ترموکوپل حرارتی، مبدلی است که از اتصال دو فلز مختلف تشکیل می گردد و اختلاف پتانسیل بسیار کمی (در حد میلی ولت) ایجاد می کند. که تابعی از اختلاف دما بین یکی از انتهای آن است. به نام اتصال داغ یا نقطه اندازه گیری و دیگری به نام اتصال سرد یا «مرجع» (اثر سیبک) است. معمولاً گرماجفت های صنعتی از یک غلاف محافظ فولادی ضد زنگ یا متریال دیگر ساخته می شوند. در یک سر لوله اتصال و در سمت دیگر ترمینال الکتریکی کابل ها قرار دارد که در یک جعبه آلومینیومی (کلگی) محافظت می شود.
مطالعه بیشتر: ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل حرارتی
تمام فرآیندهای صنعتی، چه توسط افراد انجام شوند و چه به صورت خودکار، باید بر عوامل مختلفی نظارت داشته باشند که در صورت متفاوت بودن می توانند بر کیفیت محصولات تأثیر بگذارند. کمیت فیزیکی دما، یکی از مهم ترین عواملی است که باید نظارت شود، اما در بسیاری از صنایع فرآیندهای تولید و ذخیره سازی به دمای بسیار بالایی می رسد که ابزارهای معمولی موثر نیستند. در این موارد باید از دستگاه های تخصصی استفاده شود که امکان اندازه گیری دمای بسیار بالا یا بسیار پایین را فراهم می کند، یکی از این تجهیزات که زیر مجموعه حسگرهای دما است، ترموکوپل حرارتی است.
در ابزار دقیق صنعتی، از ترموکوپل حرارتی به عنوان اندازه گیری و سنجش دما استفاده می گردد. آنها ارزان، قابل تعویض، دارای اتصالات استاندارد هستند و قادر به اندازه گیری طیف گسترده ای از دما هستند. محدودیت اصلی آن در دقت است، زیرا هنگام کار با دقت کمتر از یک درجه سانتیگراد به راحتی می توان خطاهای سیستم را به دست آورد.
انواع ترموکوپل حرارتی
جفت های حرارتی انواع مختلفی دارند. یک نوع بسیار کاربردی و محبوب، تایپ K است که آلیاژ آن از کروم و آلومل را با هم ترکیب می کند و در نتیجه محدوده اندازه گیری گسترده ای آن از 200- الی 1372+ درجه سانتیگراد است. انواع محبوب دیگر J، T، E، R، S، B، N و C هستند.
سایر جفت های حرارتی دیگر J، K، T و E است که به ترموکوپل های فلز پایه و ترموکوپل های حرارتی R، S و B به حسگرهای فلز نجیب معروف هستند که در میحط هایی که نیاز است دمای بسیار بالا اندازه گیری گردد، مورد استفاده قرار می گیرند.
خطی سازی
علاوه بر پرداختن به جبران اتصال سرد، ابزار اندازه گیری باید با این واقعیت نیز مقابله کند که توان تولید شده توسط ترموکوپل تابع خطی دما نیست. این وابستگی را می توان با یک چند جمله ای پیچیده (بسته به نوع گرما جفت از درجه 5 تا 9) تقریب زد. روش های خطی سازی آنالوگ در جفت های حرارتی مترهای ارزان قیمت استفاده می شود.
کاربردهای ترموکوپل حرارتی
ترموکوپل ها به طور گسترده در صنایع مختلف، از اتوماسیون و کنترل فرآیند گرفته تا خودروسازی، هوافضا، صنایع نظامی، تولید انرژی، ساخت فلز، علوم پزشکی و تعداد بیشماری دیگر استفاده می شوند. این تجهیزات حرفه ای، دارای انواع اتصال دهنده استاندارد هستند، که آنها را قابل تعویض و آسان می کند. در انتهای اندازه گیری سنسور، آنها می توانند به سادگی دو فلز به هم پیچیده باشند، یا می توانند برای استفاده در محیط های صنعتی سخت درون یک کاوشگر دما ناهموار محصور شوند.
- نیروگاه های برق (دما نشانگر گرمای بیش از حد قطعات است)
- کنترل فرآیندهای صنعتی و اتوماسیون کارخانه.
- تولید مواد غذایی و نوشیدنی.
- کارخانه های فرآوری فلزات و خمیر و کاغذ
- پایش و مطالعات محیطی
- تحقیق و توسعه علمی (R&D)
- ساخت و آزمایش لوازم دارویی و پزشکی.
- سیستم های خودرو و برنامه های آزمایشی، آزمایش هوای سرد و گرم، تست ترمز، تست ADAS، تجزیه و تحلیل احتراق و موارد دیگر.
- سیستم های موتور هواپیما و موشک و آزمایش
- ساخت و آزمایش ماهواره و فضاپیما
مزایای ترموکوپل
- قابلیت Self-powered
- سهولت در استفاده
- قابلیت تعویض و اتصال آسان
- قیمت مناسب
- تایپ های مختلفی دارد
- محدوده دمایی بالا از 200- الی 2000+ درجه سانتیگراد است
- مقاومت بالا در لرزش های مکانیکی و شیمیایی
معایب حسگر دما ترموکوپل
- خروجی نیاز به خطی سازی دارد
- اتصال CJC “مرجع سرد” مورد نیاز است
- خروجی های ولتاژ پایین مستعد نویز هستند.
- به اندازه RTD ها پایدار نیست
- به اندازه RTD ها دقیق نیست
نکات مهم در خرید ترموکوپل
- حداکثر و حداقل میزان دمایی که باید اندازه گیری گردد؟
- مزان هزینه یا بودجه لازم چقدر است؟
- چه میزان دقتی نیاز است؟
- در چه محیطی قرار است استفاده شود؟ (اکسیدان، بی اثر و غیره)
- عمر مفید سنسور چقدر است؟
- زمان پاسخدهی جفت حرارتی چقدر است؟ (با چه سرعتی باید به تغییرات دما واکنش نشان دهد)؟
- آیا استفاده از گرماجفت دوره ای خواهد بود یا پیوسته؟
- آیا ترموکوپل حرارتی در طول عمر مفید خود در معرض خم شدن قرار می گیرد؟
- آیا در سیال و در چه عمقی غوطه ور می گردد؟
اقدامات احتیاطی و ملاحظات هنگام استفاده از ترموکوپل حرارتی
اکثر مشکلات و خطاهای اندازه گیری ترموکوپل ها به دلیل عدم آگاهی از نحوه کار با آن ها است. در زیر لیست مختصری از رایج ترین مشکلاتی که بایستی هنگام کار با این تجهیزات درنظر بگیرید، آورده شده است:
اشکال در اتصال و ایجاد ارتباط
بیشتر مواردی که باعث ایجاد خطای اندازه گیری می گردد، ناشی از اتصالات ناخواسته گرماجفت است. لازم به ذکر است که هرگونه تماس بین دو فلز غیرمشابه، باعث ایجاد پیوند می گردد. اگر می خواهید طول را افزایش دهید، باید از نوع صحیح کابل جبرانساز استفاده نمایید. به عنوان مثال، کابل تیپ K با خود جفت حرارتی نوع K مطابقت دارد. هنگام استفاده از نوع دیگر، یک اتصال ترموکوپل معرفی می گردد. هر کانکتوری که استفاده می شود، بایستی از متریال درست و قطبیت آن مطمئن باشید. بهتر است از کانکتورهای تجاری از همان نوع گرماجفت استفاده کنید تا مشکلی ایجاد نشود.
مقاومت را هدایت کند
برای به حداقل رساندن رانش حرارتی و بهبود زمان پاسخدهی جفت های حرارتی، این تجهیزات باید با سیم های نازک یکپارچه می شوند. این می تواند باعث شود این تجهیزات، مقاومت بالایی داشته و می تواند آنها را نسبت به نویز حساس کند. همچنین این نوع از حسگرها دما می توانند به دلیل مقاومت ابزار اندازه گیری باعث ایجاد خطا شوند. یک اتصال ترموکوپل معمول با 0.25 میلی متر، مقاومتی در حدود 15 اهم بر متر خواهد داشت. توصیه می شود قبل از استفاده از این نوع از حسگرهای دما در پروسه فرآیند خود، مقاومت آن را اندازه گیری کنید.
آزمایش تست دقیت اندازه گیری (کالیبراسیون)
کالیبراسیون، فرآیند تغییر تصادفی ساختار سیم ترموکوپل است. شایع ترین علت انتشار ذرات اتمسفر به فلز در دمای بسیار زیاد است. علل دیگر ناخالصی ها و مواد شیمیایی ناشی از انتشار عایق به سیم است. اگر در دمای بالا کار می کند، باید مشخصات عایق پروب بررسی شود. توجه داشته باشید که یکی از معیارهای کالیبراسیون ابزار اندازه گیری این است که استاندارد باید حداقل 10 برابر دقیقتر از ابزار کالیبره شود.
ایجاد نویز
خروجی جفت گرمایی، یک سیگنال کوچک است، بنابراین مستعد جذب نویز الکتریکی است. اکثر ابزارهای اندازه گیری هر حالت نویز را رد می کنند (سیگنال هایی که روی یک کابل یا هر دو کابل هستند). بنابراین می توان نویز را با چرخاندن کابل ها به حداقل رساند، تا اطمینان حاصل شود که هر دو سیگنال نویز یکسانی را دریافت می کنند. اگر در یک محیط بسیار پر سر و صدا (مثلاً در نزدیکی یک موتور بزرگ) کار می کنید، لازم است از یک سیم کشی محافظت شده استفاده کنید. اگر مشکوک به دریافت نویز هستید، ابتدا باید تمام تجهیزات مشکوک را خاموش کنید و بررسی کنید که آیا خوانش ها تغییر کرده است یا خیر. با این حال، منطقی ترین راه حل، طراحی یک فیلتر پایین گذر (مقاومت و خازن به صورت سری) است، زیرا بعید است که فرکانس نویز (مثلاً از یک موتور) کمتر از فرکانس نوسان دما باشد.
ولتاژ حالت مشترک
اگرچه سیگنال های ترموکوپل بسیار کوچک هستند، ولتاژهای بسیار بزرگتری می توانند در خروجی تجهیزات سنجش یا اندازه گیری وجود داشته باشند. این ولتاژها می تواند به دلیل دریافت القایی (مشکلی در اندازه گیری دمای قطعات موتور و ترانسفورماتورها) و یا از طریق اتصال به اتصالات زمین ایجاد گردد. یک مثال معمولی از اتصال زمین، اندازه گیری لوله آب گرم با گرماجفت بدون عایق است. اگر اتصال زمین وجود داشته باشد، ممکن است مقداری ولت بین لوله و زمین ابزار اندازه گیری وجود داشته باشد. این سیگنال ها دوباره در حالت مشترک هستند. بنابراین تا زمانی که خیلی بزرگ نباشند برای اکثر ابزارها مشکلی ایجاد نمی کنند. ولتاژهای حالت معمول را می توان با استفاده از همان اقدامات احتیاطی سیم کشی تعیین شده برای نویز و همچنین با استفاده از ترموکوپل های عایق به حداقل رساند.
رانش حرارتی
نتیجه گیری
در این مقاله به بررسی ترموکوپل حرارتی پرداختیم و ویژگی ها و مصارف آن را به طور کامل بیان کردیم. اگر نظر یا سوالی در این زمینه دارید دارید، در بخش دیدگاه های این مقاله آن را مطرح نمایید.
ثبت ديدگاه