ترموکوپل چیست؟ انواع ترموکوپل ها را بشناسید. (کاربردها، جداول مرجع، انتخاب صحیح)

فهرست مطالب

• مقدمه ایی بر ترموکوپل ها و سنسورهای دما
• ترموکوپل چیست؟
• نحوه‌ی کارکرد ترموکوپل
• انواع ترموکوپل
• کدهای رنگی ترموکوپل‌ها بر اساس کشور
• تفاوت بین ترموکوپل نوع J و K چیست؟
• جدول های مرجع ترموکوپل
• چطور یک ترموکوپل انتخاب کنیم؟
• چطور بدانم که از کدام نوع اتصال استفاده کنم؟
• زمان پاسخگویی یک ترموکوپل چیست؟
• تفاوت بین RTD و ترموکوپل
• مزایا و معایب ترموکوپل
• رایج‌ترین کاربردهای ترموکوپل‌ها چیست؟
• چطور متوجه شوید که یک ترموکوپل درست کار نمی کند؟
• چرا از ترموکوپل استفاده کنیم؟
• چطور از یک ترموکوپل محافظت کنیم؟
• سوالات متداول: ترموکوپل‌ها

مقدمه ایی بر ترموکوپل ها و سنسورهای دما

حرکت مولکول‌ها و اتم‌ها به تولید گرما منجر می‌شود (انرژی جنبشی) و هر چقدر حرکت بیشتر باشد، گرمای بیشتری ایجاد می‌شود. سنسورهای دما، میزان انرژی گرمایی یا حتی سردی ایجاد شده توسط یک شی یا سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند، که با ایجاد یک خروجی دیجیتال و یا آنالوگ، به ما این امکان را می‌دهند که هر تغییر فیزیکی مرتبط با دما را تشخیص بدهیم یا «حس» کنیم. ترموکوپل ها رایج‌ترین نوع مورد استفاده از انواع مختلف سنسورهای دما هستند.

انواع مختلفی سنسور دما وجود دارد و هر یک، بسته به کاربرد آن، ویژگی‌های متفاوتی دارند. یک سنسور دما دو نوع کلی فیزیکی دارد:

• سنسور دمای نوع تماسی: این نوع سنسور دما نیاز دارد که در تماس فیزیکی با جسمی قرار بگیرد که می‌خواهد دمای آن را «حس کند» و برای نظارت بر تغییرات دما، از رسانش استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای جامدات، مایعات و گازها در بازه‌ی وسیعی از دما استفاده کرد.
• سنسور دمای نوع غیر تماسی: این نوع سنسور دما از همرفت و تابش برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای مایعات و گازهایی استفاده کرد که با بالا رفتن گرما و پایین آمدن سرما در جریان‌های همرفتی آن‌ها، انرژی تابشی منتشر می‌شود. همچنین می‌توان از آن‌ها برای تشخیص انرژی تابشی که از یک شی به صورت امواج فروسرخ منتشر می‌شود، استفاده کرد.

این دو سنسور دمای تماسی و غیرتماسی را می‌توان به سه گروه سنسورهای الکترومکانیکی، مقاومتی و الکترونیکی تقسیم کرد.

دلیل محبوبیت ترموکوپل‌ها، سادگی، سهولت استفاده و سرعت مناسب واکنش به تغییرات دما (بیشتر به خاطر ابعاد کوچکشان) می‌باشد. ترموکوپل‌ها همچنین گسترده‌ترین بازه دمایی را در بین تمام سنسورهای دما دارند که از منفی ۲۰۰ درجه تا بالای ۲۰۰۰ درجه سلسیوس است.

ترموکوپل‌ها، سنسورهایی ترموالکتریکی یا گرما برقی هستند که اساسا از دو نقطه‌ی اتصال فلزات ناهمسان تشکیل شده‌اند، همچون مس و آلیاژ کنستانتان (Constantan) که در دو نقطه به هم جوش خورده و یا به هم پیچیده شده باشند. یک اتصال در دمایی ثابت حفظ می‌شود که به آن اتصال سرد یا مرجع گفته می‌شود و دیگری، اتصال گرم یا همان اتصال اندازه‌گیری است. وقتی دو اتصال در دمایی متفاوت باشند، یک ولتاژ در بین دو اتصال ایجاد می‌شود که برای اندازه‌گیری سنسور دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یک سنسور است که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها از دو سیم ناهم‌جنس تشکیل شده‌اند. دو سر این دو سیم به یکدیگر جوش خورده‌اند و یک اتصال را به وجود آورده‌اند. این اتصال، جایی است که دما اندازه‌گیری می‌شود. وقتی که اتصال تغییری را در دما تجربه کند، یک ولتاژ تولید می‌شود. این ولتاژ با استفاده از جدول‌های مرجع ترموکوپل برای محاسبه‌ی دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انواع مختلفی ترموکوپل وجود دارد و هر یک از نظر بازه دما، دوام و استحکام، مقاومت در برابر لرزش، مقاومت شیمیایی و سازگاری با کاربردهای مختلف، ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند. انواع J و K و T و E ترموکوپل‌های «فلز پایه» بوده و رایج‌ترین نوع ترموکوپل هستند. انواع R و S و B ترموکوپل‌های «فلز قیمتی» هستند که در کاربردهای با دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها در کاربردهای متنوع صنعتی، علمی و OEM مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها تقریبا در تمام بازارهای صنعتی حضور دارند: تولید برق، نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی یا زیست فناوری، سیمان، پالپ و کاغذ و غیره. ترموکوپل‌ها همچنین در تجهیزات معمولی خانگی همچون اجاق گاز، شومینه و توسترها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها عموما به خاطر هزینه پایین، محدوده‌ی بالای دما، بازه‌های وسیع دما و ذات بادوام خود انتخاب می‌شوند.

نحوه‌ی کارکرد ترموکوپل

اصل کارکرد یک ترموکوپل بسیار ساده و ابتدایی است. وقتی اتصال دو فلز ناهمسان همچون مس و آلیاژ کنستانتان، یک اثر ترموالکتریکی یا گرما برقی ایجاد کند، یک اختلاف پتانسیل چند میلی‌ولتی (mV) بین آن‌ها ایجاد می‌شود. به این تفاوت ولتاژ بین دو اتصال، اثر سیبک (See beck effect) گفته می‌شود، به این معنی که با ایجاد یک گرادیان دما در امتداد سیم‌های رسانایی، یک نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌شود. پس ولتاژ خروجی ترموکوپل، تابعی از تغییرات دما خواهد بود.

اگر هر دو اتصال در دمایی یکسان باشند، اختلاف پتانسیل بین دو اتصال صفر است، به عبارت دیگر خروجی ولتاژ ندارد چون V1 = V2. از طرفی، وقتی که اتصالات، داخل یک مدار، به هم متصل می‌شوند و دمای آن‌ها متفاوت است، یک خروجی ولتاژ به نسبت تفاوت دما بین دو اتصال تشخیص داده می‌شود، (V1 – V2). تا زمانی که به سطح پیک ولتاژ اتصال‌ها برسیم، این تفاوت در ولتاژ با افزایش دما، افزایش می‌یابد. این سطح پیک ولتاژ، توسط ویژگی‌‌های دو فلز ناهمسان بکار رفته در ترموکوپل، تعیین می‌شود.
ترموکوپل‌ها از انواع مختلفی از مواد ساخته می‌شوند که امکان اندازه‌گیری دماهای به شدت بالا و پایین، از -۲۰۰ درجه تا +۲۰۰۰ درجه سلسیوس را محقق می‌سازند. با وجود انتخاب گسترده‌ای از مواد و بازه‌های دما که وجود دارد، استانداردهای بین‌المللی با کدهای رنگی برای ترموکوپل‌ها ایجاد شده است تا کاربران بتوانند سنسور ترموکوپل مناسب را برای هر کاربردی انتخاب کنند.
سه ماده‌ی رایج پراستفاده برای ترموکوپل‌هایی که برای اندازه‌گیری عمومی دما بکار گرفته می‌شوند، عبارتند از آهن- کنستانتان (نوع J)، مس- کنستانتان (نوع T) و نیکل-کروم (نوع K). ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک است: حدود چند میلی‌ولت (mV) برای یک تغییر ۱۰ درجه‌ی سلسیوسی در تفاوت دمایی. و به این دلیل، معمولا برای این خروجی ولتاژ کوچک، نیاز به نوعی تقویت‌کننده (امپلی‌فایر) است.

انواع ترموکوپل

قبل از آنکه انواع مختلف ترموکوپل را معرفی کنیم، باید ذکر کنیم که ترموکوپل عموما در یک غلاف محافظ قرار دارد تا در برابر اتمسفر محلی از آن محافظت شود. این غلاف محافظ، به شکل قابل توجهی از اثرات خورندگی می‌کاهد.

ترموکوپل‌ها در ترکیب‌هایی متنوع از فلزات و کالیبراسیون‌ها موجود هستند.

رایج‌ترین آن‌ها، ترموکوپل‌های «فلز پایه» هستند که به اسم های N و T و E و J و K شناخته می‌شوند. همچنین ترموکوپل های دارای کالیبراسیون‌های دمای بالا وجود دارند که به آن‌ها ترموکوپل‌های فلز قیمتی گفته می‌شود و انواع R و S و C و GB هستند.

ترموکوپل های فلز قیمتی به این دلیل برگزیده می شوند که توانایی تحمل دماهای بالاتری را داشته و در عین حال، درستی و طول عمر مفید خود را حفظ می کنند. این ترموکوپل ها نسبت به ترموکوپل های فلز پایه به میزان قابل توجهی گران قیمت تر هستند.

هر کالیبراسیون، محیط و بازه دمایی متفاوتی دارد، البته حداکثر دما بسته به قطر سیم استفاده شده در ترموکوپل، متفاوت است.
با آنکه کالیبراسیون ترموکوپل، بازه دما را تعیین می‌کند، حداکثر بازه دمایی توسط قطر سیم ترموکوپل نیز محدود می‌شود. به همین دلیل است که یک ترموکوپل بسیار نازک ممکن است به حداکثر بازه دمایی خود دست پیدا نکند.

ترموکوپل‌های نوع K به عنوان ترموکوپل‌های «استفاده عمومی» شناخته می‌شوند، چون هزینه و قیمت پایینی دارند و بازه دمایی آن‌ها نیز مناسب است.

نوع K (نیکل-کروم / نیکل-آلومل)

نوع K رایج‌ترین نوع ترموکوپل است. این نوع، دارای قیمت کم، درستی خوب و قابلیت اطمینان است و بازه دمایی گسترده ای دارد.بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۴۵۴ تا ۲۳۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۷۰ تا ۱۲۶۰ درجه سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی (هر یک که بیشتر است):

• استاندارد: ±۲٫۲ درجه سلسیوس یا ±۰٫۷۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۱٫۱ درجه سلسیوس یا ±۰٫۴ درصد

نوع J (آهن/کنستانتان)

نوع J نیز بسیار رایج است. این نوع ترموکوپل نسبت به ترموکوپل نوع K بازه دمایی کوچک‌تری داشته و عمر مفید آن در دماهای بالاتر از نوع K کوتاه‌تر است. از نظر هزینه و اطمینان‌پذیری، برابر با نوع K است.بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۳۴۶ تا ۱۴۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۱۰ تا ۷۶۰ سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۲٫۲ درجه سلسیوس یا ±۰٫۷۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۱٫۱ درجه سلسیوس یا ±۰٫۴ درصد

نوع T (مس/کنستانتان)

نوع T یک ترموکوپل بسیار پایدار است و معمولا در کاربردهای دارای دمای بسیار پایین، همچون کرایوژنیک و فریزرهای با دمای بسیار پایین استفاده می‌شود.
بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۴۵۴ تا ۷۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۷۰ تا ۳۷۰ سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۱٫۰ درجه سلسیوس یا ±۰٫۷۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۰٫۵ درجه سلسیوس یا ±۰٫۴ درصد

ترموکوپل نوع E (نیکل-کروم/کنستانتان)

ترموکوپل نوع E، در بازه‌های متوسط دمایی ۱۰۰۰ درجه فارنهایت و پایین‌تر، سیگنال قوی‌تر و درستی بهتری نسبت به انواع J و K دارد.
بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۴۵۴ تا ۱۶۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۷۰ تا ۸۷۰ سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۱٫۷ درجه سلسیوس یا ±۰٫۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۱٫۰ درجه سلسیوس یا ±۰٫۴ درصد

ترموکوپل نوع N (نیکروسیل / نیسیل)

نوع N از نظر درستی و محدوده دما، مشابه نوع K است. ولی نوع N مقدار کمی گران‌تر است.
بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۴۵۴ تا ۲۳۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۷۰ تا ۳۹۲ سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۲٫۲ درجه سلسیوس یا ±۰٫۷۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۱٫۱ درجه سلسیوس یا ±۰٫۴ درصد

ترموکوپل‌های نوع S (پلاتین-رودیم ۱۰% / پلاتین)

ترموکوپل نوع S در کاربردهای دارای دمای بالا به کار گرفته می‌شود. این نوع ترموکوپل عموما در صنایع بیوتکنولوژی (زیست‌فناوری) و داروسازی کاربرد دارد. گاهی اوقات به دلیل درستی خوب و پایداری بالا، در کاربردهای دمای پایین نیز مورد استفاده می‌گیرد.

بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۵۸ تا ۲۷۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۵۰ تا ۱۴۸۰ سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۱٫۵ درجه سلسیوس یا ±۰٫۲۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۰٫۶ درجه سلسیوس یا ±۰٫۱ درصد

ترموکوپل نوع R (پلاتین-رودیم ۱۳% / پلاتین)

ترموکوپل نوع R در کاربردهای دما بالا استفاده می‌شود. این نوع ترموکوپل، نسبت به نوع S درصد رودیم بالاتری دارد، در نتیجه گران‌تر است. نوع R از نظر عملکرد بسیار مشابه نوع S است. گاهی اوقات از این نوع ترموکوپل به دلیل درستی خوب و پایداری بالا، در کاربردهای دمای پایین استفاده می‌شود.

بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۵۸ تا ۲۷۰۰ درجه فارنهایت (منفی ۵۰ تا ۱۴۸۰ درجه سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۱٫۵ درجه سلسیوس یا ±۰٫۲۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۰٫۶ درجه سلسیوس یا ±۰٫۱ درصد

ترموکوپل نوع B (پلاتین رودیم ۳۰% / پلاتین رودیم ۶%)

ترموکوپل های نوع B در کاربردهای با دمای به شدت بالا به کار گرفته می‌شوند. این نوع ترموکوپل، نسبت به تمام ترموکوپل‌هایی که تا اینجا معرفی کردیم، بالاترین محدوده‌ی دما را دارد. این نوع ترموکوپل در دماهای بسیار بالا، درستی خوب و پایداری بالایی دارد.

بازه دمایی:

• سیم اصلی ترموکوپل: منفی ۳۲ تا ۳۱۰۰ درجه فارنهایت (۰ تا ۱۷۰۰ درجه سلسیوس)
• سیم اکستنشن: ۳۲ تا ۲۱۲ درجه فارنهایت (۰ تا ۱۰۰ درجه سلسیوس)

درستی:

• استاندارد: ±۰٫۵ درصد
• محدوده‌ی ویژه‌ی خطا: ±۰٫۲۵ درصد

کدهای رنگی ترموکوپل‌ها بر اساس کشور

علاوه بر سیستم شماره‌گذاری، معمولا ترموکوپل‌ها دارای کد رنگی هم هستند. این کدگذاری‌های رنگی در هر کشور متفاوت است، بنابراین بهتر است که کدهای رنگی را بر اساس کشوری بررسی کنید که متریال از آن تامین شده است.

تفاوت بین ترموکوپل نوع J و K چیست؟

ترموکوپل‌های نوع K رایج‌ترین سنسورهای دمای موجود در بازار هستند. قیمت این ترموکوپل‌ها، بالاتر از قیمت ترموکوپل‌های نوع J است، اما نوع K سنسور دمایی همه‌کاره بوده و توانایی تحمل دماهای ۰ تا ۱۲۶۰ درجه سلسیوس را دارند.

این محدوده دمایی بالاتر، این نوع ترموکوپل را نسبت به ترموکوپل نوع J برای تماس با حرارت بسیار بالا مناسب تر می سازد.

البته قیمت بالاتر این ترموکوپل به آن معناست که ترموکوپل نوع K در دماهای پایین تر و معمولی نمی تواند با ترموکوپل نوع J رقابت کند.

ترموکوپل نوع K، علاوه بر محدوده دمایی گسترده تر، مزیت دیگری هم دارد که مقاومت و ظرفیت آن، به دلیل جنس فلزات متفاوت آن است. ترموکوپل نوع J از آهن و کنستانتان و نوع K از نیکل/آلیاژ کروم (کرومل) و نیکل/آلیاژ آلومینیوم (آلومل) ساخته می‌شود.

این ترکیبات باعث می‌شوند ترموکوپل نوع K، نسبت به سیم های آهنی ترموکوپل نوع J، محافظت بیشتری در برابر اکسایش و اسیدها داشته باشد.
در نتیجه ترموکوپل‌های نوع K برای شرایط محیطی اکسید کننده و محیط های دارای اتمسفر خورنده، یا برای غوطه ور شدن در سیالات اکسید کننده یا خورنده مناسب هستند.

در واقع، ترموکوپل‌های نوع K در یک فرآیند تمیز کردن توسط اکسیداسیون با بهره‌وری بسیار بالایی کار می‌کنند، در صورتی که ممکن است ترموکوپل نوع J در این محیط دچار اکسایش شده و آسیب ببیند. همچنین ترموکوپل‌های نوع K برای بکارگیری در دماهای بسیار بالا – تا سقف ۱۲۶۰ درجه سلسیوس – مناسب تر هستند و این امکان را فراهم می سازند که حتی با وجود چنین حرارت هایی، دما را با درستی خوبی اندازه گیری کنید.

از طرفی، قیمت اندکی بالاتر آنها نسبت به ترموکوپل‌های نوع J باعث می‌شود که ترموکوپل‌های نوع J همچنان برای کاربردهای دارای دمای کمتر و اتمسفرهای غیر اکسید کننده که با محدوده دمایی این نوع ترموکوپل هماهنگی دارند، مناسب باشند. شاید ترموکوپل‌های نوع K و J به عنوان سنسور دما ظاهرا مشابه یکدیگر باشند، اما برای گستره‌ی متفاوتی از کاربردها مناسب هستند.

ترموکوپل‌های نوع K برای اندازه‌گیری در انواع مختلفی از محیط ها همچون آب، حلال‌های نسبتا ضعیف شیمیایی، گاز و مناطق خشک مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثلا از این ترموکوپل ها در موتورها، بخاری روغنی و بویلرها استفاده می‌شود. آن ها همچنین در بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به عنوان دماسنج مورد استفاده قرار می‌گیرند.

جدول های مرجع ترموکوپل

ترموکوپل‌ها یک خروجی ولتاژی ایجاد می‌کنند که با دمایی که ترموکوپل اندازه‌گیری می‌کند، متناسب است. فایل های موجود در جدول زیر، ولتاژ گرما برقی و دمای متناسب با آن را برای انواع ترموکوپل خاص ارائه کرده اند. اکثر این فایل ها همچنین محدوده دمایی ترموکوپل، محدوده خطا و نکات مرتبط با شرایط محیطی را نیز مطرح کرده‌اند.

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع B

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع C

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع E

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع J

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع K

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع N

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع R

دانلود جدول مرجع ترموکوپل نوع S

چطور یک ترموکوپل انتخاب کنیم؟

از آنجایی که یک ترموکوپل ممکن است در اشکال مختلفی باشد، مهم است که بدانید چطور باید سنسور مناسب را انتخاب کنید.

رایج‌ترین معیار استفاده شده برای انتخاب، بازه دما، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر لرزش و سایش و نیازمندی‌های نصب است.

نیازمندی‌های نصب همچنین ممکن است انتخاب پروب ترموکوپل شما را تعیین کند.

انواع مختلفی از ترموکوپل وجود دارد و کاربردهای هر یک متفاوت است. یک ترموکوپل باز (exposed) بیشتر مناسب جایی است که زمان پاسخگویی بالا مورد نیاز است، اما یک ترموکوپل زمین‌نشده بیشتر مناسب محیط خورنده است. برای انتخاب بهترین ترموکوپل برای اهداف خود، این پنج مورد را در نظر بگیرید:

• کاربردی را که می‌خواهید از سنسور ترموکوپل در آن استفاده کنید مشخص کنید.

ترموکوپل‌ها را می‌توان در صنایع و کاربردهای متنوعی استفاده کرد، بنابراین انتخاب نوع درست برای مقاصد شما اول از همه از اینجا شروع می‌شود که کاربرد خود را بشناسید و بدانید کجا و چطور می‌خواهید از آن استفاده کنید.

• بازه دمایی که می‌خواهید پروب در معرض آن قرار بگیرد را مشخص کنید

وقتی که بازه دمای مورد نیاز برای ترموکوپل خود را بدانید، می‌توانید به جدول بازه ترموکوپل مراجعه کنید تا به شما کمک کند که تعیین کنید کدام ترموکوپل مناسب بازه‌ی دما مورد نیاز شماست.

ترموکوپل نوع K بازه گسترده‌ی دما را ارائه می‌کند و یکی از رایج‌ترین ترموکوپل‌های مورد استفاده است. از طرفی، اگر پروب ترموکوپل شما قرار است که در معرض دمای شدید قرار بگیرد، مدل N پایداری بیشتر در دمای بالا دارد و ترموکوپل نوع T برای دماهای بسیار بسیار پایین مناسب است.

• تعیین کنید که زمان پاسخگویی سریع چقدر برای شما مهم است

سه نوع اتصال ترموکوپل وجود دارد: باز (exposed)، زمین‌شده (grounded) یا زمین نشده (ungrounded).

یک اتصال باز، سریع‌ترین زمان پاسخگویی را دارد. البته اگر پروب در معرض گاز خورنده یا فشار بالا قرار بگیرد، نباید از یک اتصال باز استفاده شود. ترموکوپل زمین‌نشده آهسته‌ترین زمان پاسخگویی را دارد اما اگر می‌خواهید ترموکوپل را به شکل الکترونیکی، ایزوله و جدا نگهدارید و با یک غلاف، از آن محافظت شود، بهترین انتخاب همین زمین‌نشده است.

• هر نوع مقاومت شیمیایی، سایش و لرزش را در نظر بگیرید

استفاده از یک ترموکوپل باز، تنها محدود به کاربردهای غیرخورنده می‌شود. از ترموکوپل‌های زمین‌شده و زمین‌نشده می‌توان در محیط خورنده یا فشار بالا استفاده کرد، اما پروب زمین‌نشده بهترین انتخاب است اگر می‌خواهید ترموکوپل را به شکل الکترونیکی، ایزوله و جدا نگهدارید و با یک غلاف، از آن محافظت شود. اگر زمان‌های پاسخگویی سریع‌تر در محیط خورنده مهم است، ترموکوپل زمین‌شده بهترین انتخاب است.

• تمام نیازمندی‌های نصب را در نظر بگیرید

ممکن است نیاز باشد که ترموکوپل شما با تجهیزات فعلی شما، سازگاری داشته باشد. به طور مثال، سوراخ‌های موجود فعلی، شاید تعیین‌کننده‌ی قطر پروب باشد.

چطور بدانم که از کدام نوع اتصال استفاده کنم؟

پروب‌های ترموکوپل غلاف‌دار، با یکی از این سه نوع اتصال موجود هستند: زمین‌شده، زمین‌نشده یا باز. ویدیوی ما در مورد اتصالات ترموکوپل‌ها را ببینید:

ترموکوپل‌های اتصال زمین‌شده (grounded junction) 

در سر و نوک پروب اتصال زمین‌شده، سیم‌های ترموکوپل به شکل فیزیکی به داخل دیواره پروب وصل شده‌اند. این باعث می‌شود که انتقال گرما از بیرون، با عبور از دیواره پروب به اتصال ترموکوپل، به خوبی انجام شود.

یعنی ترموکوپل زمین‌شده زمان پاسخگویی سریع‌تری نسبت به زمین‌نشده دارد.

اتصال ترموکوپل برای اندازه‌گیری دما مایع یا گاز استاتیک یا در جریان و خورنده و کاربردهای پرفشار توصیه می‌شود. اتصال ترموکوپل زمین‌شده به غلاف محافظ جوشکاری شده و در نتیجه پاسخگویی آن سریع‌تر از نوع زمین‌نشده است.

از طرفی، ترموکوپل‌های زمین‌شده به شدت در برابر نویز ایجاد شده توسط حلقه‌های زمین، آسیب‌پذیر هستند و در نتیجه دقت خوانش آن‌ها پایین‌تر خواهد بود.

ترموکوپل‌های اتصال زمین‌نشده (ungrounded junction)

در یک پروب زمین‌نشده، اتصال ترموکوپل از دیواره پروب جداست. زمان پاسخگویی آهسته‌تر از مدل زمین‌شده است.

از طرف دیگر، اتصال به شکل الکتریکی از غلاف ایزوله (جدا) شده است، در نتیجه از تداخل نویز الکتریکی با سیگنال جلوگیری می‌کند. به این شکل اندازه‌گیری دما با دقت بسیار بالاتری انجام می‌شود، به خصوص در سیگنال‌های سطح پایین.

اتصال زمین‌نشده برای اندازه‌گیری محیط‌های خورنده توصیه می‌شود، جایی که مطلوب است ترموکوپل به شکل الکترونیکی از غلاف ایزوله شده باشد و محافظت شده باشد. ترموکوپل سیم جوشکاری‌شده با استفاده از پودر Mgo (نرم) به شکل فیزیکی از غلاف ترموکوپل عایق شده است.

ترموکوپل‌های اتصال باز

ترموکوپل در اتصال مدل باز، از نوک غلاف بیرون زده و در معرض محیط پیرامونی قرار دارد (یا باز است). این نوع بهترین زمان پاسخگویی را دارد، اما از آن فقط می‌توان در کاربردهای غیرخورنده و غیرتحت‌فشار استفاده کرد.

یک اتصال باز برای اندازه‌گیری دما گاز استاتیک یا در جریان غیرخورنده توصیه می‌شود، زمانی که زمان پاسخگویی سریع‌تر مورد نیاز است. این اتصال از غلاف فلزی محافظ بزرگ‌تر است تا پاسخگوی سریع دقیق ارائه کند. غلاف عایق در جایی که اتصال بیرون زده سیلد شده (مهر و موم شده) تا از نفوذ رطوبت یا گاز و خطاهای احتمالی جلوگیری کند.

زمان پاسخگویی یک ترموکوپل چیست؟

یک ثابت زمانی به عنوان زمان مورد نیاز سنسور برای رسیدن به ۶۳٫۲ درصد از یک مرحله تغییر در دما تحت شرایط خاص تعریف می‌شود. پنج ثابت زمانی مورد نیاز است تا سنسور به ۱۰۰ درصد مقدار تغییر مرحله برسد. یک ترموکوپل با اتصال باز، سریع‌ترین پاسخگویی را دارد. همچنین هر چقدر قطر غلاف پروب کوچک‌تر باشد، پاسخگویی سریع‌تر است اما حداکثر دما ممکن است پایین‌تر باشد. اما دقت کنید که گاهی اوقات غلاف پروب نمی‌تواند بازه کامل دمای نوع ترموکوپل را تحمل کند.

تفاوت بین RTD و ترموکوپل

دو دستگاه حیاتی که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند RTD و ترموکوپل هستند. هر دوی این‌ها به عنوان سنسورهای دما استفاده می‌شوند. تفاوت اصلی بین RTD و ترموکوپل در اساس کارکردی آن‌هاست. یک RTD از یک فلز استفاده می‌کند که تغییرات مقاومت آن، پیش‌بینی‌کننده‌ی تغییرات دماست. در طرف دیگر، یک ترموکوپل دستگاهی است که از دو سیم فلزی استفاده می‌کند که یک تفاوت ولتاژ در محل اتصال ایجاد می‌کند که متناسب با تغییر در دماست.
همانطور که گفتیم RTD و ترموکوپل سنسورهای حیاتی دما هستند. به جز این دو، ترموستات و ترمیستور هم به عنوان سنسورهای دما استفاده می‌شوند.
اساسا، سنسورهای دما دستگاه‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری مقدار انرژی گرمایی ایجاد شده در یک سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند. و این اندازه‌گیری با حس کردن هر تغییر فیزیکی مرتبط با دستگاه یا سیستم محقق می‌شود.
در RTD، تغییر در مقاومت فلز، تغییر در دما را نشان می‌دهد. در ترموکوپل، تغییر در EMF نشان‌دهنده‌ی تغییر دماست که مرتبط با دستگاه می‌شود. اینجا علاوه بر اساس کارکرد، به سایر عامل متفاوت که تفاوت بین RTD و ترموکوپل است می‌پردازیم.

تعریف RTD

RTD مخففی است که برای آشکارساز دمای مقاومتی استفاده می‌شود. یک سنسور دما است که می‌تواند دما را با اندازه‌گیری مقاومت سیم الکتریکی تعیین کند. این سیم الکتریکی به عنوان یک سنسور دما عمل می‌کند. اساسا، در این حالت یک سیم فلزی وجود دارد و با افزایش مقدار گرمای حس‌شده توسط ماده‌ی فلزی، یک تغییر (افزایش) در مقاومت به وجود می‌آید، به دلیل تغییرات در گرمای سیم. از طرفی، وقتی که مقدار گرمای وارده به سیم کاهش پیدا کند، مقاومت سیم هم افت می‌کند.

به این شکل، تغییر در مقاومت سیم، افزایش یا کاهش، نشان‌دهنده‌ی تغییر دماست و به این شکل تغییر در دما از طریق تغییر در مقاومت، پیش‌بینی می‌شود.

به طور کل، از فلزاتی که مقاومت آن‌ها شناخته‌شده است استفاده می‌شود چون در یک بازه عملیاتی گسترده، ویژگی‌‌های دمای مقاومتی پایداری از خود نشان می‌دهند. در مورد فلز نیکل، از دمای ۳۰۰ درجه به بالا، غیرخطی می‌شود.

تعریف ترموکوپل

یک دستگاه الکتریکی دیگر است که برای حس کردن دما استفاده می‌شود، اما به جای مقاومت، ترموکوپل از ولتاژ استفاده می‌کند. ترموکوپل طراحی شده تا ولتاژی بر اساس اثر ترموالکتریکی تولید کند، جایی که دما وابسته به ولتاژ باشد. از دو هادی الکتریکی متفاوت تشکیل شده که یک اتصال الکتریکی را تشکیل می‌دهند.

اساسا، کارکرد آن به این شکل است که دو سیم فلز متفاوت وقتی گرم شوند، تفاوت در دما، EMF (نیروی محرکه الکتریکی) در مدار ایجاد می‌کند و ولتاژ تولید شده در اتصال اندازه‌گیری می‌شود.

تغییر در دمای دو سیم، ولتاژ را در اتصال تغییر می‌دهد.
لازم به ذکر است که ترکیبات مختلف از فلزات، به بازه‌های مختلف دما و ویژگی‌‌های متفاوت سنسور منجر می‌شود. برخی از جفت فلزات پراستفاده در تولید ترموکوپل‌ها، مس-آهن، مس-کنستانتان، آنتیموان-بیسموت است. انواع مختلف ترموکوپل‌ها عبارتند از E و J و K و B و غیره.
همچنین به آن دماسنج ترموالکتریکی هم گفته می‌شود.

تفاوت‌های کلیدی بین RTD و ترموکوپل

• یک RTD از تغییر در مقاومت فلز برای پیش‌بینی تغییر در دما استفاده می‌کند. ترموکوپل یک سنسور ترموالکتریکی است که از تغییرات در ولتاژ/EMF برای تعیین تغییر دما استفاده می‌کند.
• RTD عموما در بازه بین -۲۰۰ تا ۶۰۰ درجه سلسیوس کار می‌کند. اما ترموکوپل معمولا بازه عملیاتی گسترده‌تری نسبت به RTD دارد، مثلا معمولا -۲۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سلسیوس. در نتیجه ترموکوپل مناسب انواع مختلف کاربردهاست.
• ترموکوپل‌ها زمان پاسخگویی ۰٫۱ تا ۱۰ ثانیه ارائه می‌کنند که بهتر از زمان پاسخگویی RTDهاست که بین ۱ تا ۵۰ ثانیه است.
• در مورد حساسیت، گفته می‌شود که ترموکوپل‌ها حساسیت بالاتری از RTDها دارند. دلیل این مساله این است که سریع‌تر از RTDها به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند.
• ترموکوپل‌ها عموما مقرون به صرفه‌تر از RTDها است. البته هزینه‌ی اولیه‌ی RTD مقداری کمتر از ترموکوپل است، ولی از نظر هزینه نگهداری و تعمیر، RTDها سه برابر ترموکوپل‌ها هزینه‌بر هستند. در نتیجه RTDها در مجموع گران‌تر از ترموکوپل‌ها هستند.
• ابعاد فیزیکی ارائه شده توسط ترموکوپل‌ها کوچک‌تر از RTD است، در نتیجه استفاده از آن‌ها ساده‌تر است.
• برای کاربردهایی که نیازمند دقت بالا هستند، RTD ترجیح داده می‌شود چون نتایج دقیق بیشتری نسبت به ترموکوپل‌ها تولید می‌کنند.
• پایداری ارائه شده توسط RTD نسبتا بالاتر از ترموکوپل است. دلیل این مساله این است که RTD طراحی شده تا تکرارپذیری در نتایج را برای زمانی طولانی‌تر، برای ورودی یکسان ارائه کند. اما تغییر شیمیایی که در ترموکوپل‌ها رخ می‌دهد، باعث دریفت (کژرفت) در خوانش آن می‌شود.
• پدیده‌ی خودگرمایشی در RTDها وجود دارد اما در ترموکوپل ناچیز است.
• برای RTD، نمودار بین مقاومت و دما خطی است و در نتیجه به اندازه‌گیری دقیق‌تر دما منجر می‌شود. در مورد ترموکوپل‌ها، در خروجی تولیدشده، غیرخطی بودن نیز وجود دارد.

نتیجه‌گیری بین RTD و ترموکوپل

از بحث‌های بالا می‌توان نتیجه گرفت که هم RTD و هم ترموکوپل هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند و باید بر اساس نیازهای هر کاربرد، بهترین مورد را انتخاب کرد.

مزایا و معایب ترموکوپل

مزایا:

برخی از مزایای ترموکوپل در ادامه ذکر شده است.

• ترموکوپل ارزان‌تر از RTD است.
• بازه‌های دمایی گسترده دارد.
• بازتولیدپذیری خوبی دارد.
• بازه دما از ۲۷۰ تا ۲۷۰۰ درجه سلسیوس است.
• ساختار آن محکم و بادوام است.
• نیازمند مدار پل نیست.
• درستی و دقت خوبی دارد.
• سرعت بالای پاسخگویی دارد.

معایب:

برخی از معایب ترموکوپل در ادامه ذکر شده است.

• ممکن است ولتاژ سرگردان دریافت شود.
• چون ولتاژ خروجی بسیار کوچک است، نیازمند تقویت‌سازی است.
• اتصال سرد و جبران پیش‌فاز (lead compensation) حیاتی است.
• غیر خطی بودن را نمایش می‌دهد.

رایج‌ترین کاربردهای ترموکوپل‌ها چیست؟

ترموکوپل‌ها رایج‌ترین سنسورهای دما روی کره زمین هستند، به دلیل ظرفیت دمایی گسترده، استحکام بالا و قیمت پایین. ترموکوپل‌ها در کاربردهایی متنوع استفاده می‌شوند، از وسایل خانگی تا فرآیندهای صنعتی، تولید الکتریکی برق، نظارت و کنترل بر کوره، پردازش و فرآوری غذا و نوشیدنی، سنسورهای خودروسازی، موتور هواپیما، موشک، ماهواره و فضاپیما. وقتی موضوع دمای بالا، ابعاد کوچک، پاسخگویی سریع، ضربه یا لرزش بالا باشد، اکثر اوقات می‌بینید ترموکوپل‌ها اندازه‌گیری دما را انجام می‌دهند.

ترموکوپل‌ها مناسب کاربردهای غذا

از ترموکوپل‌ها می‌توان برای انواع متنوعی از کاربردها در صنعت غذا و نوشیدنی استفاده کرد، همچون سنسورهای تمیزکاری-در-محل (clean-in-place)، پروب‌های نفوذ، کنترل فر، نظارت بر زنجیره غذا، کنترل و نظارت بر اجاق بشقابی و کنترل دمای کتری بخار.

ترموکوپل‌های مناسب اکسترودرها

اکسترودرها نیازمند دما بالا و فشار بالا هستند. همچنین یک تبدیل رشته‌ای منحصر به فرد دارند که برای موقعیت‌دهی نوک سنسور در پلاستیک ذوب‌شده تحت فشار بالای موجود استفاده می‌شود.
امگا ارائه‌دهنده‌ی ترموکوپل‌های TER/TEFE/SEFE و SERP برای استفاده در اکسترودرهاست. این ترموکوپل‌ها که با المان‌های تکی و دوتایی موجود هستند، پوشش یا غلاف رشته‌ای منحصر به فرد مناسب این کاربرد را دارند. امگا همچنین ارائه‌کننده‌ی محصولات BT و CF است که اغلب در بخش‌های کم‌فشار اکسترودرها، هم در ترموکوپل و هم در RTD استفاده می‌شوند.

ترموکوپل‌های مناسب فشار کم

ترموکوپل‌های E و K و T و N را می‌توان برای اندازه‌گیری دما تا -۲۰۰ درجه استفاده کرد، البته آلیاژهای استفاده شده در این ترموکوپل‌ها باید به شکل ویژه برای استفاده در این دماها انتخاب شده باشد تا دقت و صحت مورد نیاز را محقق کند. اکثر تولیدکنندگان ترموکوپل، آلیاژهای ترموکوپل خود را به شکل کالیبره شده برای استفاده از ۰ درجه سلسیوس و بالاتر تهیه می‌کنند. همین آلیاژها را می‌توان تا -۲۰۰ درجه سلسیوس استفاده کرد اما ممکن است دقت نسبت به مقادیر ذکرشده مقداری منحرف شود. کالیبراسیون‌های منفرد را می‌توان خرید تا مقادیر افست تعیین شوند.

ترموکوپل‌های مناسب کوره‌ها

شرایط کوره که ترموکوپل‌ها در معرض آن قرار می‌گیرند، ترموکوپل مناسب آن کاربرد را تعیین می‌کنند. برای انتخاب ترموکوپل مناسب، برخی از این شرایط را باید در نظر بگیریم:
ظرفیت دمای سیم‌های ترموکوپل.
ظرفیت دمای غلاف یا پوشش محافظ (فلز یا سرامیک).
اتمسفری که در آن استفاده می‌شود (هوا، کاهشی، اکسایش، بی‌اثر).
پیکربندی نصب.

ترموکوپل‌های مناسب فلز مذاب

اندازه‌گیری دمای فلز مذاب کار سختی است چون دمای آن بسیار بالاست و شرایط اندازه‌گیری نیز سخت است. به دلیل دمای این فلزات، ترموکوپل‌های نوع K و نوع N فلز پایه و نوع R و S و B پلاتین، تنها انتخاب برای اندازه‌گیری تماسی در این زمینه هستند.
وقتی که از ترموکوپل‌های فلز پایه استفاده شود، سیم‌ها معمولا قطر بزرگ‌تری دارند #۸ یا #۱۴ سیم‌های جامد AWG با عایق‌های سرامیکی و لوله‌های محافظ سرامیکی و/یا فلز. قطر بزرگ سیم‌های K و N آهسته‌تر افت می‌کند و زمان لازم برای اندازه‌گیری را ایجاد می‌کند، پیش از آنکه شرایط دمای بالا به تخریب سیم منجر شود.
سیم‌های ترموکوپل‌های پلاتین معمولا به ترتیب جامد AWG #20 تا #۳۰ هستند (سری RAT/SAT/BAT). برخلاف سیم‌های فلز پایه نوع K و N، به جای تخریب به خاطر اکسایش یا خورندگی، سیم‌های پلاتینی به دلیل بازپخت (annealing) درازمدت، نرم می‌شوند و سرانجام به دلیل رشد دانه خراب می‌شوند.

چطور متوجه شوید که یک ترموکوپل درست کار نمی کند؟

برای اینکه متوجه شوید ترموکوپل شما به شکل عالی کار می‌کند یا خیر، لازم است دستگاه را تست کنید. قبل از آنکه دستگاه را تعویض و جایگزین کنید، باید بررسی و تست کنید و ببینید که آیا واقعا کار می‌کند یا خیر. برای انجام این کار، فقط یک مولتی‌متر و دانش ابتدایی در مورد الکترونیک نیاز دارد. عموما سه رویکرد برای تست ترموکوپل با استفاده از مولتی‌متر وجود دارد که در ادامه توضیح داده شده‌اند:

تست مقاومت

برای انجام این تست، دستگاه باید در یک خط اعمال گاز قرار گیرد و تجهیزات مورد نیاز مولتی‌متر دیجیتال و گیره سوسماری است.
رویه: گیره‌های سوسماری را به دو سر مولتی‌متر متصل کنید. گیره‌ها را به دو سر ترموکوپل وصل کنید، جایی که یک سر به شیر گاز خم شود. حال، مولتی‌متر را روشن کنید و موارد خوانده شده را یادداشت کنید. اگر مولتی‌متر اهم را به ترتیب کوچک نمایش دهد، ترموکوپل در شرایط کاری بی‌نقص است. اما اگر خوانش ۴۰ اهم یا بیشتر است، اوضاع ترموکوپل خوب نیست.

تست مدار باز (open circuit test)

در این تست، تجهیزات استفاده شده گیره‌های سوسماری، یک فندک و یک مولتی‌متر دیجیتال است. اینجا، به جای اندازه‌گیری مقاومت، ولتاژ محاسبه می‌شود. حال، فندک یک سمت ترموکوپل را گرم می‌کند. وقتی مولتی‌متر ولتاژ را در بازه‌ی ۲۵-۳۰ mV نمایش دهد، کارکرد ترموکوپل مناسب است. اما اگر ولتاژ بیشتر نزدیک به ۲۰ mV باشد، این دستگاه باید تعویض شود.

تست مدار بسته (closed circuit test)

در این تست، تجهیزات استفاده شده گیره‌های سوسماری، یک فندک و یک مولتی‌متر دیجیتال است. اینجا یک تبدیل داخل شیر گاز قرار می‌گیرد و سپس ترموکوپل در سمت دیگر تبدیل قرار می‌گیرد. حال، مولتی‌متر را روشن کنید. اگر خوانش در بازه ۱۲-۱۵ mV باشد، دستگاه در شرایط مناسبی است. اما اگر ولتاژ خوانده شده کمتر از ۱۲ mV باشد، نشان از خرابی دستگاه دارد.

بنابراین با استفاده از روش‌های تست بالا، می‌توانید ببینید که یک ترموکوپل به شکل مناسب کار می‌کند یا خیر.

چرا از ترموکوپل استفاده کنیم؟

دما را می‌توان به روش‌هایی متفاوت و با انواع مختلفی از ابزار و تجهیزات حس و اندازه‌گیری کرد. عملکرد، هزینه و دوام، هر سه عواملی هستند که باید در نظر گرفته شوند. ترموکوپل‌ها چه ویژگی‌‌های مثبت و مزایایی دارند که نسبت به سنسورهای دیگر بهتر است؟

دقت و صحت

اکثر ترموکوپل‌ها تا دو یا سه درجه از دمای واقعی، دقت و صحت دارند. برخی به شکل طبیعی دقیق‌تر از بقیه هستند، دلیل آن هم ویژگی‌‌های فلزات استفاده شده است. به طور مثال ترموکوپل‌های پلاتین و رودیم می‌توانند دما را تا ۰٫۵ درجه سلسیوس بسنجند. دیگر فلزات و آلیاژها شاید به این حد دقیق نباشند. از طرفی، چند درجه خطا قابل چشم‌پوشی است چون بازه‌های اندازه‌گیری عموما گسترده‌تر است.

هزینه

همانطور که در این مطلب ذکر کردیم، ترموکوپل‌ها ابزارهایی ساده هستند. کل سنسور از دو سیم فلز ناهمسان تشکیل شده است. برخی از نظر فیزیکی کوتاه هستند، تنها چند اینچ. برخی ممکن است چندین فوت باشند. در نتیجه میزان مواد و متریال به کار رفته روی هزینه تاثیرگذار است.
همچنین قیمت ترموکوپل‌ها متفاوت است چون از انواع مختلفی از مواد ساخته شده‌اند. به طور مثال، پلاتین ویژگی‌‌هایی ایده‌آل دارد اما فلز بسیار گران‌تری نسبت به نیکل است. همچنین امکانات و ویژگی‌های افزوده می‌تواند سنسور را بهبود بخشد و به روشی ویژه و منحصر به فرد برای اندازه‌گیری دما منجر شود. مثلا یک غلاف از جنس فولاد ضد زنگ با عایق اکسید منیزیم را می‌توان به کار گرفت. این اقدامات به کار گرفته می‌شود چون اجازه نمی‌دهد که سیم ترموکوپل در معرض محیطی مخرب قرار بگیرد. این محافظ سفارشی کمک می‌کند که استهلاک آن آهسته‌تر شده و عمر مفید دستگاه طولانی‌تر شود. به این شکل نیاز به خرید و جایگزین کردن کمتر می‌شود، اما هزینه ابتدایی یا همان قیمت خرید دستگاه بالاتر می‌رود.

محکم یا ستبر (rugged):

از آنجایی که هیچ قطعه متحرک و قطعات شکننده‌ای در ترموکوپل وجود ندارد، شکستن یا آسیب زدن به ترموکوپل نسبتا سخت است. البته به خاطر داشته باشید که برخی محیط و شرایط که باید در آن اندازه‌گیری کنند ممکن است به شدت مخرب باشند، در نتیجه این‌ها همه نسبی است. از طرفی، با گذر زمان، سرانجام ترموکوپل‌ها نیز خراب می‌شوند و افت می‌کنند. سیم‌های فلزی دچار اکسایش یا خوردگی می‌شوند و در نتیجه دقت مقادیر خوانده‌شده کاهش پیدا می‌کند. اقداماتی را می‌توان انجام داد تا عمر ترموکوپل‌ها افزایش پیدا کند. مثلا پوشاندن سنسور داخل خلاء یا پر کردن پیرامون آن با گاز بی‌اثر برای پرهیز از اکسایش، به عمر مفید آن می‌افزاید. مطلب ما با عنوان «آیا ترموکوپل‌ها مستهلک می‌شوند؟» را بخوانید؛ در این مطلب به عوامل موثر بر عمر مفید این ابزار پرداخته‌ایم.

نسخه‌ها یا واریاسیون:

ترموکوپل‌ها می‌توانند بازه‌های گسترده‌ای از دما را حس و اندازه‌گیری کنند. در سمت دماهای خنک‌تر، ترموکوپل‌های نوع T می‌توانند تا -۲۰۰ درجه سلسیوس را اندازه‌گیری کنند. در دیگر انتهای طیف، ترموکوپل‌های نوع B قرار دارند. آن‌ها می‌توانند دماهایی تا سقف ۱۷۰۰ درجه سلسیوس را بسنجند. علاوه بر بازه دما، شما هم چنین می‌توانید از نظر طول، مواد تشکیل‌دهنده و درجه اقدامات محافظتی، ترموکوپل را سفارشی‌سازی کنید. یعنی می‌توانید آن‌ها را بر اساس نیاز، برای کار و مقصود مورد نظر سفارشی‌سازی کنید.

ترموکوپل‌ها به دلیل بازه گسترده، هزینه پایین و ساختار ساده، انتخابی ایده‌آل برای اندازه‌گیری دما هستند. آن‌ها دماهایی را برای انواع بسیار متنوعی از فرآیندها حس می‌کنند و در صنایع بسیار مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چطور از یک ترموکوپل محافظت کنیم؟

ساختار یک ترموکوپل به شکل شگفت‌انگیزی ساده است؛ تنها دو سیم از دو فلز متفاوت است که در دو انتها به یکدیگر متصل شده‌اند. یکی از این دو اتصال، اتصال مرجع را معمولا می‌توان در یک جای ایمن، دور از محیط مخرب قرار داد. از طرفی اتصال اندازه‌گیری همیشه در محل پرخطر است و احتمالا باید اندازه‌گیری‌هایی با دما و فشار شدید و همینطور سیالات فرآیند خورنده را تحمل کند. اگر بگذاریم این سیم‌ها در معرض محیط باشند، عمر مفید آن‌ها کاهش پیدا می‌کند، به خصوص در دمای بسیار بالا، مثلا بالای ۸۰۰ درجه سلسیوس، جایی که هیچ سنسور دمای دیگری استفاده نمی‌شود. با این حال، روش‌هایی برای محافظت از ترموکوپل و افزودن روش محافظتی به سیم‌های اتصال اندازه‌گیری وجود دارد.

۱- پوشش فولاد

فولاد ضد زنگ یک پوشش استاندارد برای سنسور دماست. این متریال، متریالی ارزان و در دسترس است و در ابعاد بسیار متفاوتی وجود دارد و قابل استفاده در طراحی‌های مختلفی از ترموکوپل‌هاست. لوله‌ی محافظ معمولا با قطر ¼ اینچ وجود دارد و ممکن است چندین فوت یا حتی بلندتر باشد. ابعاد ¼ اینچ، تعادل مناسبی بین هزینه، سختی، قدرت و کاربردی بودن ایجاد می‌کند. قطرهای کوچک‌تر، همچون ۱/۸ اینچ یا کوچک‌تر: ترموکوپل‌هایی با ابعاد سوزن برای کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند. هر چقدر پروب کوچک‌تر باشد، فشار و تنش فیزیکی کمتری را می‌تواند تحمل کند و پروب کوتاه‌تر خواهد بود. از طرف دیگر، قطرهای بزرگ‌تر هم وجود دارند اما هزینه‌ی مواد آن‌ها بیشتر است و پاسخگویی آن‌ها کمتر.
این ترموکوپل‌های پهن و قوی را در کاربردهای خاص صنعتی می‌بینید، مثلا در اندازه‌گیری چاه نفت، جایی که هزینه مالی و کاهش در دقت، بسیار مهم‌تر از شکستن و آسیب زدن به سنسوری است که هزاران فوت زیر زمین است.

۲- کابل MI از پیش بسته‌بندی شده (و محافظت شده!)

کابل عایق معدنی یا کابل MI (Mineral insulated)، یک نوع کابل است که با نوعی ماده معدنی عایق‌بندی پر شده است. انواع مختلفی کابل MI وجود دارد اما برای ترموکوپل‌ها معمولا از سه چیز تشکیل شده است: غلاف از جنس فولاد ضد زنگ؛ دو سیم متفاوت ترموکوپل و پودر عایق‌کننده. بیایید هر یک را بررسی کنیم.
لوله فولاد ضد زنگ در واقع صرفا یک محفظه‌ی محکم است که پودر عایق‌کننده و سیم‌های ترموکوپل را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. طبیعتا تمام اقدامات محافظتی که بالاتر در مورد آن صحبت کردیم را نیز پوشش می‌دهد.

دو سیم متفاوت ترموکوپل، یک نیازمندی برای اندازه‌گیری دو ولتاژ متفاوت است که به ما دمای فرآیند را نشان می‌دهد. به طور مثال کابل MI نوع K، سیم کرومل و آلومل دارد که در امتداد لوله فولاد ضد زنگ قرار دارد. برخی کابل‌های MI می‌توانند شامل چهار سیم یا دو ترموکوپل باشند تا دقت و تکرارپذیری بالاتری ارائه کنند. به طور مثال، یک کابل MI نوع J دوتایی، دو سیم آهن و دو سیم کنستانتان دارد. هر جفت تفاوت ولتاژ خود را ارائه می‌کنند که اندازه‌گیری و تفسیر شوند. برخی کابل‌های MI ویژه شاید سه جفت سیم داخل خود داشته باشند.

عایق داخل کابل MI معمولا از پودر اکسید منیزیم یا MgO تشکیل شده است. به عنوان یک جایگزین ارزان‌تر می‌شود از اکسید آلومینیوم هم استفاده کرد که البته نمی‌تواند به اندازه‌ی MgO دماهای بالاتر را تحمل کند. وقتی پودر به شکل محکم دور سیم داخل غلاف قرار بگیرد، در این حالت پودر به عنوان مانع مقاومت الکتریکی عمل می‌کند و آثار رطوبت را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد که ترموکوپل خوانش درستی انجام دهد. همچنین رساناش گرمایی فوق‌العاده‌ای را فراهم می‌کنند؛ هر تغییر دما فورا منتقل می‌شود و اجازه می‌دهند که پاسخگویی سریع برای فرآیند نوسانی محقق شوند. یک اثر ثانویه پر کردن غلاف فولاد ضد زنگ با پودر این است که باعث می‌شود که کل ترکیب‌بندی محکم‌تر شود، در نتیجه به دوام و استحکام ترموکوپل ساخته شده با کابل MI می‌افزاید.

۳- با خلاء آن را تمیز نگه دارید

درست مثل فرآیند تولید، المان‌های متفاوت می‌توانند با گذر زمان با سیم‌های ترموکوپل ترکیب شده و ترکیب‌بندی آن‌ها را تغییر دهند. این واکنش‌ها به شکل بنیادی نحوه خوانش ترموکوپل را تغییر می‌دهد. در نتیجه با گذر زمان، دقت ابزار را کاهش می‌دهند و سرانجام نیاز می‌شود که دستگاه را تعویض کنید. برای پرهیز از ناخالصی‌ها دور سیم‌های فلزی، می‌توانید یک ترموکوپل را داخل خلاء سیل کنید (مهر و موم کنید). با محبوس کردن در خلاء، ریسک تغییر کردن ویژگی‌‌های الکترومغناطیسی کاهش پیدا می‌کند و عمر مفید صحت ولتاژهای گزارش‌شده طولانی‌تر می‌شود.

۴- در یک ترموول، آن را ایمن نگهدارید

ترموول‌ ها یا چاه‌های حرارتی، برترین محافظت برای ترموکوپل‌ها هستند. عموما از یک تکه برنج یا فولاد ضد زنگ فرز شده‌اند و مانعی هستند که ابزار را از شرایط سخت محیطی فرآیند جدا می‌کند. شاید این به نظر مشابه کاری باشد که غلاف فولاد ضد زنگ انجام می‌دهد که بالاتر در مورد آن صحبت کردیم، اما ترموول‌ها بهتر از آن عمل می‌کنند. تحت فشار بالا و دماهای بالا، شرایطی هستند که معمولا در فرآیندهای اندازه‌گیری ترموکوپل‌ها دیده می‌شود، حتی غلاف فولاد ضد زنگ هم مستهلک و دفرمه می‌شود و دوباره ابزار را در برابر تخریب فوری آسیب‌پذیر می‌کند.
ترموول‌ها قوی‌تر و محکم‌تر از کابل MI یا ترموکوپل غلاف‌دار هستند. ترموول‌ها به ویژه برای ترموکوپل‌هایی طراحی شده‌اند که از قبل دارای غلاف فولاد ضد زنگ هستند. بهترین محافظت در حالتی بوجود می‌آید که پودر محافظت MgO، غلاف فولادی و مانع ترموول در کنار یکدیگر استفاده شوند.

ترموکوپل‌ها ساده و قابل اطمینان هستند اما می‌توانند در برابر شرایط سخت محیطی فرآیند در هنگام اندازه‌گیری آسیب‌پذیر باشند. با نوع صحیح محافظت، می‌توانید خوانش دمای دقیق را با افزایش عمر دستگاه محقق کنید. هر فرآیند تا حدی متفاوت است اما همیشه یک تعادل مطلوب وجود دارد؛ بین هزینه تعویض ابزار و اقدامات محافظتی اتخاذ شده.

سوالات متداول: ترموکوپل‌ها

گردآورنده: فاطمه بهمئی هستم. علاقه مند به برق صنعتی و فروش لطفا نظرات تون رو درباره این مقاله برام بنویسید.