معرفی کلی
ترموکوپل سنسوری است که برای اندازه گیری دما استفاده شده و سنسور بسیار مقاوم و بسیار محبوبی در صنعت می باشند. دقت ، واکنش دهی سریع و توانایی مقاومت در برابر ارتعاشات سنگین ، فشار بالا و دماهای شدید آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها ایده آل می کند. اما ترموکوپل چگونه کار می کند؟
ترموکوپل ها از دو فلز مختلف (غیر همجنس) درست می شوند. این دو فلز در یک انتها به هم جوش داده می شوند و یک اتصال ایجاد می کنند. این محل اتصال جایی است که جهت اندازه گیری دما استفاده می شود. این قسمت از thermocouple که محل اتصال دو فلز می باشد به اتصال گرم (Hot Junction) موسوم می باشد. هنگامی که اتصال گرم دچار تغییر دما می شود ، ولتاژی ناشی از این تغییر دما در حد میلی ولت (mv) در دو سر این دو فلز ایجاد می شود. با استفاده از ولتاژ ایجادشده می توان میزان دمای قسمت اتصال گرم thermocouple را تفسیر و مقدار آن را تعیین کرد.
شکل1 : نمونه ای از یک ترموکوپل
تاریخچه thermocouple
در سال 1821، توماس یوهان سیبک ، فیزیکدان آلمانی ، آزمایش فلزات مختلف را هنگامی که به یکدیگر متصل می شوند ، بررسی کرد. او کشف کرد که تغییرات دما بین مفاصل و یک میدان مغناطیسی مشاهده می شود ، که این پدیده به عنوان اثر Seeback شناخته می شود. بعد از آن، میدان مغناطیسی بعداً به عنوان بخشی از جریان ترموالکتریک کشف شد. ولتاژ تولیدشده از دو نوع سیم برای اندازه گیری دما ازخیلی زیاد به پایین استفاده می شود.
آستانه اندازه‌گیری دما به نوع ماده سیم مورد استفاده بستگی دارد، و اگر چه در جریان بسیار کم، توان از اتصال ترموکوپل تولید می شود.
از این کشف و پس از تحقیقات بیشتر دانشمندان در طول تاریخ، ترموکوپل ها در اوایل دهه 1900 ساخته شدند. از آن زمان به بعد این فناوری توسعه یافته و به آنچه امروز است پیشرفت کرده است. آنها در حال حاضر در بسیاری از لوازم مختلف از تهیه غذا تا تولید دارو استفاده می شوند.
تشریح مکانیزم و اصول عملکرد ترموکوپل
عملکرد ترموکوپل از اثر Seeback یا اثر ترموالکتریک پیروی می‌کند، که به فرآیند تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی اشاره دارد. این اثر ولتاژ الکتریکی را توصیف می‌کند،که هنگام اتصال دو هادی مختلف رخ میدهد. و اینکه چگونه ولتاژ تولیدشده با دما تغییر می‌کند.
طراحی اولیه thermocouple شامل دو سیم فلزی غیرمشابه و غیرهمجنس است، که هرکدام خواص الکتریکی متفاوتی در دماهای مختلف دارند. معمولا فلزهای مورد استفاده به صورت آلیاژی (Alloy) نیز می‌باشند. به محل اتصال این دو فلز، اتصال گرم (Hot Junction) گفتهمیشود. این دو فلز در نقطه تماس، پیچ‌خورده یا جوش‌داده شده‌اند. در نقطه مقابل نقطه تماس یا اتصال گرم، نقطه اندازه‌گیری یا اتصال سرد (Cold Junction) نیز قرار دارد.
با توجه به استفاده از دو سر سیم در این نقطه جهت اندازه‌گیری ولتاژ موجود، بدان نقطه ولتاژخوان گفتهمیشود. هنگامی که دما در نقطه اندازه‌گیری تغییر می‌کند، چگالی الکترون هر سیم فلزی تغییر می‌کند. این چگالی الکترونی متغیر ولتاژی است که در نقطه اتصال اندازه‌گیری می‌شود.
توجه داشته باشید که thermocouple ها در واقع دمای مطلق را اندازه‌گیری نمی‌کنند. در عوض دمای تفاضلی بین نقطه اندازه‌گیری و نقطه اتصال را اندازه‌گیری می‌کنند. به همین دلیل است که ترموکوپل‌ها به جبران اتصال سرد نیاز دارند. که تضمین می کند دمای محیط در پایانه‌های اتصال سرد، نتیجه اندازه‌گیری را تغییر نمی‌دهد، و در نتیجه امکان خواندن دقیقتر را فراهم می‌کند.
نکته مهمی که در مورد thermocouple ها این است، که اگر مدار ترموکوپل از مرکز اتصال بین نقطه گرم و نقطه سرد قطع یا پاره شود. ولتاژ خالص مدار باز ولتاژ( Seeback) تابعی از دمای محل اتصال و ترکیب دو فلز است. این بدان معناست که وقتی محل اتصال دو فلز گرم یا سرد می شود. ولتاژی تولید می‌شود که میتواند به دما بازگردد.
شکل 2: اتصال های سرد و گرم ترموکوپل به همراه عملکرد
نحوه ساخت و طراحی thermocouple
از زمان کشف روش اندازه گیری دما ، ساخت دستگاه های اندازه گیری دما همچنان ساده اما موثر بوده است. مثلا در ترموکوپل از اتصال دو فلز غیرهمجنس و این جهت اندازه گیری دما نیز استفاده می شود. یک قسمت از محل اتصال (اتصال گرم) روی منبعی قرار می گیرد که دما آن باید اندازه گیری شود. نقطه دوم اتصال (اتصال سرد) در منبع دمای ثابت حفظ می شود.
محدوده دمایی که thermocouple می تواند اندازه گیری کند به نوع فلز استفاده شده در ساخت آن بستگی دارد. ترموکوپل نیکل- نیکل دارای محدوده دمایی 50- تا 1410درجه سانتی گراد است ، در حالی که ترموکوپل رنیوم – رنیوم محدوده دمایی بین 0 تا 2315 درجه سانتی گراد نیز دارد. ساخت thermocouple ساده است زیرا سازندگان آن تنها دو سیم مختلف را نیز به هم متصل می کنند. یک لایه محافظ از لوله های عایق معمولا این سیم ها را می پوشاند.
سازندگان thermocouple ترکیبی از فلزات و کالیبراسیون مورد استفاده برای مونتاژ را انتخاب می کنند. استفاده از ترموکوپل به محیط بستگی دارد. قطرها و مواد مختلف همه عواملی هستند که هنگام ساخت نوع خاصی از ترموکوپل نیز در نظر گرفته می شوند.
انواع thermocouple
ترموکوپل های مختلفی برای اهداف مختلف و با استفاده از فلزات مختلف نیز تولید می شوند.thermocouple ها همچنین در کالیبراسیون های مختلفی نیز موجود هستند. رایج ترین آنها ترموکوپل های Base Metal (فلز پایه) معروف به انواع J ، K ، T ، E و N هستند. همچنین کالیبراسیون هایی با دمای بالا وجود دارد که به عنوان ترموکوپل های Noble Metal شناخته می شود و دارای انواع R ، S ، C و B هستند.
thermocouple های فلزی پایه که با نام های تیپ های J ، K ، T ، E و N شناخته می شوند ، ولتاژ ترموالکتریک بالاتری نسبت به فلزات نجیب گران قیمت تر، معروف به نوع R ، S و B تولید می کنند. با این حال ، نوع دوم می تواند تا دمای 3092 درجه سانتی گراد را تحمل کند. ترموکوپل های فلزی نجیب معمولاً از پلاتین و رودیوم (نوع R ، S و B ) ساخته می‌شوند.
انواع مختلف thermocouple های محبوب عبارتند از :
- نوع J (آهن و مس- نیکل) که بسیار رایج است ، اما دامنه دمایی کمتری دارد و همچنین در دماهای بالاتر از نوع K طول عمر کمتری نیز دارد.
- نوع K(نیکل-کروم و نیکل- آلومینیوم) رایج ترین نوع ترموکوپل ، ارزان ، قابل اعتماد و دقیق است.
- نوع T(مس و مس- نیکل) یک ترموکوپل پایدار و برای دماهای پایین تر مورد استفاده می باشد.
- نوع Eسیگنال قوی تر و دقت بالاتری دارد.
- نوع Nدقت و محدودیت های مشابه K را دارد اما کمی گران تر است.
- نوع R از نظر عملکرد شبیه به نوع S است و به دلیل دقت و پایداری اغلب در دمای پایین تر استفاده می شود.
- نوع S برای دماهای بسیار بالا و عمدتاً در صنعت داروسازی استفاده می شود.
- نوع B دارای بالاترین محدوده دما در بین تمام ترموکوپل ها است.
چرا ترموکوپل های نوع K تا این حد محبوب هستند؟
ترموکوپل های نوع K به دلیل دامنه دمایی و دوام زیادی که دارند بسیار محبوب هستند. مواد رسانای مورد استفاده در ترموکوپل های نوع K از نظر شیمیایی بی اثرتر از نوعT (مس) و نوع (J) آهن هستند. در حالی که خروجی thermocouple های نوع K کمی کمتر از تیپ های T، J و E است ، اما از نزدیک ترین رقیب خود نوع (N) بالاتر است. همچنین مدت زمان بیشتری مورداستفاده قرار گرفته‌است.
چگونه از بین انواع مختلف ترموکوپل یکی را انتخاب کنیم؟
thermocouple ها یک خروجی ولتاژ تولید می کنند که می تواند با دمایی که ترموکوپل اندازه گیری می کند مرتبط باشد. ترموکوپل ها دارای اسناد و داکیومنت هایی هستند که در آن ها جدول ولتاژ ترموالکتریک و دمای مربوطه را برای یک نوع ترموکوپل معین ارائه می‌کند. اکثر اسناد همچنین محدوده دمای ترموکوپل ، محدودیت های خطا و ملاحظات زیست محیطی را ارائه می دهند.
انواع مختلف ترموکوپل ها با هم گروه بندی می شوند که شامل صنعتی ، همه منظوره و چند نقطه ای می شوند.
ترموکوپل های صنعتی یک نوع محبوب هستند. ترموکوپل های همه منظوره برای اکثر کاربردها مناسب هستند و هزینه کمی دارند. متداول ترین ترموکوپل همه منظوره نوع K است.
در نهایت ، ترموکوپل های چند نقطه ای که دارای دقیق ترین شکل اندازه گیری دما هستند. آنها در جاهایی استفاده می شوند که اندازه گیری و مدیریت صحیح دما حیاتی است. اینها در انواع E، K، J ، N و T تولید می شوند.
زمان پاسخ دهی
ثابت زمانی به عنوان زمان مورد نیاز یک سنسور برای رسیدن به 63/2% از یک مرحله تغییر دما در مجموعه ای از شرایط مشخص تعریف شده است. پنج ثابت زمانی لازم است تا سنسور به 100% مقدار تغییر پله نزدیک شود. ترموکوپل اتصال در معرض سریعترین پاسخ را ارائه می دهد. همچنین ، هرچه قطر غلاف پروب کوچکتر باشد ، پاسخ سریعتر است ، اما حداکثر دما ممکن است کمتر باشد. با این حال ، توجه داشته باشید که گاهی اوقات غلاف پروب نمی تواند در تمام محدوده دمایی نوع ترموکوپل مقاومت کند.
تفاوت ترموکوپل ها ، RTD ها ، ترمیستورها و دستگاه های مادون قرمز در چیست؟
برای انتخاب بین سنسورهای بالا ، باید ویژگی ها و هزینه های سنسورهای مختلف و همچنین پروژه ابزاردقیق موجود را در نظر بگیرید. علاوه بر این ، ترموکوپل‌ها با وجود ارزان بودن معمولاً می‌توانند دما را در محدوده‌های دمایی وسیع و بسیار مختلف اندازه‌گیری کنند ، اما به اندازه RTD ها و ترانسمیترها دقیق و پایدار نیستند. RTD ها پایدار هستند و محدوده دمایی نسبتاً وسیعی دارند ، اما به اندازه ترموکوپل ها مقاوم و ارزان نیستند.
از آنجایی که برای انجام اندازه‌گیری‌ها به استفاده از جریان الکتریکی نیاز دارند ، RTD ها در معرض عدم دقت ناشی از خودگرم شدن هستند. ترمیستورها نسبت به RTD ها یا ترموکوپل ها دقیق تر هستند ، اما محدوده دمایی بسیار محدودتری دارند. آنها همچنین در معرض گرمایش خود هستند. سنسورهای مادون قرمز را می توان برای اندازه گیری دماهای بالاتر از هر دستگاه دیگر و بدون تماس مستقیم با سطوح مورد اندازه گیری استفاده کرد. با این حال ، آنها به طور کلی دقیق نیستند و به کارایی تابش سطحی (یا دقیق تر انتشار سطحی) حساس هستند. با استفاده از کابل های فیبر نوری ، آنها می توانند سطوحی را که در محدوده دید مستقیم نیستند اندازه گیری کنند.
نکته مهمی که می توان در مورد thermocouple ها نیز گفت این است که سنسور هایی غیرخطی هستند بدین مفهوم که نرخ تغییرات ولتاژ دو سر آنها با نرخ تغییرات دمای محل مورد نظر متناسب نیست و رابطه خطی ندارد. بنابراین جهت تعیین دما در اتصال گرم باید به جدول ولتاژهای مختلف که متناظر با دمایی یکتا هستند مراجعه کرد و دمای اندازه گیری شده را مشخص کرد. این موضوع در قسمت جدول مرجع ترموکوپل مورد بحث نیز قرار گرفت.
موارد استفاده و کاربردها
ترموکوپل ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی ، علمی و کاربردی استفاده می شوند. آنها را می توان تقریباً در تمام بازارهای صنعتی یافت از جمله تولید برق ، معدن ، نفت و گاز ، داروسازی ، بیوتکنولوژی ، سیمان ، کاغذ ، شیشه و بسیاری دیگر. ترموکوپل ها همچنین در وسایل روزمره مانند اجاق گاز ، کوره ، اجاق پیتزا نیز استفاده می شوند.
در نوشتن مقاله بالا از منابع زیر استفاده گردیده است.
منبع :
منبع مقاله سایت OMEGA
برای مشاهده مقاله تجهیزات جانبی و حفاظتی گیج فشار کلیک کنید