ترموکوپل

Thermocouple

ترموکوپل یک دستگاه سنجش دما است که از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده است که در یک انتها به هم متصل شده اند. این پیکربندی ولتاژی متناسب با تفاوت بین دما در انتهای حسگر ترموکوپل و دمای مرجع تولید می کند.

ترموکوپل ها یکی از پرکاربردترین سنسورهای دما هستند. آنها در کاربردهای اندازه گیری و کنترل در تنظیمات صنعتی و تجاری بسیار رایج هستند و همچنین در ترموستات ها و سنسورهای شعله در کاربردهای مسکونی یافت می شوند.

محبوبیت ترموکوپل ها تا حدی ناشی از سادگی، سازگاری و هزینه آنهاست. ترموکوپل ها کسری از قیمت سایر سنسورهای دما هستند و می توانند تقریباً در هر طول یا قطری طراحی شوند.

آنها با اتصالات استاندارد عرضه می شوند که آنها را بسیار قابل تعویض می کند. برخلاف بسیاری از روش‌های دیگر اندازه‌گیری دما، ترموکوپل‌ها به صورت خود تغذیه می‌شوند و نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند. محدودیت اصلی ترموکوپل ها دقت است، خطاهای سیستم کمتر از یک درجه سانتیگراد (درجه سانتیگراد) می تواند دشوار باشد.

ترموکوپل ها چگونه کار می کنند

هنگامی که هر رسانایی تحت یک گرادیان حرارتی قرار می گیرد، یک ولتاژ ایجاد می کند، شرایطی که به عنوان اثر ترموالکتریک یا اثر Seebeck شناخته می شود. برای ارتباط آن ولتاژ با یک دمای خاص، نمی توانیم به سادگی ولتاژ را اندازه گیری کنیم.

برای انجام این کار لازم است هادی دیگری را به انتهای "گرم" وصل کنید. اگر آن هادی از همان ماده اولی بود، همانطور که گرادیان دما را تجربه می کرد، ولتاژ خود را تولید می کرد که مخالف ولتاژ اول بود.

خوشبختانه، فلزات مختلف هنگام قرار گرفتن در معرض یک گرادیان حرارتی ولتاژهای متفاوتی تولید می کنند. استفاده از یک فلز غیرمشابه برای تکمیل مدار، دو پایه ایجاد می کند که ولتاژهای متفاوتی را تولید می کنند و اختلاف کمی در ولتاژ برای اندازه گیری باقی می ماند. این تفاوت با دما افزایش می یابد.

ایجاد اتصالی از هر دو فلز غیرمشابه، پتانسیل الکتریکی مربوط به دما را تولید می کند. ترموکوپل ها که برای اندازه گیری دقیق دما در محیط های مختلف طراحی شده اند، از اتصالات فلزات و آلیاژهای خاصی استفاده می کنند که رابطه بسیار قابل پیش بینی و تکرارپذیری بین ولتاژ و دما دارند. ترکیبات مختلفی از فلزات و آلیاژها برای محدوده دمایی مختلف استفاده می شود.

اتصال ایجاد شده از اتصال دو فلز غیرمشابه به یکدیگر به عنوان اتصال اندازه گیری یا ترموکوپل شناخته می شود. این انتهای "گرم" ترموکوپل است. انتهای دیگر، جایی که ترموکوپل به سیستم (اغلب یک کنترل کننده یا نمایشگر) متصل می شود، اتصال مرجع یا سرد نامیده می شود.

یک ترموکوپل ولتاژی متناسب با اختلاف دما بین محل اتصال اندازه گیری و اتصال مرجع تولید می کند. این یک اندازه گیری دمای نسبی است. برای بدست آوردن مقادیر مفیدتر دمای مطلق، باید دمای مرجع پایداری وجود داشته باشد. این از طریق جبران اتصال سرد انجام می شود.

بسته به سیستم اندازه گیری و کنترل، جبران اتصال سرد می تواند به روش های مختلفی انجام شود. در سیستم های کالیبراسیون بسیار پیچیده، مرجع سرد در دمای کنترل شده، اغلب 0˚C حفظ می شود. اگرچه در آزمایشگاه مفید است، اما کنترل دمای محل اتصال مرجع برای بیشتر کاربردها عملی نیست. راه های دیگری نیز برای جبران وجود دارد.

یکی اضافه کردن یک سنسور دمای کوچک برای نظارت بر دمای محل اتصال سرد است. دوم این است که یک دیود یک دمای خاص را در محل اتصال سرد شبیه سازی کند. الکترونیکی که ترموکوپل به آن متصل است می تواند به سرعت اصلاحاتی را بر اساس جبران اتصال سرد اعمال کند و دمای مطلق دقیقی را ارائه دهد.

اکثر ترموکوپل ها دارای روکش برای محافظت از محیط خود هستند. ترموکوپل هایی که روکش دارند گزینه هایی برای اتصالات اندازه گیری خود به زمین دارند. اتصال زمین، رایج ترین نوع، سیم های ترموکوپل را به صورت فیزیکی به روکش فلزی متصل می کند.

این پیکربندی زمان پاسخگویی سریع تری را فراهم می کند زیرا انتقال حرارت از بیرون را بهبود می بخشد. اتصالات زمینی بیشتر مستعد تداخل الکتریکی هستند، با این حال، که می تواند باعث خطاهای اندازه گیری شود.

اتصالات غیر زمینی شامل یک لایه عایق بین محل اتصال اندازه گیری و روکش فلزی است. زمان پاسخ آهسته‌تر از سبک زمینی است، اما اتصال زمین نشده، ایزوله الکتریکی را ارائه می‌دهد.

ترموکوپل های بدون روکش به عنوان در معرض اطلاق می شوند.

rmocouples یا ترموکوپل بدون سیم. این سبک محل اتصال اندازه‌گیری را نشان می‌دهد که سریع‌ترین زمان پاسخ را فراهم می‌کند، اما از هرگونه حفاظتی که روکش ارائه می‌کند، استفاده از آن‌ها را برای کاربردهای خشک، غیر خورنده و بدون فشار محدود می‌کند.

انواع ترموکوپل

اگرچه ترموکوپل ها را می توان از به هم پیوستن هر دو فلز مختلف ساخت، علم و تجربه ثابت کرده است که ترکیب خاصی از فلزات اندازه گیری دمای قابل اعتماد مناسب برای محیط های خاص را تولید می کند. به این ترکیبات فلزی انواع ترموکوپل می گویند.

از آنجایی که ترموکوپل‌های مختلف محدوده‌های دمایی و قابلیت‌های فیزیکی متفاوتی را ارائه می‌دهند، انتخاب نوع صحیح بر اساس برنامه‌ای که در آن نصب خواهد شد، مهم است. محدوده دمایی مورد نظر، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و لرزش، و الزامات نصب، همگی عواملی هستند که باید در انتخاب نوع ترموکوپل در نظر گرفته شوند.

برخی از رایج‌ترین انواع ترموکوپل عبارتند از:

ترموکوپل نوع J:

ترموکوپل های نوع J رایج ترین در بین همه انواع هستند. آنها شامل یک پای آهنی و یک پای کنستانتان هستند. آنها برای دماهای 346- تا 1400 درجه فارنهایت (210- تا 760 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه 2.2 ± یا 0.75 ± هستند. ترموکوپل های نوع J را می توان در اتمسفرهای خلاء، احیا کننده، اکسید کننده و بی اثر استفاده کرد.

ترموکوپل نوع K:

ترموکوپل نوع K از یک کروم و یک پایه آلومل تشکیل شده است. آنها برای دماهای 454- تا 2300 درجه فارنهایت (270- تا 1260 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه 2.2 ± یا 0.75 ± هستند. ترموکوپل های نوع K برای اتمسفرهای اکسید کننده یا بی اثر توصیه می شوند. دوچرخه سواری با دمای بالای 1800 درجه فارنهایت به دلیل تغییر EMF از هیسترزیس توصیه نمی شود.

ترموکوپل نوع N:

ترموکوپل های نوع N از یک Nicrosil و یک Nisil Leg تشکیل شده اند. آنها برای دماهای 454- تا 2300 درجه فارنهایت (270- تا 1260 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه 2.2 ± یا 0.75 ± هستند. ترموکوپل های نوع N با در نظر گرفتن یک نوع K بهبود یافته، مقاومت بهتری در برابر تخریب به دلیل چرخه دما، پوسیدگی سبز و پسماند نسبت به نوع K دارند.

ترموکوپل نوع T:

ترموکوپل نوع T از یک پایه مس و یک پایه کنستانتان تشکیل شده است. آنها برای اتمسفرهای خلاء، اکسید کننده، کاهنده و بی اثر مناسب هستند. ترموکوپل های نوع T برای دماهای 454- تا 700 درجه فارنهایت (270- تا 370 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه ± 1.0 درجه سانتیگراد یا 0.75 ± هستند. آنها مقاومت خوبی در برابر خوردگی در اکثر اتمسفرها و پایداری بالا در دمای زیر صفر دارند و آنها را گزینه ای ایده آل برای دماهای بسیار سرد می کند.

ترموکوپل نوع E:

ترموکوپل های نوع E از یک پایه کرومل و یک پایه کنستانتان تشکیل شده اند. آنها در بیشتر جوها در معرض خوردگی نیستند. نوع E همچنین دارای بالاترین EMF در هر درجه از هر نوع ترموکوپل استاندارد است. با این حال، این ترموکوپل باید از جوهای گوگردی محافظت شود. آنها برای دماهای 454- تا 1600 درجه فارنهایت (270- تا 870 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه ± 1.7 درجه سانتیگراد یا ± 0.5٪ هستند.

ترموکوپل نوع S:

ترموکوپل های نوع S از یک پایه پلاتینیوم-10% رودیوم و یک پایه پلاتینیوم تشکیل شده اند. آنها برای استفاده در اتمسفرهای اکسید کننده یا بی اثر توصیه می شوند. کاهش اتمسفر ممکن است باعث رشد بیش از حد دانه و رانش در کالیبراسیون شود. آنها در کاربردهای دمای بسیار بالا مورد استفاده قرار می گیرند و برای دماهای 58- تا 2700 درجه فارنهایت (50- تا 1480 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه ± 1.5 درجه سانتیگراد یا 0.25 ± هستند.

ترموکوپل نوع R:

ترموکوپل های نوع R از یک پایه پلاتینیوم-13% رودیوم و یک پایه پلاتینیومی تشکیل شده اند. آنها برای استفاده در اتمسفرهای اکسید کننده یا بی اثر توصیه می شوند. کاهش اتمسفر ممکن است باعث رشد بیش از حد دانه و رانش در کالیبراسیون شود. آنها در کاربردهای دمای بسیار بالا خوب هستند و برای دماهای 58- تا 2700 درجه فارنهایت (50- تا 1480 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دقت اولیه آنها 5/1± یا 25/0 ± است.

ترموکوپل نوع B:

ترموکوپل های نوع B از یک پایه پلاتینیوم 30% رودیوم و یک پایه پلاتینیوم تشکیل شده است. آنها برای استفاده در اتمسفرهای اکسید کننده یا بی اثر توصیه می شوند. کاهش اتمسفر ممکن است باعث رشد بیش از حد دانه و رانش در کالیبراسیون شود. آنها در کاربردهای دمای بسیار بالا استفاده می شوند و برای دماهای 32 تا 3100 درجه فارنهایت (0 تا 1700 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دقت اولیه 0.5 ± درصد دارند.

ترموکوپل نوع C:

ترموکوپل های نوع C از پایه های تنگستن و رنیوم تشکیل شده اند. آنها برای استفاده در خلاء، هیدروژن با خلوص بالا یا اتمسفرهای بی اثر خالص توصیه می شوند. آنها برای دماهای بسیار بالا استفاده می شوند و برای دماهای 32 تا 4208 درجه فارنهایت (0 تا 2320 درجه سانتیگراد) مناسب هستند و دارای دقت اولیه 1.0 ± هستند. ترموکوپل های نوع C ذاتا شکننده هستند.

مزایا و معایب ترموکوپل

ترموکوپل ها در مقایسه با سایر سنسورهای دما، به ویژه RTD ها، دارای تعدادی مزایا و معایب ذاتی هستند.

مزایای:

• کم هزینه
• محدوده دمای بالا
• طراحی بسیار ساده
• ناهموار
• پاسخ سریع
• سنجش دما در نوک ترموکوپل است

معایب:

• حساسیت کم
• دقت متوسط
• غیر خطی
• ولتاژ پایین
• پایداری/تکرارپذیری کم

مواردی که هنگام انتخاب ترموکوپل باید در نظر گرفت:

1. محدوده دمایی مورد نیاز چقدر است؟
2. چه سطحی از دقت مورد نیاز است؟
3. آیا زمان پاسخگویی یک عامل است؟
4. منبع تغذیه موجود است؟
5. آیا سنسور در برابر سایش یا مقاومت در برابر لرزش قرار می گیرد؟
6. آیا مقاومت شیمیایی لازم است؟
7. فاصله سنسورها از کنترلر یا نمایشگرشان چقدر خواهد بود؟

اگر در مورد ترموکوپل ها سؤالی دارید، لطفاً از طریق تماس با شماره 021-91035087 با یکی از مهندسان ما صحبت کنید.