ساختمان ترموکوپل

:تاریخ آخرین بروزرسانی مقاله آذر ۳۰ام, ۱۴۰۲ در ۱۰:۱۳ ق٫ظ

ساختمان ترموکوپل (Thermocouple Construction) یا ساختار ترموکوپل، موردی است که قصد داریم در این مقاله به آن بپردازیم. در این مقاله قصد داریم ساختار داخلی و بیرونی این نوع از سنسورهای اندازه گیری دما را مورد بررسی قرار دهیم. این نوع از سنسورهای مخصوص اندازه گیری دما، از دو نوع سیم فلزی مختلف یا ناهمنوع که در یک سمت یا جهت به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل شده اند. این بخش به نام نقطه اتصال گرم (Hot Junction) شناخته می گردد. نقطه اتصال گرم، به عنوان نقطه اندازه گیری دما شناخته می شود.

قبل از خواندن ادامه مقاله از شما دعوت می کنم که مقاله زیر را حتماً مطالعه فرمایید.

مطالعه بیشتر: ترموکوپل چیست

نحوه اتصال در ساختمان ترموکوپل

یک سنسور ترموکوپل (Thermocouple Sensor)، به طور معمول از سیم (به نام عنصر حرارتی)، عایق، غلاف و وسیله ای برای اتصال خارجی تشکیل شده است. یک سر جفت حرارتی که از دو فلز مختلف تشکیل شده که یکدیگر جوش داده می شوند تا اتصال ایجاد کنند. این اتصال در واقع نقطه اندازه گیری است.

اتصال می تواند به 3 گونه باشد که در ادامه به بررسی آن های می پردازیم:

1) ساختار اتصال به روش Grounded

در این روش از اتصال، سیم های فلزی و غلاف محافظ، به یکدیگر متصل می شوند. این روش بسیار مطمئن بوده و باعثت جلوگیری از ایجاد نویز در سنسور دما Thermocouple می گردد. همچنین از این روش می توان برای اندازه گیری دما در محیط های اسیدی استفاده می گردد.

2) ساختار اتصال به روش Ungrounded

در این نوع اتصال، سیم های فلزی کاملاً از غلاف محافظ جدا هستند. کاربردهای این اتصال عمدتاً شامل کارهای کاربردی پرفشار است. مزیت اصلی استفاده از این روش، کاهش اثر میدان مغناطیسی است.

3) ساختار اتصال به روش Exposed Junction

در این روش، اتصال در معرض ناحیه هایی است که نیاز به پاسخ سریع (Response Time) است. از این نوع اتصال برای اندازه گیری دمای گاز استفاده می گردد. متریال استفاده شده در ساخت ترموکوپل ها، عمدتاً به محدوده اندازه گیری دما بستگی دارد.

یک (protective seating) در اطراف محل اتصال و بخشی از extension leads تعبیه شده است. به علاوه میزان زمان پاسخ دهی با افزایش اندازه سیم سنسور، کاهش می یابد. معمولاً، قطر سیم از 1.5 تا 3 میلی متر برای سنسورهای نوع Base Metal و قطر سیم 0.5 میلی متر برای Noble Metal استفاده می شود.

عنصر حرارتی (thermoelement)، در یک غلاف محافظ فلزی (Protection Tube) قرار دارد که عموماً از Inconel ساخته شده است. البته غلاف های محافظ دیگری نیز وجود دارند که از آن ها استفاده می گردند. مثلا برای سنسورهای تیپ R, S,B از غلاف محافظ سرامیکی استفاده می گردد. نفطه اتصال اندازه گیری نیز در بخش housing محفظه است. پرکننده اکسید منیزیم خالص (Magnesium Oxide)، سنسور (thermoelement) را احاطه می کند. این پرکننده به عنوان ضربه گیر عمل می کند و از آسیب ارتعاشی شکل سیم جلوگیری می کند. همچنین به عنوان یک محیط پراکنده گرما در hot junction عمل می کند.

بررسی ناحیه های مختلف در ساختار ترموکوپل (Thermocouple Construction)

• نقطه اتصال اندازه گیری (Hot Junction): ناحیه ای است که در آن دو سیم Thermocouple به هم اتصال می گردند. از آنجایی که اندازه آن کوچک است، می توان اندازه گیری را با سنسورهایی که به صورت نقطه ای در نظر گرفت. اجرای این اتصال باید به گونه ای صورت بگیرد که هیچ گونه عامل مکانیکی ای بر دو هادی (به ویژه برای سنسورهای مبتنی بر فلز نجیب نظیر تیپ های S, R و B) ایجاد نکند، زیرا زمانی که در پروسه فرآیند قرار بگیرند، عملکرد صحیح سنسور به خطر می افتد.
• سیم های Thermocouple: اندازه آنها باید مطابق با شرایط استفاده باشد. امکان قرار دادن دو یا چند دماسنج در یک پروب وجود دارد.
• استفاده از عایق های سرامیکی: از این عایق ها برای سیم های Thermocouple در تمام طول پروب بین آنها و تا غلاف محافظ بیرونی استفاده می گردد.
• غلاف محافظ (Protection Tube): به منظور محافظت از سنسورها و سیم های ترموکوپل، حتماً لازم است که از غلاف محافظ با ابعاد مناسب استفاده نمایید. معمولاً غلاف های فلزی در سنسورهای دما استفاده می گردند، مگر اینکه دما بالای 1400 درجه سانتیگراد باشد که در آن از غلاف محافظ سرامیکی بایستی استفاده نمود.
• کلگی یا هد (Thermocouple With connection Head): کلگی سنسور شامل فرم های مختلفی می باشد که برخی از آن ها عبارتند از : BVA, BVS, EX, JVA, BUZ, BSS, BSS-Hو بسیاری فرم های دیگر. جنس کلگی ها از 4 نوع استیل، آلومینیوم، پلاستیک و PTFE می باشد. بلوک ترمینال (Terminal Block) که داخل هد قرار می گیرد، از مواد عایق سرامیکی ساخته می شود که امکان اتصال الکتریکی دماسنج یا جفت حرارتی را فراهم می کند. برای استفاده در محیط های انفجاری، این ترموکوپل ها را می توان با منیفولدهای اتصال ضد انفجار ATEX نیز نصب کرد. همنچنین می توانید از ترانسمیتر دما با خروجی 4-20 برای نصب در هد استفاده نمایید.

نکته مهم: ساختمان داخلی ترموکوپل از عایق ایزولاتور، سیم و ترمینال تشکیل شده است. پایه های سیم حسگر دما ترموکوپل در یک غلاف فلزی محکم قرار گرفته اند. محل اتصال اندازه گیری معمولاً در پایین محفظه حسگر دما تشکیل می شود. اکسید منیزیم سیم‌های ترموکوپل را احاطه می‌کند تا از لرزش‌هایی که می‌تواند به سیم‌های ظریف آسیب بزند، جلوگیری کند و انتقال حرارت بین محل اتصال اندازه‌گیری و محیط اطراف جفت گرمایی را افزایش دهد. متریال متداول حسگر دما Thermocouple عبارتند از: مس/کنستانتان (نوع T)، آهن/کنستانتان (نوع J) و کرومل/آلومل (نوع K) و …. هنگامی که چندین جفت حرارتی ساخته شده از متریال یکسان به صورت سری با هم ترکیب شوند، ترموپیل نامیده می شوند.

ترموکوپل های عایق معدنی MgO

سنسورهای MgO شامل یک سنسور بوده که در یک غلاف محافظ فلزی قرار گرفته است و با عایق معدنی اکسید منیزیم قرار گرفته است. غلاف های سنسور به طور کامل آنیل شده و می توانند در نوع های مختلف طراحی و تولید شوند. (حداقل شعاع خمش دو برابر قطر غلاف محافظ بیرونی است).

ساختمان سنسور های ترموکوپل MgO

• نوع اتصال اندازه گیری: دو هادی که ترموکوپل را تشکیل می دهند در داخل کابل عایق شده با اکسید معدنی به هم متصل می شوند. اتصال داغ را می توان عایق، زمین یا در معرض دید قرار داد.
• سیم های ترموکوپل: دو، چهار یا شش سیم را می توان در داخل کابل عایق شده MgO یافت. بنابراین ترموکوپل می تواند تک، دوتایی یا سه گانه باشد.
• غلاف عایق معدنی: از یک غلاف فلزی تشکیل شده است که حاوی هادی های عایق شده از یکدیگر و خود غلاف است. این از طریق اکسیدهای فلزی بسیار خالص و بسیار فشرده اتفاق می افتد. عایق استاندارد اکسید منیزیم MgO است.
• کلگی یا هد (Thermocouple With connection Head): کلگی ها در فرم های مختلف توسط ما طراحی و تولید می شوند. همچنین داخل کلگی هامی توان از یک بلوک ترمینال سرامیکی استفاده کرد که امکان اتصال الکتریکی دماسنج اندازه گیر دما را فراهم می کند.

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی ساختمان ترموکوپل (ساختار ترموکوپل) پرداختیم. اگر سوالی در این زمینه دارید، حتماً با کارشناسان مانیاد صنعت رادین آژند، تماس بگیرید.