ترموکوپل چیست؟ کاربرد انواع ترموکوپل

به زبان ساده، ترموکوپل از بهترین و پرکاربردترین سنسورها برای اندازه‌گیری دما است. واژه ترموکوپل به معنی «جفت حرارتی» است. 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.
در حقیقت، ترموکوپل وسیله‌ای الکتریکی که از دو ماده رسانای الکتریکی غیر هم جنس متصل به هم تشکیل شده است، که با گرم شدن محل اتصال آن‌ها الکتریسیته تولید می‌شود. در این پست قرار است راجع به این قطعه، کار ترموکوپل و انواع آن صحبت کنیم. لطفا تا پایان مطلب همراه ما باشید.

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 اندازه‌گیری 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.

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.

در ادامه به بررسی جز به جز نحوه عملکرد ترموکوپل می‌پردازیم:

1. ایجاد اختلاف دما: هنگامی که یک سر ترموکوپل (اتصال گرم) در معرض دمای بالاتری نسبت به سر دیگر (اتصال سرد) قرار می‌گیرد، بین الکترون‌های آزاد در دو فلز اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود.
2. تولید ولتاژ: این اختلاف پتانسیل باعث ایجاد جریان الکتریکی کوچکی می‌شود که ولتاژی متناسب با اختلاف دما تولید می‌کند.
3. اندازه‌گیری ولتاژ: ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل توسط یک دستگاه اندازه‌گیری (مانند میلی‌ولت متر) اندازه‌گیری می‌شود.
4. محاسبه دما: با استفاده از جداول تبدیل، ولتاژ اندازه‌گیری شده به دمای اتصال گرم تبدیل می‌شود.

به عنوان مثال مکانیزم ترموکوپل pt100 بر اساس پدیده {سی بک – Seebeck} یا ترموالکتریک انجام می‌شود، که اختلاف دما بین دو نقطه را به ولتاژ تبدیل می‌کند. اگر ترموکوپل‌ها به درستی نصب و راه‌اندازی شوند، می‌توانند در رنج دمایی گسترده‌ای فعالیت کنند.

ساختار ترموکوپل

ترموکوپل یک حسگر دمایی است که از اتصال دو فلز مختلف تشکیل شده است. هنگامی که این دو فلز در دمای متفاوتی قرار گیرند، ولتاژی متناسب با اختلاف دما تولید می‌شود. این ولتاژ را می‌توان اندازه‌گیری کرد و با استفاده از یک جدول تبدیل، دمای مورد نظر را به دست آورد.

اجزای اصلی یک ترموکوپل:

اصلی ترین اجزای داخلی قطعه ترموکوپل را در ادامه بررسی کرده‌ایم:

• دو فلز ناهمگن: این دو فلز، قلب ترموکوپل هستند. انتخاب نوع فلز به بازه دمایی مورد نظر، دقت مورد نیاز و محیط کار بستگی دارد. فلزات رایجی که در ترموکوپل‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از: کرومل، آلومل، مس، کنستانتان، نیکل، و آلیاژهای مختلف.
• اتصال گرم (Hot Junction): محل اتصال فیزیکی دو فلز ناهمگن است. این نقطه به طور مستقیم در معرض دمایی قرار می‌گیرد که قصد اندازه‌گیری آن را داریم.
• اتصال سرد (Cold Junction): محل اتصال سیم‌های ترموکوپل به دستگاه اندازه‌گیری است. دمای این نقطه باید به صورت دقیق اندازه‌گیری شود و برای محاسبه دمای واقعی در اتصال گرم استفاده شود.
• عایق: برای جلوگیری از اتصال کوتاه و تأثیر عوامل خارجی بر روی سیگنال الکتریکی، سیم‌های ترموکوپل با عایقی مناسب پوشیده می‌شوند.
• غلاف محافظ: در بسیاری از کاربردها، ترموکوپل‌ها در یک غلاف محافظ قرار می‌گیرند تا از آسیب‌های فیزیکی و شیمیایی محافظت شوند.

وطیفه اصلی ترموکوپل اندازه‌گیری اما است که مجموعه این اجزا برای حصول این نتیجه در ساختمان ترموکوپل نقش دارند.

انواع ترموکوپل

ترموکوپل‌ها بر اساس جنس فلز و آلیاژ انواع مختلفی دارند، همچنین قیمت ترموکوپل با توجه به تایپ و کیفیت آن بسیار تفاوت دارد؛ که تایپ‌های مختلف آن را در اینجا برای شما معرفی می‌کنیم:

ترموکوپل نوع k:

ترموکوپل نوع K ارزان قیمت و از پرکاربردترین نوع ترموکوپل است که بیشترین دامنه اندازه‌گیری دما را دارد. این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr نام تجاری کرومل و Ni-Al نام تجاری آلومل ساخته شده است. سرب مثبت ترموکوپل تیپ K تقریباً از ۹۰٪ نیکل و ۱۰٪ کروم و سرب منفی تقریباً از ۹۵٪ نیکل، ۲٪ آلومینیوم، ۲٪ منگنز و ۱٪ سیلیسیم تشکیل شده است.
همچنین این نوع از ترموکوپل 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 J:

ترموکوپل نوع J 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.
به دلیل اکسید شدن آهن ترموکوپل نوع j در صنایع قالب‌ریزی پلاستیک استفاده می‌شود. این نوع ترموکوپل بهتر است به علت وجود آهن در مکان‌هایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد، استفاده نشود.

ترموکوپل نوع E:

ترموکوپل نوع E را با بالاترین EMF در هر درجه، نسبت به انواع دیگر ترموکوپل تولید می‌کنند. 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.

دامنه دمایی این نوع ترموکوپل بین -۲۷۰ درجه سانتیگراد تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد (۴۵۴ تا ۱۶۰۰ فارنهایت) و دقت استاندارد ± ۱.۷ ˚C است.
این ترموکوپل از فلزات Ni-Cr نام تجاری کرومل و Cu-Ni کنستانتان، ساخته می‌شود. می‌توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت شده، استفاده کرد.

ترموکوپل نوع T:

ترموکوپل نوع T از مس (Cu) و آلیاژ کنستانتان (Cu-Ni) تولید می‌شود. نسبتا ارزان بوده و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است. در برابر رطوبت مقاوم است. به دلیل خطی بودن نسبت به تمام انواع ترموکوپل، رنج درجه حرارت مناسب و دارا بودن حساسیت خوب، زیاد در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همچنین مناسب برای کار در جو اکسید کننده است. دامنه دمایی این ترموکوپل بین -۲۰۰ درجه سانتیگراد تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد است. سرب مثبت آن از مس و سرب منفی از ۴۵٪ نیکل و ۵۵٪ مس تشکیل شده 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 همانند 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 است. تحمل این سنسور در برابر اکسیدشدن در دماهای بالا بهتر از نوع K 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. برای آشنایی بیشتر با مشخصات فنی و کاربردهای این قطعه، مقاله مشخصات ترموکوپل نوع S را مطالعه کنید.

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.

این ترموکوپل‌ها بسته به کاربردشان دارای ظاهری متفاوت هستند؛ برای مثال: ترموکوپل غلاف‌دار به همراه کلاهک برای نصب ترانسمیتر، مناسب در کاربردهای صنعتی است.

• ترموکوپل پرابی: به علت داشتن متراژ متفاوت سیم، مناسب برای مکان‌های دور از دسترس است.
• ترموکوپل پرابی پرتابل: مناسب برای تست و تجهیزات پرتابل است.
• ترموکوپل سیمی: برای اندازه‌گیری در دماهای زیر ۲۵۰ درجه سانتیگراد مناسب است.
• ترموکوپل سطحی: مناسب برای اندازه‌گیری دمای سطح مثل کوره است.

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.

بیشترین کاربرد ترموکوپل‌ها در کدام صنایع است؟

ترموکوپل‌ها چون دارای نمونه‌های مختلفی با رنج دمایی متفاوت هستند؛ از خاصیت‌هایی همچون: ضد خورندگی، ضد انفجار، ضد اسید و … نیز برخوردارند.
توانایی این را دارند که در صنایع زیادی از جمله: نفت و گاز پتروشیمی، کشتی سازی، داروسازی، شیمیایی، سیمان، فولاد و ریخته‌گری، معدن، صنایع غذایی و نوشیدنی، پلاستیک، خودروسازی، شیشه و سرامیک، کوره، دفع زباله، سردخانه، نیروگاه‌های برق، نظارت بر آلاینده و نظارت بر ابزار و لوازم صنعتی مورد استفاده قرار گیرند.
در ادامه به بررسی مهمترین مزایای ترموکوپل می‌پردازیم:

• 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 مقرون‌به‌صرفه‌ای 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 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 معایب این سنسورها، غیر خطی بودن آن‌ها است، که البته این عیب نیست! زیرا اگر چنین نبود نمی‌توانست رنج وسیع دمایی را پوشش دهد.

نکته: مهمترین کاربرد آن‌ها در صنایع تولید لوازم گازسوز است. به این صورت است که از ترموکوپل برای ایمنی تجهیزات گازسوز استفاده می‌کنند. (در مواردی که شعله گاز به دلایلی مثل باد خاموش می‌شود، جهت قطع جریان گاز و جلوگیری از انتشار آن استفاده می‌شود.)

هنگام انتخاب ترموکوپل باید به این موارد دقت کنید

زمانی که قرار است سنسور اندازه‌گیری بخرید، باید فاکتورهای زیر را در نظر بگیرید، تا انتخابی مطمئن داشته باشید:

• تیپ ترموکوپل
• رنج دمایی ترموکوپل
• طول ترموکوپل
• جنس غلاف ترموکوپل
• دقیق بودن ترموکوپل
• اتصال ترموکوپل
• مقاومت در برابر سایش و تکان
• ترموکوپل انتخابی ما با دیگر قطعات همخوانی دارد یا خیر؟

با بررسی این ویژگی‌ها، قادر خواهید بود بهترین و مناسب‌ترین ترموکوبل را برای کاربری که در نظر دارید انتخاب کنید.

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؛ 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.