از خرابی ترموکوپل تا پایداری تولید؛ تجربه یک مهندس فنی
به گزارش بیگ نیوز، یک روز پای تلفن بودیم که یکی از همکاران بخش تولید گزارش داد دمای کوره خط کارخانه نسبت به همیشه کمتر نشان داده می شود. من به عنوان کارشناس فنی کارخانه که روی کنترل دقیق دما حساسیت داشتم، سریعاً رفتم سراغ سنسورهای دما. در صنعت ما معمولاً برای اندازهگیری دما از سنسورهای ترموکوپل استفاده می شود؛ حسگرهایی ساده اما دقیق که براساس اختلاف دمای دو فلز ناهمجنس، ولتاژ تولید می کنند. ترموکوپل ها نیازی به برق تغذیه ندارند و در دماهای بسیار بالا نیز قابل استفاده اند. با این حال، اگر ترموکوپل مناسب انتخاب یا نصب نشود، مشکلات بزرگی پیش خواهد آمد.
در آن روز متوجه شدم که دماسنج کوره که بر مبنای ترموکوپل کار می کرد داشت اشتباه ۱۵۰ درجه نشان می داد. تولید محصول با این خطا افت کرد و بعضی قطعات نسوخته داشتیم! این اولین بار نبود که چنین اتفاقی رخ می داد. قبلاً هم چند بار دیده بودیم که خرابی ترموکوپل صورت میگیرد یا ذوب می شود و زنگ خطر قطعی خط بالا می رفت. مجبور بودیم بلافاصله فرایند را متوقف کرده و با روشهای دستی دما را چک کنیم. میتوان گفت بدون حسگر یا سنسور ترموکوپل صنعتی مناسب، کنترل دقیق دما تقریباً غیرممکن است.
مشکلات اندازهگیری دما بدون ترموکوپل
ابتدا اجازه دهید بگویم اگر ترموکوپل مناسب نداشته باشید، چه مشکلاتی ممکن است پیش بیاید. ما از همان مشکل کوره شروع کردیم: دمای واقعی حدود ۹۵۰ درجه بود اما نمایشگر فقط ۸۰۰ درجه نشان می داد. نتیجه چی شد؟ محصول ناقص و دوباره کاری! موارد دیگری هم تجربه کردیم که در ادامه خدمتتان عرض می کنم:
گاهی سیم ترموکوپل در اثر خوردگی یا سایش قطع می شد و کل خط را از کار می انداخت. در دماهای خیلی بالا یا محیط های خورنده سر سنسور سریعاً دچار خوردگی می شد. اگر سیم ها را اشتباه متصل می کردیم، یا اگر تفاوت دمای نقطه مرجع جبران نشده باشد، عددها کاملاً بی معنی می شد. حتی تغییر دمای مکرر می تواند به ترموکوپل آسیب برساند و دقت اندازه گیری را تغییر دهد.
به عبارتی، ما دیدیم عدم انتخاب درست ترموکوپل می تواند باعث خطای اندازه گیری، توقفهای مکرر تولید و خسارت به محصول شود. مثلا یک بار ترموکوپل نوع J ما در مجاورت رطوبت و ریزگرد خیلی زود زنگ زد و قرائت ددما دچار مشکل شد. بار دیگر، ترموکوپل نوع K بدون غلاف مناسب در دمای مکرر ۴۰۰ درجه دچار پیچیدگی کریستالی شد و بیش از ۵۰ درجه خطا داد.
مشکل بزرگ دیگر، دقت و پایداری خوانش است. ترموکوپل نوع K در دمای بین ۰ تا ۴۰۰ درجه بهمرور دقتش تغییر میکند. این مورد به دلیل پدیده Ageing است.. از سوی دیگر ترموکوپل نوع T در محیط های مرطوب و اسیدی مقاومت خوبی دارد اما دامنهاش تا ۳۵۰ درجه است. روشن بود که انتخاب اشتباه، هزینه زیادی برای شرکت داشت: از یک طرف قطعات خراب م یشد و از طرف دیگر با هر خاموش و روشن کردن خط، باید سنسور را دوباره تنظیم می کردیم. روشن بود که انتخاب اشتباه، هزینه زیادی برای شرکت داشت: از یک طرف قطعات خراب می شد و از طرف دیگر با هر خاموش و روشن کردن خط، باید سنسور را دوباره تنظیم می کردیم.
چند نکته کلیدی که از تجربه مان برداشتیم و خوب است که بدانید:
- بدون ترموکوپل درست، دما را حتی به صورت تقریب هم نمی شود پایش کرد.
- ترموکوپل باید در برابر ضربه، لرزش و شرایط سخت محیطی مقاوم باشد.
- دمای عملیاتی، فشار، خوردگی شیمیایی و قرارگیری فیزیکی را در نظر بگیرید.
- تشخیص زودهنگام خرابی مثلاً با نشتی جزئی ولتاژ اهمیت دارد و گاهی باید کابل های جبرانگر مناسبی انتخاب کنید.
مجموع این مسائل به ما ثابت کرد که انتخاب ترموکوپل مناسب یک کار فنی ظریف است. مسئولیت پایش دما بر دوش حسگری است که نسبتاً ساده به نظر می آید، ولی نیاز به آگاهی از فنون انتخاب و نصب آن دارد.
معیارهای مهم در انتخاب ترموکوپل
بعد از تکرار چندین بار همین داستان، تصمیم گرفتیم جدی تر تحقیق کنیم. ابتدا خودمان و سایر همکاران فنی را دور هم جمع کردیم و بررسی کردیم ببینیم چه فاکتورهایی واقعاً تأثیرگذار هستند. در این بررسی به نکات زیر رسیدیم:
- دمای کاری کوره چقدر است؟ آیا نقاطی داریم که تا ۱۰۰۰ درجه یا بیشتر برسد؟ یا برعکس بعضی نقاط زیر صفر است؟ مثلا اگر قرار باشد بالای ۱۲۰۰ درجه کار کنید، ممکن است از ترموکوپ لهای معمول K یا J فراتر برویم و دنبال ترموکوپل نوع N یا حتی نوع C برویم. انتخاب نوع دقیق بر اساس بازه دما بسیار مهم است.
- آیا سنسور در تماس با بخار آب، گازهای اسیدی یا اتمسفر بی اثر کار م یکند؟ مثلا ترموکوپل های نوع K در شرایط اکسیدکننده خوب اند اما در محیط های احیاکننده کاهش دهنده ممکن است کروم خودشان اکسید شود. ترموکوپل نوع J که هادی آهنی دارد، در محیط مرطوب زنگ می زند. بنابراین جنس میله یا روکش هم مهم است. برخی اوقات با استفاده از ترموول یا غلاف محافظ دما میشود از سیم محافظت کرد، مخصوصاً اگر سیال خورنده یا شار حرارتی شدید باشد.
- برای بعضی فرایندها نیاز به دقت میلیناتی داریم و در عین حال باید پاسخ سریع باشد (مانند کنترل حلقه بسته در دستگاه اتوماتیک). معمولا ترموکوپلها پاسخ سریعی دارند، اما اگر سیستم نیاز به دقت خیلی بالا دارد باید کلاس دقت ترموکوپل را در نظر بگیریم.
- چند سال قرار است سنسور عمر کند؟ اگر فرایند دائم دمای بالا دارد، احتمال «پیری» (Ageing) وجود دارد که با یک نوع تثبیتکننده آلیاژ مثلا تایپ N میتوان آن را کاهش داد. ترموکوپلهای جدیدتر مانند نوع N در برابر تغییرات دمایی مزمن پایدارتر هستند.
- آیا در فضایی تنگ سنسور را جا میدهید یا باید انعطاف پذیر باشد؟ معمولا ترموکوپل ها از لحاظ شکل ظاهری یا سیمی هستند یا میله ای. همچنین جنس غلاف را هم انتخاب کرد استیل ضد زنگ، سرامیک، فلنج ضد خورندگی و…. برای مثال ما در کوره از ترموکوپل میلهای با روکش سیلیکون کارباید استفاده کردیم تا هم دوام بیشتری داشته باشد و هم برای دماهای بالا مناسب باشد.
- قرار بود ۲۰ عدد ترموکوپل نو بخریم. روی هم رفته ترموکوپل ها به نسبت سنسورهای دما قیمت خیلی گران نیست اما اگر آلیاژهای خاص بخواهید مثلاً پلاتین-رادیوم یا تنگستن قیمت ها بالا می رود. با توجه به بودجه پروژه تصمیم گرفتیم به دنبال آلیاژ نسبتاً اقتصادی باشیم؛ در واقع اگر بتوانیم نیازمان را با تایپ K یا N معمولی رفع کنیم، خیلی صرفه جویی می شود.
در کل فهمیدیم که بحث انتخاب تنها مربوط به نوع K یا J بودن نیست؛ بلکه طراحی کلی سیستم از انتخاب جنس تا روش نصب در آن دخیل است. مثلا اگر قرار است ترموکوپل در یک مخزن قرار گیرد، آیا نیاز به لوله محافظ (thermowell) داریم یا روی سطح کار می کنیم؟ نیاز است کابل ها عایق خاصی داشته باشند؟ این موارد را روی یک تابلو وایت بورد یادداشت کردیم و یک به یک در نظر گرفتیم.
جستجو و بررسی گزینه ها
با لیست معیارها در دست، شروع کردیم به بررسی بازار. اول از همه، منابع معتبر را خواندیم: مقالات فنی و ویکی پدیا. در ویکی پدیا هم نوشته بود که ترموکوپل ها از دو فلز مختلف تشکیل شده اند و در اثر اختلاف دما ولتاژ تولید می کنند. این تعریف کلی کمک کرد یادآوری شود که اثر سیبک چیست. علاوه بر این، مقاله ای که خواندم می گفت ترموکوپل نوع K بین 200- تا ۱۲۶۰ درجه کار می کند و به دلیل قیمت مناسب و گستره بالا، رایجترین نوع در صنعت است. ترموکوپل نوع N هم مشابه K است ولی با پایداری حرارتی بالاتر. با این حال، نوع N به علت آلیاژ به کار رفته در آن گران تر است.
پادکستها و ویدیوهای آموزشی هم سرچ کردیم. مثلا یک ویدئوی آموزشی ترموکوپل بسیار گویا درباره ساختار انواع ترموکوپل و نحوه انتخاب آن وجود دارد. در آن ویدیو توضیح می دادند که چگونه با نگاه به محیط کاری مثلاً اتمسفر بخار یا جریان ذرات بهترین جنس را پیدا کنیم. تماشای این ویدیو واقعاً دید ما را باز کرد که نباید تنها به محدوده دما اکتفا کنیم؛ بلکه پایداری در شرایط تغییر دما و رطوبت و حتی لرزش هم مهم است. در همین حین با چند فروشنده تجهیزات صنعتی صحبت کردیم. فروشنده ای که تجربه داشت پیشنهاد کرد اگر قرار است ترموکوپل در معرض ساییدگی قرار گیرد، از پوشش سرامیکی یا فنر حفاظتی (thermowell) استفاده کنیم تا سیم ترموکوپل از شکستگی در امان باشد. دیگری گفت برای دمای بالای ۱۱۰۰ درجه، شاید بهتر باشد سریاب یا حسگر پلاتینیومی برای دماهای بالا و غیره مد نظر قرار گیرد، اما با توجه به نیاز و بودجه ما، تا آن حد پیش نرفتیم. مشورت با فروشنده ها بهمون این آگاهی را داد که انتخاب یک سنسور دما ارزانتر ممکن است در درازمدت گرانتر تمام شود، چون عمر کم و خطای بالا می آورد.
در نهایت جمعبندی کردیم که در بیشتر نقاط خط ما، دما بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه است و محیط کلی خشک و تا حدی اکسیدکننده. پس حداکثر موارد ما این بود که:
- تایپ K معمولی یا تایپ N را در نظر داشته باشیم.
- حتما از ترموول محافظ در جاهایی که تماس مکرر با گاز یا مواد دارد، استفاده کنیم.
- کابل جبرانی درجه یک برای استفاده در دمای محیط انتخاب کنیم تا دقت اندازه گیری حفظ شود.
- به گواه مقالات فنی، استفاده از کی تی سی یا خمیر جوشکاری نقره در اتصالات هم عمر ترموکوپل را بالا می برد.
پیگیری این مباحث و مطالعه منابع باعث شد احساس کنیم روی مسیر درستی هستیم و انتخابمان علمیتر شده است.
انتخاب و نصب ترموکوپل مناسب
در نهایت، پس از بحث های زیاد، گزینه نهایی خود را مشخص کردیم: یک ترموکوپل صنعتی نوع K با آلیاژ NiCr-NiAl برای اکثر نقاط، و در یک محل حساس دیگر که دما ممکن است تا ۱۲۰۰ درجه برسد از ترموکوپل نوع N با روکش سیلیکون کارباید استفاده کردیم. علت انتخاب نوع K این بود که اولاً نیاز دما تا ۱۲۰۰ درجه بود و ثانیا در محیط نسبتاً اکسیدکننده ای کار می کند مثل محیط کوره و پخش دود. نوع K در این شرایط دقیق و پایدار عمل می کند و قیمت مناسبی هم داشت. سِری N را به خاطر پایداری طولانی و مقاومت بالا در برابر پدیده Ageing انتخاب کردیم؛ مخصوصاً چون در چند نقطه ای از خط، شاید یک روز گرم و روز بعد سردِ شدید وجود دارد.
توضیح فروشنده هم این بود که افزودن مقداری سیلیکون به آلیاژ همان کاری که در ترموکوپل نوع N شده تغییرات ولتاژ طولانی مدت را کاهش می دهد. به علاوه، نوع N خروجی ولتاژ بیشتری نسبت به نوع K دارد که در محیط های پر نویز الکترومغناطیسی کمک می کند اختلال کمتر شود.در کنار انتخاب آلیاژ، جنس روکش هم مهم بود. ما ترموکوپل ها را داخل یک ترموول سرامیکی نصب کردیم تا در برابر جریان گازی و سایش محافظت شوند. همینطور، کابل جبران کننده ای خریدیم که تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد تحمل کند و مطابق استاندارد رنگ کد بود تا بعدها موقع تعویض دچار سردرگمی نشویم. حتما در انتخاب کابل، استانداردهای رنگ و قطب مثبت/منفی را رعایت کردیم تا خوانش ها یا قرائت های دما عجیب نداشته باشیم.
با همه این ملاحظات، نهایتاً ترموکوپلها را سفارش دادیم و در محل نصب کردیم. نصاب ماهر و دقت در نصب پایلوت خیلی مهم بود؛ مطمئن شدیم اتصالها کاملاً عایق شده و نقطه مرجع (cold junction) در شرایط کنترل شده قرار دارد. همچنین، بعد از نصب، یک بار تمام سنسورها را با دماسنج مرجع مقایسه کردیم و کالیبره کردیم تا مطمئن شویم دقیقا درست کار می کنند.
نتیجه نهایی: دقت و ثبات بالا
بعد از نصب سنسورهای ترموکوپل جدید، اوضاع کاملاً تغییر کرد. همان روز اول که کوره را داغ کردیم، دمای خوانده شده با ترموکوپل نوع K جدید و دماسنج دستی یکی بود که دما در حدود ۹۵۰ درجه بود. تفاوت ناچیزی داشت و محصول تولید شده با کیفیت قبلی مطابقت داشت. در سایر بخش ها هم وقتی ترموکوپل نوع N را استفاده کردیم، شنیدیم که همکاران می گفتند این سنسور که انگار کیلومترها کار کرده یعنی خیلی ثابت عمل می کند.
چند هفته بعد متوجه شدیم دوره های تعمیرات ماشین آلات کمتر شد. دستگاه ها دیگر به خاطر خطای اندازه گیری خاموش نمی شدند. فقط هر چند ماه کالیبراسیون کوچک می کردیم به خاطر مسأله compensation junction که باید چک شود و بس. حتی یکبار باد شدید به ایستگاه ما رسید و تصور می کردیم سنسور می تواند مشکل پیدا کند، اما ترموول سرامیکی از نفوذ هوا جلوگیری کرده بود و اعداد بدون تغییر ماند.
نکات مثبت که به چشم آمد:
– خطای اندازه گیری بیش از یک یا دو درجه نبود (در مقایسه با اختلاف قبلی ۱۰۰-۱۵۰ درجه!).
– نظارت و کنترل فرآیند به شدت سادهتر شد: نیازی نیست اپراتور دائماً نگران عددهای عجیب باشد.
– هزینه نگهداری پایین آمد: در دو سال گذشته فقط یکبار سیم یکی از ترموکوپل ها را عوض کردیم. قبلاً هر سه ماه یکبار حداقل یک سنسور خراب می شد.
– خودمان هم اعتماد به نفس بیشتری پیدا کردیم که دما واقعا همانی است که دستگاه نشان می دهد (و نیاز نبود دستی چک کنیم یا حتی ویدئوی آموزشی یوتیوب ببینیم تا مطمئن شویم! البته اگر مایل باشید می توانید آن ویدیو را تماشا کنید تا ببینید چگونه انواع ترموکوپل کار می کنند).
با کمال صداقت باید بگویم که این تجربه خیلی آموزنده بود. یاد گرفتیم هیچ وقت نباید اهمیت یک سنسور دما را دست کم گرفت؛ یک ترموکوپل درست مثل قلب یک سیستم پایش دماست.
توصیههای فنی
حالا که این تجربه را از سر گذرانده ایم، چند توصیه برای همکاران فنی و مسئولان خرید صنعت دارم:
- نیازتان را دقیق بشناسید، یعنی رنج دمایی، نوع مواد و محیط کاری را بررسی کنید. قبل از خرید، سوالات بالا را با تیم فنی جواب دهید.
- مطالعه و مشورت را جدی بگیرید، یعنی سایت ها و منابع فنی را ببینید برای مثال ویکیپدیا در مورد انواع ترموکوپل صنعتی اطلاعات کلی خوبی دارد. همچنین اگر می توانید از ویدیوی آموزشی استفاده کنید تا عبارات تخصصی را بهتر بفهمید.
- کیفیت را فدای قیمت نکنید، یعنی شاید یک ترموکوپل ارزان تر ابتدا وسوسه کننده باشد، اما اگر دوام نیاورد یا دقت ندهد، هزینه تعمیرات و ضایعات را بالا می برد.
- نصب درست است، حتی بهترین سنسور هم اگر نصب نادرست شود کارایی ندارد. نکاتی مثل ترموول، جنس روکش، کابل مناسب و اتصالات صحیح را حتماً در نظر بگیرید.
- نگهداری و کالیبره دائمی، یعنی پایش دورهای و کالیبره سنسورها را فراموش نکنید. ترموکوپل هم مانند قطعات دیگر نیاز دارد گاهی تست و تنظیم شود تا کیفیت اندازه گیری حفظ شود.
در پایان باید بگویم که این انتخاب حساس و فنی، پیامدهای بزرگی برای ما داشت؛ حالا هر زمان که جریان دما به درستی منتقل شود، آرامش خاطر داریم. امیدوارم تجربیات بالا برای شما مفید باشد و اگر دنبال یادگیری بیشتر هستید، منابع معتبر مانند ویکی پدیا یا فیلم های آموزشی در اینترنت می توانند کمک کنند.