انواع ترموکوپل و کاربرد آن

در ابتداروش های اندازه گیری دما را نام می‌بریم:
1- اندازه گیری دما به روش تماسی

-ترموکوپل

-RTD

-ترمیستور

2- اندازه گیری دما به روش غیر تماسی

-مادون قرمز

-صوتی

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یا جفت حرارتی یکی از سنسور های اندازه گیری دماست که بسیار پرمصرف است و متداول ترین سنسور جهت اندازه گیری الکتریکی دما در صنعت می‌باشد. این سنسورهای ساده با اتصال دو فلز غیر هم جنس بر اساس پدیده seeback (تبدیل گرما به انرژی الکتریکی) تولید می‌شوند. اگر محل اتصال دو فلز را حرارت دهیم در دو سر آزاد برق بسیار کمی تولید می‌شود. تشخیص درجه حرارت یا اندازه گیری دما توسط ترموکوپل به این گونه است که وقتی به محل اتصال دو فلز حرارت اعمال می‌کنیم اختلاف پتانسیلی در دو سر این مفتول ها بوجود می آید که چون این ختلاف پتانسیل از میزان حرارت اعمال شده بوجو آمده است در نتیجه با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت را تشخیص داد. این سنسور ها با همین مکانیزم ساده می‌توانند دما را در رنج بزرگی از 270- تا حدود 1800 اندازه گیری کنند.

اتصال ترموکوپل ها به نحوی است که باید یک اتصال (اتصال سرد) در دمای مرجع قرار داده شود (مثلا در ظرف حاوی یخ در حال ذوب) و اتصال دیگر باید به آن جسمی که می‌خواهیم دمایش را اندازه گیری کنیم.

مزایای ترموکوپل:

از مزایای آن ها می‌توان 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 می‌باشند. ترموکوپل ها دارای سرعت پاسخ دهی خوبی به دلیل ثابت زمانی کوچک می‌باشند. از معایب ترموکوپل ها، غیر خطی بودن، تماسی بودن (در معرض اغتشاش و شوک و …)، دقت متوسط را می‌توان 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 می‌شود که باعث کاهش سرعت پاسخگویی می‌شود.

انواع ترموکوپل:

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

ترموکوپل نوع K :
این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel ) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می‌شود. این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین و متداولترین نوع ترموکوپل ها می‌باشد. 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 می‌باشد 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 می‌گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می‌دهد مناسب است.

ترموکوپل نوع J :
این ترموکوپل از فلز آهن ( Fe ) و آلیاژهای مس- نیکل Cu-Ni (کنستانتان Constantan ) ساخته می‌شود. 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 می‌شود. 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.

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.

ترموکوپل نوع T :
این ترموکوپل از مس Cu و آلیاژ Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می‌شود. 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 می‌گیرد :
نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطی تر است.
رنج درجه حرارت مناسبی دارد.
همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است.

ترموکوپل نوع N :
این ترموکوپل از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می‌شود. 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 می‌گیرد. همچنین تحمل این سنسور در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بهتر نوع K می‌باشد.

ترموکوپل نوع R، S و B :
این ترموکوپل ها با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می‌شود (تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنهاست). قیمت آن‌ها 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 می‌روند.

انتخاب ترموکوپل :

در انتخاب ترموکوپل (جفت حرارتی) ها باید به پارامتر های زیر مورد توجه قرار گیرد:

• نوع ترموکوپل و رنج دمایی آن:

باید به نوع ترموکوپل (جفت حرارتی) ها و رنج دمایی انواع آن توجه کرد. به عنوان مثال اگر قصد اندازه گیری در دمای منفی داریم باید نوعی از ترموکوپل را انتخاب کرد که برای آن بازه دمایی مورد نظر مناسب تر است.

• جنس غلاف ترموکوپل:

جنس غلاف ترموکوپل (جفت حرارتی) ها با توجه به کاربردشان در اندازه گیری دما متفاوت است مانند:

سرامیکی (آلسینت – پیتوگراس) – سیلیکون کاربید – اینوکل 600 و اینکولوی 800 – استیل(304-312-310-316-314) در محیط هایی که گاز های خورنده با رطوبت بالا وجود دارد جنس سرامیکی در برابر اکسید شدن مقاومت بهتری نشان می‌دهد.

• طول غلاف ترموکوپل:

باید به این نکته توجه کرد که ترموکوپل را به اندازه 10 برابر قطر غلاف در داخل سیالی که دمای آن باید اندازه گیری شود، قرار داد.

• قطر ترموکوپل:

بسته به این که طریقه نصب چگونه باشد قطر غلاف مهم می‌باشد.

• اتصالات ترموکوپل:

اتصالات ترموکوپل انواع مختلفی دارد از جمله: دنده ای یا پیچی ، اتصال سطحی ، فلنجی و پرتابل و دستی.

• سیگنال خروجی ترموکوپل:

انتخاب نوع سیگنال به کنترلر و فاصله کنترلر تا سنسور دما بستگی دارد. ترموکوپل مناسب باید امکان خروجی 4 تا 20 میلی آمپرداشته باشد. همچنین سیگنال جریانی نسبت به ولتاژی مزیت هایی دارد مانند: دقت بیشتر ،نویزپذیری کم وطول کابل بیشترنسبت به سیگنال ولتاژی.

همچنین در انتخاب ترموکوپل باید به پارامترهایی همچون :

نوع سرامیک بکار رفته،دقیق بودن ترموکوپل ،متراژ کابل رابط، تعداد سیم ها ( 2 سیمه ، 3 سیمه ، 4 سیمه) و تهیه نقشه ترموکوپل توجه کرد. ترموکوپل ها پس از گذشت سالیان زیاد هنوز از بهترین سنسور های دما محسوب می‌شوند . به این دلیل که با نقطه مورد نظر تماس داشته و دما را بصورت پتانسیل الکتریکی انتقال می‌دهد.