ترموکوپل چیست و چگونه کار می کند؟
ترموکوپل ها (Thermocouple) که با نام هایی از قبیل: جفت های حرارتی، گرماجفت، جفت های گرمایشی، ترموکوبل، حسگر و سنسور سنجش دما شناخته می شوند، رایج ترین تجهیزات اندازه گیری دما هستند که به زبان ساده از دو فلز غیر هم جنس تشکیل شده و این دو فلز از یک سر به هم متصل شده اند. هنگامی که نقطه اتصال این دو فلز گرم می شود، در اثر “پدیده سیبک (seebeck)”، ولتاژی در دو سر آزاد آن، ایجاد می گردد. این اختلاف ولتاژ با میزان دمای نقطه اتصال رابطه مستقیم دارد و می توان با استفاده از این پدیده میزان دمای نقطه اتصال را اندازه گیری نمود. خیلی از شما عزیزان درخواست داشته اید تا مقاله ای جامع در خصوص انواع ترموکوپل ها بنویسیم و درباره های کارکردهای آن، تایپ ها و نحوه کالیبراسیون آن ها توضیح دهیم. خوب الوعده وفا. ما در این مقاله به طور جامع و کامل این نوع از سنسورهای دما را مورد بررسی قرار داده و بسیاری از سوالات و پرسش های شما عزیزان را پاسخ داده ایم. امیدواریم این نوشته بتواند اطلاعات شما را در خصوص یکی از محبوب ترین و کاربردی ترین تجهیزات برقی در صنعت، کامل کند و بتوانید براساس اطلاعات صحیح و درست، سنسور موردنظرتان را تهیه کنید.
اکنون که فهمیدید ترموکوپل چیست و چگونه کار می کند، اکنون می خواهیم به انواع ترموکوپل بپردازیم و به قولی کلیه تایپ های آن را مورد بررسی کامل قرار دهیم. این نوع از جفت های گرمایی یا حرارتی، به شکل سیم و از فلزات مختلف و در درجات متفاوتی تولید می گردند. این تفاوت درجات برای مشتریان و مصرف کنندگان به وسیله کد های E,N,J,K,T و… مشخص می گردند. برای مثال ترموکوپل نوع K را با کد K نام گذاری نموده و کابل رابط آن، کابل افزاینده طول یا جبران ساز BLF ایتالیا تایپ KX است. در رنج های دمایی بسیار بالا، کدها با حروف دیگری از قبیل R ,S ,B ,C مشخص می گردند. سنسورهای دما در صورتی که برای اندازه گیری دمایی خارج از محدوده کاری مشخص شده استفاده شوند، می توانند میزان اندازه گیری غیر قابل اعتمادی را ارائه دهند. اگر میزان اندازه گیری دما در فرآیندی انجام شود که دمای بالاتر از ۶۰۰-۷۰۰ درجه سانتیگراد را می توان انتظار داشت، استفاده از حسگر دما ترموکوپل توصیه می گردد. هنگامی که محدوده دمایی مورد نیاز خود را می دانید، می توانید محصولات MI Cable یا Bare Wire را بررسی کنید تا ببینید کدام نوع TC برای دمای مورد نیاز شما مناسب است. ترموکوپل نوع K پر استفاده ترین و پرکاربردترین نوع از سنسورهای ترموکوپل است. قیمت آن مناسب است و می توان از آن برای اهداف مختلف در محیط های صنعتی استفاده کرد. این به دلیل دامنه وسیع دما و حساسیت آن تقریباً ۴۱ µV/°C است. ترموکوپل تیپ N به عنوان جایگزینی برای نوع K در محدوده دمای ۰ تا ۱۳۷۲ درجه سانتی گراد ساخته شده است. در جایی که تایپ K ناپایداری تجمعی بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد را نشان می دهد، سِری N پایداری حرارتی را نشان می دهد. ۸ نوع ترموکوپل یا جفت حرارتی وجود دارد که به عنوان “فلز پایه و فلزخاص یا نجیب” طبقه بندی می شوند که عبارتند از: انواع ترموکوپل هایی که از فلز پایه (Base Metal) ساخته شده اند: نوع K: این نوع از دماسنج ها، رایج ترین نوع از دماسنج های حرارتی هستند که به طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می گردند و محدوده دمایی وسیعی دارند. سنسورهای های نوع K از آلیاژهای پایه نیکل ساخته شده که در برابر خوردگی مقاوم بوده و تقریباً برای کلیه مصارف صنعتی و نیمه صنعتی مناسب هستند. پایه مثبت (+) که با رنگ زد مشخص شده اند، غیر مغناطیسی است. پاها منفی(-) که با رنگ قرمز مشخص شده، مغناطیسی است. شما می توانید از میان فلزات پایه معمولی که از عملیات دمای بالا پشتیبانی می کنند، انتخاب خود را انجام دهید. از این ترموکوپل ها، برای استفاده در محیط های اکسیدی یا خلا در دمای تا ۱۳۷۲ درجه سانتیگراد (۲۵۰۱٫۶ درجه فارنهایت) استفاده می شوند. (لازم به ذکر است که سنسور را از قرار دادن در معرض محیط های حاوی گوگرد خودداری کنید). حداکثر عملکرد در فضای اکسید کننده هوای پاک. برای استفاده در حالت نیمه اکسید شده در خلاء یا در شرایطی که اکسیداسیون و کاهش متناوب هستند، به هیچ عنوان توصیه نمی گردد. نوع J: این تایپ از حسگرهای دما را می توان بعد از تایپ K، پرکاربردترین سنسور برای مصارف صنعتی و نیمه صنعتی در نظر گرفت. طراحی مناسب برای استفاده در محیط های اکسیدی و محیط های خلا تا دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۹۲ درجه فارنهایت) با اندازه گیج سیم ضخیم تر. در دمای بالاتر از ۵۴۰ درجه سانتیگراد (۱۰۰۰ درجه فارنهایت)، سیمی که از جنس آهن است، به سرعت اکسید شده و عمر مفید سیم های با اندازه های ظریف را محدود می کند.
سنسورهای ترموکوپل چگونه کار می کنند؟
یک جفت گرمایی یا ترموکوپل (Thermocouple)، ابزاری مخصوص اندازه گیری است و برای سنجش دمای بدنه تجهیزات مختلف و اجزاء درونی آن و انواع مواد مختلف طراحی شده است. یک جفت گرمایی از دو رشته سیم از جنس دو فلز متفاوت ساخته شده است. زمانی که این دو سیم به یکدیگر متصل شوند، یک مدار را تشکیل می دهند. این مدار باعث ایجاد دو اتصال الکتریکی جدا از هم می شود. یکی از اتصال ها در جایی تشکیل شده که درجه حرارت بایستی اندازه گیری شود. این قسمت به نام اتصال گرم یا اتصال اندازه گیری نامیده می شود.
ترموکوپل چگونه وصل می شود؟
طول کابل جبران ساز ترموکوپل به دلیل مقاومت داخلی پایین آن در درجه دوم اهمیت قرار دارد. با این حال، با طول کابل طولانی تر با سطح مقطع کوچک، مقاومت ترموکوپل یا کابل جبران ساز می تواند مقادیر نسبتاً بالایی را در نظر بگیرد. برای جلوگیری از نمایش خطاهای نمایشگر، مقاومت داخلی مدار ورودی دستگاه ارزیابی باید حداقل ۱۰۰۰ برابر بیشتر از مقاومت سنسور ترموکوپل متصل باشد. فقط می توان از کابل های جبران ساز از همان مواد خود عنصر یا با خواص ترموالکتریک مشابه استفاده کرد، در غیر این صورت یک گشتاور جدید در نقطه اتصال ایجاد می شود. کابل جبران باید تا اتصال مرجع گذاشته شود. هنگام اتصال ترموکوپل ها، قطبیت را رعایت کنید.
چگونه ترموکوپل مناسب را انتخاب کنیم؟
هنگام انتخاب سنسور دما چندین علل وجود دارد که بایستی در هنگام خرید آن ها را در نظر بگیرید. ابتدا محیطی که قصد اندازه گیری آن را دارید، بسیار مهم است. دستگاهی که بایستی اندازه گیری شود چیست؟ آیا دمای هوای محیط در یک اتاق یا محوطه صنعتی یا محیط دیگری است؟ قطعه الکترونیکی با بسته بندی پلاستیکی یا فلزی که ممکن است دارای ولتاژ بالا باشد یا نباشد؟ یا یک شمش از فولاد درخشان؟ شاید بخشی از موتور خودرو مانند ورودی یا خروجی اگزوز؟ برخی از این ملاحظات می تواند انتخاب دماسنج را به دلیل عوامل محیطی و ایمنی، بودجه هزینه هر حسگر دما و فاصله سنسور دمابه ابزار هدایت کند. ملاحظات بعدی محدوده دمای مورد انتظار اندازه گیری شده است. یک بلوک موتور خودرو، زمانی که به طور کامل گرم شود، می تواند دمایی بیش از ۱۰۰ درجه سانتیگراد ایجاد کند. اکثر ترموکوپل ها می توانند این محدوده دما را تحمل کنند و تیپ K، همانطور که قبلا هم به آن اشاره کردیم، پرمصرف ترین جفت حرارتی برای چنین کاربردهایی است. از طرف دیگر، در کوره های پخت سرامیک می تواند دما بسیار بالاتر باشد. نوع N به دلیل پایداری و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا، برای دمای بالاتر خوب است. در طرف دیگر مقیاس، دستگاه‌های ابررسانا در دماهای بسیار پایین، در حدود چندین کلوین (یا کمی بالاتر از صفر مطلق یا ۲۷۳ درجه سانتیگراد)، به ابررسانایی دست می‌یابند، بنابراین حسگر باید بتواند در برابر آب و هوای زیر یخ‌بندان که در آن ابررساناها کار می‌کنند، مقاومت کند. . سنسورهای های نوع E با خروجی بالا (حدود ۶۸uV/C) خوب خواهند بود، زیرا برای دماهای پایین مناسب هستند.
