انواع ترموکوپل

مقدمه: دما یک کمیت بسیار مهم است که در فعالیت های بسیاری از کارهای روزانه گرفته تا فرآیندهای صنعتی، بسیار تأثیرگذار و تعیین کننده است. 

روش اندازه گیری دما به وسیله‌ی دما سنج ها

به طور کلی از نظر روش اندازه گیری دما به وسیله‌ی دما سنج ها دو نوع دسته بندی داریم:

• اندازه گیری دما به روش تماسی
• اندازه گیری دما به روش غیر تماسی

تجهیزاتی که اندازه گیری دما را به روش تماسی انجام می‌دهند:

1. ترمیستور
2. RTD
3. ترموکوپل

تجهیزاتی که اندازه گیری دما را به روش غیر تماسی انجام می‌دهند:

• مادون قرمز

در این مطلب ما قصد داریم به بررسی انواع ترموکوپل صنعتی و ویژگی های آن‌ها بپردازیم پس با ما همراه باشید. همچنین در پادکست زیر می توانید با این محصول ، انواع آن و بررسی مزایا و معایب ترموکوپل صنعتی بیشتر آشنا شوید.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یا جفت حرارتی از دو فلز غیر همجنس تشکیل شده است که در یک انتها به یکدیگر متصل شده اند. اگر دو انتهایی که به یکدیگر متصل شده اند را حرارت دهیم در دو سر دیگر آن (آزاد) یک ولتاژ خیلی کوچک ایجاد می شود.

دلیل این اتفاق اثر سیبک است. طبق این قانون، وجود اختلاف دما در یک مدار می‌‎تواند باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی شود. به این پدیده اثر سیبک می‌گویند.

انواع ترموکوپل از نظر ساختار

1. Grounded
2. Ungrounded
3. Exposed

Grounded

در این ساختار، سیم‌های داخل ترموکوپل به دیواره‌ی داخلی آن چسبیده اند. مزیت این مدل، این است که حرارت از پروب به داخل آن به خوبی منتقل شده و تغییرات دما با میزان اتلاف بسیار پایینی به سیم‌های ترموکوپل منتقل می‌گردد.

Ungrounded

در این روش هیچگونه اتصالی بین دو سیم غیر همجنس و دیواره‌ی داخلی پروب وجود نداشته و به همین دلیل دارای پاسخ زمانی کندتر نسبت به مدل Grounded است. ولی به لحاظ الکتریکی عایق بوده و در نتیجه به میزان خیلی کمی تحت تأثیر نویز الکتریکی قرار می‌گیرد و دقت مقدار اندازه گیری شده بالاتر است.

Exposed

در این نوع ساختار دو سیم غیر همجنس در خارج از پروب قرار گرفته و به همین دلیل برای سیالاتی که غیر خورنده و فاقد فشار باشند کاربرد دارد. این نوع ساختار دارای سریعترین پاسخ زمانی ممکن است و محل بیرون زدگی دو سیم، جهت جلوگیری از نفوذ گرد و غبار و ... مهر و موم شده است.

انواع ترموکوپل و بازه‌ دمایی عملکرد هر کدام

بهتر است قبل از بررسی انواع ترموکوپل بدانید که عموماً ترموکوپل‌ در داخل یک محفظه که غلاف نام دارد به حالت ایزوله درآمده تا در برابر شرایط و عوامل محیطی محافظت شده و عملکرد آن تحت تأثیر این عوامل قرار نگیرد.

اگرچه قطر سیم در بازه‌ی دمایی عملکرد ترموکوپل تعیین کننده است امّا نحوه‌ی تنظیم و کالیبراسیون نیز بر محدوده‌ی دمایی و محیط عملکرد ترموکوپل به شدت تأثیر گذار است. همچنین سایر عوامل تأثیر گذار در دقت و بازه‌ی دمایی عملکرد، آلیاژ به کار رفته در ساخت ترموکوپل، ساختار سنسور، جنس غلاف و سیال مورد اندازه گیری نیز موثر است.

ترموکوپل نوع K

این ترموکوپل از نیکل- کروم و یا نیکل- آلومل ساخته شده است. بازه‌ی عملکرد دمایی این ترموکوپل، 454 – تا  2300 درجه فارنهایت (270- تا 1260 درجه فارنهایت ) قرار داشته و میزان خطای آن 2/2± درجه فارنهایت و یا 0/75%± است.

مزایای ترموکوپل نوع K

1. قیمت پایین  
2. دقت خوب
3. قابل اتکا
4. بازه‌ی دمایی وسیع

سنسور دمایی تایپ K تقریباً رایج ترین نوع ترموکوپل مورد استفاده است.

ترموکوپل نوع J

این نوع ترموکوپل از آهن و کنستانت ساخته شده است. بازه‌ی دمایی آن محدود تر و طول عمر کمتری نسبت به نوع K دارد. بازه‌ دمایی این ترموکوپل 32 تا 1382درجه فارنهایت ( 0 ... 760 درجه سانتی گراد) بوده و میزان خطای آن  1 درجه سانتی گراد یا 0/4% است.

ترموکوپل نوع  T

این ترموکوپل از ( مس و کنستانت) ساخته شده و دارای میزان پایداری بالایی بوده و برای فرآیندهای دمایی پایین استفاده می شود. بازه‌ی دمایی این ترموکوپل 250-  تا 350 درجه‌ی سانتی گراد بوده ( 418- ... 662 درجه فارنهایت) و دارای میزان خطای 1/0درجه سانتی گراد  یا 0/75% است.

ترموکوپل نوع  E

این ترموکوپل از موادی مانند نیکل- کروم/ کنستانت ساخته شده و نسبت به انواع ترموکوپل‌های دیگر مانند K یا J دارای دقت بالاتر و سیگنال خروجی قوی تر بوده و بازه‌ی متوسط دمایی عملکرد آن 1000 درجه فارنهایت یا کمتر از آن است. بازه‌ی دمایی این ترموکوپل از 200- تا 900 سانتی گراد بوده (328- … 1625 درجه فارنهایت) و دارای میزان خطای 1/7درجه سانتی گراد و یا 0/5% است.

ترموکوپل های نوع N

این ترموکوپل از نیسیل( نیکل- سلیسیوم) و یا نیکروسیل( نیکل- کروم- سیلیسیوم) ساخته شده است. بازه‌ی دمایی عملکرد این نوع ترموکوپل بین 270- تا 1300 درجه سانتی گراد قرار دارد. میزان خطای این ترموکوپل ها 2/2± درجه سانتی گراد و یا  0/75%  است.

معایب ترموکوپل نوع  N

1. قیمت بالاتر نسته به نوع K 
2. نامناسب برای محیط های گازی

مزایای ترموکوپل نوع  N

• مقاومت بالاتر در دماهای بیشتر نسبت به نوع  K 
• دقت بالاتر در دماهای بیشتر نسبت به نوع  K 
• دارای طراحی و مقاومت مناسب برای محیط های رادیو اکتیوی 
• پاسخ خطی
• مقاومت بالاتر در برابر اکسیداسیون در دمای زیر  1200درجه سانتی گراد

متریال ترموکوپل

بسیاری از فلزات و آلیاژهای آن ها برای استفاده به عنوان عنصر حسگر در دماسنج های ترموکوپل مناسب بوده و زمانی که دو فلز غیر همجنس در یک نقطه به نام اتصال گرم به یکدیگر متصل می شوند، بر اساس پدیده‌ی ترمو الکتریک عمل می‌کنند.

امّا بهتر است بدانید انتخاب نوع فلزات به کار رفته در ساخت ترموکوپل بر اساس یک سری پارامترها انجام می‌شود. مانند:

1. حداکثر میزان حساسیت دمایی در تمامی بازه‌ی عملکرد  
2. پایداری طولانی مدت
3. حداکثر دما  
4. قیمت
5. سازگاری با سایر تجهیزات موجود در فرآیند

ترموکوپل های ساخته شده از فلزات پایه

ترموکوپل هایی که به عنوان فلزات پایه شناخته می شوند انواع E, J, K, N, T بوده و دارای میزان حساسیت بیشتر نسبت به به انواع فلزات نجیب هستند. پر کاربردترین انواع ترموکوپل ها از این دسته بوده و به خاطر استفاده از فلزات نه چندان گران قیمت، شناخته شده و عموماً از فلزاتی مانند آهن، مس و نیکل به عنوان متریال استفاده می کنند.

ترموکوپل های ساخته شده از فلزات نجیب

انواع  R,S,B و تمامی ترموکوپل های پایه پلاتینیوم جزء ترموکوپل های ساخته شده از فلزات نجیب بوده و دارای بیشترین میزان مقاومت و پایداری ولی حساسیت کمتر نسبت به انواع ترموکوپل های فلز پایه هستند.

نکته: اصطلاح کنستانتان یک اسم برای  تمامی آلیاژهای مس- نیکل بوده و کنستانتان استفاده شده در ترموکوپل نوع E (کرومل- کنستانتان) با کنستانتان مورد استفاده در ترموکوپلJ ( آهن-کنستانتان) متفاوت است. میزان حساسیت ترموکوپل‌ها همواره تحت تأثیر عواملی مانند: ترکیبات شیمیایی ترموکوپل، و قطر غلاف آن قرار دارد.

ترموکوپل های ترکیب تنگستن- رنیوم شامل انواع G, D, C بوده که برای استفاده در دمای بالا و شرایط فشار خلاء یا فشارهای به شدت کاهش یافته طراحی شده و به هیچ عنوان نباید در دمای بالاتر از 250 درجه‌ی سانتی‌گراد و حضور اکسیژن در محیط، به دلیل امکان بروز واکنش‌های شدید استفاده شوند. ویژگی ‌این ترموکوپل‌ها قیمت بالا، مشکل بودن ساخت و شکنندگی بوده که نیاز به حمل با دقت بالا دارند.

نکته: ترموکوپل‌ها به طور کلی دارای حجم کوچکتر نسبت به ترمیستورها و RTDها بوده و از پایداری و عمر طولانی برخوردار هستند.

خطا در ترموکوپل

ناپایداری حرارتی اغلب باعث به وجود آمدن خطا در ولتاژ خروجی می شود که دلیل آن، تغییرات در ترکیبات متریال در نقطه‌ی اتصال به دلیل اکسیداسیون درونی و بیرونی است. این ناپایداری حرارتی به دلیل استفاده های طولانی مدت مانند مصارف بالای ده هزار ساعت رخ می دهد. برای حل این مشکل ترموکوپل های نوع N به منظور از بین بردن اکسیداسیون درونی و به حداقل رساندن اکیسداسیون بیرونی طراحی شده است. این ترموکوپل دارای پایداری حرارتی بالایی بوده و حتی بعد از استفاده‌ی طولانی مدت مانند زمان های بالای 1500 ساعت و در دماهای بیشتر از 700 درجه‌ی سانتی گراد پایداری حرارتی خود را حفظ می‌کند.

زمان پاسخ دهی در ترموکوپل‌ها

زمان پاسخ دهی در ترموکوپل‌ها به صورت ثابت زمانی مطرح شده و به صورت 63/2% پاسخ نهایی خود در زمانی که تحت تأثیر یک تغییر واحد در میزان دما قرار می‌گیرد، بیان می‌گردد.

کالیبراسیون ترموکوپل

همانطور که پیشتر ذکر شده، ترموکوپل به وسیله‌ی دمای حس شده در نقطه‌ی اتصال گرم یک ولتاژ در خروجی خود تولید می‌کند و به همین دلیل و به منظور دست یابی به میزان دقیق دمای اندازه گیری شده در خروجی، به کالیبراسیون نیاز داریم. فرآیند کالیبراسیون شامل اندازه گیری میزان دقت ترموکوپل نسبت به یک مرجع استاندارد است. توصیه می‌شود که کالیبره کردن دماسنج های ترموکوپل هر یکسال انجام گردد.

نکته: بهتر است  کالیبراسیون در صورتی که ترموکوپل تحت شرایط محیطی سخت و سیالات خورنده و شوک های دمایی و مکانیکی قرار دارد، در بازه‌های زمانی کوتاه‌تری انجام شود.

روش‌های کالیبراسیون ترموکوپل ها

برای انجام این کار به تجهیزات دقیق و خاصی نیاز داریم. به طور کلی سه روش برای کالیبراسیون وجود دارد:

روش نقطه‌ی ثابت ترمودینامیک

روش نقطه ثابت ترمودینامیک شامل مقایسه بین نقاط اثبات شده و استاندارد بین المللی است. این دقیق ترین روش برای تنظیم و کالیبراسیون ترموکوپل است. این روش به وسیله‌ی مقایسه‌ی مقدار اندازه گیری شده نسبت  به یک نقطه‌ی مرجع انجام می‌شود. در این روش نحوه‌ی انجام کالیبراسیون به این صورت است که مقادیر حاصل شده از اندازه گیری توسط ترموکوپل، نسبت به یک سری نقاط ثابت و مورد تأیید جهانی سنجیده شده و این کار در زمانی که عناصر و یا ترکیباتی بر اثر تغییرات دمایی تغییر وضعیت فیزیکی پیدا می‌کنند، انجام می‌شود.

به عنوان مثال، نقطه‌ی انجماد قلع طبق استاندارد‌های بین المللی 928 /231 درجه‌ی سلیسیوس است. با ثابت نگه داشتن دمای نقطه‌ی اتصال مرجع در ترموکوپل در مقدار صفر درجه‌ی سلیسیوس، مقدار ولتاژ به دست آمده با جداول استاندارد بین المللی مقایسه شده و میزان دقت اندازه گیری شده به روش مطمئنی  تعیین می‌شود. 

روش حمام مایع

این روش دارای دقت کمتری نسبت به روش نقطه‌ی ثابت ترمودینامیک است. نحوه‌ی انجام کالیبراسیون به این صورت است که زمانی که دما به سطح مورد نظر رسید، ترموکوپلی که قرار است دقت آن مورد اندازه سنجش قرار بگیرد، دمای به دست آمده توسط آن را با یک دمای به دست آمده با یک ترموکوپل که از صحت و دقت آن به طور کامل اطمینان داریم، مقایسه می‌کنیم و در صورتی که نتایج به دست آمده اختلاف داشت، کالیبراسیون را روی ترموکوپل مورد نظر انجام می‌دهیم. این روش معمولاً در آزمایشگاه‌های تست و کالیبراسیون ابزار دقیق انجام می‌شود. 

روش بلوک خشک

در این روش پروب های ترموکوپل در داخل بلوکه‌ی خشک قرار می گیرد. سپس بلوک تا یک دمای مشخص سرد یا گرم می‌شود و مقادیر به دست آمده توسط ترموکوپل مورد خوانش قرار می‌گیرد. اگر این مقادیر دمای خوانده شده با دمای بلوکه‌ی خشک یکسان باشد در نتیجه احتیاجی به انجام کالیبراسیون نخواهد بود.

نکاتی که هنگام انتخاب ترموکوپل باید مد نظر داشت

1. میزان دقت
2. بازه‌ی دمایی
3. جنس غلاف
4. طول غلاف
5. قیمت
6. تکرار پذیری