ترموکوپل چیست ؟

ترموکوپل چیست ؟

ترموکوپل (Thermocouple)  که با نام‌های ترموالکتریک(Thermoelectric) ، ترمومتر(Thermometer) و اتصال حرارتی(Thermal Junction)  هم شناخته می‌شود، سنسوری است که پارامتر فیزیکی دما را اندازه‌گیری می‌کند. این تجهیز به دلیل قابلیت اطمینان زیاد، ساده بودن مکانیزم عملکرد و مقرون به صرفه بودن محبوب‌ترین سنسور دما است.

برای بررسی انواع سنسورها مقاله‌ی  ” سنسور چیست و چه انواعی دارد؟ ” را مطالعه کنید.‌

ترموکوپل چیست

ترموکوپل چگونه کار می‌کند ؟

ترموکوپل‌ها ساخته شده از دو صفحه‌ی فلزی با جنس متفاوت هستند که از یک ‌طرف به هم متصل می‌شوند. محل اتصال روی عنصر یا سطحی قرار می‌گیرد که می‌خواهیم دمای آن را اندازه‌گیری کنیم. این محل اتصال به محل اتصال داغ (Hot Junction) معروف است. انتهای دوم صفحه‌ها در دمای پایین‌تر (دمای اتاق) نگهداری می‌شود. این اتصال به عنوان اتصال سرد (Cold Junction) یا اتصال مرجع (Reference Junction) شناخته می شود.

اساس کار ترموکوپل بر اساس اثر سیبک (Seebeck) است. این اثر  بیان‌گر اختلاف پتانسیل الکتریکی است که در نتیجه تغییرات دما به وجود می‌آید.

با تغییر دمای سمت مشترک دو فلز، در اتصال سرد اختلاف پتانسیل و در نتیجه ولتاژ ایجاد می‌شود. ولتاژ ایجاد شده را می‌توان با استفاده از یک ولت‌متر اندازه‌گیری کرده و با تفسیر آن میزان دما را محاسبه کرد.

انواع اتصالات ترموکوپل‌ها

نوع اتصال در سرعت عملکرد ترموکوپل‌ها نقش مستقیم دارد. اتصالات ترموکوپل‌ها را می‌توان به سه دسته‌ی اتصال آشکار(Exposed Thermocouple Junction)، اتصال ترموکوپل زمین شده (Grounded Thermocouple Junction) و اتصال ترموکوپل زمین نشده  (Ungrounded Thermocouple Junction)  تقسیم کرد.

ترموکوپل با اتصال آشکار

همانطور که در تصویر نشان داده شده است ، اتصال آشکار از دو سیم تشکیل شده است که خارج از یک

پروب فلزی محافظ به هم متصل شده‌اند. از این اتصال معمولا برای اندازه‌گیری دمای گاز استفاده می‌شود. از آنجا که پوشش محافظی وجود ندارد، محل اتصال بسیار شکننده است و رطوبت یا آلاینده‌های مایع یا جامد نباید در گاز وجود داشته باشند. اتصال آشکار  زمان پاسخگویی سریع‌تری را ارائه می دهد،  زیرا انرژی حرارتی برای انتقال به محل اتصال نیازی به عبور از یک غلاف فلزی و یا عایق فشرده را ندارد.

ترموکوپل با اتصال زمین‌شده

ترموکوپل با اتصال زمین‌شده متداول‌ترین نوع ترموکوپل هستند. این اتصالات زمان پاسخ نسبتاً سریعی را فراهم می‌کنند زیرا گرما  فقط باید از یک غلاف فلزی که رسانایی حرارتی بالایی دارد، عبور کند.

ترموکوپل با اتصال زمین نشده

اتصال زمین‌نشده برای محافظت از وسایل الکترونیکی حساس در برابر ولتاژهای بازخورد کوچک استفاده می شود. ترموکوپل با اتصال زمین نشده مشابه ترموکوپل با اتصال زمین شده  داخل یک  محافظ فلزی  قرار دارد. با این تفاوت که ، ترموکوپل با اتصال زمین نشده علاوه بر محافظ فلزی توسط یک عایق (معمولاً اکسید منیزیم) هم احاطه شده‌اند. ترموکوپل با اتصال زمین نشده  زمان پاسخگویی کندتری دارند، زیرا گرما باید قبل از رسیدن به محل اتصال، از طریق محافظ و سپس از طریق اکسید منیزیم (که رسانایی حرارتی کمتری نسبت به فلز دارد) عبور کند.

نکته: ترموکوپل با اتصال آشکار در کاربردهایی که به زمان پاسخگویی کم نیاز است بهتر کار می‌کند ، اما ترموکوپل با اتصال زمین نشده در محیط‌های خورنده بهتر است.

انواع مختلف ترموکوپل‌ها

کنار هم قرار گرفتن انواع مختلف فلزات طیف وسیعی از ترموکوپل‌ها را در دسترس قرار می‌دهد. انواع  K، J  ، T ، E ، R ، S ، B  و N با توجه به نوع فلزات دسته‌بندی می‌شوند.

ترموکوپل‌های نوع J ، K ، T و E به عنوان ترموکوپل‌های بیس‌متال  (Base Metal Thermocouple)و ترموکوپل‌هایR ، S و B به عنوان ترموکوپل‌های نوبل‌متال (Noble Metal) شناخته می‌شوند. ترموکوپل‌های نوبل‌متال در دماهای بسیار بالا کاربرد دارند.

ترموکوپل نوع K:

  • از دو فلز آلومل و کرومل ساخته شده است
  • رایج‌ترین نوع ترموکوپل است
  • وسیع‌ترین محدوده اندازه‌گیری دما را دارد
  • محدوده‌ دمایی ترموکوپل نوع K از 200- تا 1260 درجه‌ی سانتی‌گراد  است
  • حساسیت این سنسور 41 میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد است.
  • این ترموکوپل برای شرایط غیر خلاء عملکردی مناسب دارد

ترموکوپل نوع J:

  • با فلزهایی از جنس آهن، کنستنتان(آلیاژ مس و نیکل) ساخته شده است،
  • ترموکوپلی کم هزینه و پرکاربرد است.
  • محدوده دمایی ترموکوپل نوع J بین 210-  تا 750 سانتی‌گراد است
  • حساسیت 50 میکرو ولت بر درجه دارد
  •  در مقایسه با ترموکوپل نوع K دارای محدوده دمایی کمتر و طول عمر کوتاه‌تری است
  • برای جوهای اکسیدکننده مناسب است.

ترموکوپل نوع T:

  • در ساخت این نوع ترموکوپل از فلزهای مس و کنستنتان استفاده شده است
  • برای اندازه‌گیری دمای پایین مناسب است.
  • حساسیت  43 میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد
  • محدوده دمایی این ترموکوپل بین 200- تا 350 درجه سانتی‌گراد است
  • این ترموکوپل هم مانند ترموکوپل نوع J برای کار در جو اکسیدکننده مناسب است.

ترموکوپل نوع E:

  • جنس فلزهای سازنده این نوع ترموکوپل کرومل و کنستنتان است.
  • این نوع ترموکوپل دقت بیشتر و سیگنال قوی‌تری نسبت به ترموکوپل نوع K و J دارد
  •  محدوده دمایی آن متوسط است.
  • ترموکوپل نوع E نسبت به انواع دیگر ترموکوپل بالاترین اختلاف پتانسیل را در هر درجه ایجاد می‌کند
  • محدوده دمایی این نوع ترموکوپل بین 270- تا 870  است
  • در مواردی که دقت بالا و پاسخ سریع مورد نیاز است استفاده می‌شود
  • توانایی فعالیت در محیط‌های خلاء یا اکسیژن کم و محیط‌های گوگردی را ندارد
  • هزینه ترموکوپل نوع E بیشتر از ترموکوپل نوع J و K است.

ترموکوپل نوع S:

  • ترموکوپل‌های نوع S با فلزهای پلاتین و  10 درصد رودیوم ساخته می‌شوند
  • در کاربردهای با دمای بالا استفاده می‌شوند
  • به دلیل دقت و ثبات بالا، گاهی اوقات برای دمای پایین هم استفاده می‌شود
  • محدوده دمایی ترموکوپل نوعS  بین 630 تا 1064 درجه سانتی‌گراد است
  • این نوع ترموکوپل در صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی در مواردی که درجه حرارت بالا و با دقت بالا اندازه‌گیری شود مورد استفاده قرار می‌گیرد

ترموکوپل نوع R:

  • ترموکوپل نوع R هم مشابه نوع S از فلزهای پلاتین و رودیوم استفاده شده است اما با درصدهای متفاوت (87 درصد پلاتین و 13 درصد رودیوم)
  • محدوده خروجی و پایداری ترموکوپل نوع R  کمی بیشتر از ترموکوپل نوع S است
  • محدوده دمایی این ترموکوپل بین 0 تا 1600 درجه سانتی‌گراد است
  • بدیهی است که ترموکوپل‌های نوع S و R بسیار مشابه باشند. هر دوی این ترموکوپل‌ها برای کاربردهای با درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند و باید با یک محافظ غیرفلزی و مقره‌های سرامیکی محافظت شوند. ترموکوپل نوع R در صنعت استفاده می‌شود در حالی که نوع S در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارد.

ترموکوپل نوع B:

  • ترموکوپل نوع B بخاطر جنس میله‌ی مشابه (پلاتین 70 درصد و رادیوم 30 درصد)، شباهت زیادی به نوع R و نوع S دارد
  • ترموکوپل نوع B برای اندازه‌گیری دمای 871 تا 1704 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود
  • خروجی آن در مقایسه با ترموکوپل‌های نوع R و S کمتر است

ترموکوپل نوع N

  • دقت و محدوده‌ی دمایی ترموکوپل نوع N مشابه ترموکوپل نوع K است
  • حساسیت آن کمی کمتر از ترموکوپل نوع K است (39 میکروولت در درجه سانتی‌گراد)
  • جنس فلز ترموکوپل نوع N نیکروسیل (ترکیبی از نیکل ، کروم و سیلیکون) و نیسیل (ترکیبی از نیکل و سیلیکون) است
  • این ترموکوپل بهترین جایگزین ترموکوپل نوع K برای شرایطی است که اکسیژن کم است
  • این نوع ترموکوپل همچنین برای استفاده در خلا ، جو اکسید کننده و جو خشک مناسب است

چطور ترموکوپل انتخاب کنیم؟

از آنجا که ترموکوپل می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، درک نحوه انتخاب صحیح ترموکوپل مناسب بسیار مهم است. متداول‌ترین معیارهایی که برای انتخاب ترموکوپل استفاده می‌شود محدوده دما، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و ارتعاش و الزامات نصب است.

برای تعیین بهترین ترموکوپل پنج نکته را باید در نظر گرفت:

  1. تعیین جزئیات برنامه‌ای که در آن از سنسور ترموکوپل استفاده می‌شود:

ترموکوپل ها را می‌توان در صنایع و برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار داد،  بنابراین انتخاب مناسب با آگاهی دقیق از نحوه و مکان استفاده از آن آغاز می شود.

  1. تعیین محدوده دمایی که ترموکوپل در معرض آن قرار می‌گیرد:

هنگامی که محدوده دمایی ترموکوپل مورد نیاز مشخص باشد، انتخاب صحیح ترموکوپل‌ها آسان‌تر اتفاق می‌افتد.

  1. مشخص کردن اهمیت و طول زمان پاسخ:

با مشخص شدن طول زمان مورد نیاز برای پاسخ‌دهی می‌توان تشخیص داد که کدام اتصالات ترموکوپل می‌تواند پاسخ‌گوی سرعت مورد نیاز باشد.

  1. در نظر گرفتن هرگونه مقاومت شیمیایی، سایش یا ارتعاش :

نوع و سطح مقاومت ترموکوپل در شرایط مختلف در برابر عوامل شیمیایی یا سایش با این معیار مشخص می‌شود. برای انتخاب بهتر ترموکوپل‌ها باید جزئیات محیط مشخص شود.

  1. توجه به الزامات نصب ترموکوپل:

لازم است که ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد. بنابراین توجه به شرایط نصب معیار دیگری برای انتخاب ترموکوپل‌ها خواهد بود.

جمع‌بندی:

  • ترموکوپل محبوب‌ترین سنسور دما است.
  • از دو فلز با جنس متفاوت تشکیل شده که از یک سمت به هم متصل هستند
  • اساس کار ترموکوپل اثر سیبک است.
  • بر اساس نوع اتصال به سه دسته اتصال آشکار، اتصال زمین‌شده و اتصال زمین‌نشده تقسیم می‌شوند.
  • بر اساس جنس فلز هم انواع مختلفی می‌توان برای ترموکوپل متصور شد.
  • ترموکوپل‌های نوع K، J، T، R، S وB از انواع مهم ترموکوپل‌ها هستند.
  • هر ترموکوپل محدوده‌ی دمایی و حساسیت خاص خود را دارد.
آیا این مطلب را می پسندید؟

باکس دانلود

اشتراک گذاری:

نظرات

0 نظر در مورد ترموکوپل چیست ؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.