بررسی سنسور دمایی ترموکوپل

ترموکوپل چیست

در این مقاله قصد داریم سنسور دمایی ترموکوپل را خدمت علاقه‌مندان توضیح دهیم و نکات استفاده از این سنسور را به همراه مزایا و معایبش باهم بررسی کنیم.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل ها متداول ترین تجهیزات جهت اندازه گیرهای الکتریکی دما در صنعت هستند. مکانیزم thermocouple بر اساس پدیده سی بک (Seebeck) است که اختلاف دما بین دو نقطه را به ولتاژ تبدیل می کنند. ( در سال ۱۸۲۱ فیزیکدان آلمانی به نام سیبک کشف کرد که اگر دو اتصال در دماهای مختلفی قرار گیرند، ولتاژ ترموالکتریک تولید میشود و شار جریانی در مدار بسته دو فلز غیر همجنس جاری میگردد. )

در تعریف کلی تر از ترموکوپل می توان گفت که : ترموکوپل سنسوری است که دما را اندازه گیری می کند. که از دو فلز تشکیل شده و این دو فلز متفاوت در انتها به هم وصل می شوند. هنگامی که اتصال دو فلز گرم می شود یا خنک می شود ، یک ولتاژ ایجاد می شود که می تواند با درجه حرارت تناسب ایجاد کند. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

ساختار ترموکوپل

عناصر طراحی ترموکوپل مشترک چیست؟
سنسورهای ترموکوپل از سیم هایی تشکیل شده اند که معمولاً ترموالمانت ها ، عایق کاری ، غلاف ، مهر و موم انتهایی و وسیله اتصال (سیم های فرمت ، اتصالات و غیره) نامیده می شوند. سیم ها از یک طرف به هم وصل می شوند تا اتصال “اندازه گیری” یا “گرم” را تشکیل دهند. این سنسور باید به یک دستگاه نمایشگر یا دستگاه دیجیتال وصل شود که تغییرات دمایی را نمایش دهد.

مزایای ترموکوپل:

از مزایای آن ها می توان به سادگی، قیمت مناسب، استحکام و دوام بالا جهت مصارف صنعتی و دقت مناسب اشاره کرد. محدوده اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ها وسیع بوده و در شرایط محیطی متفاوت قابل استفاده می باشند. ترموکوپل ها دارای سرعت پاسخ دهی خوبی بدلیل ثابت زمانی کوچک می باشند. از معایب ترموکوپل ها، غیر خطی بودن، تماسی بودن (در معرض اغتشاش و شوک و …)، دقت متوسط را می توان نام برد. جهت استفاده ترموکوپل در مکان هایی که لرزش یا ضربه وجود دارد برای محافظت از سنسور از روکشی بنام ترموول یا غلاف استفاده می شود که باعث کاهش سرعت پاسخگویی می شود.

نمودار زیر میزان ولتاژ برحسب دمای انواع ترموکوپل‌ها را نشان می‌دهد که بیانگر رفتار غیرخطی ترموکوپل نیز است:

نمودار غیر خطی ترموکوپل

انواع ترموکوپل:

ساختمان ترموکوپل ها با استفاده از اتصال یک فلز و آلیاژ تولید می شوند و با همین مکانیزم ساده قادر به اندازه گیری دما به راحتی در رنج وسیعی از 270- تا حدود 1800 درجه می باشند. ترموکوپل ها انواع مختلفی دارند که طبق جنس فلز و آلیاژ آن به شش دسته ذیل تقسیم می شوند.

ساختار ترموکوپل

1. ترموکوپل نوع K :

این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel ) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می شود. این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین و متداولترین نوع ترموکوپل ها می باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین −250 °C و1300 °C (این رنج مطلق نیست و بسته به سازنده و نوع ظاهری آن متفاوت خواهد بود بطور مثال ترموکوپل های سیمی شکل نوع K رنج 40- تا 250 درجه می باشد و نوع میله ای آن قادر به اندازه گیری تا محدوده 1300 درجه هستند). حساسیت ترموکوپل تیپ K تقریبا 41 µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب است.

2. ترموکوپل نوع J :

این ترموکوپل از فلز آهن ( Fe ) و آلیاژهای مس- نیکل Cu-Ni (کنستانتان Constantan ) ساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین -180°C و 800°C است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی 51 µV/°Cاست. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد بهتر است استفاده نشود.

3. ترموکوپل نوع E:

این ترموکوپل با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتانConstantan ) ساخته می شود. رنج عملکرد دمایی آن، بین −40 °C و 900°C است. این ترموکوپل با 62 µV/°C بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت نشده، استفاده کرد.

4. ترموکوپل نوع T :

این ترموکوپل از مس Cu و آلیاژ Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می-شود. رنج عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل، بین −250 °C و 400°C است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاوم است. حساسیت این ترموکوپل، 46 µV/°C است. ترموکوپل نوع T در صنعت به دلایل زیر بیشتر مورد استفاده می گیرد :
نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطی تر است
رنج درجه حرارت مناسبی دارد
همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است

5. ترموکوپل نوع N :

این ترموکوپل از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین -270°C و +1300 °C است. حساسیت این ترموکوپل، 30 µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تحمل این سنسور در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بهتر نوع K می باشد.

6. ترموکوپل نوع R، S و B :

این ترموکوپل ها با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود (تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنهاست). قیمت آن¬ها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود10 µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا -50 °C و +1750 °C است. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا بطور مثال در صنعت شیشه و فولاد به کار می روند.

ترمو کوپلها معمولاً توسط کد رنگ شناخته میشوند. متأسفانه کد رنگ استاندارد برای شناسایی ترموکوپل ها وجود ندارد و کشورهای مختلف کدهای مختلفی را میپذیرند. مثلاً استاندارد آمریکایی سر مثبت ترمو کوپل نوع K را بارنگ زرد و سر منفی را با رنگ قرمز مشخص میکند.

تعیین رنگ کابل ترموکوپل ها طبق استاندارد آمریکا در شکل زیر آورده شده است :

رنگ کابل ترموکوپل ها