گرچه دما از نظر ترمودینامیکی تعریف شده است، اندازه گیری دما ترمودینامیکی بسیار دشوار است. در عوض جامعه بین المللی اندازه گیری از طریق کنفرانس (CGPM)، مقیاس تقریبی ترمودینامیکی که بر اساس دماسنج های عملی و درون یابی بین نقاط ثابت با دمای تعریف شده است را ارائه می دهد.

نقاط ثابت عبارتند از دمای ذوب و انجماد و نقطه سه گانه مواد مختلف خالص و دماسنج‌ های درون یابی شامل دماسنج های مقاوم  پلاتینی، دماسنج های تابشی، دماسنج های فشار بخار و دماسنج های گازی با حجم ثابت هستند. این مقیاس به اندازه کافی دقیق و قابل تکرار می باشد و با هزینه کم و برای برآوردن تقریبا تمام ایمنی تجارت و نیازهای تحقیقاتی قابل دسترس است.

در فواصل تقریبی 20 سال، مقیاس به روز می شود تا با آخرین اندازه گیری ها و تکنیک های اندازه گیری ترمودینامیکی مطابقت داشته باشد. مقیاس کنونی مقیاس بین المللی دما در سال 1990 ITS-90،  یا  (Preston-Thomas ، 1990) و تمام اندازه گیری های دما باید با ITS-90 قابل ردیابی باشد. مقیاس های قبلی در سالهای 1927 1948 و 1968 تعیین شده و در صورت لزوم درجه حرارت مقیاس با زیرنویس مطابق با سال مقیاس  مشخص می شود برای مثال T₆₈ (K) یا T₆₈ (◦C) برای دمای اندازه گیری شده در مقیاس 1968 مشخص می شود.

ITS-90 امکان اندازه گیری از 0.65 K تا حداکثر درجه حرارت قابل اندازه گیری را از نظر قانون تابش پلانک فراهم می کند.  اخیر افزایش مقیاس درجه حرارت پایین موقتی ، PLTS-2000 ، (Rusby و همکاران ، 2001) یک تعمیم برای  دما پایین است که امکان اندازه گیری تا 1mK را فراهم می کند. شکل 1 نمودار شماتیک و کلی عناصر ITS-90 و PLTS-2000 را نشان می دهد.

به طور قابل توجهی محدوده دمایی مهم از 13K تا 962  ̊C  بر اساس استانداردهای  دماسنج های مقاومتی پلاتینی ، SPRT که راحت ترین استفاده و درجه بندی دماسنج های ITS-90 هستند ، تعریف شده است. صحت ITS-90 از حدود 0.2 mK تا 0.65 K در نزدیکی دمای اتاق ، حدود 5 mK در 960 ̊C  برای SPRT ها، تا حدود 0.1 ̊C در  960 ̊C برای دماسنجهای تابشی است و در دمای بالا به عنوان T² افزایش می یابد.

Bureau International des Poids et Mesures، BIPM (www.bipm.fr) ، دستورالعمل هایی را با ارجاع گسترده به مقالات علمی (BIPM, 1990a) برای کمک به تحقق ITS-90 منتشر می کند. راهنمای دوم (BIPM, 1990b)  توصیه هایی در مورد کالیبراسیون و تکنیک های تقریب ITS-90 با استفاده از دماسنج ها و روش های دیگر ارائه می دهد. از نقاط ثابت ثانویه (Bedford و همکاران ، 1996) می تواند برای کالیبراسیون دماسنج ها در دماهایی غیر از دمای تعیین شده توسط نقاط ثابت ITS-90 استفاده کرد.

شکل 1: راهنمای ویژگی های اصلی ITS-90. درجه حرارت دمای نقاط ثابت هستند که توسط ITS-90 یا PLTS-2000 تعریف شده اند.

علم مقیاس دما در Quinn (1990) و Schooley (1986) شرح داده شده است ، در حالی که اصول کالیبراسیون و اندازه گیری عملی دما در Nicholas and White (2001) و Bentley (1998) شرح داده شده است. متون کلی تری که نمای کلی روشهای مختلف اندازه گیری دما را ارائه می دهند ، شامل Childs (2001) ، McGee (1988) و Michalski  و هکمارانش (2001) است.

1. کالیبراسیون سنسورهای دما پایین

خواص مواد در دمای زیر  150 K به طور قابل توجهی نسبت به  مقادیر آنها در دمای اتاق  تغییر می کند. به ویژه اینکه با کاهش دما، رسانایی گرمایی رساناهای خوب مانند فلزات افزایش می یابد و ظرفیت حرارتی همه مواد کاهش می یابد. در نتیجه ، حذف شیب دما و نشت گرما به طور فزاینده ای دشوار می شود. برای انجام اندازه گیری در دمای پایین، آگاهی از تکنیک های دمای پایین ضروری است (White and Meeson ، 2002). برای درجه حرارت بین 13 K تا 273 K ITS-90 بر اساس SPRT های کپسولی تعریف شده است (شکل 2).

شکل2: ساختمان یک دماسنج استاندارد کپسول مقاوتی پلاتین  در برابر دمای زیر 156 درجه سانتی گراد. دماسنج های مقاومتی رادیوم -آهن ساخت مشابهی دارند.

در دماهای پایین تر ، ITS-90 بر حسب دماسنج گاز و دماسنج فشار بخار تعریف می شود. اینها چندان راحت نیستند ، و تحقق ITS-90 معمولاً همزمان با کالیبراسیون سنسورهای راحت تر مانند دماسنج های مقاومتی آهن و رادیوم انجام می شود. اینها از نظر الکتریکی شبیه SPRT هستند اما حساسیت (dR/dT) بسیار زیادی برای دمای تا 0.5 K را دارند.

برای برخی از محدوده های دما بالاتر از 0.5 K ، دماسنج های فشار بخار ممکن است دماسنج های مرجع مناسبی باشند. آنها دقیق ، ساده ساخته شده ، نسبتاً ایمن هستند. اثرات سیستماتیک به جز ناخالصی ها ، و جداول مربوط به تعدادی از مایعات مختلف (BIPMb) منتشر شده است. اگر چه، آنها به دمای کاملاً محدود منحصر می شوند و برای برخی از محدوده ها، مایع مناسب وجود ندارد.

یک بلوک مسی که با استفاده از نیتروژن یا بخار هلیوم خنک شده و توسط پوشش های (سپر) تابشی احاطه شده است ، یک محیط کالیبراسیون معمولی است. بلوک مسی دارای چندین سوراخ برای نصب دماسنج های مقاومتی پلاتینی یا مقاومتی  رادیوم – آهن و دماسنج های تحت کالیبراسیون است. از گریس خلاء یا گاز هلیوم برای اطمینان از تماس حرارتی مناسب استفاده می شود.

برای دمای بالای 4 K نیز می توان از یخچال های سیکل بسته استفاده کرد که راحت تر و سریعتر از سردسازی (تبرید) هلیوم مایع هستند. دستورالعمل های BIPM برای ITS-90 (BIPMa, BIPMb)  تعدادی از طرح های موفق سیستم های سرماسنج مناسب را توصیف می کند.

بسیاری از حسگرهای مختلف برای استفاده در دماهای پایین از جمله دماسنج های مقاومتی ژرمانیوم ، دماسنج های مقاومتی کربن و دماسنج های دیودی در دسترس هستند. از آنجا که نیمه هادی ها غیرخطی هستند ، این دستگاه ها به تعداد نسبتاً زیادی نقاط کالیبراسیون نیاز دارند (بسته به محدوده دما 15 تا 30 درجه).

2. کالیبراسیون سنسورهای دما متوسط

در محدوده 150 K تا 350 ̊C دما بر حسب SPRT ساقه بلند (شکل 3) ، با صحت حدود 1mK تعیین شده است. در سطح بعدی صحت 5mK تا 50 mK ، مفیدترین دماسنج های مرجع دماسنج های صنعتی مقاومتی پلاتین هستند اینها باید از مقاومت 4 سیم(4- Wire)   برای از بین بردن مقاومت سرب استفاده کنند و سیم پلاتین تا حدی برای جلوگیری از فشار و اثرات پسماند پشتیبانی شده باشد.

سایر دماسنج های مرجع مناسب شامل دماسنج های مایع در شیشه و ترمیستورها می باشد که برای رنج های محدود دما و ترموکوپلهای فلزی کمیاب مناسبتر است (به مقاله 196 ، حسگرهای دما ترموکوپل جلد 3 مراجعه کنید). سایر دماسنج ها از جمله ترموکوپلهای فلزی پایه (بر پایه نیکل) به دلیل عدم ثبات و قابلیت اطمینان عموماً مناسب نیستند.

شکل3: یک دماسنج استاندارد ساقه بلند مقاومت پلاتینی برای استفاده در دمای بالای 150 K : الف) مجموعه کامل در کیف حمل و (ب) نمای نزدیک عنصر حسگر

از آنجا که این محدوده دما شامل بخش بزرگی از فعالیت اندازه گیری دما است ، اکثر تجهیزات به صورت تجاری در دسترس هستند. چندین شرکت در زمینه تأمین تجهیزات دماسنج تخصص دارند و می توانند آزمایشگاه کالیبراسیون کامل را برای هر سطح صحت اعم از اجرای کامل ITS-90 در ±1mK to تا آزمایشگاه همه منظوره در ±1K  انتخاب کنند.

انتخاب وسیعی از واسطه های کالیبراسیون در دسترس است که حمام های مایع هم زده (به عنوان مثال شکل 4) راحت ترین استفاده را دارند. بسته به دما ، مایعات از پارافینهای سبک ، متانول ، روغن های معدنی سبک ، آب (با و بدون یخ) ، روغنهای معدنی سنگین و روغنهای سیلیکون ، از طریق مخلوط نمکها دسترسی به دمای حداکثر 500 درجه سانتیگراد متغیر است.

به طور کلی ، هر مایع قادر است دمای حدود 80 درجه سانتی گراد مابین دمایی که در آن خوب هم زده می شود (حداکثر ویستوزیته سینماتیکی حداکثر 30 سنتی استوک) و دمایی که در آن تبخیر بیش از حد یا تجزیه احتمالی است  را فعال کند. روغن های سیلیکون  گرچه گران هستند ، اما دامنه مفیدی در حدود 160 درجه سانتی گراد دارند و نمک های مذاب دامنه حدود 200 درجه سانتی گراد را فعال می کنند.

در سال های اخیر ، کالیبراتورهای بلوک خشک برای کالیبراسیون محبوب شده اند. با این حال ، طراحی حرارتی آنها به گونه ای است که آنها مستعد شیب درجه حرارت 1% تا  اختلاف دما نسبت به دمای محیط هستند. آنها برای برخی از کالیبراسیون های صنعتی مناسب هستند اما برای کارهای آزمایشگاهی مناسب نیستند. بسترهای ماسه ای سیال شده نیز می توانند برای دماهای بالاتر استفاده شوند اما می توانند گرد و خاک داشته باشند و مستعد شیب بزرگ دما باشند. نیکلاس و وایت (2001) توصیه های گسترده ای برای کالیبراسیون دماسنج در این محدوده ارائه می دهند.

شکل 4: حمام کالیبراسیون به سبک سرریز. طراحی هم مرکز ،کنترل خوب ، جریان بی نظم و دید افقی را برای اطمینان از خواندن آسان دماسنج های مایع در شیشه فراهم می کند.

آنها اثرات مهم در کالیبراسیون دماسنجهای مایع در شیشه ، دماسنجهای مقاومتی پلاتین ، ترموکوپل ها و دماسنج های تشعشعی را شرح می دهند و شامل روشهای نمونه و تجزیه و تحلیل عدم قطعیت هستند. کتابهای دیگری که جنبه های منفی دماسنج ها را علاوه بر اصول عملکرد توصیف می کنند ، شامل BIPM Guide (1990b)  و کتاب سه جلدی بنتلی (1998) است.

3. کالیبراسیون سنسورهای دما بالا

در دمای بالای 350 درجه سانتی گراد دو دماسنج با ITS-90 وجود دارد-SPRT تا 960 درجه سانتی گراد و دماسنج های تابشی برای همه دمای بالای 960 درجه سانتی گراد. دماسنجهای تابشی را می توان در دماهای زیر -50 ̊C نیز استفاده کرد اما صحت  آنها معمولاً در بهترین حالت 0.1 ̊C  است ، در حالی که SPRT ها تا چند میلی کیلوین دقیق هستند. ترموکوپلهای فلزی کمیاب نیز دماسنج های مرجع مفیدی برای دمای بالای 450 درجه سانتیگراد هستند که دماسنج های صنعتی مقاومت پلاتینی غیرقابل اعتماد می شوند. طلا – پلاتین و ترموکوپل های پلاتین -پالادیوم تقریباً به خوبی عمل می کنند به عنوان SPRT با دقت 5mK یا بیشتر تا 1000 ̊C ، و برای پلاتین-پالادیوم ، با دقت  0.15K یا بهتر تا 1500 ̊C.

در دمای بالای 350 ̊C، هدایت حرارتی اغلب تحت تابش الکترومغناطیسی (مادون قرمز) است. به عنوان مثال ، سطوح نزدیک به 500 درجه سانتیگراد تقریباً   20 kW.m^-2  تابش می کنند. بدست آوردن محیط کالیبراسیون با شیب درجه حرارت کمتر از 1 ̊C در این شرایط دشوار است. برای بالاترین صحت ، لوله های حرارتی استفاده شده  است که یا باز هستند (تحت کنترل فشار) یا بسته هستند که حاوی مایع خالص تحت خلاء (شکل 5).

هنگامی که فشار بخار مایع کافی است و تمام سطوح ظرف مرطوب است ، هدایت حرارتی موثر ظرف می تواند به دلیل جذب و انتشار گرمای نهان در سطح سیال ، 105 برابر مس باشد. جیوه ، سزیم ، پتاسیم و سدیم همه برای لوله های حرارتی استفاده می شوند که هر کدام حدود 250 درجه سانتیگراد تا 400 درجه سانتی گراد را پوشش می دهند. پوشش های کوره لوله ای حرارتی در دسترس هستند.

کالیبراسیون ترموکوپل های فلزی کمیاب (انواع B ، R و S) با جوش دادن اتصالات ترموکوپل به یکدیگر بهتر است. این امر به طور همزمان الزامات حصول اطمینان از این که اتصالات مرجع در تماس حرارتی نزدیک و در دمای یکسان هستند را برآورده می کند و هر اتصال برای جلوگیری از ایجاد ولتاژهای کاذب ایزوترمال است. از آنجا که ولتاژ Seebeck در گرادیانهای دما در سیمها تولید می شود و نه در محل اتصال، کالیبراسیون ترموکوپل تنها در صورتی معنی دار است که گرادیان های دما را می توان تولید کرد یا سیم ها هم جنس و همگن باشند. برای بالاترین صحت کار ، یک آزمایش همگن برای اثبات همگن بودن سیم ضروری است (بنتلی 1998 ، ASTM 1993).

ترموکوپل های فلزی پایه معمولاً کالیبره نمی شوند مگر به عنوان نمونه های نماینده یک دسته. عملیات حرارتی آلیاژهای فلز پایه باعث ایجاد ناهمگنی تا 8 درجه سانتی گراد می شود (در نوع K ، کمتر در انواع دیگر) که استفاده از آنها اغلب باعث میشود کالیبراسیون ترموکوپل ها بیهوده  شود.

شکل 5: قسمتی در امتداد محور اصلی آستر کوره لوله حرارتی بسته. فتیله با مایع اشباع شده است به طوری که تبخیر در نقاط گرم و تراکم در نقاط سرد حرارت را از طریق گرمای نهان تبخیر با تغییر تقریباً صفر حرارت منتقل می کند.

دماسنج های تابشی با استفاده از جسم سیاه کالیبره می شوند حفره هایی که بر اساس قانون تابش پلانک ، ساطع کننده های کامل را شبیه سازی می کنند. برای بالاترین صحت ، از اجسام سیاه نقطه ثابت با استفاده از نقاط انجماد تعریف شده ITS-90 باید استفاده کرد. بدنه سیاه دمایی متغیر  از ترموکوپل های فلزی کمیاب به عنوان دماسنج مرجع استفاده می کنند ، برای کالیبراسیون دماسنج های تشعشعی عمومی با دقت حدود 1 ̊C مناسب ترند. هر دو بدنه نقطه ثابت و متغیر به صورت تجاری در دسترس هستند. Quinn (1990) یک مرجع کلیدی برای دماسنج تابش اولیه است ، DeWitt و Nutter (1988) اطلاعات گسترده ای در مورد تئوری و عملکرد دماسنج تابشی ارائه می دهند و Nicholas and White (2001) دستورالعمل هایی در مورد استفاده و کالیبراسیون دماسنج های تابشی با اهداف عمومی ارائه می دهد.

4. جداول مرجع ترموکوپل

ترموکوپل های دارای حروف دیگر نه با ترکیب آلیاژ بلکه با معادلات ریاضی تعریف می شوند. این امر به تولیدکنندگان این امکان را می دهد که آلیاژها را برای محیط ها و درجه حرارت های مختلف طراحی کنند. بنابراین برای اطمینان از صحت سیمهای ترموکوپل فقط باید به صورت جفت خریداری و استفاده شود. تعاریف ریاضی اغلب به صورت جداول ارائه می شوند و فرض می کنند که محل اتصال مرجع در 0 ̊C (نقطه یخ) است.

محدوده دما ، ترکیب و تحمل تولید طیف وسیعی از انواع ترموکوپل ها در جدول 1 خلاصه شده است. ترموکوپل های فلزی پایه (انواع E ، J ، K ، N و T) همه دارای نیکل در یک یا هر دو سیم هستند. آنها دارای ضریب Seebeck بالا،بالاتر از 0 ̊C  >30 µV/◦C )،( صحت متوسط ​​(تقریبا 0.5 ◦C ± 0.5%  خوانش) هستند و هزینه کمی دارند. ترموکوپلهای فلز نجیب یا فلز کمیاب (انواع B ، R و S) همگی دارای پلاتین در هر دو سیم هستند. آنها ضریب Seebeck کم (تقریبا  10 µV/◦C) دارند اما صحت بالاتری دارند (تقریباً 0.2 ◦C ± 0.05%) و نسبتاً گران هستند.

جداول ترموکوپل های دارای حروف در وب سایت  (http://srdata.nist.gov/its90/main/) قابل مشاهده است. کاربران باید توجه داشته باشند که نام حروف یکسان ممکن است برای ترموکوپل های مختلف استفاده شود. به عنوان مثال ، تجهیزات اروپایی تولید شده قبل از 1993 با استفاده از سیم نوع J ممکن است از استاندارد DIN Type J قدیمی تر (Deutsches Institut fur Normung e. V.) ساخته شده باشد که در برخی درجه حرارت ها چندین درجه با (کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک) IEC متفاوت است. از سال 1990 استانداردهای ترموکوپل هماهنگ شده اند و DIN نوع J قدیمی تر اکنون به عنوان نوع L شناخته می شود. ترموکوپل های نوع T و نوع U به طور مشابه مرتبط هستند.

تعدادی ترموکوپل تخصصی مفید بدون نام حروف رسمی وجود دارد. انجمن آزمایش و مواد آمریکا ، در استانداردهای ASTM E988 و ASTM E1751 انواع ترموکوپل های اضافی شامل سه ترموکوپل تنگستن -رنیوم را که دارای نام حروف غیر رسمی هستند ، توسط بسیاری از تولید کنندگان (انواع C ، D و G) تشخیص داده شده و و در دماهای بالا و کاهش اتمسفر مفید هستند ، تعریف می کند. ASTM E1751 شامل تعاریفی برای ترموکوپل های پلاتین – طلا و پلاتین – پالادیوم است که هر دو از سیم های فلزی خالص برای جلوگیری از مشکل ناهمگن بودن سایر ترموکوپل ها استفاده می کنند و برای دمای زیر 960 درجه سانتی گراد تا چند میلی کیلوین دقیق هستند.

توصیه های خوبی در مورد استفاده از ترموکوپل های مختلف در کتابچه راهنمای ASTM (ASTM 1993) و در بنتلی (1998) یافت می شود.

خلاصه محدوده دما و ترکیب برخی از ترموکوپل های رایج و مفید. جدول 1:

• تلرانس مجاز خارج از نتایج کالیبراسیون به چه معناست؟
• کالیبراسیون چیست و تاریخچه آن به کجا باز می‌گردد؟
• آیا باید دیتالاگر خود را کالیبره کنیم؟

آزمایشگاه کالیبراسیون شرکت سنجشگران میزان ابزار ضمن بهره‌مندی از تجهیزات مرجع با قابلیت ردیابی به استانداردهای بین‌المللی، بر اساس گستره عملکردی، گواهینامه تایید صلاحیت و استانداردهای ملی و بین‌المللی خدمات خود را توسط کارشناسانی مجرب ارائه می‌دهد.

مطالب بیشتر در اینستاگرام ما.