoka.

PRT-ovi obično imaju izolacijski materijal u prahu. Ovaj materijal čini PRT manje osjetljivim na udarce. Ako ne postoji dobra zaštita spoja, na niskim temperaturama će izolacija da upija vlagu iz zraka. Vlaga ili druge nečistoće stvaraju greške u mjerenjima i to mogu biti razlozi zašto senzor neće proći kalibraciju. Također, ako je izolacija apsorbirala puno vlage, a temperaturni senzor izložen visokoj temperaturi, vlaga će se pretvoriti u paru, što može uzrokovati da zaštita spoja pukne ili da pukne omotač senzora.

Slomljene ili isprekidane žice

Ako je kabl temperaturnog senzora povučen, preopterećen ili izložen nekom drugom mehaničkom šoku, žice kabla se mogu slomiti, što će uzrokovati prekid veze. Neka stanja prekida nisu primjetna dok se senzor ne zagrije, zbog čega se žice šire i odvajaju.  Čak i ako se u velikoj mjeri pazi na sprječavanje prekida veza, oni se opet mogu pojaviti vremenom zbog same upotrebe senzora.

Kontaminacija

Kontaminacija može biti uzrokovana hemikalijama, jonima metala ili oksidacijom.

Hemijska kontaminacija se može pojaviti u PRT-ovima ako tečnost dođe do vodiča ili žica senzora. Ovo može promijeniti čistoću platine, što mijenja njene električne karakteristike. Sve promjene koje su ovako nastale će biti trajne.

Kontaminacija platinaste žice hemijskim jonima obično se dešava na 600 °C ili višim temperaturama. Obzirom da su PRT senzori proizvedeni od platinaste žice velike čistoće, oni su najosjetljiviji na ovakve vrste kontaminacije. Kontaminacija metalnim jonima nije revirzibilna i uzrokovat će drift PRT-a (naviše). Ovo je naročito uočljivo u trojnoj tački vode, gdje je referentna temperatura izuzetno stabilna. Kada je PRT proizveden za ekstremno visoke temperature, izgrađen je na takav način da je senzor zaštićen od kontaminacije jonima.

Kućišta temperaturnih senzora su obično zatvorena da bi se spriječila kontaminacija. I u industrijskim i sekundarnim referentnim temperaturnim senzorima prilikom zatvaranja kućišta ostane unutra nešto suhog zraka. Kada su izloženi različitim temperaturama, može se formirati oksidacija na površini žice. Oksidacija prvenstveno utiče na temperaturne senzore čiji osjetni elementi sadrže platinastu žicu. Oksidacija povećava RPTW (otpor na trojnoj tački vode) u metalnim otporničkim termometrima. Na sreću, oksidacija se može ukloniti žarenjem otporničkog termometra, koristeći procedure koje su preporučene od strane proizvođača. Prije i poslije žarenja, potrebno je uporediti senzor sa standardom više klase tačnosti kao što je npr. trojna tačka vode. Ovo nam omogućuje da odredimo da li je procedura bila uspješna i pomaže nam da pratimo historiju performansi temperaturnog senzora.

Histereza i (ne)ponovljivost

Histereza je stanje u kojem izgleda da očitanja na temperaturnom senzoru imaju „memorijski“ efekt kada se senzor izlaže sekvencijalnom rasponu temperatura. Izmjerene vrijednosti zavise od prethodnih temperatura kojima je senzor bio izložen. Ukoliko je senzor izložen nekom temperaturnom rasponu po prvi put, recimo od niske prema visokoj temperaturi – pratit će određenu krivulju. Ako su mjerenja ponovljena u obrnutom redoslijedu (od visoke prema niskoj temperaturi), termometar koji ima izraženu histerezu imat će pomak od prethodnog skupa mjerenja. Ako se cijeli proces ponovi, iznos pomaka ne mora biti uvijek isti.

Histereza se ne pojavljuje u neoštećenim platinastim otporničkim standardima (SPRT), jer su SPRT-ovi dizajnirani na takav način. PRT-ovi koji su dizajnirani da budu robusni uvijek imaju izraženu histerezu. Ulazak vlage unutar temperaturnog senzora će uzrokovati histerezu u bilo kojem tipu otporničkog termometra.   

Nehomogenost

Kada se termopar koristi na visokim temperaturama, njegova žica može biti kontaminirana. Ovo uzrokuje promjenu u Seebeck-ovom koeficijentu žice. Drugim riječima, ovo mijenja osjetljivost žice na promjene u temperaturama. Međutim, izloženost temperaturi i kontaminacija ne moraju biti jednolike cijelom dužinom termopara. Seebeck-ov koeficijent tada postaje funkcija položaja duž termometra. Ovo vodi do grešaka u mjerenjima koje zavise od temperaturnog profila kojem je izložen termopar po cijeloj dužini termopara, a ne samo o temperaturi na mjernom spoju.  

Kratkoročna stabilnost

Ponovljivost mjerenja je termin koji se može koristiti na različite načine i treba biti definisan od osobe koja ga koristi. Obično se odnosi na ponovljivost RPTW tokom kalibracijskog procesa.

Kada temperaturni senzor ne ispuni svoje specifikacije koje su vezane na kratkoročnu stabilnost, to znači da je odstupanje između mjerenja na određenoj temperaturi van specifikacije. To bi moglo biti uzrokovano velikom standardnom devijacijom ili driftom mjerenja kontinuirano u jednom smjeru. Potencijalni uzroci problema vezanih za kratkoročnu stabilnost uključuju:

• Vlagu
• Nečistoće
• Naprezanje
• Struje curenja
• Mehaničke udare
• Nehomogenost

Da bi se spriječili kvarovi temperaturnih senzora i izbjegla kontaminacija, trebaju se poduzeti odgovarajuće mjere opreza kada se senzori koriste u teškim uvjetima okoline. Prijelazni spojevi se ne smiju izlagati temperaturama koje su iznad ili ispod temperatura koje zaštita spoja ili sam spoj može podnijeti. Potrebno je pogledati specifikacije temperaturnog senzora ili kontaktirati proizvođača ukoliko taj podatak nije dostupan u specifikaciji. Ukoliko postoji mogućnost da će prijelazni spoj biti izložen visokim temperaturama ili čak granicama preporučenog temperaturnog opsega, preporučuje se da se koristi toplinski štit ili hladnjak.

Ostali načini za sprječavanje neuspješne kalibracije:

• Ne izlažite PRT-ove mehaničkim šokovima.
• Nikada ne savijajte plašt termometra koji nije dizajniran za savijanje. Čak i mala savijanja mogu negativno uticati na kalibraciju ili životni vijek temperaturnog senzora.
• Nikada ne uranjajte prijelazni spoj u tekućinu.
• Nikada nemojte prelaziti temperaturu koja je specificirana kao gornja granica opsega rada temperaturnog senzora.
• Ne potapajte temperaturne senzore na duži period vremena, naročito ne na temperature na kojima se može pojaviti oksidacija.
• Nemojte povlačiti ili pretjerano rastezati kabl senzora.
• Ukoliko temperaturni senzor zahtijeva žarenje, koristite preporučene temperature i procedure. Poslije toga, verificirajte tačnost senzora poredeći ga sa primarnim standardom.
• Periodično poredite temperaturni senzor sa primarnim standardom, kao što je npr. trojna tačka vode ili kalibrisani SPRT.