ترموکوپل
ترموکوپل یا گرماجفت (Thermocouple ) یک حسگر تشخیص دمای ترمو-الکتریکی مدار-بسته شامل دو سیم ناهم‌جنس است، که در یک انتها به هم متصل شده‌اند. زمانی‌که دما در یک سمت با دما در سمت دیگر تفاوت داشته باشد یک جریان الکتریکی در مسیر برقرار می‌شود. به این پدیده اثر سیبک ( Seebeck Effect) گفته می‌شود که اساس کار ترموکوپل‌ها می‌باشد.
به یک طرف این اتصال، اتصال گرم و به طرف دیگر آن اتصال سرد گفته می‌شود. سمت گرم داخل یک محفظه محافظ قرار داده شده و در معرض فرایند قرار داده می‌شود.
اگر محل اتصال دو فلز ترموکوپل حرارت داده‌شود، به دلیل اثر ترموالکتریکی در دو سر دیگر آنها که آزاد هستند اختلاف پتانسیلی (ولتاژ) تولید شود. این ولتاژ تابع دما است و با اندازه‌گیری آن، می‌توان دما را اندازه گرفت.
ترموکوپل یک مبدل( ترانسدیوسر) خودمُولّد است که از اتصال دو فلز ناهم جنس تشکیل شده است. اتصال سرد بایستی در دمای مرجع قرار داده شود. به عنوان مثال، اتصال مرجع را بایستی در ظرف حاوی یخ در حال ذوب شدن قرار داد. سمت دیگر ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً جفت شود.
فلزات ترموکوپلی به‌طور کلی نسبت به قیمت آنها به دو گروه تقسیم می‌شوند؛ ترموکوپل فلز پایه و ترموکوپل فلزات قیمتی.
مزیت اصلی ترموکوپل‌ها، محدودهٔ وسیع اندازه‌گیری آن‌هاست که معمولاً از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سلسیوس را در برمی گیرد. از معایب ترموکوپل ها هم می توان به خطی نبودن نسبت دما به ولتاژ در محدوده اندازه گیری، دقت متوسط، سرعت کم در پاسخ گویی(در ترموکوپل هایی که با محافظ سرامیکی پوشیده شده اند این اثر یافت می شود) و … اشاره نمود.
انواع اتصالات ترموکوپل
نوع اتصال در سرعت عملکرد ترموکوپل‌ها نقش مستقیم دارد. اتصالات ترموکوپل‌ها را می‌توان به سه دسته‌ی اتصال آشکار(Exposed Junction)، اتصال ترموکوپل زمین شده (Grounded Junction) و اتصال ترموکوپل زمین نشده (Ungrounded Junction) تقسیم کرد.
ترموکوپل بااتصال آشکار
همانطور که در تصویر نشان داده شده است ، اتصال آشکار از دو سیم تشکیل شده است که خارج از یک پروب فلزی محافظ به هم متصل شده‌اند. از این اتصال معمولا برای اندازه‌گیری دمای گاز استفاده می‌شود. از آنجا که پوشش محافظی وجود ندارد، محل اتصال بسیار شکننده است و رطوبت یا آلاینده‌های مایع یا جامد نباید در گاز وجود داشته باشند. اتصال آشکار زمان پاسخگویی سریع‌تری را ارائه می دهد، زیرا انرژی حرارتی برای انتقال به محل اتصال نیازی به عبور از یک غلاف فلزی و یا عایق فشرده را ندارد.
ترموکوپل با اتصال زمین شده
ترموکوپل با اتصال زمین‌شده متداول‌ترین نوع ترموکوپل هستند. این اتصالات زمان پاسخ نسبتاً سریعی را فراهم می‌کنند زیرا گرما فقط باید از یک غلاف فلزی که رسانایی حرارتی بالایی دارد، عبور کند.
ترموکوپل با اتصال زمین نشده
اتصال زمین‌نشده برای محافظت از وسایل الکترونیکی حساس در برابر ولتاژهای بازخورد کوچک استفاده می شود. ترموکوپل با اتصال زمین نشده مشابه ترموکوپل با اتصال زمین شده داخل یک محافظ فلزی قرار دارد. با این تفاوت که ، ترموکوپل با اتصال زمین نشده علاوه بر محافظ فلزی توسط یک عایق (معمولاً اکسید منیزیم) هم احاطه شده‌اند. ترموکوپل با اتصال زمین نشده زمان پاسخگویی کندتری دارند، زیرا گرما باید قبل از رسیدن به محل اتصال، از طریق محافظ و سپس از طریق اکسید منیزیم (که رسانایی حرارتی کمتری نسبت به فلز دارد) عبور کند.
انواع ترموکوپل
کنار هم قرار گرفتن انواع مختلف فلزات طیف وسیعی از ترموکوپل‌ها را در دسترس قرار می‌دهد. انواعK،J،T،E،R،S،B،N با توجه به نوع فلزات دسته‌بندی می‌شوند.
ترموکوپل‌های نوعJ،K،TوE به عنوان ترموکوپل‌های بیس‌متال (Base Metal Thermocouple)و ترموکوپل‌هایB،R و Sبه عنوان ترموکوپل‌های نوبل‌متال (Noble Metal) شناخته می‌شوند. ترموکوپل‌های نوبل‌متال در دماهای بسیار بالا کاربرد دارند.
ترموکوپل نوع K
- از دو فلز آلومل و کرومل ساخته شده است.
- رایج‌ترین نوع ترموکوپل است.
- وسیع‌ترین محدوده اندازه‌گیری دما را دارد.
- محدوده دمایی ترموکوپل نوع K از ۲۰۰- تا ۱۲۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است.
- حساسیت این سنسور ۴۱ میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد است.
- این ترموکوپل برای شرایط غیر خلاء عملکردی مناسب دارد.
ترموکوپل نوعJ
- با فلزهایی از جنس آهن، کنستنتان(آلیاژ مس و نیکل) ساخته شده است.
- ترموکوپلی کم هزینه و پرکاربرد است.
- محدوده دمایی ترموکوپل نوع J بین ۲۱۰- تا ۷۵۰ سانتی‌گراد است.
- حساسیت ۵۰ میکرو ولت بر درجه دارد.
- در مقایسه با ترموکوپل نوع K دارای محدوده دمایی کمتر و طول عمر کوتاه‌تری است.
- برای جوهای اکسیدکننده مناسب است.
ترموکوپل های نوعT
- در ساخت این نوع ترموکوپل از فلزهای مس و کنستنتان استفاده شده است.
- برای اندازه‌گیری دمای پایین مناسب است.
- حساسیت ۴۳ میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد.
- محدوده دمایی این ترموکوپل بین ۲۰۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد است.
- این ترموکوپل هم مانند ترموکوپل نوع J برای کار در جو اکسیدکننده مناسب است.
ترموکوپل نوع E
- جنس فلزهای سازنده این نوع ترموکوپل کرومل و کنستنتان است.
- این نوع ترموکوپل دقت بیشتر و سیگنال قوی‌تری نسبت به ترموکوپل نوع K و J دارد.
- محدوده دمایی آن متوسط است.
- ترموکوپل نوع E نسبت به انواع دیگر ترموکوپل بالاترین اختلاف پتانسیل را در هر درجه ایجاد میکند.
- محدوده دمایی این نوع ترموکوپل بین ۲۷۰- تا ۸۷۰ است.
- در مواردی که دقت بالا و پاسخ سریع مورد نیاز است استفاده می‌شود.
- توانایی فعالیت در محیط‌های خلاء یا اکسیژن کم و محیط‌های گوگردی را ندارد.
- هزینه ترموکوپل نوع E بیشتر از ترموکوپل نوع J و K است.
ترموکوپل نوع S
- ترموکوپل‌های نوع S با فلزهای پلاتین و ۱۰ درصد رودیوم ساخته می‌شوند.
- در کاربردهای با دمای بالا استفاده می‌شوند.
- به دلیل دقت و ثبات بالا، گاهی اوقات برای دمای پایین هم استفاده می‌شود.
- محدوده دمایی ترموکوپل نوعS بین ۶۳۰ تا ۱۰۶۴ درجه سانتی‌گراد است.
- این نوع ترموکوپل در صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی در مواردی که درجه حرارت بالا و با دقت بالا اندازه‌گیری شود مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترموکوپل نوع R
- ترموکوپل نوع R هم مشابه نوع S از فلزهای پلاتین و رودیوم استفاده شده است اما با درصدهای متفاوت (۸۷ درصد پلاتین و ۱۳ درصد رودیوم).
- محدوده خروجی و پایداری ترموکوپلنوع R کمی بیشتر از ترموکوپل نوع S است.
- محدوده دمایی این ترموکوپل بین ۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
- بدیهی است که ترموکوپل‌های نوع S و R بسیار مشابه باشند. هر دوی این ترموکوپل‌ها برای کاربردهای با درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند و باید با یک محافظ غیرفلزی و مقره‌های سرامیکی محافظت شوند. ترموکوپل نوع R در صنعت استفاده می‌شود در حالی که نوع S در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارد.
ترموکوپل نوع B
- ترموکوپل نوع B بخاطر جنس میله‌ی مشابه (پلاتین ۷۰ درصد و رادیوم ۳۰ درصد)، شباهت زیادی به نوع R و نوع S دارد.
- ترموکوپل نوع B برای اندازه‌گیری دمای ۸۷۱ تا ۱۷۰۴ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.
- خروجی آن در مقایسه با ترموکوپل‌های نوع R و S کمتر است.
ترموکوپل نوع N
- دقت و محدوده‌ی دمایی ترموکوپل نوع N مشابه ترموکوپل نوع K است.
- حساسیت آن کمی کمتر از ترموکوپل نوع K است (۳۹ میکروولت در درجه سانتی‌گراد).
- جنس فلز ترموکوپل نوع N نیکروسیل (ترکیبی از نیکل ، کروم و سیلیکون) و نیسیل (ترکیبی از نیکل و سیلیکون) است.
- این ترموکوپل بهترین جایگزین ترموکوپل نوع K برای شرایطی است که اکسیژن کم است.
- این نوع ترموکوپل همچنین برای استفاده در خلا ، جو اکسید کننده و جو خشک مناسب است.
انتخاب ترموکوپل مناسب
از آنجا که ترموکوپل می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، درک نحوه انتخاب صحیح ترموکوپل مناسب بسیار مهم است. متداول‌ترین معیارهایی که برای انتخاب ترموکوپل استفاده می‌شود محدوده دما، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و ارتعاش و الزامات نصب است.
توجه به موارد زیر به انتخاب مناسب ترموکوپل کمک فراوانی میکند:
- تعیین جزئیات برنامه‌ای که در آن از سنسور ترموکوپل استفاده می‌شود: ترموکوپل ها را می‌توان در صنایع و برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار داد، بنابراین انتخاب مناسب با آگاهی دقیق از نحوه و مکان استفاده از آن آغاز می شود.
- تعیین محدوده دمایی که ترموکوپل در معرض آن قرار می‌گیرد:هنگامی که محدوده دمایی ترموکوپل مورد نیاز مشخص باشد، انتخاب صحیح ترموکوپل‌ها آسان‌تر اتفاق می‌افتد.
- مشخص کردن اهمیت و طول زمان پاسخ:با مشخص شدن طول زمان مورد نیاز برای پاسخ‌دهی می‌توان تشخیص داد که کدام اتصالات ترموکوپل می‌تواند پاسخ‌گوی سرعت مورد نیاز باشد.
- در نظر گرفتن هرگونه مقاومت شیمیایی، سایش یا ارتعاش :نوع و سطح مقاومت ترموکوپل در شرایط مختلف در برابر عوامل شیمیایی یا سایش با این معیار مشخص می‌شود. برای انتخاب بهتر ترموکوپل‌ها باید جزئیات محیط مشخص شود.
- توجه به الزامات نصب ترموکوپل:لازم است که ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد. بنابراین توجه به شرایط نصب معیار دیگری برای انتخاب ترموکوپل‌ها خواهد بود.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.