ترموکوپل چیست و اصول کار آن چگونه است؟

در این مقاله قصد داریم یکی از متداول ترین تجهیزات سنجش دما را به شما معرفی کنیم….ترموکوپل. ما در مورد اصول کارکرد آنها، و آنچه باید در هنگام انتخاب ترموکوپل در نظر بگیرید و سپس چالش های مربوط به قرار دادن ترموکوپل ها در یک کاربرد صنعتی بحث خواهیم کرد.

اگر می خواهید تصمیم بگیرید که چه ابزاری روی یک ماشین یا در یک فرآیند قرار گیرد هرچه اطلاعات بیشتری داشته باشید، بهتر است.

با این مقدمه، بیایید بحث خود را در مورد ترموکوپل شروع کنیم.

ترموکوپل – اصول اولیه

ترموکوپل وسیله ای بسیار ساده برای اندازه گیری دما است.

ترموکوپل ها معمولا ارزان و بادوام هستند و می توانند در اشکال و اندازه های مختلف ساخته شوند.

اتصال گرم ترموکوپل

یک ترموکوپل از دو سیم فلزی غیر مشابه تشکیل شده است. غیرمشابه فقط یک روش فانتزی برای گفتن متفاوت است، اما به دلایلی ناشناخته، این کلمه معمولاً در هنگام بحث درباره ترموکوپل استفاده می شود.

در هر صورت، سیم های فلزی تنها در یک نقطه به هم متصل می شوند، که معمولاً نوک ترموکوپل است.

بسیاری از تولید کنندگان آن محل اتصال را با نام های مختلف می نامند. اتصال داغ، اتصال اندازه‌گیری، نقطه حسگر یا اتصال حسگر. این اصطلاحات همگی به محل اتصال فلزات غیر مشابه که دما را اندازه گیری می کند، اشاره دارند.

اتصال خروجی ترموکوپل

سیم‌ها در سمت دیگر از اتصال حسگر برای اتصال به نوعی ابزار اندازه‌گیری مانند ترانسمیتر دما، یک واحد نمایش الکترونیکی ساده یا حتی مستقیماً به کارت ورودی ترموکوپل PLC در دسترس هستند.

اتصال سرد ترموکوپل

سیم هایی که از خروجی ترمینالهای ترموکوپل به تجهیزات اندازه گیری متصل می شود اغلب به عنوان اتصال سرد شناخته می شود.

در حالی که Hot Junction به نوک ترموکوپل اشاره دارد که در معرض منبع گرمایی مورد نظر قرار می گیرد، اتصال سرد به اتصالات سیم ترموکوپل اشاره دارد که درست در ابزار اندازه گیری اتفاق می افتد، که معمولاً در معرض همان انرژی حرارتی قرار ندارد.

اثر ترموالکتریک

همه ترموکوپل ها یکسان کار می کنند. هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند ولتاژ کمی تولید می کنند.

اگر به جزئیات فیزیکی روش کار علاقه دارید، می توانید در مورد موضوعاتی مانند اثر ترموالکتریک یا اثر Seebeck تحقیق کنید، اما به بیان ساده تر، وقتی یک قطعه فلز را گرم می کنید، الکترون های موجود در فلز می خواهد بیشتر در اطراف حرکت کند و تمایل دارد از طریق فلز دور از گرما حرکت کند.

از آنجایی که الکترون ها دارای بار منفی هستند، انتهای سردتر قطعه فلز در مقایسه با انتهای گرمتر دارای بار منفی خواهد بود.

کارکرد ترموکوپل

یک ترموکوپل بر اساس حرکت الکترون ها در سیم های فلزی خود بر اثر اختلاف حرارت بین اتصالات گرم و سرد کار می کند.

اگر دو سیم ترموکوپل از یک نوع فلز ساخته شده باشند، الکترون‌های هر دو سیم تقریباً با سرعت یکسان از گرما دور می‌شوند، بنابراین نمی‌توانید تفاوت بار دو سیم را اندازه‌گیری کنید.

اما اگر به خاطر داشته باشید، ترموکوپل ها از دو نوع مختلف سیم فلزی تشکیل شده اند… و آن سیم ها فقط در محل اتصال داغ… انتهای حسگر ترموکوپل به هم متصل می شوند.

فلزات مختلف در آن سیم ها، یا به طور دقیق تر، الکترون های موجود در آن سیم های فلزی مختلف، واکنش متفاوتی به گرما نشان می دهند.

سر سیم های ترموکوپل

هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند، الکترون های یکی از سیم ها می خواهند با سرعت خاصی به اطراف حرکت کنند. الکترون های سیم دیگر می خواهند با سرعت متفاوتی به اطراف حرکت کنند.

– سیمی که الکترون های موجود در آن بیشتر حرکت می‌کنند، در نقطه اتصال سرد بار منفی‌تری دارند و بنابراین سیم منفی نامیده می‌شود.

سیم با الکترون های کندتر بار زیادی ایجاد نمی کند، بنابراین به آن سیم مثبت می گویند.

این تفاوت بار بین سیم های مثبت و منفی را می توان اندازه گیری کرد و برای محاسبه گرما در محل اتصال گرم استفاده کرد.

این اصل اساسی نحوه کار یک ترموکوپل است، بنابراین بیایید در یک ترموکوپل خاص این موضوع را بررسی کنیم.

ترموکوپل نوع K

بیایید از نزدیک به ترموکوپل نوع K نگاه کنیم. ترموکوپل نوع K احتمالاً متداول‌ترین ترموکوپل مورد استفاده در کاربردهای صنعتی است، زیرا به طور قابل پیش‌بینی در طیف وسیعی از دماها (مثلاً در حدود 330- درجه فارنهایت تا حدود 2460+ درجه فارنهایت) پاسخ می‌دهد.

محدوده دمای دقیق بر اساس نحوه ساخت بدنه پراب و مواد عایق مورد استفاده توسط سازنده کمی تغییر می کند، اما با این دامنه وسیع، می توانید ببینید که چرا می تواند تقریباً هر کاربردی را پاسخگو باشد.

ترموکوپل های نوع K از آلیاژهای فلزی Chromel و Alumel ساخته می شوند.

همانطور که سیم ها را گرم می کنیم، متوجه خواهید شد که الکترون های سیم کرومل به اندازه الکترون های سیم آلومل در اطراف حرکت نمی کنند.

در یک زمان کوتاه، شما می توانید مشاهده کنید که در نقطه اتصال سرد (انتهای سرد) سیم آلومل الکترونهای بیشتری جمع شده اند. یعنی سیم آلومل در مقایسه با سیم کرومل دارای بار منفی خواهد بود.

این اختلاف بار که ولتاژ نیز نامیده می شود، را می توان اندازه گیری کرد.

ولتاژ ترموکوپل

هرچه گرمای بیشتری به سیم‌های فلزی وارد کنید، الکترون‌ها بیشتر تمایل دارند به اطراف حرکت کنند و بیشتر از منبع گرما دور می‌شوند.

با دو نوع مختلف سیم فلزی، اختلاف ولتاژ با تغییر گرما در نقطه سنجش افزایش و کاهش می یابد.

ولتاژهای ترموکوپل خیلی کوچک است. تغییر واقعی ولتاژ به ازای هر درجه سانتیگراد ناچیز است. برای مثال، برای نوع K، تغییر در حدود 41 µV/°C است. همچنین جالب اینجاست که تمام ولتاژهای T/C در دمای 0 درجه سانتی گراد 0mV هستند.

از آنجایی که سازندگان ترموکوپل هنگام ساخت ترموکوپل آلیاژهای فلزی را با دقت انتخاب می کنند، هرکسی می تواند با استفاده از محاسبات استاندارد، آن ولتاژها را به دما تبدیل کند.

در واقع، اکثر سازندگان نمودارهای ولتاژ به دما را ارائه می دهند تا بتوانید ایده خوبی در مورد تفاوت دما بین اتصالات سرد و گرم بدست آورید.

چگونه ترموکوپل انتخاب کنیم

انواع مختلفی از ترموکوپل ها وجود دارند. اکثر تولید کنندگان راهنماهایی دارند که در تصمیم برای خرید ترموکوپل مناسب به شما کمک می کنند.

علاوه بر این، اکثر تولید کنندگان معتبر دارای متخصصان پشتیبانی فنی در دسترس هستند که با مشاوره و بررسی نوع کاربری به شما در انتخاب ترموکوپل مناسب کمک می کنند.

شما باید مواردی از قبیل محدوده دمایی که می‌خواهید اندازه‌گیری کنید و دقتی که می‌خواهید داشته باشید را مشخص کرده باشید.

این به محدود کردن انتخاب دو سیم فلزی متفاوتی که باید استفاده کنید کمک می کند. نوع ترموکوپل بر اساس نوع فلزات به کار رفته در سیم های حسگر است.

1- ترموکوپل نوع K

همان طور که قبلا گفتیم، ترموکوپل نوع K از سیم های با آلیاژ کرومل و آلومل ساخته شده است. می توان از آن برای اندازه گیری دما از 330- درجه فارنهایت تا بیش از 2460 درجه فارنهایت استفاده کرد. این محدوده دمایی می تواند طیف وسیعی از کاربردها را پوشش دهد.

باید توجه داشته باشید که ترموکوپل نوع K فقط در کل محدوده 5 درجه فارنهایت مثبت یا منفی خطا دارد. خیلی وقتها این مقدار مطلوب است، اما گاهی اوقات دقت بیشتری لازم است.

2- ترموکوپل نوع T

اگر به دنبال یک کاربری برودتی هستید که به دقت بیشتری نیاز دارد، اما در مورد دماهای بالا نگرانی و حساسیت ندارید. می توانید یک ترموکوپل Type-T را مد نظر قرار دهید.

یک ترموکوپل نوع T از یک سیم مسی و یک سیم مس-نیکل درست شده است. ترموکوپل های نوع T معمولا دقت یک یا دو درجه دارند. … به طوری که دقت آنها را دو برابر ترموکوپل های نوع K می کند.

ترموکوپل های نوع T معمولاً می توانند حتی کمتر از -330 درجه فارنهایت را نیز اندازه گیری کنند، اما محدوده بالایی اندازه گیری آنها معمولاً کمی بیش از 600 درجه فارنهایت است. آنها دقیق تر هستند اما محدوده اندازه گیری محدودتری دارند.

اینها سبک و سنگین کردن های رایج برای انتخاب ترموکوپل ها هستند. جفت‌های فلزی که می‌توانند در محدوده و کاربری های بیشتری استفاده شوند، اغلب دقت کمتری دارند… نوعی انتخاب برای عمده کاربری ها اما در هیچ سناریویی مسلط نیستند. اگر دقت بیشتری می‌خواهید، یا به فلزات گران‌تر نیاز دارید یا باید محدوده دما را محدود کنید.

سبک مختلف ترموکوپل

سیم های به هم تابیده

علاوه بر انواع مختلف ترموکوپل، سبک های مختلفی از ترموکوپل ها نیز وجود دارد.

بسیاری از کاربردهای اندازه‌گیری دما می‌توانند تنها از سیم های ترموکوپل که انتهای آن به هم پیچیده شده استفاده کنند.

در این سناریو، باید برای محافظت از سیم در برابر لرزش یا آسیب فیزیکی دقت شود، اما توانایی استفاده از یک جفت سیم انعطاف‌پذیر می‌تواند بسیاری از چالش‌های مکانیکی را با به دست آوردن موقعیت مناسب نقطه سنجش در ناحیه‌ای که باید اندازه‌گیری کنید را حل کند.

غلاف محافظ

در مواردی که کمی محافظت بیشتر مورد نظر است، سیم ها در یک پروب محصور می شوند که فقط نوعی غلاف محافظ و برخی مواد عایق برای کمک به محافظت از سیم های ترموکوپل است.

پراب های ترموکوپل در سبک زمین نشده Ungrounded، زمین شده Grounded و اتصال در معرض فرآیندExposur Junction عرضه می شوند. سبک پروب ترموکوپلی که انتخاب می کنید نیز بر اساس کاربری شما خواهد بود.

1- ترموکوپل های با اتصال در معرض فرآیند (Exposed junction) به این صورت است که سیم های حسگر خارج از انتهای غلاف پروب به یکدیگر متصل می شوند

ترموکوپل های با اتصال در معرض فرآیند سریع ترین زمان پاسخ به تغییرات دما را دارند، اما به دلیل اینکه اتصال حسگر در معرض دید قرار دارد، در برابر شکستگی آسیب پذیرتر است. این پراب ها معمولاً برای اندازه گیری گازها استفاده می شوند.

برای مواد خورنده و مایعات، ترموکوپل های زمین شده یا زمین نشده بهترین کارایی را دارند.

2- پروب زمین شده حالتی است که محل اتصال حسگر در تماس مستقیم با انتهای غلاف باشد.

این باعث می‌شود که انتقال حرارت در انتهای غلاف سریع‌تر شود، که زمان پاسخ‌دهی ترموکوپل را بهبود می‌بخشد، اما سیم‌های حسگر را در برابر نویزهای الکتریکی مانند حلقه‌های زمین آسیب‌پذیرتر می‌کند. این مساله می تواند دقت پروب زمین شده را از بین ببرد.

3- پراب زمین نشده حالتی است که اتصال حسگر درست در انتهای پروب به هم متصل می شود. اما یک لایه کوچک از مواد عایق بین محل اتصال حسگر و نوک پراب وجود دارد.

این سیم حسگر را از نویز الکتریکی عایق می کند، اما به دلیل مواد عایق، انتقال حرارت کندتر است. بنابراین یک پراب زمین نشده دقیق تر است، اما کندتر پاسخ می دهد.

چالش های استفاده از ترموکوپل

همانطور که بحث شد، دقت ترموکوپل به نوع فلز مورد استفاده در سیم کشی بسیار حساس است. متأسفانه، این موضوع نصب آن در یک کاربری صنعتی را چالش برانگیز می کند.

A) جبران سازی اتصال سرد

یکی از مشکلاتی که باید با مواجه شوید چیزی به نام جبران اتصال سرد است.

قبلا در این مقاله بیان کردیم که سیگنال ترموکوپل بر اساس اختلاف دما بین اتصالات سرد و گرم است. اما باید یک تصحیح سیگنال کوچک انجام دهیم تا آن اختلاف دما را به دمای مطلق تبدیل کنیم

برای مثال، اگر دما در یک راکتور 700 درجه فارنهایت باشد، اما دمای محیط بیرون در محل اتصال سرد ابزار اندازه گیری 70 درجه فارنهایت باشد، ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل فقط دمای 664 درجه فارنهایت را نشان می دهد.

حتی بدتر از آن، با بالا و پایین رفتن دمای محیط در طول روز و شب، حتی اگر دمای راکتور ثابت بماند، مقدار اندازه‌گیری شده می‌تواند تغییر کند.

خوشبختانه، اغلب تجهیزات اندازه گیری می توانند جبران سازی اتصال سرد را انجام دهند …. با تجهیزات استاندارد داخلی یا با افزودن یک تجهیز اضافی به صورت آپشن این کار انجام می شود.

اجزای جبران کننده اتصال سرد دمای فلز را در اتصالات سیم‌کشی اتصال سرد اندازه‌گیری می‌کنند و سپس در محاسبه سیگنال یک تصحیح انجام می‌دهند.

به این ترتیب، راکتور اکنون 700 درجه فارنهایت واقعی را می‌خواند و تا زمانی که دمای راکتور تغییر نمی‌کند، خوانش تغییر نمی‌کند… روز یا شب… بنابراین در بیشتر موارد، انجام جبران اتصال سرد بسیار آسان است.

B) پایش دما از راه دور

یک چالش بزرگ تر برای ترموکوپل ها این است که شما نیاز به اندازه گیری دما در یک مکان از راه دور داشته باشید.

1) گسترش سیم و بلوک ترمینال

اگر نیاز به افزودن سیم کشی ترموکوپل دارید، باید از چیزی به نام سیم رابط اضافه مخصوص ترموکوپل استفاده کنید تا میزان خطا را کاهش دهید.

تلاش برای اتصال سیم‌کشی سیگنال با استفاده از سیم های مسی استاندارد یا حتی استفاده از بلوک‌های ترمینال استاندارد موجود در بازار برای گسترش سیم های سیگنال ترموکوپل می‌تواند منجر به ایجاد اتصالات سرد اضافی در مدار و ایجاد خطای بیشتر در سیگنال شود.

سیم های رابط ترموکوپل نیز مانند نوع ترموکوپل و بر اساس نوع آن فروخته می شوند.

سیم کششی ترموکوپل از همان نوع فلزی ساخته شده است که ترموکوپل ساخته شده است، بنابراین هنگامی که شما نیاز به گسترش مدار دارید، باید از سیم کششی ترموکوپل از همان نوع ترموکوپل استفاده کنید.

به طور مشابه، اگر برای اتصال سیم‌کشی نیاز به استفاده از بلوک‌های ترمینال دارید، بلوک‌های ترمینال باید از همان نوع فلزی ساخته شده باشند که سیم‌های منفرد هستند.

اگر شما ترموکوپل نوع K دارید، نیاز دارید از سیم رابط نوع K و بلوک های ترمینال مخصوص ساخته شده با کرومل و آلومل استفاده کنید.

تلاش برای گسترش ترموکوپل با استفاده از سیم مسی استاندارد باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می شود زیرا حرکت الکترون توسط فلزات مختلف مختل خواهد شد.

2) ترانسمیتر دما

به دلیل حساسیت سیگنال به نویز الکتریکی، اجرای سیم کششی ترموکوپل در مسافت طولانی توصیه نمی شود.

اگر می خواهید بیش از 50 تا 100 فوت بروید، باید از یک ترانسمیتر دما استفاده کنید که سیگنال ولتاژ بر حسب میلی ولت را به نوع دیگری از سیگنال مانند جریان 4-20 میلی آمپر تبدیل می کند.

3) ورودی/خروجی از راه دور

اگر چندین اندازه گیری دما در یک مکان راه دور دارید، یک رک ورودی/خروجی از راه دور از PLC شما ممکن است گزینه خوبی برای انجام این کار باشد.

مثالهایی از اتصال ترموکوپل

مثال 1

بیایید دو مثال مختلف را بررسی کنیم. اول، ما یک انبار یخچالی در یک انتهای یک مرکز صنعتی داریم. اتاق کنترل یا سیستم کنترل متمرکز در یک رک اصلی در چند صد فوت دورتر قرار دارد.

یک انبار یخچالی ساده ممکن است به اتوماسیون زیادی نیاز نداشته باشد، اما ممکن است لازم باشد دمای داخل انبار سرد بماند.

می توانید از سیم رابط اضافی ترموکوپل استفاده کنید که ارزان است، اما اکنون می دانید که سطح سیگنال ترموکوپل نمی تواند مسافت طولانی را طی کند. بنابراین در این شرایط چه کار می کنید؟

می توانید یک رک ورودی/خروجی از راه دور از یک سیستم PLC نصب کنید و سپس یک کارت ورودی/خروجی ترموکوپل را در رک راه دور قرار دهید، اما رک و کارت ورودی/خروجی می توانند هزینه کلی راه حل را افزایش دهند.

در عوض، می‌توانید یک ترانسمیتر دمای ارزان‌قیمت بخرید که سیگنال میلی‌ولت ترموکوپل را به یک سیگنال استاندارد 4-20 میلی‌آمپر تبدیل می‌کند که می‌تواند راحت‌تر مسافت بیشتری را با مقاومت بیشتر در برابر نویز الکتریکی طی کند.

مثال 2

اگر لازم بود چندین اندازه گیری را در همان انبار انجام دهید چه؟ اگر چندین سیستم تهویه مطبوع در ساختمان وجود داشته باشد که نیاز به بهینه سازی برای کاهش هزینه های انرژی داشته باشد، چه می شود؟

در حال حاضر، با چندین اندازه گیری برای انجام، نیاز به خرید چندین فرستنده برای تبدیل سیگنال ممکن است بیش از یک رک ورودی/خروجی از راه دور هزینه داشته باشد.

ترموکوپل‌ها راه‌حل خوبی برای اندازه‌گیری دما هستند، به شرطی که از قبل تکالیف خود را در مورد کاربری خود مشخص کرده باشید و به برخی از چالش‌هایی که ممکن است پیش بیاید توجه کنید.