نحوه کار ترموکوپل

ترموکوپل نوعی سنسور است که از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. ترموکوپل از دو سیم فلزی متفاوت ساخته شده است که در یک انتها به هم متصل می‌شوند و در انتهای دیگر به یک دماسنج ترموکوپل یا دیگر دستگاه‌های دارای توان ترموکوپل وصل می‌شوند. ترموکوپل‌ها در صورت پیکربندی مناسب، قادرند اندازه‌گیری دما را در طیف گسترده‌ای از دما ارائه دهند. ترموکوپل‌ها به‌عنوان سنسورهای دما در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند. باتوجه‌به تنوع و تعدد مدل‌ها و مشخصات فنی آنها، درک ساختار اساسی آن، نحوه کار ترموکوپل، دامنه‌های آن، برای کاربرد و انتخاب شما بسیار مهم است.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یک مولد برق است که از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها از دو سیم با جنس متفاوت تشکیل شده‌اند. دو سر این دو سیم با استفاده از جوش به یکدیگر متصل شده‌اند. این اتصال نقطه‌ای است که دما اندازه‌گیری می‌شود. نحوه کار ترموکوپل به‌گونه‌ای است که وقتی که اتصال تغییری را در دما حس کند، یک ولتاژ ایجاد می‌شود. از این ولتاژ برای محاسبه‌ی دما با استفاده از جدول‌های مرجع ترموکوپل، مورداستفاده قرار می‌گیرد.

انواع گوناگونی از ترموکوپل وجود دارد که هرکدام از نظر بازه دما، مقاومت در برابر لرزش، دوام و استحکام، مقاومت شیمیایی و سازگاری با کاربردهای مختلف متفاوت بوده و ویژگی‌های خاص خود را دارند. ترموکوپل‌های نوع J و K و T و E فلز پایه بوده و متداول‌ترین انواع ترموکوپل هستند. ترموکوپل‌های نوع R و S و B از ترموکوپل‌های «فلز قیمتی» هستند که در دمای بالا کاربرد دارند. انواع ترموکوپل‌ها در تولید برق، نفت و گاز، بیوتکنولوژی یا زیست‌فناوری، داروسازی، پالپ و کاغذ، سیمان و غیره و همین‌طور در تجهیزات معمولی خانگی مانند اجاق‌گاز، شومینه و توسترها کاربرد دارند.

طرز کار ترموکوپل

نحوه کار ترموکوپل به این صورت است که در دو سر آن، دو قطعه فلز ناهم‌جنس قرار دارند. هنگامی که بخش میانی ترموکوپل گرم شود، دو ولتاژ متفاوت در دو سر ترموکوپل به وجود می‌آید. با توجه میزان تفاوت ولتاژ در این دونقطه، می‌توان دما را مشخص نمود همچنین به‌وسیله ترموکوپل‌ها، می‌توان دمای نقطه اتصال را اندازه‌گیری کرد. این قطعات محدوده اندازه‌گیری گسترده‌ای را در بر می‌گیرند و به این صورت می‌توان نسبت به‌دقت آن‌ها در اندازه‌گیری دما نیز به میزان زیادی اطمینان حاصل کرد.

نحوه کار ترموکوپل به‌گونه‌ای است که حرارتی که به نقطه اتصال این دو فلز ناهمجنس می​رسد، موجب به‌وجودآمدن جریان بسیار ضعیف شده که به‌طرف سیم‌​ها هدایت می​‌شود. نحوه کار ترموکوپل این گونه است که هر چه دمای نقطه اتصال دو فلز بیشتر شود، ولتاژ تولیدی نیز بیشتر می‌شود. ترموکوپل در هر دما میزان مشخصی ولتاژ تولید می​کند که به‌وسیله ترمومتر به دما تبدیل می‌شود. این مکانیزم در نحوه کار ترموکوپل به‌عنوان Seebeck خوانده می​شود که به معنای اندازه​گیری اختلاف دما بین دونقطه و تبدیل آن به ولتاژ است. با اندازه‌گیری ولتاژ تولیدی، دمای نقطه اتصال نیز مشخص خواهد شد. نحوه کار ترموکوپل به‌گونه‌ای است که سال‌های زیادی به‌عنوان روش اندازه‌گیری ایده‌آل دما شناخته می​شد. در حال حاضر در صنعت هم کاربردهای بسیاری دارد که می‌توان به‌اندازه گیری دمای کوره، اندازه‌گیری دمای دودکش، اندازه‌گیری دمای سیستم‌های تولید دارو و غیره اشاره نمود.

نحوه تنظیم ترموکوپل

باتوجه‌به اینکه نحوه کار ترموکوپل طوری است که از آن برای اندازه‌گیری دما به کار برده می‌شود، برای تولید و نمایش اندازه‌گیری دقیق و قابل‌تفسیر، نیاز به کالیبراسیون دارد. کالیبره کردن سنسور بسیار ضروری و مهم است. زیرا دقت اندازه‌گیری، درصد میزان خطا و سرعت پاسخ‌دهی جفت‌های حرارتی یا گرمایی، در زیر آزمایش قراردادن این تجهیزات امکان‌پذیر است.

فرکانس کالیبراسیون می‌بایست در هر مورد به‌وسیله کاربر مشخص شود. شیوه انتقال حرارت در دیتا شیت‌های مربوط به تولیدکننده معمولاً در دسترس است. بهتر است ترموکوپل را در موقعیت نصب شده خود کالیبره کنید. سطح ترموول و غلاف حسگر را به طور مرتب در ارتباط با خوردگی یا آسیب مورد بررسی قرار دهید. اگر خسارت وارد شده باشد، باید جایگزین در نظر گرفته شود.

انواع اتصال فلز در ترموکوپل

سه نوع اتصال ترموکوپل وجود دارد که به شرح زیر است:

grounded junction (اتصال زمین شده)

در نوک پروب اتصال grounded junction ، سیم‌های ترموکوپل به‌صورت فیزیکی به داخل دیواره پروب متصل شده‌اند. این امر موجب می‌شود که انتقال گرما از بیرون، با عبور از دیواره پروب به اتصال ترموکوپل، به نحو مطلوبی انجام شود. یعنی ترموکوپل زمین‌شده، مدت‌زمان پاسخگویی سریع‌تری در مقایسه با زمین‌نشده دارد. اتصال ترموکوپل زمین‌شده به غلاف محافظ جوشکاری شده و پاسخگویی آن سریع‌تر از نوع زمین‌نشده است. اما ترموکوپل‌های زمین‌شده به‌شدت در برابر نویز به وجود آمده به‌وسیله حلقه‌های زمین، آسیب‌پذیر هستند و ازاین‌رو دقت خوانش آن‌ها پایین‌تر خواهد بود. این نوع اتصال برای اندازه‌گیری دمای مایع یا گاز استاتیک یا در جریان و خورنده و کاربردهای پرفشار استفاده می‌شود.

مزایا:

◀زمان پاسخ سریع

◀محافظت از سیم‌ها در برابر مواد شیمیایی و خوردگی محیط

◀طول عمر عملیاتی طولانی‌تر

◀ارزان‌قیمت

◀استفاده در کاربری‌های فشارقوی

ungrounded junction (اتصال زمین‌نشده)

در اتصال ungrounded junction ، اتصال ترموکوپل از دیواره پروب جدا است؛ بنابراین مدت‌زمان پاسخگویی آهسته‌تر از اتصال زمین‌شده است. اتصال زمین نشده به‌صورت الکتریکی از غلاف ایزوله جداشده است، این امر از تداخل نویز الکتریکی با سیگنال جلوگیری می‌کند. به این صورت اندازه‌گیری دما بادقت بسیار بالاتری انجام می‌شود، مخصوصاً در سیگنال‌های سطح پایین.

اتصال ungrounded junction برای اندازه‌گیری محیط‌های خورنده بیشتر کاربرد دارد، جایی که نیاز است ترموکوپل به شکل الکترونیکی از غلاف ایزوله جدا و محافظت شده باشد.

مزایا:

◀جدا بودن محل اتصال ترموکوپل از زمین

◀می‌توان نقایص عایق MgO را با اندازه‌گیری مقاومت از حلقه به غلاف، تشخیص داد.

exposed junction یا اتصال باز

در اتصال exposed junction ترموکوپل از نوک غلاف بیرون‌زده و در معرض محیط باز قرار دارد. این نوع اتصال بهترین زمان پاسخگویی را دارد، ولی فقط می‌توان از آن در کاربردهای غیر خورنده و غیر تحت‌فشار استفاده کرد. از یک اتصال باز برای اندازه‌گیری دما گاز استاتیک یا در جریان غیر خورنده استفاده می‌شود، هنگامی که زمان پاسخ‌دهی سریع‌تر موردنیاز است. این اتصال از غلاف فلزی محافظ بزرگ‌تر است تا پاسخ‌دهی سریع و دقیق ارائه کند. غلاف عایق در محلی که اتصال بیرون‌زده مهروموم شده تا از نفوذ رطوبت یا گاز و خطاهای احتمالی جلوگیری کند.

مزایا:

◀برای اندازه‌گیری گاز استاتیک غیر خورنده یا هوا پیشنهاد می‌شود.

◀زمان پاسخگویی بسیار سریع

انواع ترموکوپل

ترموکوپل‌ها از نظر جنس فلز و آلیاژ به‌کاررفته در آنها به شش دسته زیر طبقه‌بندی می‌شود:

ترموکوپل نوع K

این ترموکوپل از سیم فلزی کرومل / آلومل ساخته‌می‌شود. این نوع ترموکوپل ارزان‌قیمت بوده و از پرکاربردترین ترموکوپل‌ها است. به علت استفاده از مس در ساختار این نوع ترموکوپل، خاصیت ضد اکسیداسیون دارد؛ بنابراین برای استفاده در کوره‌هایی که اکسیداسیون رخ می‌دهد مناسب است. رنج عملکرد دمایی ترموکوپل نوع K بین -۱۸۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

ترموکوپل نوع J

این نوع ترموکوپل از فلز آهن / کنستانتان ساخته‌می‌شود. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل، در صنایع قالب‌ریزی پلاستیک استفاده می‌شود و در مکان‌هایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد بهتر است استفاده نشود. رنج عملکرد دمایی ترموکوپل نوع J بین -۱۸۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد است.

ترموکوپل نوع E

این نوع ترموکوپل از فلز کرومل / کنستانتان ساخته‌می‌شود. از آن می‌توان در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت نشده، استفاده کرد. رنج عملکرد دمایی ترموکوپل نوع J بین -۴۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد است.

ترموکوپل نوع T

این نوع ترموکوپل از فلز مس / کنستانتان ساخته شده‌است. این ترموکوپل نسبتاً ارزان‌قیمت بوده و نحوه کار ترموکوپل T به شکلی است که آن را برای استفاده در دمای پایین مناسب می‌سازد و در برابر رطوبت مقاومت بالایی دارد. رنج عملکرد دمایی ترموکوپل نوع T بین -۲۵۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد است.

ترموکوپل نوع N

این ترموکوپل از فلز نیکروسیل / نیسیل ساخته شده‌است. این ترموکوپل برای استفاده در دماهای بالا مناسب است. لازم به ذکر است که تحمل این نوع ترموکوپل در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بهتر نوع K است. رنج عملکرد دمایی ترموکوپل نوع N بین -۲۵۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد است.

ترموکوپل نوع R، S و B

این نوع ترموکوپل‌ها با استفاده از ترکیبات مختلف Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) ساخته‌می‌شوند. قیمت آنها بالا بوده و حساسیت آنها بسیار کم است. این نوع ترموکوپل‌ها در اندازه‌گیری با دمای بالا به طور نمونه در صنعت شیشه و فولاد کاربرد دارند. محدوده عملکرد دمایی آن تقریباً -۵۰ و +۱۷۵۰ درجه سانتی‌گراد است.

 

ساختار ترموکوپل

اجزای تشکیل‌دهنده ساختار داخلی ترموکوپل شامل سیم، عایق ایزولاتور، ترمینال یا ترانسمیتر است و اجزای تشکیل‌دهنده ساختار بیرونی شامل غلاف محافظ، هد، گلند است. نحوه کار ترموکوپل و اجزای تشکیل‌دهنده ساختار بیرونی و داخلی انواع ترموکوپل مشخص‌کننده رنج اندازه‌گیری دمای آنها هستند. برای این که این موضوع را بهتر درک کنید؛ برای شما یک مثال می‌زنیم. بازه دمای سیم ترموکوپل نوع K در اغلب استانداردهای مرجع بین‌المللی تا ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد تعیین شده‌است. اما اگر این سیم ابزاردقیق را به شکل مستقیم درون یک کوره عملیات حرارتی با این دما قرار بگیرد، از بین خواهد رفت. درصورتی‌که این سیم در درون یک غلاف سنسور حرارتی مناسب می‌تواند تا مدت زیادی بادقت اندازه‌گیری مطلوبی به کار خود ادامه دهد.