دماسنج ترموکوپل چگونه کار میکند

:تاریخ آخرین بروزرسانی مقاله مهر ۳ام, ۱۴۰۲ در ۱۲:۱۸ ب٫ظ

توضیح دماسنج ترموکوپل چیست و چگونه کار میکند؟

دماسنج ترموکوپل چیست و چگونه کار میکند؟ ترموکوپل ها (Thermocouple)، متشکل از دو عدد سیم فلزی غیر همنوع هستند که معمولاً از آلیاژهای مختلفی ساخته می شوند مواد سیم ترموکوپل: ترموکوپل ها از دو نوع مختلف سیم فلزی ساخته می شوند که اتصالات را تشکیل می دهند. انتخاب آلیاژ سیم ها به محدوده دمایی مورد نظر و الزامات کاربردی خاص بستگی دارد. آلیاژهای سیم عبارتند از کروم (نیکل-کروم)، آلومل (نیکل-آلومینیوم)، آهن، کنستانتان (مس-نیکل)، مس، نیکروسیل (نیکل-کروم-سیلیکون)، نسیل (نیکل-سیلیکون)، پلاتین و رودیوم. این سیم ها در یک انتها یا یک جهت به یکدیگر وصل شده تا یک اتصال اندازه گیری ایجاد کنند. این اتصال در معرض دمایی است که قرار است در پروسه فرآیند موردنظر اندازه گیری گردد. در سمت دیگر، انتهای سیم ها به یک وسیله ابزار دقیق مظیر ترمومتر یا کنترلر دما متصل می شود تا میزان دمای پروسه فرآیند که توسط ترموکوپل اندازه گیری می شود را نشان دهد.

مطالعه بیشتر: سنسور ترموکوپل چیست؟

دماسنج ترموپل چگونه کار می کند؟

دماسنج ترموکوپل براساس اثر ترموالکتریک (Thermoelectric Effect) کار می کند. شاید برایتان این سوال بوجود آید که اثر ترموالکتریک چیست و چه وظیفه ای بر عهده دارد؟ در جواب بایستی خدمت شما بزرگواران عرض کنیم که در این اثر، یک ولتاژ (Voltage) یا جریان الکتریکی (Electric Current) در یک رسانا یا ماده نیمه‌ رسانا زمانیکه یک گرادیان دما در سرتاسر آن وجود دارد، ایجاد می‌ گردد. اساس کار سنسورهای اندازه گیری دما Thermocouple، مولد ترموالکتریک و خنک‌کننده ترموالکتریک است.

به طور کلی، اثر ترموالکتریک در یک دماسنج ترموکوپل، تبدیل تفاوت دما به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری را امکان‌پذیر می‌کند و باعث می‌شود سنسورها به طور گسترده برای سنجش دما در کاربردهای مختلف صنعتی، علمی و تجاری مورد استفاده قرار گیرند.

انواع اثرات ترموالکتریک

دو نوع از اثرات ترموالکتریک وجود دارند که عبارتند از:

اثر سیبک (Seebeck Effect)

در دهه 1820 میلادی، فیزیکدان توانمند آلمانی-استونیایی یعنی توماس یوهان سیبک، متوجه شد که دو عد سیم فلزی ناهمنوع که در نقطه اتصال (hot junction) قرار دارند، با تغییرات میزان دما در آن نقطه، ولتاژ ایجاد می گردد. میزان ولتاژ به میزان تغییرات میزان دما، نوع و مشخصات فلزات به کار رفته بستگی دارد.

نکته مهم: ضریب Seebeck را معمولاً توان حرارتی می نامند زیرا توان نیست.

به عبارت دیگر:

اثر Seebeck، تولید ولتاژ را در زمانی که اختلاف دما بین دو محل اتصال از فلزهای غیرمشابه وجود دارد، شرح می دهد. هنگامی که این اتصالات در یک مدار بسته متصل می شوند، جریان الکتریکی ایجاد می شود. میزان ولتاژ و جریان به عواملی نظیر اختلاف دما و نوع فلزها بستگی دارد. این اثر اصل اساسی و مهم در جفت های گرمایی است که به طور گسترده ای برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرند.

این رفتار را می توان با استفاده از معادله ترموالکتریک ساده شده زیر توصیف کرد که در آن از معادلات حاکم بر اثرات Seeback ،Peltier و Thomson بدست آمده است.

توضیح معادله ترموالکتریک:

هسته سنسور Thermocouple، از دو فلز غیر همجنس تشیل شده است که در یک نقطه (hot junction) به هم متصل شده اند. زمانیکه این نقطه در معرض تغییرات (ΔT) قرار می گیرد، یک گرادیان حرارتی میان 2 فلز غیرمشابه در داخل نقطه ایجاد می گردد. با توجه به اثر ترموالکتریک، پتانسیل الکتریکی V در سراسر این گرادیان حرارتی شکل می گیرد. کالیبراسیون بین این پتانسیل الکتریکی و دماهای شناخته شده امکان تعیین دمای ناشناخته را در نوک سنسور را فراهم می کند.

اثر پِلیتر (Peltier Effect)

اثر پِلیتر کاملا برعکس پدیده سیبک عمل می کند. بدین معنی که یک جریان الکتریکی که از محل اتصال فلزهای غیر مشابه عبور می کند، باعث ایجاد اختلاف دما در سراسر اتصال می شود. به عبارت دیگر، جریان الکتریکی که از محل اتصال دو ماده عبور می کند، گرما را در واحد زمان در محل اتصال ساطع یا جذب می کند تا اختلاف پتانسیل شیمیایی دو ماده را متعادل کند. این اثر در خنک کننده های ترموالکتریک، همچنین به عنوان خنک کننده های Peltier یا ماژول های ترموالکتریک شناخته می شود که از این مورد به منظور مصارف خنک کننده الکترونیکی و کنترل دما استفاده می گردد.

اثر تامسون (Thom­son Effect)

اثر تامسون (گرمای کلوین)، انتشار گرما را در یک ماده با جریانی از آن توصیف می کند. بدین معنی که این انتشار گرما به طور مستقیم قابل اندازه گیری است.  این پدیده برخلاف پدیده های پلتیر و سیبک است. یعنی فقط اثر خالص دو ماده متفاوت را می توان اندازه گیری کرد. از آنجایی که ضرایب پدیده های پلتیر و سیبک را می توان از ضرایب تامسون محاسبه کرد، در اصل اثر تامسون اجازه می دهد تا هر سه ضریب ترموالکتریک را بدون نیاز به ماده دوم پیدا کنیم.

هنگامیکه ضرایب ترموالکتریک یک ماده را به طور دقیق بدست آورید، می توانید از آن به عنوان ماده مرجع برای یافتن ضرایب پلتیر و سیبک برای هر ماده دیگر نیز به راحتی و بدون هیچ مشکلی استفاده کنید. به عنوان مثال، سرب معمولاً به عنوان ماده مرجع استفاده می گردد، زیرا دارای ضرایب ترموالکتریک نسبتاً پایینی است.

کاربردهای اثر ترموالکتریک

اثر ترموالکتریک در زمینه‌های مختلفی از جمله تولید دستگاه های تبرید جامد، اندازه گیری دما تبدیل انرژی حرارتی مستقیم به الکتریسیته، سیستم های خنک کننده در تجهیزات الکترونیکی، تولید برق (در اینجا منظور مولدهای ترموالکتریک است) و بازیابی حرارت یا گرمای هدر رفته در پروسه های صنعتی مختلف به طور وسیعی کاربرد دارد. به منظور بالا بردن کارایی و عملکرد مواد ترموالکتریک برای بهبود تبدیل و استفاده از انرژی، تحقیقاتی فراوانی در این زمینه صورت گرفته است.

کاربرد دیگر اثرات ترموالکتریک را می توان به منظور تولید دستگاه های تبرید حالت جامد یا برای حس اختلاف میزان دما یا تبدیل انرژی حرارتی مستقیم به الکتریسیته استفاده کرد.

نکته مهم: هر دو اثر Seebeck و Peltier توسط رفتار حامل‌های بار، مانند الکترون‌ها، در ماده کنترل می‌ شوند. گرادیان دما باعث ایجاد تفاوت در سطوح انرژی حامل های بار می شود که این امر منجر به انتشار آن ها و در نتیجه تولید پتانسیل الکتریکی یا انتقال حرارت می شود.

ترموکوپل ها در مراکز مهم صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز، پالایش و پتروشیمی، فولاد و معدن، مس و آهن، خودروسازی، صنایع غذایی،آزمایشگاه ها و تحقیقات علمی، سیستم های HVAC، فرآوری مواد غذایی و فرآیندهای صنعتی با دمای پایین و بالا بسته به نوع، مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع دماسنج ترموکوپل چیست؟

در این بخش بسیار مهم قصد داریم انواع دماسنج ترموکوپل (Thermocouple thermometer) و تایپ های آن را برای شما عزیزان شرح دهیم. (لازم به ذکر است که در ابتدا انواع سنسورها را براساس فلزات پایه (Base Metal) و سپس بر اساس فلزات نجیب (Noble Metal) شرح می دهیم. ترموکوپل ها به دلیل سادگی، پایداری و محدوده اندازه گیری قابل پشتیبانی گسترده ای که دارند، جزو تجهیزات ابزار دقیق کاربردی در پروسه های صنعتی در صنایع هستند. این تجهیزات بسته به نوع جفت حرارتی مورد استفاده می توانند از دمای 200- درجه سانتیگراد تا دمای 2300 درجه سانتیگراد را بدون کوچکترین مشکلی اندازه گیری کنند.

نکته مهم: اگرچه ترکیب کالیبراسیون ترموکوپل، محدوده دما را کنترل می کند، ولی حداکثر محدوده نیز توسط قطر سیم ترموکوپل محدود می گردد. این بدان معناست که سیم های Thermocouple بسیار نازک، ممکن است به حداکثر محدوده دما نرسند.

مطالعه بیشتر: درباره ترموکوپل صنعتی و کاربردهای آن در صنایع مختلف بیشتر بدانیم

دماسنج های ترموکوپل براساس فلزات پایه (Base Metal)

این نوع از سنسورها در تایپ های K, J, T, N, E ارائه می شوند.

تایپ K

می توان گفت تایپ K، پرمصرف ترین جفت حرارتی اندازه گیری دما در کلیه صنایع کوچک و بزرگ است. یکی دیگر از دلایل استفاده زیاد از این نوع از سنسورها، ارزان بودن آن نسبت به محدوده دمایی که توسط آن پشتیبانی می شود، است. یعنی دامنه دمایی پشتیبانی شده توسط این سنسورها از 270- الی 1372+ درجه سانتیگراد است. از ویژگی های بارز این تایپ از جفت های گرمایشی، دقت بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی است.

تایپ J

تایپ J، زیرگروه ترموکوپل های فلز پایه (Base Metal) است و از متریال (iron–constantan) ساخته شده است. این نوع از سنسورها مانند نوع K، جزو سنسورهای ارزان قیمتی محسوب می گردند. این دماسنج ترموکوپل همچنین دقت و قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارد که تقریباً با با نوع K از این لحاظ برابر است. اما دامنه و طول عمر آن نسبت به تیپ کا (K) کمتر است. دامنه دمایی پشتیبانی شده توسط تایپ جِی از 210- الی 1200+ درجه سانتیگراد است. همچنین سنسورهای سِری J، از لحاظ دقت و ضریب خطا مانند سنسورهای های نوع K  است، یعنی 75٪ و 0.4٪ در حالت مستقیم. از این سنسورها نمی توانید برای در محیط های مرطوب استفاده کنید، زیرا در برابر اکسیداسیون مقاومت بسیار کمی دارند. به منظور شناسایی جفت های حرارتی های تایپ J آسان است زیرا کابل ها دارای کدگذاری رنگ مشکی خاصی هستند.

تایپ T

تایپ T، نوع دیگری از سنسورهای فلزی پایه است. آلیاژ به کار رفته در آن از مس و کنستانتان است. متریال مس رسانایی بسیار خوبی پایداری دارد، همچنین متریال کنستانتان یک نوع آلیاژ مس نیکل است که به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و محیط های اکسیدی، شناخته شده است. این تایپ از سنسورها دارای محدوده دمایی از 200- درجه تا 400+ درجه سانتیگراد هستند و به دلیل پایداری و دقت عالی در دماهای پایین در پروسه های فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند. عمدتاً برای اندازه گیری دماهای پایین از این سِری از جفت های حرارتی استفاده می کنند.

نکته مهم: هنگام استفاده از سنسورهای اندازه گیری دما ترموکوبل، رعایت روش های نصب، اطمینان از عایق‌بندی و حفاظت مناسب سیم‌ها و رجوع به استانداردها یا دستورالعمل‌های کالیبراسیون مناسب برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق دما بسیار بسیار حائز اهمیت است.

تایپ N

در دماسنج های تایپ N، از آلیاژ با Nicrosil (نیکل-کروم-سیلیکون) و Nisil (نیکل-سیلیکون) استفاده می شود. این نوع از سنسورها محدوده دمایی را از 200- الی 1300+ درجه سانتیگراد پشتیبانی می کنند و مقاومت شان در برابر محیط های اکسیدی بالاست. به همین خاطر می توان از آن ها در دماهای بالا در پروسه های فرآیند استفاده کرد. مثال بارز استفاده از تایپ N در صنایع هوا فضا است.

تایپ E

در جفت های گرمایی تایپ E، از سیم های فلزی با آلیاژ کرومل و کنستانتان استفاده شده است. این تایپ از سنسورها دارای محدوده دمایی از 200- الی 900+ درجه سانتیگراد بوده و به علت دقت و پایداری بالا، در پروسه های فرآیند بسیار از صنایع بزرگ و کوچک مورد استفاده قرار می گیرند. عمده استفاده از این نوع از سنسورهای دما، صنایع غذایی، آزمایشگاهی و تحقیقات علمی است.

دماسنج های ترموکوپل براساس فلزات نجیب (Noble Metal)

این نوع از سنسورها در تایپ های R, S , B ارائه می گردند و توانایی این را دارند در دماهای بسیار بالا، فرآیند سنجش آن را بدون کوچک ترین مسئله ای انجام دهند. ترکیب مشتریک به کار رفته در این سنسورها پلاتین و رودیوم است. به علت وجود این نوع متریال است که می توان از آن ها در دماهای بسیار بالا استفاده کرد. همده استفاده از این پروب های دما، کوره های ذوب، کوره های رَستون، کوره های عملیاتی و حرارتی است.

تایپ S

در ساخت سنسورهای ترموکوپل تایپ S، از ترکیب آلیاژ پلاتین و رودیوم استفاده می شود. محدوده دمایی آن ها بالا (از 50- الی 1750+ درجه سانتیگراد)بوده و آنها  و توانایی این را دارند که دما را در شرایط های ناپایدار و محیط های بسیار داغ، اندازه گیری کنند. همچنین دقت و حساسیت این تایپ از سنسورها در دماهای بالا، فوق العاده است.

تایپ R

سنسور ترموکوپل تایپ R بسیار شبیه تایپ S است. با این تفاوت که درصد پلاتین-رودیوم آن از نوع S بیشتر است. یعنی متریال آن 87% Pt 13% -Rh تشکیل شده است. در حالیکه متریال تایپ اِس 90% Pt 10% -Rh است.

تایپ B

این سنسور دما Thermocouple، بالاترین بازه دمایی (از 0 الی 1820+ درجه سانتیگراد) در میان سایر تایپ های ترموکوپل داردو  به طور خاص برای پروسه های فرآیند با دمای بسیار بالا بوجود آمده اند. متریال به کار رفته در آن مانند سایر سنسورهای سلخته شذه بر اساس فلز نجیب، پلاتین (Pt) با 30٪ و رودیوم (Rh) است.

مطالعه بیشتر: انواع ترموکوپل و تایپ های آن را بهتر بشناسید

نحوه تعیین نوع و شکل جفت حرارتی

1. در گام اول، حتماً محیطی که قصد دارید سنسور ترموکوپل در آن استفاده کنید، به طور کامل مورد بررسی قرار دهید.
2. در مرحله بعدی بایستی تعیین کنید که سنسور در معرض چه محدوده دمایی قرار است نصب و استفاده شود.
3. سپس حتماً میزان مقاومت شیمیایی مورد نیاز برای خود سنسور و غلاف محافظ آن را در نظر بگیرید.
4. مرود بعدی بررسی کردن میزان مقاومت در برابر سایش و لرزش است.
5. در گام آخر، بایستی فهرست همه الزامات نصب (نحوه اتصال سنسور، دمای محیط، میزان فضا، تجهیزات متصل و …) را بررسی نهایی کنید.

معیارهای انتخاب نوع دماسنج ترموکوپل چیست؟

همانطور که قبلاً هم توضیحح دادیم، ترموکوپل ها اغلب در صنایع کوچک و بزرگ زیادی استفاده می شوند. زیرا می توانند محدوده دمایی بسیار گسترده ای را اندازه گیری کنند و نسبتاً مقاوم هستند. معیارهای زیر موارد مهم و اساسی هستند که هنگام انتخاب این نوع دماسنج های اباید بررسی شوند.

• میزان محدوده دما
• مقاومت شیمیایی مواد ترموکوپل یا غلاف محافظ آن
• مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر لرزش
• ملزومات نصب

نکته مهم: هر نوع ترموکوپلی که قصد انتخاب و خرید آن را دارید از لحاظ محدوده دمایی، دقت اندازه گیری و ضریب خطا، محدودیت های خاص خودش را دارد. انتخاب نوع دماسنج ترموکوپل به محدوده دما، شرایط محیطی و دقت مورد نیاز کاربرد خاص بستگی دارد.

نتیجه گیری

در این مقاله درباره موضوع دماسنج ترموکوپل چگونه کار میکند، صحبت کردیم و مطالبی را خدمت را ارائه کردیم. حالا نوبت شما عزیزان است که اگر سوالی دارید، در بخش دیدگاه های این مقاله، آن را بیان کنید تا در فرصت مناسب به آن پاسخ دهیم.