احتمالا اسم این ابزار پرکاربرد را شنیده‌اید؛ ولی آشنایی زیادی با آن ندارید. جای نگرانی نیست! در این پست قرار است راجع به این وسیله، کاری که انجام می‌دهد و انواع آن صحبت کنیم. لطفا تا پایان مطلب همراه ما باشید.
هر آنچه که لازم است درباره‌ی ترموکوپل بدانید
ترموکوپل، وسیله‌ای الکتریکی که از آن برای اندازه‌گیری دما بهره می‌برند. به زبان ساده‌تر به‌عنوان یک اتصال حرارتی تعریف می‌شود، که بر اساس پدیده اثر ترموالکتریک یعنی تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی عمل می‌کند.
در سال ۱۸۲۱، فیزیکدان آلمانی به نام توماس یوهان سیبك دریافت كه وقتی دو فلز مختلف از یك انتها به هم متصل می‌شوند و اختلاف دما بین دو سر ایجاد می‌كنند، می‌توانند میدان مغناطیسی ایجاد کنند.
وی مشاهده کرد که به دلیل میدان مغناطیسی، ولتاژ توسط اثر ترموالکتریک القا می‌شود. اما! این ولتاژ به دلیل نوع فلز به کار رفته در ترموکوپل (از نظرmV) کم بود.
حال با توجه به کاربردهای مختلف ترموکوپل، آن را در پیکربندی‌های متفاوت از جمله: پروب‌های ترموکوپل، پروب با اتصالات، ترموکوپل مادون قرمز، ترموکوپل سیم پایه و سیم ترموکوپل طراحی می‌کنند.
مهمترین مزایا و کاربردهای ترموکوپل
- مهمترین مزیت ترموکوپل این است که می‌تواند؛ دامنه وسیعی از دما را اندازه‌گیری کند، که معمولا از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سلسیوس را در بر می‌گیرد.
- سنسور دمایی ساده، قوی و مقرون به صرفه‌ای است، که در کاربردهای مختلف صنعتی، خانگی، اداری و تجاری می‌توان از آن بهره برد.
- قابل تعویض هستند و می‌توان آن‌ها را با اتصالات استاندارد یافت.
- بر خلاف بیشتر روش‌های دیگر اندازه‌گیری دما، ترموکوپل‌ها به هیچ نوع نیرو و یا تحریک خارجی‌ای نیاز نداشته و از خود نیرو می‌گیرند.
- از جمله کاربری مهم ترموکوپل‌ها، کاربردهای علمی، نصب شده و صنعتی است، که کاربردهای صنعتی عمدتاً شامل: گاز (یا) روغن، تولید نیرو، سیمان، دارویی، بیوتکنولوژی، کاغذ و بافت‌های نرم است.
- از این حسگر در لوازم خانگی همچون: توستر، اجاق گاز و بخاری نیز بسیار استفاده می‌شود.
مشاهده محصولات تهران المنت : خرید ترموکوپل
نحوه عملکرد ترموکوپل‌ها چگونه است؟
یک ترموکوپل از دو صفحه فلز مختلف تشکیل شده است. هر دو صفحه از یک انتها به هم متصل شده که می‌توانند یک اتصال ایجاد کنند. محل اتصال (که بعنوان یک اتصال گرم شناخته می‌شود) روی عنصر یا سطحی قرار داده می‌شود که می‌خواهیم دما را اندازه گیری کنیم، و انتهای دوم صفحه در دمای پایین‌تر (دمای اتاق) نگهداری می‌شود.
این اتصال به‌عنوان اتصال سرد یا اتصال مرجع شناخته می‌شود. با توجه به اثر Seebeck، اختلاف دما بین دو فلز مختلف باعث اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از صفحات ترموکوپل می‌شود؛ که اگر مدار بسته باشد، جریان بسیار کمی از مدار جریان می‌یابد.
همچنین یک ولت متر در مدار وصل شده است؛ که ولتاژ اندازه‌گیری شده توسط ولت متر تابعی از اختلاف دما بین دو اتصال است، از این رو با اندازه‌گیری ولتاژ، می‌توانیم دمای اتصال گرم را محاسبه نماییم.
انواع ترموکوپل
ترموکوپل‌ها با توجه به ترکیبات آلیاژی در انواع مختلفی یافت می‌شوند؛ که نوع انتخاب هر یک با توجه به کاربرد، هزینه، در دسترس بودن، پایداری، خصوصیات شیمیایی، خروجی و دامنه دما صورت می‌گیرد.
ترموکوپل نوع K
ترموکوپل نوع K متداول‌ترین نوع ترموکوپل است و بیشترین دامنه اندازه‌گیری دما را دارد. سرب مثبت ترموکوپل تیپ K تقریباً از ۹۰٪ نیکل و ۱۰٪ کروم تشکیل شده است. سرب منفی تقریباً از ۹۵٪ نیکل، ۲٪ آلومینیوم، ۲٪ منگنز و ۱٪ سیلیسیم تشکیل شده است.
همچنین ترموکوپل تیپ k به دلیل استفاده از مس در آن، خاصیت ضد اکسیداسیون دارد، به همین دلیل برای استفاده در کوره‌ها که اکسیداسیون رخ می‌دهد، مناسب هستند.
ترموکوپل نوع T
این نوع ترموکوپل برای اندازه‌گیری دمای پایین مناسب است. سرب مثبت آن از مس و سرب منفی از ۴۵٪ نیکل و ۵۵٪ مس تشکیل شده است.
همچنین مناسب برای کار در جو اکسید کننده است. و دامنه دمایی این ترموکوپل بین -۲۰۰ درجه سانتیگراد تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد است.
ترموکوپل نوع J
این نوع ترموکوپل کم هزینه و پرکاربرد است. سرب مثبت آن از آهن و سرب منفی از کنستانتان ۴۵٪ نیکل و ۵۵٪ مس است. ترموکوپل تیپ j برای کاربردهای دمای پایین توصیه نمی‌شود و حساسیت این نوع ترموکوپل تقریباً ۵۰μV / ˚C است.
ترموکوپل نوع E
این نوع ترموکوپل از دقت و سیگنال قوی‌تری نسبت به ترموکوپل K و J در دامنه‌های دمایی متوسط برخوردار است؛ که یک ترموکوپل از نوع پایدارتر از نوع K است.
ترموکوپل نوع E را با بالاترین EMF در هر درجه نسبت به انواع دیگر ترموکوپل تولید می‌کنند. دامنه دمایی این نوع ترموکوپل بین -۲۷۰ درجه سانتیگراد تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد (۴۵۴ تا ۱۶۰۰ فارنهایت) و دقت استاندارد ± ۱.۷ ˚C است.
ترموکوپل نوع N
ترموکوپل نوع N توسط سازمان علوم و فناوری دفاعی (DSTO) استرالیا، توسط Noel A. Burley طراحی شده است. محدودیت‌های دقت و دمای ترموکوپل نوع N همان ترموکوپل نوع K است. دامنه دمایی ترموکوپل نوع N بین -۲۷۰ درجه سانتیگراد تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد است. این ترموکوپل از Nicrosil و Nisil تشکیل شده، و حساسیت آن نسبت به نوع k کمتر است.
ترموکوپل نوع S
از ترموکوپل‌های نوع S برای کاربردهای دمای بالاتر استفاده می‌شود. به دلیل دقت و ثبات بالا، گاهی اوقات برای دمای پایین نیز کاربرد دارند. دامنه دمایی ترموکوپل نوع S بین ۶۳۰ درجه سانتیگراد تا ۱۰۶۴ درجه سانتیگراد است.
به‌طور کلی، این نوع ترموکوپل در کاربردهایی مانند: صنایع دارویی و بیوتکنولوژی استفاده می‌شود، که در آن درجه حرارت بالا باید با دقت بالا اندازه‌گیری شود.
ترموکوپل نوع R
ترموکوپل تیپ R نیز از پلاتین و رودیوم تشکیل شده است. اما دامنه خروجی و پایداری ترموکوپل نوع R کمی بیشتر از ترموکوپل نوع S است. دامنه دمایی این ترموکوپل بین ۰ درجه سانتیگراد تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد است.
ترموکوپل نوع B
ترموکوپل نوع B نیز از ترکیب پلاتین و رودیوم تشکیل شده است. از این ترموکوپل برای اندازه‌گیری دما تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌شود. اما خروجی این ترموکوپل در مقایسه با ترموکوپل‌های نوع R و S کمتر است.
چگونه می‌توان تشخیص داد که عمر ترموکوپل رو به پایان است؟
برای درک این موضوع، ابتدا باید اصل کار یک ترموکوپل خوب را (که کار می‌کند) درک کنیم. ترموکوپل از طریق اثر ترموالکتریک یعنی تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی کار می‌کند؛ و اغلب در دماهای بالا و در جوهای کوره واکنش‌پذیر استفاده می‌شوند.
در این حالت، عمر عملی با پیری ترموکوپل محدود می‌شود. ضرایب ترموالکتریک سیم‌ها در یک ترموکوپل که برای اندازه‌گیری دمای بسیار بالا استفاده می‌شود، ممکن است با گذشت زمان تغییر کند، که بر این اساس ولتاژ اندازه‌گیری کاهش می‌یابد. رابطه ساده بین اختلاف دمای اتصالات و ولتاژ اندازه‌گیری فقط در صورتی درست است، که هر سیم یکدست باشد (یعنی از نظر ترکیب یکنواخت است.)
با افزایش سن ترموکوپل‌ها در فرآیندی، هادی‌های آن‌ها می‌توانند به دلیل تغییرات شیمیایی و متالورژی ناشی از قرار گرفتن در معرض زیاد یا طولانی مدت در دمای بالا، همگنی را از دست دهند.
اگر بخش پیر مدار ترموکوپل در معرض شیب دما قرار گیرد، ولتاژ اندازه‌گیری شده متفاوت بوده و منجر به خطا می‌شود. لذا با این تفاسیر می‌توان تشخیص داد که ترموکوپل عمرش را کرده است و نیاز به تعمیر و یا تعویض دارد.
