מהפכה בתחום הטמפרטורה

מדידות טמפרטורה עם טרמוקפלים (צמדים טרמיים) -הדור הבא.

הקדמה

אנחנו נמצאים היום במהפכה התעשייתית ה- 4 המאופיינת בחידושים טכנולוגיים פורצי דרך בתחומי הפארמה, המדיקל, תחומים תעופתיים ותחומי הרכב.
פיתוחים אלה דורשים אמצעי ייצור חדשים ומתוחכמים התואמים לדרישות תקנים המתעדכנות מדי פעם ומחמירות בדרישותיהם.
מפעלים ותעשיות משקיעים הון עתק מתוך הצורך לשפר ולייעל את תהליכי הייצור.
מדידות טמפ' היא אחת מאמצעי המדידה הנפוצים ביותר בתהליכים אלה ,מתוך הצורך לרמת דיוק גבוהות יותר, יציבות בתהליכי מדידה ואמינות בתוצאות.
לצורך כך פותח בשנים האחרונות דור חדש של חיישני טמפ' (טרמוקפלים=צמדים טרמיים) שבו נידון במאמר זה.
במדידות טמפרטורה יש מספר טכנולוגיות מובילות ורוב אמצעי החישה (גששי טמפרטורה) הם במבנה המבוסס על שינוי סיגנל חשמלי,כמו: זרם, מתח או התנגדות.
•  טרמוקפל, אינפרא רד,סמיקונדוקטור –מבוססים על יציאת מתח או זרם.
•  RTD’S ו טרמיסטור – מבוססים על שינוי התנגדות.
בין שיטות המדידה הנפוצות ביותר, הינו הטרמוקפל שהינו מכונה גם הצמד הטרמי ,שנים רבות התעשייה עובדת עם טרמוקפלים מסוגים שונים ( J,K,E,T,R,S,T ואחרים) ובתקופה
האחרונה חלה התפתחות משמעותית גם בתחום זה.

טרמוקפלים – צמדים תרמיים

שיטת מדידה זו היא בעלת תחום המדידה הרחב ביותר ,ממינוס 200 – ועד מעל 2000 מע' צלסיוס, יתרונה של השיטה אף במדידה של מקומות קטנים ,ובמקומות עם ויברציות גבוהות וזמן התגובה שלו הוא המהיר מכל החיישנים.
הטרמוקפל בנוי משתי מתכות לא זהות בעלי צומת בקצה(צומת חמה אשר מבצעת את המדידה) ואשר יוצרת מתח חשמלי הקרוי EMF) ELECTROMOTIVE FORCE) ,מתח זה נמצא ביחס ישיר לצומת קרה וההפרש ביניהם (צומת חמה וקרה) מתורגם לשינוי מתח ע"י בקר ומכשיר חשמלי אשר מתרגמים אותו ליחידות טמפרטורה.

לטרמוקפלים יש סדרת תקנים מארצות שונות המאחדות אותם תחת שינוי מ- mV לטמפרטורה.
כפי שציינו הצומת החמה אשר מבצעת את המדידה קובעת את זמן התגובה ורגישות החישן ככל שהחיישן דק יותר והצומת קרובה לחומר הנמדד הרגישות תהיה גבוהה יותר.

ישנה חשיבות אם הצומת תהיה גלויה,מאורקת או מבודדת.
הצומת הקרה למעשה היא נקודת ייחוס, לכן חשוב שהיא תהיה מבוקרת ויציבה, כמו כן כבלי הארכה של הטרמופלים צריכים להיות בעלי תפוקה זהה של EMF ומחוברים לאותו סוג של טרמוקפל.
הצלבה בין הכבלים או שימוש בכבל לא מתאים יגרום בוודאות לשגיאה בקריאה.

*** לקבלת טבלת צבעי זיהוי של טרמופקלים בחינם– ניתן לפנות אלינו

בעיות נפוצות בטרמוקפלים שמלוות אותנו עשרות שנים :

• תופעת DRIFT בטרמוקפלים מסוג מינרל- MI CABLE הגורמת לשגיאת מדידה בטמפ' גבוהות.
• אי יציבות לאורך זמן של חוטי טרמוקפל שגורמים לשגיאת מדידה ולסטיות חיוביות בטמפ' הנמדדת.
• בעיית אטימות טרמוקפלים בעת ביצוע ואלידציות ומדידות טמפ' באוטוקלבים ותנורים.
• הדיוק המוגבל של הטרמוקפל בהשוואה לרגשים התנגדותיים(התקינה ישנה ומוגבלת בדיוק).

חברת TEWIRE מוכרת כחברה מובילת ידע במדידות טמפ' שהתמחתה בייצור כבלים וחוטי טרמוקפלים מאז 1941 .

החברה פעילה ב- 3 תחומים עיקריים: תעשיית המטוסים החלל וחומרים מרוכבים,מטלורגיה.
לחברה מעבדות כיול המאושרות ע"י NIST-National Institute of Standard and Technology והיא מוסמכת לספק תעודות כיול ובכך לספק מוצרים איכותיים במחיר נמוך.
לחברה יכולת לספק תעודות כיול לכל נקודה שבין C….+1316 C79 – והן תואמות לדרישות תקן הבאות: MIL STD45662A, ANCI/NCSL-Z540, AMS2750 , ASTM E220, ISO/IEC Guide 25 ,ASTM E207
החברה היא חלק מקבוצת Berkshir/Hathaway בהנהגתו של וורן באפט המשקיע האגדי.

חברת TEWIRE משתפת פעולה עם קבוצת מחקר מאוניברסיטת קיימברידג' וכמובילת ידע וחידושים היא רכשה מס' פטנטים שהביאו לייצור סידרת טרמוקפלים מתקדמים שפתרו את הבעיות שהוזכרו לעיל ומציעים דור חדש של טרמוקפלים לתעשייה.

 

פתרון מס . 1 – לבעיית ה- Drift של טרמוקפלים מסוג מינרל- ייצור טרמוקפלים במעטפת מתכתית כפולה בטכנולוגיית MI CABLE

כדי לפתור בעייה זאת רצוי להכיר תחילה מהו ייצור רגשי טמפרטורה ושימוש ב Mineral Insulated metal sheathed :-
כיום מרבית גששי טמפרטורה מיוצרים בשיטה זו ובעיקר למדידת טמפ' גבוהות שמעל 400C . שיטה זו אידיאלית למדידה בתעשייה ובמעבדות מחקר.
שיטה זו מבוססת על מעטפת ממתכות שונות המכילה מגנזיום אוקסיד (MgO) המצטיינת בבידוד חשמלי גבוהה ומוליכות טרמית טובה ובתוכם מוליכי טרמוקפל או מוליכי ניקל.
מספר המוליכים יכול להשתנות בהתאם ליישום.
השיטה טובה לשימוש בנוזלים, מוצקים וגזים,  מבחר סוגי המעטפת שמשמש הגנה על המוליכים הפנימים גדול וכתוצאה מזה יש את היכולת להתאים לכל תהליך את סוג המעטפת המתאימה לו.

יתרונות של השיטה: אטום ומוגן בפני השפעות של קורוזיה וחימצון , ניתן לעיבוד , ריתוך והלחמה ,זמן תגובה מהיר , עמידות מכנית גבוהה , מידות קטנות, קל להתקנה ועוד…
כיום מיוצרים בארץ הגששים במידות שונות מ- 0.5 ממ לטרמוקפלים ו – 1.6 ממ ל PT100 ובמספר רב של קטרים ומעטפות מתכת שונות.
ל- 2 סוגים של טרמוקפלים מסוג K ו N קיים שימוש נרחב בטמפ' גבוהות ולפיכך יש להם אורך חיים מוגבל.
תוצאות בדיקות של טרמוקפלים במבנה MI , מראים שרגשי טמפי מסוג K והנמצאים בשימוש בתנורים לייצור חלקים עבור תעשיית התעופה, מוגבלים בזמן פעולתם והםפונקציה של מחזורי פעילות התנורים.
אורך החיים מוגבל מבחינת היכולת לעמוד בתקני הדיוק הנדרשים.

מהי תופעת ה DRIFT : בטמפ' גבוהות שמעל 700C חל שינוי בהתנהגות של המתכת Chromel שהוא המרכיב החיובי בצמד המתכות CHROMEL-ALOMEL שמהם בנוי טרמוקפל מסוג K.

שינוי זה גורם לתוספת חיובית של מתח והתוצאה היא סטיה חיובית של מתח יציאה .לדוגמא: נדרש לייצב טמפ' עבודה של תנור ל- 1000 מעלות צלסיוס.  הסטייה המותרת היא 4 מעלות צלסיוס אולם בפועל הסטייה יכולה להגיע ל- 14 מעלות צלסיוס.

הצורך הגובר באמינות ודיוק גבוה מרגשי טמפ' היה הכח המניע להתחיל בתהליך חקירה ארוך ומפורט על מנת להבין מדוע קיים DRIFT – זליגה.
עם שאלת החקר הזאת החליטו להתמודד קבוצת חוקרים מהמחלקה להנדסת חומרים ומטלורגיה שבאוניברסיטת קיימברידג' באנגליה.

המחקר המעמיק נמשך כ- 6 שנים שבסופו של דבר הגיעו למסקנה הבאה: מעטפת ההגנה המתכתית החיצונית של טרמוקפלים מסוג מינרל הם הסיבה העיקרית לשינויים במבנה של המוליך המתכתי מסוג CHROMEL וכתוצאה מכך לתופעת ה- DRIFT שגדלה במיוחד בטמפ' גבוהות 900 … 1260 מעלות צלסיוס.
אותה מעטפת הגנה שאיפשרה שימוש בטרמוקפלים למדידה טמפ' גבוהות למשך תקופה ארוכה היא זאת שגם גורמת לתופעת ה- DRIFT .
עבודת מחקר זו הביאה לתיכנון ופיתוח רגש מינרל מסוג MI המנטרל את השפעת הזיהום על המוליכים הפנימיים ושמקורה במעטפת המתכתית של ה- MI .

הפתרון : לאחר שהוכחה הסיבה ל DRIFT ,השלב הבא היה להקטין את הזיהום שמקורו במעטפת החיצונית ושעבר דרך שכבת המגנזיום אוקסיד והשפיע על ההרכב הכימי של המוליכים הפנימיים של הטרמוקפל.
הפתרון נמצא במעטפת נוספת שחצצה בין המוליכים הפנימיים למעטפת החיצונית מתוך מטרה לחסום אפשרות זיהום מוליכי הטרמוקפל שמתפתח כאמור בטמפ' גבוהות חברת TEWIRE ביחד עם אוניברסיטת קיימברידג' פיתחה פטנט עולמי בהם יצרה מעטפת הגנה מתכתית פנימית העוצרת ומפחיתה מעבר חלקיקים אטומיים (מזהמים) מהמעטפת החיצונית לחוטי הטרמוקפל הפנימיים.
כמובן שסוג מעטפת ההגנה ותהליכי הייצור הוגנו ע"י סדרת פטנטים.

 

פתרון מס 2 . בעיית יציבות הטרמוקפלים. Stabilized

אנו יודעים שברגע שאנו עובדים עם חוטי טרמוקפלים חשופים עם מעטפת סיבי זכוכית או סיבי קרמיקה, נוצר תהליך טבעי ששמו DRIFT סחף , דבר זה גורם לנו לאבד את דיוק המדידה ובפועל לייצר מוצרים אשר יתכן ולא עומדים בתקן הנדרש. השינוי בתכונות הטרמוקפל מיוחסות לסדר האטומים במתכות.

כאשר נעשה שימוש בתחומי טמפ' של 538C ומעלה, חלק מהאטומים של ה + (מתכת Chromel) מארגנים את עצמם ממצב רנדומלי למצב מסודר Ordered State .
סידור האטומים מחדש גורם לכך שהמתח Emf של המוליך החיובי יהיה גבוה מהטמפ' האמיתית. כל שגיאה הנובעת מדריפט, מתווספת לשגיאה המותרת עפ"י התקן.

הפתרון : חברת TEWIRE פיתחה תהליך ייצור ייחודי המבוסס על עשרות שנות ניסיון ושמקטין באופן משמעותי את בעיית הדריפט. סידרה זו נקראת Stabilized .
סידרה זו פותחה רק לשני סוגי טרמוקפלים מסוג K ו E מכיוון שלשניהם יש מוליך + משותף הנקרא Chromel המהווה את הסיבה לדריפט.
מוצר זה נבדק ואושר ברמות הגבוהות ביותר ורוב התעשיות עובדות כיום עם מוצר זה.

 

פתרון מס 3 . בעיית LEAKAGE.

אחת הבעיות הידועות שטרמוקפל מגיע עם מעטפת של כבל גמיש כמו טפלון ,פיויסי, או אחר.
הטרמוקפל אינו ניתן לאטימה ובתהליכים רבים החומר מהתהליך יוצא לכיוון המעגל האלקטרוני ובמקרים רבים פוגע בו. כנ"ל גם קיימת בעיית אטימה במדידת טמפ' או בדיקות ואלידציה באוטוקלבים.

הפתרון : חברת TEWIRE פיתחה טרמוקפל AccuClave Thermocouple Assemblies שבו מעטפת הכבל יצוקה עם הטרמוקפל ועם תקע היציאה ויוצרים אטימה מוחלטת.

מוצר זה משנה את כללי המשחק ומאפשר בדיקות טמפ' ומיפוי אוטוקלאבים ללא חשש לדליפות.
ראוי לציין שכל טרמוקפל מגיע עם תעודת כיול ב 3 נקודות טמפ'.
היתרון הגדול נמצא במחיר הזול הכולל בסופו של דבר טרמוקפל אטום לדליפות ותעודת כיול הניתנת למעקב דרך אתר החברה.

 

פתרון מס 4 . הדיוק ACCUTHERM High Accuracy Thermocouple Wire

אחת התכונות החשובות ביותר לקבלת תוצאות טובות היא בחירת חיישן בדיוק מתאים.

לכל חיישן רמת דיוק שונה .הטרמוקפלים כיום מחולקים ל 2 רמות דיוק ספישל וסטנדרט.

כידוע, מדידת טמפ' הוא אחד הפרמטרים החשובים והנפוצים בכל תהליך ונדרשת ממנה רמת דיוק גבוהה ביותר שהוא פועל יוצא מהחמרה בדרישות הלקוחות.
מתוך רצון להיענות לדרישות אלה, חב' TEWIRE פיתחה רמת סופר דיוק העולה על דרישות התקן של ASTM/ANCI special limit accuracy limit .
רמת הדיוק של סידרה זו טובה פי 2 עד 4 יותר מ רמת הדיוק שקיימת כיום בתעשייה special ו standard .
רמת דיוק זו זמינה לכל סוגי הטרמוקפלים במעטפת סטנדרטית. סידרה זו מתאימה למספר רב של יישומיים ובעיקר לביצוע ואלידציה של אוטוקלבים ובתעשיות המטוסים והחלל.

לסיכום

מדידות טמפרטורה היא אחת המדידות הנפוצות ביותר .כדי לייצר מוצרים איכותיים דרושה מדידה טמפרטורה ומערכת בקרה איכותית אך המקור שלה הוא חיישן מתאים ומדיוק.
כמו שציינו בסעיפים הקודמים כדי להגיע לתוצאות הטובות ביותר של המדידה יש לבחור את החישן המתאים ביותר ,במבנה הטוב ביותר ליישום הנדרש.
היום בעזרת הדור החדש ניתן להגיע לרמות איכות וביצועיים הטובים ביותר.