ترموکوپل چیست؟

ترموکوپلها حسگرهای حرارتی ساده­ای هستندکه از دو فلز غیر همجنس که به هم متصل شده­اند به وجود آمده­اند ، در سال 1821 فیزیکدان آلمانی­به 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 غیرهم­جنس جاری می­گردد.همان طور که در شکل زیر نشان داده شده،یکی از اتصالات اتصال گرم و اتصال دیگر اتصال سرد یا مرجع نام دارد.

انواع ترموکوپل

در حدود 12 نوع ترموکوپل استاندارد وجود دارد که معمولاً مورد استفاده قرار می­گیرد.به هر نوع ترموکوپل یک حرف تایید شده بین­المللی نسبت داده می­شود که نشان می­دهد ترموکوپل از چه موادی ساخته شده است. جدول زیر معروفترین انواع ترموکوپلها، ماده سازنده آنها و محدوده­های دمایی قابل استفاده را نشان می­دهد.

نوعk

ترموکوپل نوع k با استفاده از فلزهای Ni-Cr (به نام کرومل) وNi-Al (به نام آلومل) ساخته می­شود. این­ترموکوپل ارزان قیمت است ویکی از ارزانترین ترموکوپل های چند منظوره می­باشد.

محدوده عملکرد دمایی آن بین -180°C تا +1350°C+و حساسیت آن تقریباً 42µv/°c است و معمولاً در دماهای بالا مورد استفاده قرار می­گیرد.

نوع J

این ترموکوپل از فلزات آهن و Cu-Ni ساخته می­شود. محدوده دمایی این ترموکوپل بین -180°C تا +750°C است،به دلیل احتمال اکسید شدن آهن ، این ترموکوپل در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می­شود.

حساسیت ترموکوپل نوع J به اندازه­ی54µv/°c است ، ترموکوپل نوع J معمولاً برای طرحهای جدید توصیه می­ شود.

نوع N

ترموکوپل نوع N از فلزات Ni-Cr-Si(نیکروسیل) و Ni-Si-Mg(نیسیل) ساخته می­شود. محدوده دمایی آن بین

-270°Cتا+1300°C است، حساسیت این نوع ترموکوپل 30µv/°c است و معمولاً در دماهای بالا مورد استفاده قرار

می­گیرد.

نوع T

ترموکوپل نوع T از مس و Cu-Ni ساخته می­شود. محدوده عملکرد دمایی این ترموکوپل ، بین250°C تا+400°C است.این ترموکوپل نسبتاً ارزان بوده برای کاربردهایی با دمای پایین مناسب است.

حساسیت این ترموکوپل 46µv/°c است ، این نوع ترموکوپل در برابر رطوبت مقاوم است.

نوع E

ترموکوپل نوع E  با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان) ساخته می­شود محدوده عملکرد دمایی آن بین –40°C تا +900°C است.

این ترموکوپل در 68µv/°c بیشترین حساسیت را دارد و می­توان از آن در کاربردهای خلأ و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است استفاده کرد.

نوع R

ترموکوپل نوع R با استفاده از Pt-Rh (پلاتین- رادیوم) و Pt (پلاتین) ساخته می­شود ،حساسیت این نوع ترموکوپل، پایین و در حدود 8µv/°c است.

محدوده دمایی این ترموکوپل بین -50°C تا +1700°C می­باشد ترموکوپل نوع R برای اندازه­گیری دماهای بسیار بالا به کار می­رود به دلیل آنکه این نوع حسگربه آسانی آلوده می­شود بنابراین نیاز به حفاظت دارد.

نوع B

ترموکوپل نوع B با استفاده از فلزات Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می­شود و حساسیت  آن بسیار کم و در حدود 1µv/°c می­باشد و محدوده دمایی آن بین -100°C تا +1750°C است، این ترموکوپل در اندازه­گیری دماهای بالا بخصوص در صنایع شیشه به کار می­رود.

 

• 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.

نصب اتصالات ترموکوپل

سه روش متداول برای نصب اتصالات ترموکوپل وجود دارد.

• اتصال عایق شده :

در این حالت اتصال از غلاف جدا می­شود در نتیجه این اتصال برای محیطهای خورنده و کاربردهایی با فشار بالا مناسب است، در ضمن زمان پاسخ دهی در مقایسه با روشهای دیگر نصب بسیار طولانی است.

• اتصال زمین شده:

این اتصالات نیز برای محیطهای خورنده و کاربردهایی با فشار بالا مناسب می­باشد ، زمان پاسخ­دهی نسبت به اتصال عایق شده سریعتر می­باشد ولی از طرفی ترموکوپل در معرض ایجاد حلقه­های زمین و اغتشاشات الکتریکی قرار دارد.

• اتصال قابل دسترسی:

این اتصال پاسخ سریعتری ایجاد می­ کند ، این اتصال قابل دسترسی است و به سهولت آسیب می ­بیند برای اندازه­ گیری در محیط های خورنده مناسب نیست این نوع اتصال اغلب برای اندازه­ گیری دمای هوا و گازها به کار می­رود.

عایق بندی ترموکوپل

اگرچه در مواردی این امکان وجود دارد که ترموکوپل ها بدون هر گونه عایقی به کار روند ولی در اکثر کاربردهای صنعتی باید آنها را در برابر محیط یا واسطه­ای که از ترمو کوپل برای اندازه­گیری دمای آن استفاده می­شودحفاظت کرد.

مواد عایق استاندارد

هیچ نوع استانداردی برای مواد عایق کننده ترموکوپلها وجود ندارد ولی معمولاً از عایق­های زیر استفاده می ­شود:

PVC : از این عایق می­توان در محدوده دماهای پایین معمولاً از 30°C- تا C°100+ استفاده کرد.

تفلون : این عایق مقاومت بیشتری در برابر گرما ایجاد می­کند و می­توان از آن در محدوده دمایی -250°C تاC°+250 استفاده کرد.

فایبرگلاس: از این عایق می­توان در محدوده دماهای بینC°-50 تاC°+50 استفاده کرد.

ترموکوپلهای عایق شده با مواد معدنی :

این روش معمول­ترین روش حفاظت و عایق بندی ترموکوپل هاست.سیمهای ترموکوپل در پودر عایق کاملاً غلیظ و فشرده فرو برده می­شوند. این پودر (معمولاً اکسید منیزیم) سیمهای ترموکوپل را عایق بندی و حفاظت می­کند.ترموکوپلهای عایق شده با مواد معدنی استقامت مکانیکی بسیار خوب،پایداری طولانی،عایق­بندی مناسب، پاسخ سریع و اندازه کوچک دارند.محدوده عملکرد دمایی آنها بسیار وسیع و از -200°C تا +1250°C است.

کابلهای اتصال ترموکوپلی:

در پاره­ای موارد نیاز است که از حسگر ترموکوپل در بیرون استفاده کنیم و طول کابل استاندارد تهیه شده توسط تولید کننده ممکن است کوتاه باشد برای این منظور کابلهای اتصال با استفاده از هادیهای ترموکوپل طراحی شده­اند تا در نقاط اتصال مشکلی رخ ندهد. این کابلها از ترموکوپل ارزانتر هستند و جهت سهولت اتصال به صورت انعطاف پذیر طراحی شده­اند کابلهای اتصال با وارد کردن حرف X بعد از نوع ترموکوپل شناخته می­شوند به عنوان مثال کابل اتصال برای ترموکوپل نوع K با KX مشخص می­شود.

وقتی کابلهای اتصال خیلی بلند مورد استفاده قرار می­گیرند مقاومت کابل ممکن است اهمیت پیدا کند معمولاً تولید کنندگان جداولی تهیه می­کنندکه مقاومت سر اتصال را برای ترموکوپل  با نوع و طول معلوم محاسبه می­کند.

پاسخ زمانی ترموکوپل

زمان پاسخ ترموکوپل،زمانی­است که طی آن ترموکوپل در اثر ایجاد یک تغییر پله­ای در دما به 63% مقدار خود در حالت پایدار می­رسد.زمان پاسخ به پارامترهای مختلفی از جمله قطر ترموکوپل ، دمای ناحیه اتصال و ساختار اتصال بستگی دارد. زمان پاسخ برای یک اتصال قابل دسترسی از همه انواع دیگر کمتر است. همچنین زمان پاسخ برای یک اتصال زمین شده نسبت به زمان پاسخ اتصال عایق بندی شده کمتر است . با کاهش قطر ترمو کوپل، زمان پاسخ کمتر می­شود ، همچنین در اتصالاتی با دماهای پایین­تر پاسخ زمانی سریع تر است.

به عنوان مثال پاسخ زمانی یک اتصال عایق­بندی شده با قطر 3 میلی­متر در دمای 100°C در حدود 1 ثانیه است.پاسخ زمانی یک اتصال زمین شده با همین قطر و همین دما ،  0.4 ثانیه است. اگر قطر ترموکوپل را تا مقدار 1میلی­متر کاهش دهیم،پاسخ زمانی اتصال عایق 0.16 ثانیه و پاسخ زمانی اتصال زمین شده،0.07 ثانیه خواهد شد.

روشهای ساخت ترموکوپل

ساده­ترین ترموکوپل از یک جفت سیم با با یک سر اتصال جوش خورده بدون عنصر کنترل­کننده و اتصالات خاص ساخته  می­شود.این نوع ترموکوپلها باید با دقت و در آزمایشگاهها  مورد استفاده قرار گیرند.

ترموکوپلهای صنعتی به اشکال زیر موجود می­باشند:

پروب­ها

این ترموکوپل­ها مجموعه ­هایی همه منظوره می­ باشند ، که می­توانند تا دمای 1100°C عمل کنند و دارای دسته و کابل اتصال بلند و یک پریز بسیار کوچک برای ترموکوپل در انتها می­باشند. پروبهای قابل حمل دارای سرهایی با اشکال مختلف برای اندازه­گیری دمای سطح مواد نیمه جامد(مثل کااغذ،پلاستیک،وغیره )،؛انواع فرو رونده (برای فرو بردن به داخل موادی مثل(غذاهای یخ زده)، انواع مربوط به اندازه­ گیری دمای مایع و انواعی که دارای سر اتصال با زاویه قائم هستند می­ باشند.

ترموکوپل پیچی

این ترموکوپل­ها دارای سرهای پیچی هستند که آنها را برای پیچ کردن به ابزارهایی مثل موتورها،ماشینهای الکتریکی و غیره که می­خواهیم دمای آنها را اندازه ­بگیریم مناسب می­کند.

ترموکوپلهای حلقوی

این مجموعه ترموکوپلها برای اندازه­گیری دمای لوله­ها و اشیاء مدور مورد استفاده قرار می­گیرند و اتصال ترموپلها درون حلقه قرار می­گیرد.

ترموکوپل­های واشری

این دسته از ترموکوپل ­ها دارای واشر هستند و برای اندازه­ گیری دمای انشعابها،لوله­ ها و هر ابزار صنعتی دیگر که واشر می ­تواند به آن وصل شود به کار می ­روند.

ترموکوپلهای فرو رونده

نوع فرورونده ترموکوپل ها برای وارد کردن به داخل یک مایع(مثلاً یک مخزن)جهت اندازه­ گیری دما کاربرد دارد حسگر داخل یک جدار فلزی ضد زنگ قرار داده شده است.

ترموکوپل­ با سر ترمینالی

انواع مختلف ترموکوپل با سر ترمینالی موجود می ­باشد که اندازه و شکل آنها با یکدیگر متفاوت است ، سرهای ترمینالی به طور گسترده در کاربردهای کنترل فرایند مورد استفاده قرار می­ گیرند.

ارتباط ولتاژ و دما در ترموکوپل

روشهای مختلفی برای تشریح ارتباط ولتاژ و دمای ترموکوپل وجود دارد که در این بخش به طور کامل به آنها پرداخته می­شود.

• استفاده از جدولهای مرجع برای ترموکوپل

جدولهای مرجع ترموکوپل برای هر نوع ترموکوپل، فهرست دما و ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل را در هنگام قرار  داشتن اتصال مرجع در صفر درجه سانتی­ گراد ارائه می­ کنند. دما با دقت یک درجه سانتی ­گراد ارائه می­ گردد و ولتاژ ترموکوپل بر حسب میکرو ولت داده می­ شود.جدول فوق قسمتی از جدول نوع k است که دماهای بین صفر تا +50 درجه سانتی­گراد را پوشش   می­ دهد.

اتصال ترموکوپل­ها

طول کابل متعادل کننده در مقایسه با کوچکتر و کمتر بودن مقاومت داخلی کابل از اهمیت کمتری برخوردار است در صورت طویل بودن طول کابل متعادل کننده و کوچک بودن سطح مقطع آن، مقاومت کابل نسبتاً بزرگ می­شود.

برای اجتناب از خطاها مقاومت مدار ورودی دستگاه بایستی لااقل 100 برابر مقاومت ترموکوپل وصل شده به سیستم باشد.

لازم و ضروری است که جنس کابل جبران کننده از همان جنس ترموکوپل استفاده شود و یا ازهمان مشخصه­های ترموکوپل باشد در غیر این صورت مثل این است که در نقطه اتصال یک ترموکوپل اضافی تشکیل شده است.

کابل متعادل کننده را باید به اتصال سرد ترموکوپل وصل نمود و در موقع اتصال به ترموکوپل رعایت اتصال پلاریته صحیح الزامی است.

اثرات اتصال کوتاه و پارگی ترموکوپل

چنانچه دمای محل اندازه­ گیری شده مساوی دمای نقطه اتصال سرد باشد ترموکوپل هیچگونه پتانسیل الکترکی را تولید نمی­ کند.

اگر یک ترموکوپل یا کابل متعادل کننده دچار اتصال کوتاه شوند باعث می ­شود که در محل اتصال کوتاه شدن یک نقطه اندازه­ گیری جدید ایجاد شود و چنانچه محل اتصال کوتاه در نوک ترمینال انجام شود دمای اندازه­ گیری نمایانگر دمای واقعی نقطه محل مورد نظر را ندارد و فقط مربوط به دمای نوک ترمینال می­باشد و چنانچه مدار اندازه­ گیری دچار پارگی و قطعی شود .دستگاه  مقدار دما در محل اتصال سرد را نمایش می­دهد.

خطاهای اندازه­ گیری ناشی از نصب

یک سنسور دما فقط می­تواند دمای سنسور حساس خود را نمایش دهد و لزوماً این دما مساوی همان دمای نقطه مورد نظر نمی­ باشد نظر به اینکه ترمومتر به طور کامل در محل مورد نظر اندازه­ گیری دما قرار نمی­ گیرد فقط نمایانگر دمای اطراف آن را دارد به همین دلیل باعث خطای هدایت گرمائی می ­شود که مقدار این خطا به تعدادی از عوامل زیر بستگی دارد :

• دمای محیط مورد نظر
• مشخصه­های حرارتی محیط مورد نظر
• سرعت(فلو) سیال و مقدار طولی که ترمومتر در سیال قرار دارد.
• یک عامل مهم در کاهش موثر خطا انتخاب مناسب قرار گرفتن در نقطه مورد نظر است به طوری که مقدار عمق قرار دادن ترمومتر در سیال مخصوصاً از اهمیت ویژه­ای برخوردار است.(عمق قرار گرفتن ترموکوپل در مایع بایستی لااقل 15 برابر قطر ترموکوپل باشد)

خطاهای ممکنه ناشی از اتصال و اثرات آن به شرح زیر می­باشد :

• عدم نمایش مقدار دما در اتاق کنترل نشانگر باز بودن ترموکوپل یا کابل متعادل کننده آن می­باشد.
• ترمومتر مقدار صحیح دما را با علامت منفی نمایش می ­دهد که این مورد نشانگر معکوس شدن پلاریته در ترمینال ترمومتر می­باشد.
• ترمومتر مقدار بسیار بزرگ یا مقدار فوق ­العاده کوچکی را نشان می ­دهد :

نشانه عدم تناسب مناسب ترمومتر با سنسور ترموکوپل مورد نظر می­باشد(انتخاب تناسب مناسب از بخش تنظیمات   داخلی ترمومتر)

به دلیل نادرست بودن کابل متعادل کننده یا اتصالات جابجائی آن است.

• ترمومتر یک مقدار ثابت را فوق­ العاده زیاد یا فوق ­العاده کم نشان می­ دهد ، دلیل آن مقدار نادرست اتصال سرد است.
• مقدار نمایشی ترمومتر صحیح ولی علی­رغم دمای ثابت اندازه­گیری شده به آهستگی تغییر می­ کند ، دلیل آن ثابت نبودن دمای اتصال سرد می­باشد .
• دما با شرایط قطع یک شاخه از مدار نشان داده می ­شود:

دلیل آن تداخل امواج الکترومغناطیس بر روی کابل ورودی می­ باشد.

ایجاد ولتاژ پارازیت به دلیل نداشتن عایق و یا وجود عیب در روی عایق الکتریکی می­باشد.( به طور مثال در کوره­ ها )

• در موقعی که هردو شاخه ترموکوپل قطع شده باشد ولی قرائت بسیار زیادی نشان داده می­ شود:

دلیل آن تداخل امواج الکترومغناطیس بر روی کابل ورودی می ­باشد.

ولتاژهای گالوانیک پارازیت(به طور مثال : به دلیل عدم عایق مناسب کابل متعادل کننده)

ادامه مطلب (فایل pdf را دانلود کنید)…tc sensors

تهیه و تنظیم: مهندس مرتضی کریمی