فهرست مطالب
-
ترموکوپل چیست؟
-
ترموکوپل چگونه کار می‌کند؟
-
ثابت زمانی ترموکوپل
-
انواع ترموکوپل
-
گستره دمایی ترموکوپل‌های متداول
-
دقت و گستره دمایی ترموکوپل‌های مختلف
-
جداول مرجع ترموکوپل‌ها
-
کد رنگی ترموکوپل‌ها
-
انتخاب ترموکوپل مناسب
-
چگونگی انتخاب نوع ترموکوپل
-
مقایسه انواع سنسورهای دما : ترموکوپل، RTD، ترمیستور و سنسور دمای مادون قرمز
-
سنسور رطوبت
ترموکوپل یک سنسور دمای ساده، دقیق و مقرون به صرفه است که دما را در طیف وسیعی اندازه‌گیری می‌کند.
ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل سنسوری است که دما را اندازه‌گیری می‌کند. این سنسور از دو نوع فلز مختلف تشکیل شده‌است که از یک انتها به‌هم متصل شده‌اند. هنگامی‌که محل اتصال دو فلز سرد یا گرم می‌شود، ولتاژی ایجاد می‌شود که می‌تواند وابسته به دما باشد. ترموکوپل یک سنسور دمای ساده، دقیق و مقرون به صرفه است که در طیف وسیعی از فرآیندهای اندازه‌گیری دما بکاربرده می‌شود.
ترموکوپل‌ها معمولا در گستره وسیعی از کاربردها استفاده می‌شوند. با توجه به طیف گسترده مدل‌ها و مشخصه‌های فنی آنها، درک ساختار پایه، عملکرد، گستره‌های آن به منظور تعیین بهتر نوع ترموکوپل و ماده ترموکوپل مناسب برای یک کاربرد بسیار مهم است.
ترموکوپل چگونه کار می‌کند؟
هنگامی که دو سیم متشکل از فلزهای غیرمشابه در هر دو انتها به هم متصل می‌شوند و یک انتها حرارت داده شود، جریان مداومی وجود دارد که در مدار ترموالکتریک جریان می‌یابد.
اگر این مدار از وسط شکسته شود، ولتاژ مدار باز خالص (ولتاژ سیبک) تابعی از دمای نقطه اتصال و ترکیب دو فلز است. این بدین معنا است که وقتی محل اتصال دو فلز گرم یا سرد می‌شود ولتاژی ایجاد می‌شود که می‌تواند وابسته به دما باشد.
ثابت زمانی ترموکوپل
ثابت زمانی به عنوان مدت زمان موردنیاز یک سنسور برای رسیدن به ۶۳.۲% یک تغییر پله‌ای در دما تحت یک مجموعه مشخص از شرایط، تعریف شده است. پنج ثابت زمانی برای نزدیک شدن سنسور به ۱۰۰% مقدار تغییر پله‌ای مورد نیاز است. یک ترموکوپل با نقطه اتصال بدون پوشش سریع‌ترین پاسخ را ارائه می‌دهد. همچنین، هرچه قطر غلاف پروب کوچک‌تر باشد، پاسخ سریع‌تر است، اما حداکثر دما ممکن است کم‌تر شود. با این‌حال، توجه داشته باشید که گاهی اوقات غلاف پروب نمی‌تواند کل گستره دمایی این نوع ترموکوپل را تحمل کند.
انواع ترموکوپل
ترموکوپل‌ها در سبک‌های مختلفی ساخته می‌شوند، همانند پروب‌های ترموکوپل، پروب‌های ترموکوپل با رابط‌های متصل‌کننده، پروب‌های ترموکوپل خط اتصال انتقال، ترموکوپل‌های مادون قرمز، ترموکوپل‌های سیم برهنه یا حتی فقط سیم ترموکوپل.
ترموکوپل‌ها در ترکیب‌های فلزی یا کالیبراسیون‌های مختلف وجود دارند. متداول‌ترین آنها ترموکوپل‌های “فلزات پایه” هستند که به عنوان نوع J، K، T، E و N شناخته می‌شوند. همچنین، ترموکوپل‌هایی با کالیبراسیون دمایی بالا وجود دارند، که به عنوان ترموکوپل‌های فلزات نجیب نوع R،S ، C و GB شناخته می‌شوند.
هر کالیبراسیون یک گستره دمایی و محیط متفاوت دارد، اگرچه حداکثر دما با قطر سیم مورد استفاده در ترموکوپل تغییر می‌کند.
اگرچه کالیبراسیون ترموکوپل گستره دمایی را تعیین می‌کند، حداکثر گستره با قطر سیم ترموکوپل نیز محدود می‌شود. به این دلیل است که یک ترموکوپل بسیار نازک ممکن است کل گستره دمایی را دربرنگیرد.
چرا ترموکوپل‌های نوع K بسیار محبوب هستند؟
ترموکوپل نوع K به دلیل قیمت پایین و گستره دمایی آن به عنوان ترموکوپل همه منظوره شناخته می‌شوند.
ترموکوپل‌های نوع K به دلیل گستره دمایی وسیع و دوام آنها بسیار محبوب هستند. مواد رسانای بکاربرده شده در ترموکوپل‌های نوع K از لحاظ شیمیایی بی‌کنش‌تر از نوع T (مس) و نوع J (آهن) هستند. در حالی‌که خروجی ترموکوپل‌های نوع K اندکی کم‌تر از نوع T، J و E است، اما از نزدیک ترین رقیب آن (نوع N) بیشتر است و مدت بیش‌تری است که از آن استفاده می‌شود.
همچنین برخی مواد، به شدت یا اندکی مغناطیسی هستند:
نوع J مثبت (به شدت مغناطیسی)، نوع K مثبت (اندکی مغناطیسی).
برای تعیین قطبیت؛ ترموکوپل را به یک ولت‌متر متصل کنید که قادر به اندازه‌گیری میلی‌ولت یا میکروولت باشد و هنگامی که نوک ترموکوپل کمی حرارت داده می‌شود به دنبال افزایش خروجی باشد.
گستره دمایی ترموکوپل‌های متداول
|
کالیبراسیون
|
گستره دمایی
|
محدوده استاندارد خطا
|
محدوده مشخص خطا
|
|---|---|---|---|
|
J
|
۰ تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد ( ۱۳۸۲-۳۲ درجه فارنهایت)
|
بزرگتر از ۲.۲ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۷۵
|
بزرگتر از ۱.۱ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۴
|
|
K
|
۲۰۰- تا ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد ( ۳۲۸- تا ۲۲۸۲ درجه فارنهایت)
|
بزرگتر از ۲.۲ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۷۵
|
بزرگتر از ۱.۱ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۴
|
|
E
|
۲۰۰- تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد ( ۳۲۸- تا ۱۶۵۲ درجه فارنهایت)
|
بزرگتر از ۱.۷ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۵
|
بزرگتر از ۱.۰ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۴
|
|
T
|
۲۵۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد ( ۴۱۸- تا ۶۶۲ درجه فارنهایت)
|
بزرگتر از ۱.۰ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۷۵
|
بزرگتر از ۰.۴ درجه سانتی‌گراد یا %۰.۴
|
دقت و گستره دمایی ترموکوپل‌های مختلف
باید بخاطر داشته باشیم که دقت و گستره دمایی هر دو به آلیاژهای ترموکوپل، دمای در حال اندازه‌گیری، ساختار سنسور، ماده غلاف، محیط اندازه‌گیری، حالت محیط (جامد، مایع یا گاز) و قطر سیم ترموکوپل (اگر بدون پوشش باشد) یا قطر غلاف ( اگر سیم ترموکوپل غلاف شده باشد) بستگی دارند.
جداول مرجع ترموکوپل‌ها
کد رنگی ترموکوپل‌ها
هر نوع ترموکوپل یک کد رنگی مشخص دارد که در ANSI/ASTM E230 یا IEC60584 تعریف شده است. نوع ترموکوپل را می‌توان از طریق رنگ به صورت زیر تشخیص داد:
|
کالیبراسیون
|
ANSI /ASTM E230
|
IEC 60584
|
|---|---|---|
|
نوع K
|
زرد (+) / قرمز (-)
|
سبز (+) / سفید (-)
|
|
نوع J
|
سفید (+) / قرمز (-)
|
مشکی (+) / سفید (-)
|
|
نوع T
|
آبی (+) / قرمز (-)
|
قهوه ای (+) / سفید (-)
|
|
نوع E
|
بنفش (+) / قرمز (-)
|
بنفش (+) / سفید (-)
|
|
نوع N
|
نارنجی (+) / قرمز (-)
|
رنگ گلی (+) / سفید (-)
|
|
نوع R
|
مشکی (+) / قرمز (-)
|
نارنجی (+) / سفید (-)
|
|
نوع S
|
مشکی (+) / قرمز (-)
|
نارنجی (+) / سفید (-)
|
|
نوع B
|
مشکی (+) / قرمز (-)
|
نارنجی (+) / سفید (-)
|
|
نوع C
|
نامشخص
|
نامشخص
|
انتخاب ترموکوپل مناسب
انتخاب نوع مناسب ترموکوپل به مطابقت ترموکوپل با نیازهای اندازه‌گیری شما کمک می‌کند. در اینجا برخی موارد وجود دارند که باید درنظر گرفته شوند:
گستره دمایی: انواع مختلف ترموکوپل گستره‌های دمایی متفاوتی دارند. برای مثال، نوع T با پایه مسی حداکثر دمای 370C یا 700F دارد. از سوی دیگر، نوع K می‌تواند تا 1260C یا 2300F بکاربرده شود.
اندازه رسانا: همچنین قطر سیم‌های ترموکوپل در صورت نیاز به اندازه‌گیری‌های طولانی مدت باید مورد توجه قراربگیرد. برای مثال، ترموکوپل‌های نوع T برای 370C/700F درجه‌بندی می‌شوند، با این‌حال اگر ترموکوپل شما سیم‌های #14AWG (قطر .064”) دارد، آنها برای 370C/700F درجه‌بندی می‌شوند. اگر ترموکوپل شما سیم‌های #30AWG دارد، به 150C/300F کاهش می‌یابد.
دقت: ترموکوپل‌های نوع T دارای دقیق‌ترین دقت بین ترموکوپل‌های فلزات پایه در 1C or ±0.75% هرکدام بیشتر است، هستند. و به دنبال آن نوع E (±1.7C or 0.5%) و نوع K ، J و N (±2.2C or 0.75%) برای محدوده خطای استاندارد (در ANSI/ASTM E230) هستند.
نکات مهم دیگر ماده غلاف (اگر پروب غوطه‌ور باشد)، ماده عایق (اگر سیم یا سنسور سطحی باشد) و هندسه سنسور هستند.
از آنجایی‌که یک ترموکوپل می‌تواند اشکال و ترکیب‌های بسیاری داشته باشد، درک چگونگی انتخاب یک سنسور مناسب بسیار مهم است.
متداول‌ترین معیارهای برای انتخاب ترموکوپل؛ گستره دمایی، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و لرزش و نیازهای تاسیساتی است. نیازهای تاسیساتی انتخاب شما برای پروب ترموکوپل را نیز تعیین می‌کنند.
انواع متفاوتی از ترموکوپل‌ها وجود دارند و کاربردهای آنها ممکن است تغییر کند. یک ترموکوپل بدون پوشش بهترین انتخاب برای زمانی است که زمان‌های پاسخ طولانی مورد نیاز هستند، اما یک ترموکوپل فاقد اتصال زمین برای محیط‌های خورنده بهتر است. به منظور کمک به شما در تعیین بهترین ترموکوپل برای اهداف خود، در اینجا ۵ نکته آورده شده است:
1.تعیین کاربردی که در آن سنسورترموکوپل را استفاده خواهیدکرد: ترموکوپل‌ها را می‌توان در صنایع و کاربردهای مختلف استفاده کرد، بنابراین اولین نکته برای انتخاب ترموکوپل مناسب برای اهداف شما این است که بدانید دقیقا چگونه و کجا می‌خواهید از ترموکوپل استفاده کنید.
2.تعیین گستره‌های دمایی که پروب در معرض آنها قرار خواهد گرفت: هنگامی که از گستره دمایی ترموکوپل موردنیاز خود مطلع هستید، می‌توانید با رجوع به نمودار گستره ترموکوپل بهترین ترموکوپل برای گستره دمایی که نیاز دارید را انتخاب کنید.
3.تعیین اهمیت زمان پاسخگویی: سه نوع نقطه اتصال ترموکوپل وجود دارد: بدون پوشش، نامقید یا مقید. یک نقطه اتصال بدون پوشش سریع‌ترین زمان پاسخگویی را فراهم می‌کند. با این وجود، اگر پروب در معرض گاز خورنده یا فشار بالا قراربگیرد، یک نقطه اتصال بدون پوشش نباید بکاربرده شود. یک ترموکوپل نامقید آهسته‌ترین زمان پاسخ را ارایه می‌دهد اما یک ترموکوپل بصورت الکتریکی عایق و پوشش داده شده با غلاف مطلوب، بهترین انتخاب است.
4.در نظرگرفتن مقاومت شیمیایی،خوردگی یا لرزشی: یک ترموکوپل بدون پوشش محدود به کاربردهای بدون خوردگی است. هر دو ترموکوپل مقید یا نامقید می‌توانند در محیط‌های خورنده یا فشار بالا بکاربرده شوند، اما اگر ترموکوپل بصورت الکتریکی عایق و پوشش داده شده با غلاف مطلوب باشد یک پروب نامقید بهترین است. اگر زمان‌های پاسخگویی سریع‌تر در یک محیط خورنده اولویت داشته باشند، پس یک ترموکوپل مقید بهترین است.
5.در نظرگرفتن الزامات تاسیسات: ممکن است لازم باشد ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد. برای مثال، سوراخ‌های موجود ممکن است قطر پروب را تعیین کنند.
چگونگی انتخاب نوع ترموکوپل
چگونه بدانیم که کدام نقطه اتصال را انتخاب کنیم؟
پروب‌های ترموکوپل غلاف‌شده با سه نوع نقطه اتصال در دسترس هستند: مقید، نامقید و بدون پوشش.
ترموکوپل با نقطه اتصال مقید
در نوک یک پروب با نقطه اتصال مقید، سیم‌های ترموکوپل بطورفیزیکی به داخل دیواره پروب متصل می‌شوند. این امر منجر به انتقال حرارتی خوب از خارج، از طریق دیواره پروب به نقطه اتصال پروب می‌شود.
این بدین معنا است که ترموکوپل‌های با نقطه اتصال مقید نسبت به ترموکوپل‌های نامقید زمان‌های پاسخگویی سریع‌تری دارند.
نقطه اتصال مقید برای اندازه‌گیری دماهای گازها و مایعات خورنده ساکن یا در حال جریان و برای کاربردهای فشار بالا پیشنهاد می‌شود. نقطه اتصال یک ترموکوپل مقید به غلاف محافظ جوش داده می‌شود در نتیجه پاسخ سریع‌تری نسبت به نوع نقطه اتصال نامقید دارد.
با این وجود، ترموکوپل‌های مقید به نویز ناشی از حلقه‌های زمین بسیار حساس هستند، در نتیجه دقت خوانش آنها کم‌تر می‌شود.
ترموکوپل با نقطه اتصال نامقید
در یک پروب نامقید، نقطه اتصال ترموکوپل از دیواره پروب جدا می‌شود. زمان پاسخگویی کندتر از نوع مقید است.
از سوی دیگر، نقطه اتصال بطورالکتریکی از غلاف جدا شده است، که از تداخل نویز الکتریکی با سیگنال جلوگیری می‌کند. این امر دقت اندازه‌گیری دما را به ویژه با سیگنال‌های بسیار سطح پایین بسیار بیشتر می‌کند.
برای اندازه‌گیری در محیط‌های خورنده که در آنها ترموکوپل بصورت الکتریکی از غلاف جداشده و توسط آن محافظت می‌شود یک نقطه اتصال نامقید توصیه می‌شود. ترموکوپل سیم‌دار جوش داده شده بطور فیزیکی با پودرMgO (نرم) از غلاف ترموکوپل جدا می‌شود.
ترموکوپل با نقطه اتصال بدون پوشش
ترموکوپل در نوع نقطه اتصال بدون پوشش از نوک غلاف بیرون زده و در معرض محیط اطراف قرار می‌گیرد. این نوع بهترین زمان پاسخگویی را دارد، اما استفاده از آن به کاربردهای غیرخورنده و بدون فشار محدود می‌شود.
یک نقطه اتصال بدون پوشش برای اندازه‌گیری دماهای گازهای غیرخورنده ساکن یا در حال جریان توصیه می‌شود که در آنها زمان پاسخگویی سریع لازم است. نقطه اتصال از غلاف فلزی محافظ خارج می‌شود تا پاسخ سریع و دقیق داشته باشد. عایق‌بندی غلاف در جایی‌که نقطه اتصال از غلاف خارج می‌شود برای جلوگیری از رطوبت یا گاز که می‌توانند موجب خطا شوند، آب‌بندی می‌شود.
مقایسه انواع سنسورهای دما : ترموکوپل، RTD، ترمیستور و سنسور دمای مادون قرمز
برای انتخاب میان سنسورهای بالا، باید ویژگی‌ها و قیمت سنسورهای مختلف و همچنین ابزار دقیق موجود را درنظربگیرید. علاوه براین، بطورکلی ترموکوپل‌ها می‌توانند گستره دمایی وسیع را ارزان قیمت اندازه‌گیری کنند و بسیار مقاوم هستند، اما به اندازه RTDها و ترمیستورها دقیق یا پایدار نیستند. RTDها پایدار هستند و گستره دمایی نسبتا وسیعی دارند، اما به اندازه ترموکوپل مقاوم و ارزان قیمت نیستند. از آنجایی‌که RTD ها برای اندازه‌گیری‌های خود به جریان الکتریکی نیاز دارند، در معرض عدم دقت ناشی از خود گرمایی قرار دارند. ترمیستورها نسبت به RTD ها یا ترموکوپل‌ها دقیق‌تر هستند اما گستره دمایی بسیار محدودتری دارند. آنها نیز در معرض خود گرمایی قرار دارند. سنسورهای مادون قرمز می‌توانند برای اندازه‌گیری دماهایی بالاتر از گستره دمایی هریک از قطعات دیگر بکاربرده شوند و این کار را بدون تماس مستقیم با سطوح اندازه‌گیری شده انجام دهند. با این‌حال، آنها به‌طورکلی دقیق نیستند و به راندمان تابش سطح (یا بطور دقیق‌تر، میزان تابش سطح) حساس هستند. با استفاده از فیبر نوری، آنها می‌توانند سطوحی را که در یک خط دید مستقیم نیستند اندازه‌گیری کنند.
منابع:
https://www.omega.com/en-us/resources/thermocouple-hub
https://www.omega.com/en-us/resources/how-thermocouples-work
https://www.omega.com/en-us/resources/selecting-a-thermocouple
منبع: ردرونیک
