ترموکوپل چیست فیزیک دهم

ترموکوپل چیست؟ (What is a thermocouple sensor)

برای پاسخ به سوال ترموکوپل چیست باید بگوییم ترموکوپل (Thermocouple)  که با نام‌های ترموالکتریک(Thermoelectric) ، ترمومتر(Thermometer) و اتصال حرارتی(Thermal Junction)  هم شناخته می‌شود، سنسوری است که پارامتر فیزیکی دما را اندازه‌گیری می‌کند. این تجهیز به دلیل قابلیت اطمینان زیاد، ساده بودن مکانیزم عملکرد و مقرون به صرفه بودن محبوب‌ترین سنسور دما است.

ترموکوپل چگونه کار می‌کند؟

ترموکوپل‌ها ساخته شده از دو صفحه‌ی فلزی با جنس متفاوت هستند که از یک ‌طرف به هم متصل می‌شوند. محل اتصال روی عنصر یا سطحی قرار می‌گیرد که می‌خواهیم دمای آن را اندازه‌گیری کنیم. این محل اتصال به محل اتصال داغ (Hot Junction) معروف است. انتهای دوم صفحه‌ها در دمای پایین‌تر (دمای اتاق) نگهداری می‌شود. این اتصال به عنوان اتصال سرد (Cold Junction) یا اتصال مرجع (Reference Junction) شناخته می شود.

اساس کار ترموکوپل بر اساس اثر سیبک (Seebeck) است. این اثر  بیان‌گر اختلاف پتانسیل الکتریکی است که در نتیجه تغییرات دما به وجود می‌آید. با تغییر دمای سمت مشترک دو فلز، در اتصال سرد اختلاف پتانسیل و در نتیجه ولتاژ ایجاد می‌شود. ولتاژ ایجاد شده را می‌توان با استفاده از یک ولت‌متر اندازه‌گیری کرده و با تفسیر آن میزان دما را محاسبه کرد.

انواع اتصالات ترموکوپل‌ها

نوع اتصال در سرعت عملکرد ترموکوپل‌ها نقش مستقیم دارد. اتصالات ترموکوپل‌ها را می‌توان به سه دسته‌ی اتصال آشکار(Exposed Thermocouple Junction)، اتصال ترموکوپل زمین شده (Grounded Thermocouple Junction) و اتصال ترموکوپل زمین نشده  (Ungrounded Thermocouple Junction)  تقسیم کرد.انواع اتصالات ترموکوپل‌ها

·         ترموکوپل با اتصال آشکار

اتصال آشکار از دو سیم تشکیل شده است که خارج از یک پروب فلزی محافظ به هم متصل شده‌اند. از این اتصال معمولا برای اندازه‌گیری دمای گاز استفاده می‌شود. از آنجا که پوشش محافظی وجود ندارد، محل اتصال بسیار شکننده است و رطوبت یا آلاینده‌های مایع یا جامد نباید در گاز وجود داشته باشند. اتصال آشکار  زمان پاسخگویی سریع‌تری را ارائه می دهد،  زیرا انرژی حرارتی برای انتقال به محل اتصال نیازی به عبور از یک غلاف فلزی و یا عایق فشرده را ندارد.

·         ترموکوپل با اتصال زمین‌شده

ترموکوپل با اتصال زمین‌شده متداول‌ترین نوع ترموکوپل هستند. این اتصالات زمان پاسخ نسبتاً سریعی را فراهم می‌کنند زیرا گرما  فقط باید از یک غلاف فلزی که رسانایی حرارتی بالایی دارد، عبور کند.

·         ترموکوپل با اتصال زمین نشده

اتصال زمین‌نشده برای محافظت از وسایل الکترونیکی حساس در برابر ولتاژهای بازخورد کوچک استفاده می شود. ترموکوپل با اتصال زمین نشده مشابه ترموکوپل با اتصال زمین شده  داخل یک  محافظ فلزی  قرار دارد. با این تفاوت که ، ترموکوپل با اتصال زمین نشده علاوه بر محافظ فلزی توسط یک عایق (معمولاً اکسید منیزیم) هم احاطه شده‌اند. ترموکوپل با اتصال زمین نشده  زمان پاسخگویی کندتری دارند، زیرا گرما باید قبل از رسیدن به محل اتصال، از طریق محافظ و سپس از طریق اکسید منیزیم (که رسانایی حرارتی کمتری نسبت به فلز دارد) عبور کند.

نکته: ترموکوپل با اتصال آشکار در کاربردهایی که به زمان پاسخگویی کم نیاز است بهتر کار می‌کند ، اما ترموکوپل با اتصال زمین نشده در محیط‌های خورنده بهتر است.

انواع مختلف ترموکوپل چیست؟

کنار هم قرار گرفتن انواع مختلف فلزات طیف وسیعی از ترموکوپل‌ها را در دسترس قرار می‌دهد. انواع  K، J  ، T ، E ، R ، S ، B  و N با توجه به نوع فلزات دسته‌بندی می‌شوند. ترموکوپل‌های نوع J ، K ، T و E به عنوان ترموکوپل‌های بیس‌متال  (Base Metal Thermocouple)و ترموکوپل‌هایR ، S و B به عنوان ترموکوپل‌های نوبل‌متال (Noble Metal) شناخته می‌شوند. ترموکوپل‌های نوبل‌متال در دماهای بسیار بالا کاربرد دارند. نکات طلایی و راهنمای خرید المنت و ترمووپل را می توانید در مقاله ای با همین عنوان مطالعه نمایید.

ترموکوپل نوع K:

• از دو فلز آلومل و کرومل ساخته شده است
• رایج‌ترین نوع ترموکوپل است
• وسیع‌ترین محدوده اندازه‌گیری دما را دارد
• محدوده‌ دمایی ترموکوپل نوع K از ۲۰۰- تا ۱۲۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است
• حساسیت این سنسور ۴۱ میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد است.
• این ترموکوپل برای شرایط غیر خلاء عملکردی مناسب دارد

ترموکوپل نوع J:

• با فلزهایی از جنس آهن، کنستنتان(آلیاژ مس و نیکل) ساخته شده است،
• ترموکوپلی کم هزینه و پرکاربرد است.
• محدوده دمایی ترموکوپل نوع J بین ۲۱۰- تا ۷۵۰ سانتی‌گراد است
• حساسیت ۵۰ میکرو ولت بر درجه دارد
• در مقایسه با ترموکوپل نوع K دارای محدوده دمایی کمتر و طول عمر کوتاه‌تری است
• برای جوهای اکسیدکننده مناسب است.

·         ترموکوپل نوع T:

• در ساخت این نوع ترموکوپل از فلزهای مس و کنستنتان استفاده شده است
• برای اندازه‌گیری دمای پایین مناسب است.
• حساسیت ۴۳ میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد
• محدوده دمایی این ترموکوپل بین ۲۰۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد است
• این ترموکوپل هم مانند ترموکوپل نوع J برای کار در جو اکسیدکننده مناسب است.

ترموکوپل نوع E:

• جنس فلزهای سازنده این نوع ترموکوپل کرومل و کنستنتان است.
• این نوع ترموکوپل دقت بیشتر و سیگنال قوی‌تری نسبت به ترموکوپل نوع K و J دارد
• محدوده دمایی آن متوسط است.
• ترموکوپل نوع E نسبت به انواع دیگر ترموکوپل بالاترین اختلاف پتانسیل را در هر درجه ایجاد می‌کند
• محدوده دمایی این نوع ترموکوپل بین ۲۷۰- تا ۸۷۰ است
• در مواردی که دقت بالا و پاسخ سریع مورد نیاز است استفاده می‌شود
• توانایی فعالیت در محیط‌های خلاء یا اکسیژن کم و محیط‌های گوگردی را ندارد
• هزینه ترموکوپل نوع E بیشتر از ترموکوپل نوع J و K است.

ترموکوپل نوع S:

• ترموکوپل‌های نوع S با فلزهای پلاتین و ۱۰ درصد رودیوم ساخته می‌شوند
• در کاربردهای با دمای بالا استفاده می‌شوند
• به دلیل دقت و ثبات بالا، گاهی اوقات برای دمای پایین هم استفاده می‌شود
• محدوده دمایی ترموکوپل نوعS بین ۶۳۰ تا ۱۰۶۴ درجه سانتی‌گراد است
• این نوع ترموکوپل در صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی در مواردی که درجه حرارت بالا و با دقت بالا اندازه‌گیری شود مورد استفاده قرار می‌گیرد

ترموکوپل نوع R:

• ترموکوپل نوع R هم مشابه نوع S از فلزهای پلاتین و رودیوم استفاده شده است اما با درصدهای متفاوت (۸۷ درصد پلاتین و ۱۳ درصد رودیوم)
• محدوده خروجی و پایداری ترموکوپل نوع R کمی بیشتر از ترموکوپل نوع S است
• محدوده دمایی این ترموکوپل بین ۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد است
• بدیهی است که ترموکوپل‌های نوع S و R بسیار مشابه باشند. هر دوی این ترموکوپل‌ها برای کاربردهای با درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند و باید با یک محافظ غیرفلزی و مقره‌های سرامیکی محافظت شوند. ترموکوپل نوع R در صنعت استفاده می‌شود در حالی که نوع S در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارد.

ترموکوپل نوع B:

• ترموکوپل نوع B بخاطر جنس میله‌ی مشابه (پلاتین ۷۰ درصد و رادیوم ۳۰ درصد)، شباهت زیادی به نوع R و نوع S دارد
• ترموکوپل نوع B برای اندازه‌گیری دمای ۸۷۱ تا ۱۷۰۴ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود
• خروجی آن در مقایسه با ترموکوپل‌های نوع R و S کمتر است

ترموکوپل نوع N

• دقت و محدوده‌ی دمایی ترموکوپل نوع N مشابه ترموکوپل نوع K است
• حساسیت آن کمی کمتر از ترموکوپل نوع K است (۳۹ میکروولت در درجه سانتی‌گراد)
• جنس فلز ترموکوپل نوع N نیکروسیل (ترکیبی از نیکل ، کروم و سیلیکون) و نیسیل (ترکیبی از نیکل و سیلیکون) است
• این ترموکوپل بهترین جایگزین ترموکوپل نوع K برای شرایطی است که اکسیژن کم است
• این نوع ترموکوپل همچنین برای استفاده در خلا ، جو اکسید کننده و جو خشک مناسب است

چطور ترموکوپل انتخاب کنیم؟

از آنجا که ترموکوپل می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، درک نحوه انتخاب صحیح ترموکوپل مناسب بسیار مهم است. متداول‌ترین معیارهایی که برای انتخاب ترموکوپل استفاده می‌شود محدوده دما، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و ارتعاش و الزامات نصب است.

برای تعیین بهترین ترموکوپل پنج نکته را باید در نظر گرفت:

1.      تعیین جزئیات برنامه‌ای که در آن از سنسور ترموکوپل استفاده می‌شود:

ترموکوپل ها را می‌توان در صنایع و برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار داد،  بنابراین انتخاب مناسب با آگاهی دقیق از نحوه و مکان استفاده از آن آغاز می شود.

2.      تعیین محدوده دمایی که ترموکوپل در معرض آن قرار می‌گیرد:

هنگامی که محدوده دمایی ترموکوپل مورد نیاز مشخص باشد، انتخاب صحیح ترموکوپل‌ها آسان‌تر اتفاق می‌افتد.

3.      مشخص کردن اهمیت و طول زمان پاسخ:

با مشخص شدن طول زمان مورد نیاز برای پاسخ‌دهی می‌توان تشخیص داد که کدام اتصالات ترموکوپل می‌تواند پاسخ‌گوی سرعت مورد نیاز باشد.

4.      در نظر گرفتن هرگونه مقاومت شیمیایی، سایش یا ارتعاش :

نوع و سطح مقاومت ترموکوپل در شرایط مختلف در برابر عوامل شیمیایی یا سایش با این معیار مشخص می‌شود. برای انتخاب بهتر ترموکوپل‌ها باید جزئیات محیط مشخص شود.

5.      توجه به الزامات نصب ترموکوپل:

لازم است که ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد. بنابراین توجه به شرایط نصب معیار دیگری برای انتخاب ترموکوپل‌ها خواهد بود.

بطور خلاصه:

• ترموکوپل محبوب‌ترین سنسور دما است.
• از دو فلز با جنس متفاوت تشکیل شده که از یک سمت به هم متصل هستند
• اساس کار ترموکوپل اثر سیبک است.
• بر اساس نوع اتصال به سه دسته اتصال آشکار، اتصال زمین‌شده و اتصال زمین‌نشده تقسیم می‌شوند.
• بر اساس جنس فلز هم انواع مختلفی می‌توان برای ترموکوپل متصور شد.
• ترموکوپل‌های نوع K، J، T، R، S وB از انواع مهم ترموکوپل‌ها هستند.
• هر ترموکوپل محدوده‌ی دمایی و حساسیت خاص خود را دارد.

کاربرد ترموکوپل در صنایع بزرگ و کوچک چیست؟

در ادامه به بررسی تجهیزات مختلف در صنایع بزرگ و کوچک می پردازیم که از سنسورهای Thermocouple می توان در آنجا به منظور اندازه گیری دما برای مصارف مختلف استفاده کرد.

صنایع غذایی (Food Production)

سنسورهای ترموکوپل صنعتی (Thermocouple Sensor) برای صنایع غذایی مناسب هستند، زیرا خوانایی دمای دقیقی را در عرض کوتاه مدت به شما عزیزان ارائه می کنند. محصولات غذایی در هر مرحله (فاز) را می توان مورد بررسی قرار داد. همچنین سنسورهای دما مختص صنایع غذایی دارای 2 بخش هستند که بخش اول شامل handheld readout و بخش دوم detachable probe است. در نوک prob، دو سیم ناهمجنس متصل به یکدیگر قرار دارند. پروب های مسطح، دمای سطوح را به راحتی اندازه گیری می کنند ولی پروب های سوزنی، اندازه گیری داخلی و دمای هوای کوره ها را انجام می دهند.

اکسترودرها (Extruders)

اکسترودرها به دما و فشار بسیار بالا نیاز دارند. نوک حسگر یا سنسور بایستی در پوشش molten plastic در شرایط فشار کاری بسیار بالا قرار داده شود. جفت گرمایی، پس از اتصال مستقیم به پروسه فرآیند، دمای کاری را به راحتی و بدون هیچ گونه مشکلی اندازه گیری می کند. این تجهیزات دقت بسیار بالایی دارند و میزان سرعت زمان پاسخدهی آن ها بالاست. معمولاً از دماسنج های تایپ K یا ترموکوپل نوع K در این تجهیزات استفاده می کنند.

کوره (Furnace)

یک pilot light، وظیفه اشتعال مشعل کوره را بر عهده دارد. ترموکوپل در صورتی که نتواند شعله را حس کند، جریان گاز را قطع و از دریافت گاز کوره در زمانی که pilot بیرون است، جلوگیری می کند. علاوه بر این تجمع گاز در کوره را بسیار محدود کرده و سیستم را بسیار امن می کند.

ترموکوپل مخصوص  Molten Metal

ترموکوپل فلز مذاب (Molten Metal Thermocouple) را می توان به منظور اندازه گیری دما تا 1250 درجه سانتی گراد استفاده کرد. آنها دمای فلزات مایع را در طول عملیات آماده سازی مذاب، نگهداری، گاز زدایی و ریخته گری نظارت و کنترل می کنند.

وسایل گازسوز (Gas Appliances)

یک ترموکوپل، روی یک وسیله گازسوز، به شیر گاز سیگنال می دهد که pilot روشن است، بنابراین باز می ماند. سنسور در وسط شعله پیلوت قرار گرفته است. سنسور، گرمای شعله را تشخیص و ولتاژی تولید می کند که جریان گاز را حفظ می کند. اگر شعله خاموش شود، ولتاژ ترموکوپل از بین رفته و در نتیجه دریچه گاز بسته خواهد شد.

کاربرد برای ترموستات (Thermocouples for thermostats)

اکثر ترموستات ها از دماسنج ترموکوپل به عنوان یک المان مهم و ضروری در عملکرد خود استفاده می کنند. ولی بسیاری از افراد درباره تفاوت های این 2 نوع از تجهیزات برقی، دچار سردرگمی شده اند. عملکرد ترموستات و دماسنج اندازه گیری دما از لحاظ عملکرد متفاوت اند.

نکته کلیدی برای جلوگیری از این اختلاف این است که به یاد داشته باشید، جفت گرمایی یا سنسور ترموکوپل، یک نوع سنسور به منظور اندازه گیری دماست و خوانش دما را انجام می دهد. در طرف مقابل Thermostats، بخشی از دستگاه است که در واقع همه چیز را به طور خودکار بر اساس خوانش دما، روشن و خاموش می کند. به این ترتیب، جفت های حرارتی اغلب به عنوان مکمل در ترموستات ها هستند که خواندن آن، ترموستات را برای انجام یک عمل روشن/خاموش تحریک می کند.

کاربرد برای مصارف پزشکی (Thermocouples for medical )

انواع دماسنج های بیمارستانی و سایر تجهیزات تشخیص پزشکی اغلب از سنسورهای Thermocouple استفاده می کنند. سنسورهای مورد استفاده در صنایع پزشکی بسیار خاص هستند. چون صنعت پزشکی بسیار حساس است. این نوع از سنسورها قادرند هم میزان دمای بدن افراد و هم سایر تجهیزات حساس به گرما را بدون هیچ گونه مشکلی اندازه گیری کنند.

    کاربرد ترموکوپل در صنعت پزشکی می تواند به عنوان استفاده به عنوان skin sensorsها تا تشخیص تومورها و تحقیقات مرتبط با DNA انسان باشد. برخی از انواع حسگرهای مرتبط در صنعت پزشکی به منظور اندازه گیری بسیار دقیق به وسیله استفاده از سیم های ظریف و حساس به تکنولوژی های مرتبط با Thermocouple مرتبط است.

دیگ بخار فشار قوی (High Pressure Boiler)

پیدا کردن تجهیزات ابزار دقیق مناسب به منظور استفاده در مواردی که فشار بالا به دلیل دماهای بالا و ارتعاشات سنگین وجود دارد، بسیار سخت است. اما می توان از تجهیزاتی نظیر سنسورهای دما استفاده کرد که در این موارد بسیار استفاده می شوند. سنسورهای RTD و ترموکوپل‌ها، سنسورهایی هستند که معمولاً برای کاربردهای صنعتی با فشار بالا مورد استفاده قرار می گیرند. دماسنج های Thermocouple انتخاب بهتری نسبت به سنسورهای آر تی دی هستند. دو پیکربندی از ترموکوپل ها برای کاربردهای فشار بالا وجود دارد که در ادامه آورده شده است:

Conventional

معمولی جایی است که ترموکوپل یا رزوه ای یا فلنجی است.

Lens-ring

با Lens-ring، سنسور در یک واشر فلزی Lens-ring قرار می گیرد که بین دو فلنج فشرده می شود تا یک اتصال فوق العاده محکم را ایجاد کند. واشر Lens-ring، باعث می شود که اتصال محکم ایجاد شود.