ترموکوپل چیست | انواع ترموکوپل چیست؟ و کاربرد آن

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل ها متداول ترین تجهیز جهت اندازه گیرهای الکتریکی دما در صنعت هستند. مکانیزم  thermocouple براساس پدیده سی بک (Seebeck) که اختلاف دما بین دو نقطه را به ولتاژ تبدیل می کنند. در تعریف کلی تر از  ترموکوبل می توان گفت که : ترموکوپل سنسوری است که دما را اندازه گیری می کند.که از دو فلز تشکیل شده و این دو فلز متفاوت در انتها به هم وصل می شوند. هنگامی که اتصال دو فلز گرم می شود یا خنک می شود ، یک ولتاژ ایجاد می شود که می تواند با درجه حرارت تناسب ایجاد کند. ترموکوپل یک سنسور دما ساده ، مقاوم و مقرون به صرفه است که در طیف گسترده ای از فرآیندهای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد.

ترموکوپل ها به دلیل قابلیت سنسور دما به عنوان سنسورهای دما به طور کلی در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند – از یک ترموکوپل صنعتی با استفاده از یک ترموکوپل معمولی که در تاسیسات برق و لوازم معمولی یافت می شود. با توجه به طیف گسترده ای از مدل ها و مشخصات فنی آنها ، درک ساختار اساسی آن ، نحوه عملکرد آن ، دامنه های آن برای تعیین بهتر نوع و ماده مناسب ترموکوپل برای کاربرد شما بسیار مهم است.

ترموکوپل ها در سبک های مختلفی مانند پروب های ترموکوپل ، پروب های ترموکوپل با اتصالات ، پروب های ترموکوپل مفصل انتقال ، ترموکوپل های مادون قرمز ، ترموکوپل های سیم برهنه یا حتی سیم ترموکوپل ساخته می شوند. ترموکوپل ها معمولاً در طیف گسترده ای از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به طیف گسترده ای از مدل ها و مشخصات فنی آنها ، اما درک ساختار اساسی ، کارایی و دامنه آن برای تعیین بهتر نوع ترموکوپل مناسب و مواد ترموکوپل مناسب برای کاربرد بسیار مهم است.

 عناصر طراحی ترموکوپل مشترک چیست؟
سنسورهای ترموکوپل از سیم هایی تشکیل شده اند که معمولاً ترموالمانت ها ، عایق کاری ، غلاف ، مهر و موم انتهایی و وسیله اتصال (سیم های فرمت ، اتصالات و غیره) نامیده می شوند. سیم ها از یک طرف به هم وصل می شوند تا اتصال “اندازه گیری” یا “گرم” را تشکیل دهند. این سنسور باید به یک دستگاه نمایشگر یا دستگاه دیجیتال وصل شود که تغییرات دمایی را نمایش دهد.

دامنه ولتاژ ترموکوپل چیست؟
خروجی ترموکوپل بستگی به نوع ترموکوپل موجود در آن دارد. دسته های ترموکوپل معمولی شامل انواع J ، K ، T ، E و N هستند که به آنها ترموکوپل های “Base Metal” ، انواع R ، S و B که به آنها گفته می شود ترموکوپل های “Noble Metal” و انواع C و D ” ترموکوپل های فلزی نسوز ” نامیده می شود. در زیر به صورت کامل توضیح داده شده است.

ویژگی های خروجی در مقابل دما برای هر نوع در دو استاندارد تعریف شده است: ANSI / ASTM E230 و IEC 60584

از آنجا که یک ترموکوپل در محدوده دمایی وسیع اندازه گیری می کند و می تواند نسبتاً ناهموار باشد ، ترموکوپل ها اغلب در صنعت استفاده می شوند. از معیارهای زیر در انتخاب ترموکوپل استفاده می شود:
– محدوده دما
– مقاومت شیمیایی مواد ترموکوپل یا غلاف
– مقاومت در برابر سایش و لرزش
– الزامات نصب (ممکن است نیاز باشد با تجهیزات موجود سازگار باشد ؛ سوراخ های موجود ممکن است قطر پروب را تعیین کند)

زمان پاسخ یک ترموکوپل چقدر است؟
زمان مورد نیاز یک سنسور برای رسیدن به 63.2٪ تغییر مرحله دما در یک مجموعه از شرایط مشخص تعریف شده است. پنج ثابت زمان لازم است تا سنسور به 100٪ مقدار تغییر مرحله نزدیک شود. ترموکوپل محل اتصال در معرض سریعترین پاسخ را ارائه می دهد. همچنین هرچه قطر غلاف پروب کوچکتر باشد ، واکنش سریعتر خواهد بود اما حداکثر دما ممکن است پایین تر باشد. با این حال ، آگاه باشید که گاهی اوقات غلاف پراب نمی تواند در برابر دمای کامل نوع ترموکوپل مقاومت کند. درباره زمان پاسخ ترموکوپل بیشتر بدانید.

چگونه نوع محل اتصال پراب را انتخاب کنید؟
پراب ترموکوپلی برش خورده با یکی از سه نوع اتصال وجود دارد: زمینی ، بی پایه یا در معرض. در نوک یک پراب اتصالی زمینی ، سیم های ترموکوپل از لحاظ جسمی به قسمت داخلی دیواره پراب وصل می شوند. این امر باعث انتقال حرارت از خارج ، از طریق دیواره پراب به محل اتصال ترموکوپل می شود. در یک پراب بی اساس ، اتصال ترموکوپل از دیواره پراب جدا می شود. زمان پاسخ آهسته تر از سبک پایه است .

مزایای ترموکوپل:

از مزایای آن ها می توان به سادگی، قیمت مناسب، استحکام و دوام بالا جهت مصارف صنعتی و دقت مناسب اشاره کرد. محدوده اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ها وسیع بوده و در شرایط محیطی متفاوت قابل استفاده می باشند.  ترموکوپل ها دارای سرعت پاسخ دهی خوبی بدلیل ثابت زمانی کوچک می باشند. از معایب ترموکوپل ها، غیر خطی بودن، تماسی بودن (در معرض اغتشاش و شوک و …)، دقت متوسط را می توان نام برد. جهت استفاده ترموکوپل در مکان هایی که لرزش یا ضربه وجود دارد برای محافظت از سنسور از روکشی بنام ترموول یا غلاف استفاده می شود که باعث کاهش سرعت پاسخگویی می شود.

انواع ترموکوپل:

ساختمان ترموکوپل ها  با استفاده از اتصال یک فلز و آلیاژ  تولید می شوند و با همین مکانیزم ساده قادر به اندازه گیری دما به راحتی در رنج وسیعی از 270- تا حدود 1800 درجه می باشند. ترموکوپل ها انواع مختلفی دارند که طبق جنس فلز و آلیاژ آن به شش دسته ذیل تقسیم می شوند.

1. ترموکوپل نوع K :

این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr  (به نام تجاری کرومل  Chromel ) و  Ni-Al (به نام تجاری آلومل  Alumel) ساخته می شود. این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین و متداولترین نوع ترموکوپل ها می باشد.  رنج عملکرد دمایی آن بین −250 °C و1300 °C  (این رنج مطلق نیست و بسته به سازنده و نوع ظاهری آن متفاوت خواهد بود بطور مثال ترموکوپل های سیمی شکل نوع K رنج 40- تا 250 درجه می باشد و نوع میله ای آن قادر به اندازه گیری تا محدوده 1300 درجه هستند). حساسیت ترموکوپل تیپ K تقریبا 41  µV/°C  است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب است.

2. ترموکوپل نوع J :

این ترموکوپل از فلز آهن ( Fe ) و آلیاژهای مس- نیکل Cu-Ni (کنستانتان Constantan  )  ساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین -180°C  و 800°C است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی 51 µV/°Cاست. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد بهتر است استفاده نشود.

3. ترموکوپل نوع  E:

این ترموکوپل با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتانConstantan ) ساخته می شود. رنج عملکرد دمایی آن، بین −40 °C و 900°C است. این ترموکوپل با 62 µV/°C  بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت نشده، استفاده کرد.

4. ترموکوپل نوع T :

این ترموکوپل از مس Cu و آلیاژ Cu-Ni  (کنستانتان Constantan) ساخته می-شود. رنج عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل، بین −250 °C و 400°C  است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاوم است. حساسیت این ترموکوپل، 46 µV/°C  است. ترموکوپل نوع T در صنعت به دلایل زیر بیشتر مورد استفاده می گیرد :
نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطی تر است
رنج درجه حرارت مناسبی دارد
همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است

5.    ترموکوپل نوع N :

این ترموکوپل از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل  Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین -270°C و +1300 °C  است. حساسیت این ترموکوپل، 30 µV/°C  است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تحمل این سنسور در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بهتر نوع K می باشد.

6.    ترموکوپل نوع  R،  S و B :

این ترموکوپل ها با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود (تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنهاست). قیمت آن¬ها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود10  µV/°C  و محدوده دمایی آن تقریبا  -50 °C و +1750 °C است. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا بطور مثال در صنعت شیشه و فولاد به کار می روند.

پارامترهای مهم جهت انتخاب ترموکوپل :

معمولا استانداری برای تعیین رنگ کابل ترموکوپل ها می باشد که بطور مثال طبق استاندارد آمریکا در شکل زیر آورده شده است :

برخی از ترموکوپل های موجود در فروشگاه:

اشکال مختلف ترموکوپل:

ترموکوپل بسته به کاربرد دارای ظاهر متفاوتی هستند تصاویری از انواع ترموکوپل در ذیل آورده شده است.

ترموکوپل غلاف دار بهمراک کلاهک برای نصب ترانسمیتر- مناسب در کاربردهای صنعتی
ترموکوپل پرابی- دارای متراژ متفاوت سیم مناسب برای مکان های دور از دسترس
ترموکوپل پرابی پرتابل- مناسب برای تست و تجهیزات پرتابل مثل ترمومتر های دیجیتال
ترموکوپل سیمی مناسب برای اندازه گیری دماهای زیر 250 درجه سانتیگراد
ترموکوپل سطحی- مناسب برای اندازه گیری دمای سطح مانند کوره