دقت در بالاترین درجه : دانش و کاربرد دماسنج های ترموکوپلی

ترموکوپل ها سنسورهایی هستند که دما را اندازه گیری می کنند. کاربردهای آنها از تولید صنعتی و تنظیمات آزمایشی گرفته تا دماسنج گوشتی که در خانه استفاده می کنید را شامل می شود. آنها اغلب در هر جایی استفاده می شوند که مهم است بتوانیم داده های دما را به طور قابل اعتمادی نظارت یا ثبت کنیم.

ترموکوپل چیست و چگونه کار میکند؟

هسته یک ترموکوپل پراب حرارتی معمول از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده است که در یک نقطه کنار هم قرار گرفته اند. هنگامی که این نقطه در معرض تغییر دما (ΔT) قرار می گیرد، یک گرادیان حرارتی در هر کدام از دو فلز غیرمشابه نسبت به این نقطه ایجاد می شود. با توجه به اثر ترموالکتریک، که همچنین به عنوان اثر Peltier-Seeback شناخته می شود، 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 ترموکوپل فراهم می کند. نمودار یک ترموکوپل استاندارد نوع K در زیر نشان داده شده است:

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

انواع سنسور ترموکوپل و خواص مربوط به آنها

همانطور که کاربردهای متنوعی از ترموکوپل ها وجود دارد، رنجی از انواع ترموکوپل ها برای برآورده کردن آنها وجود دارد. در اینجا ما دو نوع رایج ترموکوپل موجود در صنعت را مورد بحث قرار خواهیم داد: ترموکوپل های پراب و نصب سطحی.

پراب ها

ترموکوپل های پراب هر زمان که نیاز به نظارت یا ثبت دمای یک سیال یا گاز در داخل یک حجم محصور، لوله یا مخزن تحت فشار داشته باشید استفاده می شود. نمونه ای از ترموکوپل پراب در زیر نشان داده شده است.

سنسورهای ترموکوپل نوع پراب انواع مختلفی دارند که رایج ترین آنها حسگرهای حرارتی (فلز غیرمشابه) هستند که در بالا توضیح داده شد. به غیر از آن سنسورهای مقاومت پلاتین هستند که از یک سیم پلاتین یا یک مقاومت ضخیم تر استفاده می کنند. و در نهایت سنسورهای نوع ترمیستور که از سرامیک (اکسیدهای فلزی) استفاده می کنند. دو نوع آخر – در حالی که گران تر هستند – معمولاً دارای دقت 0.1 درجه سانتی گراد تا 1.5 درجه سانتیگراد هستند که به طور قابل توجهی دقیق تر از سنسورهای حرارتی سنتی هستند که دقتی در محدوده 0.5 درجه سانتیگراد تا 5.0 درجه سانتیگراد دارند. ترموکوپل نوع حرارتی قدیمی تر، در حالی که دقت کمتری دارد، اغلب برای اکثر کاربردهای عمومی مناسب است. جدول کامل شباهت ها و تفاوت ها در جدول زیر نشان داده شده است.

لازم به ذکر است که هنگام استفاده از سنسورهای نوع پراب در محیطی که غلاف و نوک پراب در سیال غوطه ور است، ممکن است به دلیل هدایت گرما در طول غلاف ترموکوپل، خطا رخ دهد. همه این ترموکوپل‌ها را می‌توان با سیم‌های کششی با طول‌های مختلف با یا بدون اتصال‌دهنده، با درج‌های رزوه‌دار یا بدون رزوه و همچنین طول‌های مختلف غلاف متناسب با کاربردهای آن پیدا کرد.

اتصالات اندازه گیری مختلف و کاربرد آنها

علاوه بر انواع سنسورهایی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، متریال متنوعی برای غلاف نیز وجود دارد که برای محافظت از عناصر حرارتی در کاربردهای مختلف استفاده می شود. در اینجا ما به طور خلاصه به سه اتصال که به عنوان گزینه های تجاری اشاره خواهیم کرد: در معرض، عایق و زمین.

اتصال در معرض: در درجه اول برای اندازه گیری دمای گاز غیر خورنده وقتی که زمان پاسخ دهی سریع تر ترجیح داده می شود استفاده می شود.

اتصال عایق: برای استفاده در کاربردهایی که سیال یا گازی که اندازه گیری می شود خورنده یا مضر برای عنصر حرارتی است. به دلیل عایق بودن، زمان پاسخ آهسته تر از یک اتصال در معرض است.

اتصال زمین: نوعی از اتصال عایق که برای کاربردهای فشار بالاتر درجه بندی می شود و زمان پاسخگویی سریع تری دارد. این مدل همچنین برای کاربردهایی که شامل محیط های خورنده هستند مناسب است.

نصب سطحی:

ترموکوپل های نصب سطحی مشابه ترموکوپل های معمولی هستند، اما از این جهت متفاوت هستند که به جای اینکه سنسور در نوک غلاف نصب شود، سنسور روی یک ماده مسطح نصب می شود که می تواند به یک سطح متصل شود. نصب مسطح برای رفع خطاهایی است که اگر کل سنسور با سطحی که قرار است اندازه‌گیری شود تماس نداشته باشد،ایجاد میشود. به همین دلیل، ترموکوپل‌های نصب روی سطح اغلب با سنسورهای حلقه‌ای برای سهولت نصب از طریق اتصال دهنده‌های مختلف یافت می‌شوند.آنها همچنین در انواع خود چسبنده یا سیمانی برای کاربردهای دمای پایین تر عرضه می شوند.

نحوه انتخاب یک ترموکوپل

برای انتخاب موفقیت آمیز ترموکوپل مناسب برای پروژه خود، پاسخ به چند سوال اساسی ضروری است:

چه محیطی را رصد خواهید کرد؟
محدوده دمایی پیش بینی شما چقدر است؟
نرخ نمونه برداری مورد نظر شما چقدر است؟
آیا به دنبال رکورد داده ها هستید یا نظارت ساده بر داده ها کفایت میکند؟

اطلاعات مربوط به محیط عملیاتی شما گزینه های شما را برای نوع غلاف تعیین میکند. محدوده دمایی و حساسیت ترموکوپل با ترکیب آلیاژهایی که سنسور را تشکیل می دهند تعیین می شود.

انواع مختلفی از سنسورهای ترموکوپل تا به اینجا برای اهداف آموزشی ذکر شده است، اما در این بخش و به طور کلی خارج از متن این مقاله وقتی شخصی به نوع ترموکوپل اشاره می کند، به طور کلی به معنای نوع J، و نوع K است. و نه نوع سنسوری که در خود ترموکوپل استفاده می شود.نرخ نمونه مطلوب بر اساس نیاز یا عدم نیاز شما به مشاهده روندها در یک مرحله زمانی کوچک یا بزرگ تعیین می شود. اگر رویداد کوتاه باشد یا به صورت دوره‌ای در یک مرحله زمانی کوچک رخ دهد، حسگر با نرخ نمونه‌برداری سریع‌تر احتمالاً منطقی‌تر خواهد بود زیرا جزئیات آن رویداد را ثبت می‌کند. اگر تمایل به نظارت کلی دما در طول زمان باشد، احتمالاً یک سنسور ارزان‌تر با نرخ نمونه برداری پایین‌تر کافی است.در نهایت و ساده‌تر، باید مشخص شود که آیا می‌خواهید داده‌های خود را در لحظه نظارت کرده و نمایش دهید یا آن‌ها را برای صادرات و برای تجزیه و تحلیل ضبط کنید. اگر می‌خواهید دمای خود را کنترل کنید و هشدارها را در لحظه تنظیم کنید، می‌توانید سیم ها را از ترموکوپل(های) خود به کانکتورهای تخصصی ترموکوپل که در زیر نشان داده شده‌اند وصل کنید، سپس از یک دماسنج دیجیتال دستی ساخته شده برای دریافت کانکتورهای ترموکوپل استفاده کنید .

مطالعه موردی

با کنار هم قرار دادن همه اینها، می‌توانیم در این فرآیند قدم برداریم تا یک تجهیز دما بالا با اتلاف حرارت پایین طراحی کنیم تا به منظور تأیید نمونه اولیه موتور استرلینگ نوع بتا مورد استفاده قرار گیرد.ایده کلی پشت این پروژه ایجاد یک چاه حرارتی با دمای ثابت بود که بتوان انتهای داغ موتور استرلینگ را در آن قرار داد.از آنجایی که مقدار الکتریسیته ای که المنت گرمایشی به سیستم وارد میکند و ویژگی های تلفات حرارتی سیستم در محدوده دما مشخص است، انرژی منتقل شده به موتور استرلینگ را می توان با مقایسه حالت پایدار اجاق با و بدون اتصال استرلینگ تعیین کرد. با توجه به اینکه توان خروجی موتور استرلینگ نیز مشخص بود، بازده موتور استرلینگ را می توان مشخص کرد.برای انتخاب ترموکوپل مناسب برای این پروژه، ما به محیطی که باید نظارت کنیم نگاه کردیم. از آنجایی که داخل آن یک اجاق بود و ما با هوای گرم به عنوان سیال سر و کار داشتیم – یک دماسنج نوع پراب انتخاب شد. نوع ترموکوپل پراب به محدوده دمایی که انتظار داشتیم در محفظه ببینیم بستگی دارد و از آنجایی که دمای داخل محفظه مشخص است – در این مورد 1100 درجه سانتیگراد بود، سپس توانستیم به جدول ترموکوپل ها مراجعه کنیم تا مورد مناسب را پیدا کنیم. ترموکوپلی که دارای محدوده دمایی است که شامل آن دما می شود. در این مورد ما یک ترموکوپل نوع K را انتخاب کردیم.در این مورد، نرخ نمونه برداری مهم نبود، زیرا ما دما را در فواصل زمانی نامنظم کنترل می کردیم تا بررسی کنیم که کنترل کننده دما هنوز به درستی کار می کند یا نه. نصب ترموکوپل به سادگی قرار دادن پراب در سوراخ از پیش حفاری شده و در کنار چاه حرارتی با دمای بالا بود. پس از محکم شدن، انتهای سیم ها به یک رابط ترموکوپل متصل شدند که سپس به یک دماسنج دستی که دوشاخه های ترموکوپل را می پذیرد وصل شد.با وصل شدن ترموکوپل به ترمومتر دستی ما توانستیم دمای گرمای دمای بالا را به خوبی در لحظه کنترل کنیم.