راهنمای انتخاب مواد در ساخت سنسورهای دما (ترموکوپل، RTD، کابل، کلاهک، ترموول و غلاف)

تاریخ ویرایش: 2 مرداد ماه 1404

مقدمه

در طراحی و ساخت سنسورهای دما، انتخاب صحیح مواد و متریال (Material) سازنده از اهمیت بالایی برخوردار است؛ چرا که مواد نادرست می‌تواند منجر به کاهش دقت، خوردگی زودرس یا شکست مکانیکی حسگر شود. به‌عنوان مثال، غلاف و یا ترموول به‌عنوان لایه محافظ در برابر محیط‌های خورنده و پر فشار عمل می‌کند و جنس آن مستقیماً بر دوام و ایمنی سیستم اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد.

بنابراین، بررسی جامع خواص مکانیکی، شیمیایی و دمایی مواد مورد استفاده برای هر جزء (سنسور، کابل، ترموول، کلاهک و غیره) برای هر صنعت امری ضروری است.

انواع سنسورهای دما و مواد ساخت آنها

ترموکوپل

در ترموکوپل، عنصر حسگر از دو فلز مختلف تشکیل می‌شود که بر اساس اثر ترموالکتریک ولتاژ تولید می‌کنند. نوع‌های متداول شامل K (NiCr–NiAl)، J (Fe–CuNi)، T (Cu–CuNi)، E (NiCr–CuNi) و انواع R/S/B (Pt–PtRh) هستند. ترکیب آلیاژی هر نوع، دامنه دمای کارکرد، حساسیت و پایداری را تعیین می‌کند.

به طور نمونه، ترموکوپل نوع K با آلیاژ نیکل-کروم/نیکل-آلومینیوم در بازه‌ی -200 تا +1260C کار می‌کند و برای کاربردهای عمومی صنعتی مناسب است. برای دماهای بالای صنعتی (تا ~1800C)، ترموکوپل‌های پلاتینیومی (مانند نوع R/S/B با آلیاژهای پلاتین-رودیوم) به کار می‌روند. غلاف یا شیلد محافظ ترموکوپل معمولاً از فولادهای ضدزنگ 304/316 و یا آلیاژهای نیکل-کروم (Inconel) ساخته می‌شود تا در برابر خوردگی و دماهای بالا مقاومت کنند.

راهنمای انتخاب مواد در ساخت سنسورهای دما (ترموکوپل، RTD، کابل، کلاهک، ترموول و غلاف)

سنسورهای مقاومتی دما (RTD)

سنسورهای RTD اغلب از سیم پیچ‌های نازک پلاتینیومی روی زیرلایه‌ای عایق ساخته می‌شوند. عنصر پایهٔ RTD معمولاً از پلاتین تهیه می‌شود، چرا که پلاتین پایداری حرارتی و ضریب دمایی بسیار خطی دارد.

متداول‌ترین RTD، سنسور Pt100 است (100 اهم در 0C) و طبق استاندارد IEC 60751 معرفی شده است.

پوشش بیرونی RTD ممکن است از سرامیک یا شیشه باشد تا از تاثیرات شیمیایی جلوگیری کند.

ترمیستور

ترمیستورها حسگرهای نیمه‌رسانایی هستند که مقاومتشان با تغییر دما تغییر می‌کند. آن‌ها از مواد اکسید فلزی نانوساختاری تشکیل شده و معمولاً برای اندازه‌گیری دما در بازه‌های پایین (تا حدود 150C) و با حساسیت بسیار بالا استفاده می‌شوند.

ترمیستورها در بسته‌های کوچک و با پوشش اپوکسی یا شیشه عرضه می‌شوند و بیشتر در کاربردهای پزشکی و الکترونیک مصرفی کاربرد دارند.

سنسورهای دمای مبتنی بر سیلیکون

این سنسورها (مانند سنسورهای دیودی یا دیجیتالی IC) از تراشه‌های سیلیکونی حساس به دما بهره می‌برند. معمولاً برای بازه‌های دمایی پایین و دقت متوسط مناسب هستند. بدنه آن‌ها پلاستیکی یا شیشه‌ای است و غالباً برای اندازه‌گیری دمای محیط یا تجهیزات پزشکی-مصرفی استفاده می‌شوند.

راهنمای انتخاب مواد در ساخت سنسورهای دما (ترموکوپل، RTD، کابل، کلاهک، ترموول و غلاف)

کابل‌های ابزار دقیق

کابل‌های انتقال سیگنال سنسور دما شامل هادی و عایق‌های مخصوص دما هستند. هادی‌های بکار رفته معمولاً از مس یا آلیاژهای نیکل (برای ترموکوپل‌ها) و یا از انواع سیم‌های نقره/مس (برای RTD) ساخته می‌شوند. این هادی‌ها برای تحمل دماهای بالا ممکن است روکش یا آبکاری خاصی داشته باشند. عایق‌های رایج شامل سیلیکون، فیبرگلاس، PTFE (تفلون)، FEP و مایکا هستند که هرکدام برای محدوده دمایی و شرایط محیطی خاصی مناسب‌اند.

به‌عنوان مثال، PTFE تا 250C، سیلیکون تا 200C و فیبرگلاس حتی بالاتر (حدود 500C) مقاومت حرارتی دارند. در کاربردهای بسیار دمای بالا یا ویژه، از کابل‌های عایق معدنی (Mineral Insulated) یا MI استفاده می‌شود که هادی آن توسط MgO فشرده احاطه شده و اغلب در غلاف‌های 316L یا آلیاژهای خاص مثل 310SS تولید می‌شود (مقاوم تا 1300C).

کابل‌های ضد آب یا ضد اسید نیز ممکن است روکش اضافی از PVC یا کلروفنیل داشته باشند.

ترموول‌ها و غلاف‌های محافظ

ترموول (Thermowell) و یا غلاف محافظ (Protection Tube) لوله‌ یا پوسته‌ای است که سنسور دما را درون سیال یا گاز فرآیند محافظت می‌کند. انتخاب جنس ترموول باید بر اساس دما، فشار و شرایط محیطی انجام شود. فولاد کربنی ساده برای دماها و محیط‌های کم خطر مناسب است (حداکثر ~530C).

فولادهای آلیاژی کروم-مولی (F11, F22) استحکام بالایی در فشار دارند و تا دمای تقریبی 600C قابل استفاده‌اند.

پرکاربردترین انتخاب‌ها، فولادهای ضدزنگ آستنیتی 304 و 316 هستند: فولاد 316L به دلیل افزودن مولیبدن در برابر خوردگی به‌ویژه در محیط‌های کلردار عملکرد بسیار خوبی دارد و تا دمای تقریبی 900C مقاومت می‌کند.

راهنمای انتخاب مواد در ساخت سنسورهای دما (ترموکوپل، RTD، کابل، کلاهک، ترموول و غلاف)

برای دماهای بالاتر، آلیاژهای حرارت‌پذیر (مثلاً 310SS تا 1150C) و نیکل-کروم‌ها (Inconel 600 تا 1212C) توصیه می‌شوند. همچنین آلیاژهایی مانند هستلوی Hastelloy C276 و B3 برای شرایط بسیار خورنده و اسیدی مناسب‌اند. جدول زیر نمونه‌ای از محدوده‌های دمایی مجاز بر اساس جنس ترموول را نشان می‌دهد:

جنس ترموول	بیشینه دمای مجاز (تقریب)	ویژگی‌ها
فولاد کربنی (STPG)	600°C	کم‌هزینه، برای محیط‌های غیرخورنده
فولاد F11/F22 (Cr-Mo)	600°C	استحکام بالا در فشار، مقاومت شیمیایی متوسط
استیل 304/304L	900°C	مقاومت خوردگی خوب، مناسب صنایع غذایی و شیمی
استیل 316/316L	900°C	بهترین مقاومت در میان استیل‌های آستنیتی
استیل 310/310S	1050°C	مقاومت بالا در دماهای بالا، نامناسب محیط‌های مرطوب
اینکونل 600	1212°C	مقاومت اکسیداسیون عالی در دما بالا
هستلوی C276	1000°C	مقاومت فوق‌العاده در محیط‌های اسیدی و کلریدی
مونل 400	538°C	مقاومت عالی در برابر آب دریا و اسیدهای معدنی

کلاهک‌های اتصال

هد یا کلاهک اتصال (Connection Head) محل اتصال ترمینال‌های حسگر و کابل است و معمولاً باید حفاظت الکتریکی و نفوذناپذیری مناسبی ارائه کند. جنس متداول کلاهک‌ها عبارت است از چدن (فولاد آلیاژی)، آلومینیوم ریخته‌گری و استیل ضدزنگ 316 یا 321. برای مثال، کلاهک‌های چدنی سنگین‌وزن در کاربردهای صنعتی و دماهای بالا استفاده می‌شوند.

کلاهک‌های آلومینیومی سبک‌تر هستند و اغلب با پوشش اپوکسی رنگ‌آمیزی شده تا در برابر خوردگی محافظت شوند; تمام این کلاهک‌ها معمولاً رتبه NEMA 4X یا IP68 را دارند (مقاوم در برابر گرد و غبار و پاشش آب).

در محیط‌های خورنده یا بهداشتی، از کلاهک‌های استیل (نایلون تقویت‌شده با الیاف شیشه یا پلی‌پروپیلن بهداشتی) استفاده می‌شود. ویژگی‌های مهم دیگر شامل آب‌بند سیلیکونی یا فلورپلاستیک برای آب‌بندی و پلاتینیشن سطوح داخلی برای کارکرد پایدار هستند.

راهنمای انتخاب مواد در ساخت سنسورهای دما (ترموکوپل، RTD، کابل، کلاهک، ترموول و غلاف)

پوشش‌ها و عایق‌های محافظ

برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی، سایش و دما، از پوشش‌های محافظ روی قطعات و کابل‌ها استفاده می‌شود. به عنوان مثال، پوشش‌های پلیمری مقاوم مانند PFA و FEP (شاخه‌های Teflon) برای مقاومت شیمیایی بالا تا حدود 150 تا 250C مناسب‌اند.

پوشش‌های سرامیکی (مثل آلومینا Al₂O₃) تا دمای حدود 1100C مقاومت دارند و در مقابل سایش و اکسیداسیون کارایی زیادی دارند.

در پروژه‌های خاص ممکن است از پوشش‌های فلزی خاص مانند تانتالیوم برای مقاومت در برابر اسیدهای قوی یا پوشش‌های شیشه‌ای برای کاربردهای الکترونیکی استفاده شود. عایق‌بندی کابل‌ها می‌تواند شامل لایه‌های پلیمر، فیبرگلاس، یا حتی کاورهای فلزی (بافت استیل یا آلومینیوم) باشد تا در برابر شرایط سخت حفاظت شود.

بخوانید: کابل ترموکوپل چیست؟

تأثیر محیط‌های صنعتی بر انتخاب مواد

محیط‌های خورنده و شیمیایی: در این شرایط از آلیاژهای مقاوم به خوردگی مانند استیل 316L/347، Hastelloy C276/B3 و Inconel استفاده می‌شود. به عنوان مثال، Hastelloy برای اسیدها و کلرایدها عالی است.

برای کاربردهای دریایی (نمک زیاد)، آلیاژهای نیکل-مس مانند Monel و فولادهای دوپلکس نیز کاربرد دارند.

محیط‌های بهداشتی (صنایع غذایی/دارویی): در این موارد مواد ضدزنگ 316L صیقلی با سطح الکتروپولیش شده به همراه اتصالات Tri-clamp و مهروموم‌های FDA (مانند PTFE، EPDM) به کار می‌روند تا فرآیندهای CIP/SIP قابل انجام باشد

فشار و دمای بالا: در سیستم‌های فشار بالا یا دمای بالا (نیروگاهی، نفت و گاز)، از آلیاژهای کروم-مولی (مثلاً فولاد SFVAF22) و ترکیبات مقاوم به حرارت مانند فولاد 310S یا Inconel 600 برای ترموول‌ها استفاده می‌شود.

تیتانیوم نیز برای محیط‌های خورنده دریایی تحت فشار زیاد گزینه مناسبی است.

دمای بسیار بالا: اگر دما به بالای 1000°C برسد، مواد سرامیکی (مثلاً پوشش‌های Al₂O₃) و آلیاژهای ویژه مانند Inconel 600 (تا 1150C) یا Haynes 214 به کار گرفته می‌شوند تا از تغییر شکل حرارتی جلوگیری شود.

استانداردهای معتبر جهانی

برای اطمینان از کیفیت و قابلیت تعویض‌پذیری، استانداردهای بین‌المللی راهنمای انتخاب مواد و مشخصات سنسورها هستند.

استاندارد IEC 60584-1 برای ترموکوپل‌ها، کلاس‌های دقت (کلاس 1, 2, 3) و محدوده‌های ولتاژ-دما را تعریف می‌کند.

استاندارد ASTM E230 (ANSI MC96.1) معادل‌های آمپراژ-دما و تلرانس سیم‌های ترموکوپل را مشخص می‌کند. برای RTDها، استاندارد IEC 60751 تعریف‌کننده مشخصات سنسورهای Pt100 است.

همچنین سازمان‌های DIN و ANSI استانداردهای مشابهی برای ترکیب مواد و تلرانس‌ها دارند. در طراحی مکانیکی ترموول‌ها و کلاهک‌ها معمولاً استاندارد ASME PTC 19.3 TW-2016 ملاک قرار می‌گیرد تا مقاومت سازه‌ای در برابر فشار و ارتعاش رعایت شود.

استانداردهای دیگر مانند ISA، ANSI/ISA 92، و متدولوژی‌های EHEDG (برای طراحی بهداشتی) نیز بسته به کاربرد به‌کار می‌روند.

جدول مقایسه صنایع مختلف

صنعت	مواد پیشنهادی سنسور و تجهیزات
نفت و گاز	آلیاژهای نیكل-كروم (Inconel) و هستلوی Hastelloy برای مقاومت در دماهای بالا و محیط‌های خورنده؛ فولاد ضدزنگ 316L برای بخش‌های عمومی.
صنایع غذایی	فولاد ضدزنگ 316L صیقلی (بدون درز) با استاندارد بهداشتی؛ آب‌بندهای FDA (PTFE، EPDM)؛ پوشش‌های ضدخوردگی Teflon یا PVDF.
نیروگاهی	فولاد نسوز 310S یا آلیاژ Inconel برای ترموول‌ها و حسگرها (مقاومت در دماهای بالا)؛ محافظ‌های سرامیکی در نقاط فوق‌العاده داغ.
پزشکی	سنسورهای PT100 با بدنه استیل 316L صیقلی و اتصالات Tri-clamp؛ اجزای اپتیکی و دیجیتال با عایق‌های بی‌خطر (PTFE)؛ تابلو و کابل‌های عایق‌شده جهت بهداشت بالا.
دارویی	مشابه صنایع غذایی: مواد غیر سمی و قابل ضدعفونی (316L صیقلی)، لوله‌کشی Tri-clamp، شیلدهای فلزی روکش‌دار؛ کابل‌های فاقد سرب و اصطکاک پایین.

پرسش‌های پرتکرار

چه تفاوتی بین سنسورهای ترموکوپل و RTD (PT100) وجود دارد؟

ترموکوپل‌ها از دو فلز مختلف استفاده می‌کنند و برای اندازه‌گیری دما در دامنه‌ی وسیع (تا >1000°C) مناسبند، اما خطی‌نبودن ولتاژ–دما دارند. RTDها (مثل PT100) از المنت پلاتینیومی بهره می‌برند، دقت و تکرارپذیری بالاتری دارند اما معمولاً بازه دمایی کمتری (~600°C) را پوشش می‌دهند.

برای سنسورهای دما چه نوع کابل‌هایی مناسب‌تر است؟

کابل ابزار دقیق سنسور دما باید دارای هادی با مقاومت حرارتی بالا (مس یا آلیاژ نیکل/استیل) باشد و عایق‌های مقاوم مانند PTFE، سیلیکون یا فیبرگلاس به کار رود.

در محیط‌های داغ یا نفوذی، کابل MI با عایق MgO و غلاف استیل استفاده می‌شود.

جنس ترموول را چگونه انتخاب کنیم؟

با توجه به دما، فشار و محیط فرآیندی انتخاب می‌شود. برای مثال در محیط‌های خورنده باید از استیل 316L یا Hastelloy C276 استفاده کرد؛ در دماهای بالا آلیاژ استیل 310S یا اینکونل Inconel 600 مناسب است؛ برای فشار بالا، فولاد آلیاژی کروم-مولی (SFVAF22) توصیه می‌شود.

استاندارد IEC 60584 و IEC 60751 چه کمکی می‌کنند؟

IEC 60584-1 کلاس‌های دقت و روابط ولتاژ-دما برای انواع ترموکوپل‌ها را تعریف می‌کند.

IEC 60751 مشخصات RTDهای پلاتینیومی (مانند Pt100) را تعیین می‌کند.

استفاده از این استانداردها تضمین می‌کند که سنسورها مطابق معیارهای بین‌المللی ساخته و قابل تعویض باشند.

آیا PT100 را می‌توان در کاربردهای پزشکی استفاده کرد؟

بله، PT100ها به دلیل پایداری و دقت مناسب، در تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی استفاده می‌شوند. جنس بدنه‌ی آنها باید استیل 316L صیقلی و فاقد پوشش‌های سمی باشد.

همچنین کابل‌ها و مهروموم‌های استفاده‌شده باید از مواد قابل استریلیزاسیون (مثل PTFE) باشند.

جنس مناسب کلاهک اتصال سنسور دما چیست؟

برای محیط‌های استاندارد، کلاهک‌های آلومینیومی و چدنی متداولند (معمولاً با پوشش اپوکسی NEMA4X)

در محیط‌های خورنده یا انفجاری از کلاهک‌های فولاد زنگ‌نزن (316 یا 321) و حتی پلیمرهای تقویت‌شده استفاده می‌شود تا حفاظت بیشتری ایجاد شود.

برای سفارش انواع سنسور دما، استعلام خود را ثبت کنید.

مراجع: