فرسودگی و رانش در ترموکوپل‌های نوع K

با تکرار قرارگیری در معرض دماهای بالا، دقت ترموکوپل نوع K کاهش می‌یابد. فرسودگی پدیده ای بوده که منجر به دمای خوانده شده ی بالاتر از دقیق می شود. در صورتی که رانش منجر به خواندن های پایین تر از دقیق می شود. در صورتی که همه ی ترموکوپل های نوع k فرسودگی و رانش را تجربه می کنند.

ترموکوپل‌های نوع K قابل اعتماد، بادوام و قیمت مناسب، به طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. این ترموکوپل‌ها از مواد معدنی استاندارد ساخته شده‌اند و دارای سه فلز بوده که هرکدام تأثیری بر فرسودگی و رانش دارند. رسانای مثبت از کرومل (آلیاژی از نیکل و کروم) و رسانای منفی از آلومل (آلیاژی از نیکل، منگنز، سیلیسیم و آلومینیوم) تشکیل شده‌اند. فلز سوم، پوشش محافظ بوده که معمولاً از استیل بدون زنگ، آلیاژهای نیکل یا آلیاژهای مشابه ساخته می‌شود.

فرسودگی و رانش معمولاً با تعویض ترموکوپل مدیریت می‌شوند، زمانی که این مسئله مطرح می‌شود که چگونه خروجی ترموکوپل به عنوان پاسخ دما و تغییرات در طول زمان دقت کمتری دارد.

در این مقاله از فروشگاه اینترنتی شهاب المنت، فرسودگی در ترموکوپل نوع K در دماهای بین  oF (316 oC) 600 و oF (649 oC) 1200 اتفاق می افتد. فرسودگی باعث افزایش کوچکی در دمای خوانده شده ی یک حسگر می شود.

فرسودگی و ترتیب بازه‌ی کوتاه در ترموکوپل نوع K

زیر دمای کوری، چرخش‌های مغناطیسی همسایه، در یک وضعیت فرومغناطیسی تراز (یا همجهت) قرار می‌گیرند، حتی اگر هیچ میدان مغناطیسی‌ای وجود نداشته باشد. ترتیب بازه‌ی کوتاه (SRO)، یک حالت ماده بوده که در آن اتم‌ها به صورت منظم و قابل پیش‌بینی کنار هم در یک فاصله‌ی کوتاه تراز می‌شوند.

برای فلزاتی که فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی هستند، SRO به بی‌نظمی چرخش‌های الکترونی از وضعیت تراز (همه به سمت شمال مغناطیسی) به جهت‌گیری تصادفی (به مقدار کم) اشاره دارد. این خصوصیت متالورژیکی، بدون توجه به اندازه‌ی سیم، تولیدکننده‌ی سیم‌های ترموکوپل، یا تولیدکننده‌ی کابل MIMS (کابل دارای روکش فلزی عایق‌شده با مواد معدنی) تکمیل‌شده، که به آنها TI دارای روکش فلزی نیز می‌گویند، بر ترموکوپل‌های نوع K تاثیر می‌گذارد.

در بالاتر از دمای کوری، چرخش‌های مغناطیسی به طور تصادفی با هم تراز می‌شوند، مگر اینکه یک میدان مغناطیسی اعمال شود. ویژگی فرسودگی، یک نوع بی‌نظمی مغناطیسی در ساختار فلز است که امکان دارد منجر به جابه‌جایی‌های کوچک در دمای خوانده‌شده‌ی ترموکوپل شود.

نیکل موجود در رساناها مغناطیسی می باشد. وقتی که نیکل به دمای کوری خود یعنی ۶۶۹ درجه فارنهایت (۳۵۴ درجه سانتی‌گراد) می‌رسد، ویژگی‌های مغناطیسی آن شروع به تغییر یا ضعیف شدن می‌کنند، که این تغییر بر اختلاف ولتاژ تولید شده توسط اتصال فلزات مختلف تاثیر می‌گذارد.

اتفاقات SRO در بازه‌ی دمایی ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه فارنهایت (۳۱۶ تا ۴۸۲ درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد. این اتفاق در دمای پایین‌تر نیز در بازه‌ی ۹۰۰ تا ۱,۲۰۰ درجه فارنهایت (۴۸۲ تا ۶۴۹ درجه سانتی‌گراد) اتفاق می‌افتد.

این جابه‌جایی می‌تواند با یک فرآیند تصحیحی در دمای تقریبی ۱,۶۰۰ تا ۱,۶۵۰ درجه فارنهایت (۸۷۱ تا ۸۹۹ درجه سانتی‌گراد) تصحیح شود، اما باز هم نشان‌دهنده‌ی ویژگی خواص آلیاژهای سیم نوع K است. مقدار جابه‌جایی با هر اتفاقی که به SRO منجر می‌شود، کاهش می‌یابد، و حداکثر انحراف دمای معمولاً در حدود +۵ تا +۶ درجه فارنهایت است.

در زیر، ما یک نمونه معمولی از تغییرات منتظره در دمای خوانده‌شده برای یک ترموکوپل نوع K با پوشش تاب‌کاری‌شده را مورد بررسی قرار داده‌ایم.

• وضعیت شروع: دمای خوانده‌شده‌ی ترموکوپل در حالت معمولی است و از طریق مقایسه با یک پروب مرجع بسیار دقیق (که در یک حوضچه با دمای کنترل‌شده قرار دارد) تأیید شده است. دمای خوانده‌شده ۷۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۳۷۱.۱ درجه سانتیگراد) می‌باشد.
• این ترموکوپل دقیقاً در دمای ۷۰۰ درجه فارنهایت به کار گرفته شده است و یا دقیقاً در همان حوضچه‌ای که دمای آن برابر با ۷۰۰ درجه فارنهایت است، درجه‌بندی شده است. به دلیل ترتیب بازه‌ی کوتاه، دمای خوانده‌شده جدید به ۷۰۲ درجه فارنهایت (حدود ۳۷۲.۲ درجه سانتیگراد) افزایش یافته است، به این معنی که دما به میزان ۲ درجه فارنهایت افزایش یافته است.
• این ترموکوپل، نشانه‌های کاهش ویژگی‌های مغناطیسی را نشان می‌دهد و در حال فرسایش قرار دارد. وقتی این ترموکوپل در دمای ۷۰۰ درجه فارنهایت بکار گرفته شود یا به همان حوضچه‌ی معتبر درجه‌بندی برگردانده شود، دمای خوانده شده جدید به ۷۰۳.۳ درجه فارنهایت (حدود ۳۷۳ درجه سانتیگراد) ارتقا می‌یابد که افزایشی حدود ۱.۵ درجه فارنهایت را نشان می‌دهد.
• در مرحله سوم، عملیات تکرار می‌شود. دمای جدیدی که خوانده شده، ۷۰۴.۵ درجه فارنهایت (حدود ۳۷۳.۶ درجه سانتیگراد) است که نسبت به دمای قبلی یک درجه فارنهایت افزایش یافته است.
• در مرحله چهارم، عملیات تکرار می‌شود. دمای جدیدی که خوانده شده است، ۷۰۵ درجه فارنهایت (حدود ۳۷۳.۹ درجه سانتیگراد) است که با افزایش ۰.۵ درجه فارنهایت همراه می باشد. پس از این لحظه، هر تغییری در دمای خوانده شده بسیار کوچک خواهد بود. در دماهای بالای ۱,۲۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۶۴۹ درجه سانتیگراد)، تغییرات در دمای خوانده شده به آرامی به حالت اولیه بازگشته و تصحیح می‌شود.

انواع دیگر ترموکوپل‌ها نیز با ترتیب بازه‌ی کوتاه (SRO) آشنا شده‌اند و در نتیجه، تغییراتی به سمت افزایش دما را تجربه می‌کنند. به عنوان مثال، در یک ترموکوپل نوع J، سیم رسانای آن از جنس آهن بوده که وقتی به دمای کوری خود، یعنی ۱,۴۱۸ درجه فارنهایت (حدود ۷۷۰ درجه سانتیگراد) می‌رسد، شروع به فرسایش می‌کند.

رانش ترموکوپل چیست؟

رانش در اصل یک جابه‌جایی به سمت پایین در دمای خوانده شده ترموکوپل بوده و ممکن است به نتایج چندین پدیده مختلف منجر شود. این رانش به تداوم کاهش دمای خوانده شده منتهی می‌شود و حتی امکان دارد باعث شکست ترموکوپل شود. به طور معمول، این شکست وقتی رخ می‌دهد که دمای خوانده شده به میزان ۲۵ درجه فارنهایت کمتر از دمای اولیه یا پیش از آن کاهش یابد.

اصلاحات سطحی، به تغییراتی اطلاق می‌شود که ناشی از تعاملات بین مبدل‌های حرارتی و محیط اطراف آن‌ها است.

اصلاحات حجمی، که به تغییرات حجم مبدل های حرارتی مربوط می شوند.

اصلاحات سطحی می توانند به عنوان موارد زیر ظاهر شوند:

1. تعامل با عایق
2. تعامل با روکش
3. آلایش از محیط
4. اکسیداسیون
5. استهلاک المان ها از مبدل های حرارتی

در میان اصلاحات حجمی، پدیده های زیر می توانند مشاهده شوند

• تبلور مجدد
• رشد دانه ای
• تغییر شکل های فاز
• کرنش باقیمانده و نابودی جابه جایی

در سامانه‌های ترموکوپل، به ویژه آنهایی که در گرم‌کننده‌های گازی نصب می‌شوند، این امکان وجود دارد که هم فرسودگی و هم رانش را تجربه کنند. با این حال، پیش‌بینی اثرات واقعی بر سامانه‌های ترموکوپل که شیب حرارتی را به عنوان بخشی از عملیات عادی خود تجربه می‌کنند، بسیار دشوار یا حتی غیر ممکن است.

چگونه فرسودگی و رانش را در یک ترموکوپل نوع K به حداقل برسانیم

در بسیاری از گرم‌کننده‌های گازی، دمای پوسته‌ی تیوب (Tubeskin) زیر ۱,۲۰۰ درجه فارنهایت (۱,۰۹۳ درجه سانتی‌گراد) – که به عنوان ناحیه‌ی فرسودگی شناخته می‌شود – است، در حالی که گاز دودکش بالای ۲,۰۰۰ درجه فارنهایت (۱,۰۹۳ درجه سانتی‌گراد) – که به عنوان ناحیه‌ی رانش معروف است – می‌باشد. فرسودگی قابل پیش‌بینی است، اما رانش کمتر قابل پیش‌بینی بوده و آسیب‌پذیرتر است، که می‌تواند منجر به خرابی سامانه شود.

در ادامه، به برخی از بهترین روش‌های مرتبط با هیتر‌های ترموکوپل پوسته لوله‌ای (TSTC) اشاره خواهیم کرد:

• به حداقل رساندن  میزان گرمای تابشی/همرفتی بر روی ترموکوپل

به عبارت دیگر، تلاش کنید ترموکوپل را بر روی ناحیه‌ای از لوله قرار دهید که بهترین تهویه را دارد. برای طرح‌های دوآتشه، این ممکن است نیمه‌ای از راه را طی کند و نه در یک طرف یا طرف دیگر.

• طرح‌های متوازن و محافظ به تبدیل گرمای تابشی/همرفتی به گرمای رسانا کمک می‌کنند.
• تا حد امکان TSTC را در تماس نزدیک با لوله نگه دارید.

این امر بسیار حیاتی است زیرا لوله به یک رادیاتور حرارتی تبدیل می‌شود. برای جلوگیری از شکستن، باید از مقدار کافی گیره استفاده شود. هر شکافی لوله را به نزدیکی دمای گاز دودی می‌برد، که یک ترموکوپل را در منطقه رانش قرار می‌دهد و در نتیجه، به سنسور آسیب می‌زند.

• هرگونه مسیریابی خارج از لوله را به حداقل رسانده و یا حذف کنید.

بهتر است TSTC را در امتداد لوله به سمت خروجی آن قرار دهید تا این که پرش های طولانی از لوله به خروجی دیوار عمود بر لوله باشد. روکش‌های الیاف سرامیکی مانند Kaowool می‌توانند به خوبی از مشکلات مربوط به تراکم خاکستر جلوگیری کنند، اما نمی‌توانند ترموکوپل را خنک نگه دارند و سنسور را از منطقه رانش، که پرش‌های طولانی از لوله به خارج دیوار را شامل می‌شود، دور نگه می‌دارند.

• خروجی های پیستونی به سیم پیچ های انبساط ارجحیت دارند.

انحنای لوله‌ها احتمال رانش را افزایش می‌دهد و استفاده از خروجی‌های پیستونی می‌تواند این خطر را به حداقل برساند یا از بین ببرد. به خصوص برای کوره‌های پرحرکت مانند کوکرها، استفاده از خروجی‌های پیستونی بسیار حیاتی است.