ترموکوپل چیست

ترموکوپل چیست؟

گرماجفت یا ترموکوپل (به فرانسوی: 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 (به انگلیسی: 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 مبدّل (ترانسدیوسر) خودمُولّد است که از اتصال دو فلز ناهم‌جنس تشکیل شده‌است. 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 قیمت‌شان به دو گروه تقسیم می‌شوند؛ ترموکوپل فلز پایه و ترموکوپل فلزات قیمتی.

ترموکوپل ها در سبک های مختلفی مانند پروب های ترموکوپل ، پروب های ترموکوپل با اتصالات ، پروب های ترموکوپل مفصل انتقال ، ترموکوپل های مادون قرمز ، ترموکوپل های سیم برهنه یا حتی سیم ترموکوپل ساخته می شوند.

ترموکوپل ها معمولاً در طیف گسترده ای از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به طیف گسترده ای از مدل ها و مشخصات فنی آنها ، اما درک ساختار اساسی ، کارایی و دامنه آن برای تعیین بهتر نوع ترموکوپل مناسب و مواد ترموکوپل مناسب برای کاربرد بسیار مهم است.

عناصر طراحی ترموکوپل مشترک چیست؟

سنسورهای ترموکوپل از سیم هایی تشکیل شده اند که معمولاً ترموالمانت ها ، عایق کاری ، غلاف ، مهر و موم انتهایی و وسیله اتصال (سیم های فرمت ، اتصالات و غیره) نامیده می شوند. سیم ها از یک طرف به هم وصل می شوند تا اتصال “اندازه گیری” یا “گرم” را تشکیل دهند. این سنسور باید به یک دستگاه نمایشگر یا دستگاه دیجیتال وصل شود که تغییرات دمایی را نمایش دهد.

دامنه ولتاژ ترموکوپل چیست؟

خروجی ترموکوپل بستگی به نوع ترموکوپل موجود در آن دارد. دسته های ترموکوپل معمولی شامل انواع J ، K ، T ، E و N هستند که به آنها ترموکوپل های “Base Metal” ، انواع R ، S و B که به آنها گفته می شود ترموکوپل های “Noble Metal” و انواع C و D ” ترموکوپل های فلزی نسوز ” نامیده می شود. در زیر به صورت کامل توضیح داده شده است.

ویژگی های خروجی در مقابل دما برای هر نوع در دو استاندارد تعریف شده است: ANSI / ASTM E230 و IEC 60584

مزایای ترموکوپل

ترموکوپل ها چه مزایایی دارند؟

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.

از مزایای دیگر ترموکوپل به قیمت مناسب ، سادگی آنها ، استحکام و دوام بالا جهت مصرف صنعتی و دقت بالای آنها می توان اشاره کرد ،

تفاوت ترموکوپل صنعتی با مدل ساده آن چیست؟

ترموکوپل صنعتی یا جفت گرمایی تفاوت این نوع با ساده آن در دقت بالا و سرعت و توان اندازه‌گیری بالایی دارد در مدل‌های ساده آن اندازه‌گیری دما بین ۱۸۰- تا ۱۸۰+ است اما در مدل های صنعتی این قابلیت ارتقا یافته و تشخیص دما از ۲۷۰- تا ۲۵۰۰+ درجه سلسیوس را دارد که این قابلیت ها بسته به نوع پیکربندی آن قابل استفاده است. با توجه به اینکه این دستگاه‌ها از توانایی‌های فوق العاده‌ای برخوردار هستند اما در عین حال از ساختار ساده‌ای برخوردار هستند. در ساخت مدل‌های صنعتی از آلیاژهای مختلفی استفاده می‌شود.

معرفی انواع ترموکوپل یا Type Thermocouple

ترموکوپل‌ها انواع مختلفی دارند که طبق جنس فلز و آلیاژ آن به هشت دسته B, S, R, T, N, E, J, K تقسیم می‌شوند. این نوع ابزارها هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. اما، برخی از نمونه‌ها برای جدا کردن آن از محیط توسط یک غلاف ایمنی احاطه شده است. این غلاف ایمنی اثر خوردگی را به شدت کاهش می‌دهد.

ترموکوپل تایپ K

این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel ) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می‌شود. این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین و متداول‌ترین نوع ترموکوپل‌ها می‌باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین °۲۰۰- سانتیگراد و °۱۳۵۰ سانتیگراد این رنج مطلق نیست و بسته به سازنده و نوع ظاهری آن متفاوت خواهد بود. بطور مثال ترموکوپل‌های سیمی شکل نوع K رنج ۴۰- تا ۲۵۰+ درجه می‌باشد و نوع میله ای آن قادر به اندازه‌گیری تا محدوده ۱۳۵۰ درجه هستند. حساسیت ترموکوپل تیپ K تقریبا ۴۱µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره‌ها که اکسیداسیون رخ می‌دهد مناسب است.

ترموکوپل تایپ J

این ترموکوپل از فلز آهن ( Fe ) و آلیاژهای مس- نیکل Cu-Ni (کنستانتان Constantan ) ساخته می‌شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین °۲۱۰- سانتیگراد و °۱۲۰۰+ سانتیگراد است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می‌شود. حساسیت ترموکوپل تیپ J به اندازه ی ۵۱µV/°C است. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکان‌هایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد بهتر است استفاده نشود.

ترموکوپل تایپ E

این ترموکوپل با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان Constantan ) ساخته می‌شود. رنج عملکرد دمایی آن، بین °۲۰۰- سانتیگراد و °۹۰۰+ سانتیگراد است. این ترموکوپل با ۶۲µV/°C بیشترین حساسیت را دارد و می‌توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که سنسور در آن حفاظت نشده، استفاده کرد.

ترموکوپل تایپ T

این ترموکوپل از مس Cu و آلیاژ Cu-Ni (کنستانتان Constantan ) ساخته می‌شود. رنج عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل، بین °۲۰۰- سانتیگراد و °۳۵۰+ سانتیگراد است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاوم است. حساسیت این ترموکوپل، ۴۶µV/°C است. ترموکوپل تیپ T در صنعت به دلایل زیر بیشتر مورد استفاده می‌گیرد:

• نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطی‌تر است.
• رنج درجه حرارت مناسبی دارد.
• همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است.

ترموکوپل تایپ N

این ترموکوپل از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می‌شود. محدوده دمائی آن بین °۲۷۰- سانتیگراد و °۱۳۰۰+ سانتیگراد است. حساسیت این ترموکوپل، ۳۰µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تحمل این سنسور در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بسیار مقاوم می‌باشد.

ترموکوپل تایپ B ,S ,R

این ترموکوپل ها با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود (تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنهاست). قیمت آنها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود ۱۰µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا °۵۰- سانتیگراد و °۱۷۵۰+ سانتیگراد است. انواع این ترموکوپل‌ها در اندازه‌گیری با دمای بالا بطور مثال در صنعت شیشه و فولاد به کار می روند.