ترموکوپل | ترموکوبل

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل (ترموکوبل) در واقع از روش های تولید برق به صورت مستقیم از طریق گرما می باشد. ترموکوپل در واقع از اتصال دو فلز ناهمگون ساخته شده که با گرم شدن محل اتصال الکتریسیته تولید می شود.
ترموکوپل را می توان نوعی سنسور دما تعریف کرد که برای اندازه گیری دما در یک نقطه خاص به شکل EMF یا جریان الکتریکی استفاده می شود. این سنسور شامل دو سیم فلزی غیر مشابه است که در یک اتصال به یکدیگر متصل شده اند.
با رسیدن گرما به محل متصل شدن این دو فلز، جریان بسیار کوچکی از محل اتصال تولید می شود و به سمت سیم ها ، جریان می یابد. با بیشتر شدن گرمای محل اتصال این دو فلز، ولتاژ تولیدی افزایش یافته و در حقیقت ترموکوپل در هر دما، ولتاژ مختص به آن را تولید می کند و در صورتی که بتوان این ولتاژ را به صورت دقیق اندازه گیری کرد ، قادر خواهیم بود دمای محل اتصال را به صورت دقیق اندازه گیری کنیم. ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل به وسیله ترمومتر به دما تبدیل می شود.
ترموکوپل در حقیقت یک ترانسدیوسر خود مولد است که از اتصال دو فلز ناهمگون تشکیل شده ‌است. فلزات ترموکوپلی به‌طور کلی نسبت به قیمت‌شان به دو گروه ترموکوپل فلز پایه و ترموکوپل فلزات قیمتی تقسیم می‌شوند.
یکی از مزایای ترموکوپل ها محدودۀ وسیع اندازه‌گیری آن‌هاست که معمولاً از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد. دیگر مزایای ترموکوپل‌ ، عملکرد خطی آن‌ها در محدوده اندازه‌گیری است. انواع ترموکوپل ها به دسته بندی های مختلفی براساس دمای کاربرد و جنس آلیاژ طبقه بندی شده اند. انواع ترموکوپل های متداول در بازار شامل ترموکوپل نوع K ( آلیاژ نیکل کروم و نیکل آلومینیوم) ؛ ترموکوپل نوع J ( آلیاژ آهن و مس نیکل)؛ ترموکوپل نوع S(پلاتین رودیوم10٪)؛ ترموکوپل نوع R(پلاتین رودیوم 13٪) و ترموکوپل نوع B (پلاتین رودیوم 30٪) سایر ترموکوپل های E ؛ T و N که خیلی پر مصرف و رایج نمی باشند.

اصل کار ترموکوپل

اصل ترموکوپل عمدتا به سه اثر Seebeck ، Peltier و Thompson بستگی دارد

اثر سی بک (Seebeck)

این نوع اثر در بین دو فلز غیر مشابه رخ می دهد. وقتی گرما به هرکدام از سیم های فلزی می رسد ، جریان الکترون ها از سیم فلزی داغ به سیم فلزی سرد تأمین می شود. بنابراین ، جریان مستقیم در مدار تحریک می کند.

اثر Peltier

در واقع اثر Peltier در مقابل اثر Seebeck است. این اثر بیان می کند که اختلاف دما را می توان با استفاده از تغییرات بالقوه در بین هر دو رسانای غیر مشابه ایجاد کرد.

اثر تامپسون

این اثر بیان می کند که در صورت ثابت شدن دو فلز متفاوت از هم و در صورت تشکیل دو اتصال ، ولتاژ به دلیل شیب دما ، طول هادی کل را القا می کند. این یک کلمه فیزیکی است که تغییر در سرعت و جهت دما را در یک موقعیت دقیق نشان می دهد.

جدول ترموکوپل

جدول‌ ترموکوپل برای تعیین رابطه بین دما و نیروی محرکه الکتریکی است. در عمل، برای راحتی کار و حفظ دقت مورد نیاز از جدول‌ها استفاده می‌شود که مقادیر دما و نیروی محرکه را برحسب هم مشخص کرده است. این جدول‌ها را جدول ترموکوپل می‌نامند. این جدول‌ها برای حالتی است که دمای اتصال مرجع، دقیقاً برابر 0∘C باشد. بخشی از یک جدول ترموکوپل را در شکل زیر مشاهده می‌کنید. در کاربردهای واقعی، برای یافتن مقادیری که در جدول موجود نیست، از درون‌یابی استفاده می‌شود. به عنوان مثال و مطابق جدول زیر، اگر نیروی محرکه الکتریکی خروجی در ترموکوپل کرومل–کنستانتان (نوع E) 10.65 m V باشد، باید از درون‌یابی خطی استفاده کنیم. زیرا چنین مقداری در جدول وجود ندارد. بدین صورت که به سراغ اعداد قبل و بعد این مقدار نیروی محرکه می‌رویم. در دماهای 160∘C و 170∘ C ، نیروی محرکه الکتریکی به ترتیب برابر 10.501 m V و 11.222 mV است. در نتیجه، برای نیروی محرکه مورد سؤال، دمای اتصال داغ برابر 162∘C به دست می‌آید.

ترموکوپل چگونه کار می کند؟

زمانی که جنس فلزات را متفاوت انتخاب شوند، از آنجا که هر فلز ویژگی های رسانایی مخصوص به خودش را خواهد داشت ، باید انتظار اختلاف ولتاژ در بین این دو فلز را داشته باشیم؛ اما چه نوع اختلاف ولتاژی؟

از اتصال فلزات تا تشخیص دما در کارکرد ترموکوپل

هنگامی که ۲ فلز غیر همگون به یکدیگر متصل شوند با توجه به ماهیت رسانایی فلزات و البته عکس العمل های متفاوت آنها می توان شاهد اختلاف ولتاژ کوچکی در دو سر آزاد فلزات بود. در این حالت به سر متصل شده ی فلزات اتصال گرم و سر انتهایی این ۲ فلز اتصال سرد گفته می شود. منظور از اتصال گرم جایی است که قرار است در نزدیکی محل تشخیص دما باشد. از این رو این نقطه دچار تغییرات دمایی بسیار زیادی خواهد بود. اتصال سرد که دو سر آزاد ترموکوپل است به سیستم کنترلر و اندازه گیر متصل می شود.
زمانی که اختلاف دمایی میان اتصال گرم و سرد ترموکوپل وجود ندارد، شاهد اختلاف ولتاژ و تشخیص دما نخواهیم بود. اختلاف ولتاژ و در ادامه تشخیص دما زمانی است که اختلاف دمایی میان قسمت اتصال گرم و اتصال سرد باشد. هر چه میزان اختلاف دما در دو قسمت ترموکوپل بیشتر باشد در قسمت اتصال سرد، ولتاژی در حد میلی ولت بالاتری ایجاد می شود. البته این ولتاژ تولید شده به چند عامل مانند مقدار دما و جنس ترموکوپل بستگی دارد. اساس کارکرد ترموکوپل به این شکل می باشد.

کارکرد ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل شامل یک غلاف بلند و دو رشته سیم و در نهایت یک سیستم کنترل دیجیتالی و یا یک ورودی از یک PLC و شاید یک تجهیز کامپیوتری و صفحه نمایش پیشرفته می باشد. خب، احتمالاً تمام این ها که گفتیم چیز هایی است که شما در برخورد با یک سیستم حلقه بسته و یا حلقه باز کنترل دما خواهید دید. سیستمی که ترموکوپل در ابتدای آن قرار گرفته است. در این مواقع ممکن است این سوال ساده پیش بیاید که کارکرد ترموکوپل چیست؟
کارکرد ترموکوپل از یک سیستم بسیار ساده بهره می‌ برد. تمام چیزی که یک ترموکوپل را از آن ساخته ‌است شامل دو رشته سیم ساده است و همین دو رشته سیم ساده به سادگی همراه با دقت بسیار بالا می تواند اطلاعات بسیار سریعی از تشخیص دمای هر محیطی را ارائه نماید.
این سیستم بسیار ساده چگونه می تواند با این دقت اطلاعات دمایی را کسب کرده، تحلیل نماید و در اختیار سیستم های کنترلی قرار دهد؟ اساس کارکرد ترموکوپل ها مانند ساختار آنها ساده است و از ماهیت کلی فلزات می آید. از آنجا که تمامی فلزات رسانای جریان برق هستند پس تقریبا همیشه و در همه حال می توانند مقدار اندکی از سیگنال ‌های الکتریکی را در خود ایجاد نموده و یا انتقال بدهند. اگر تمام ساختار ترموکوپل از یک نوع فلز ساخته میشد، دیگر نمی توانستند اطلاعات دمایی را داشته باشند. چرا که در کارکرد ترموکوپل مذکور سطح ولتاژ یکسانی حاکم می ‌شد.

کاربرد ترموکوپل

برخی از کاربردهای ترموکوپل شامل موارد زیر است.
از ترموکوپل ها به عنوان سنسور دما در ترموستات در دفاتر ، منازل ، دفاتر و مشاغل استفاده می شود.
ترموکوپل ها در صنایع برای نظارت بر درجه حرارت فلزات موجود در آهن ، آلومینیوم و فلز استفاده می شوند.
ترموکوپل ها در صنایع غذایی برای کاربردهای برودتی و دمای پایین استفاده می شود. از ترموکوپل ها به عنوان پمپ حرارتی برای انجام خنک سازی ترموالکتریک استفاده می شود.
ترموکوپل ها برای آزمایش دما در گیاهان شیمیایی ، گیاهان نفتی استفاده می شوند.
ترموکوبل ها در دستگاه های گاز برای تشخیص شعله پیلوت استفاده می شود.