ترموکوپل چیست / اصول کار ترموکوپل

ترموکوپل چیست؟ (What is a Thermocouple)

ترموکوپلها یکی از انواع سنسورهایی هستند که برای اندازه گیری دما استفاده میشود . ترموکوپلها محبوب ترین و پرکاربردترین نوع سنسورهای اندازه گیری دما هستند

ترموکوپل یک نوع سنسور اندازه گیری درجه دما میباشد. ترموکوپل از دو فلز غیر همجنس تشکیل شده است که از یک سر به یکدیگر متصل شده اند. اصول ساخت ترموکوپل بر اساس این قانون میباشد که وقتی که محل اتصال این دو فلز غیر همجنس بر اثر سرما یا گرما دچار تغییر دما بشود طبق پدیده سیبک (seebeck)  یک ولتاژ در دو سر آزاد آن تولید میشود و میزان این ولتاژ با میزان تغییر دمای محل اتصال دو فلز بستگی دارد.

پدیده سیبک در سال 1821 توسط یک دانشمند آلمانی به همین نام کشف شد. این پدیده بیان میکند که وقتی دو فلز غیر همجنس به هم متصل شوند و در محل اتصال آنها اختلاف دمایی ایجاد شود، یک نیروی ترموالکتروموتور ایجاد میشود که باعث ایجاد یک ولتاژ در دو سر آزاد سیمها میشود.

ترموکوپل یک نوع سنسور اندازه گیری دما میباشد که ساده، مقاوم و قیمت نسبتا مناسبی دارد. ترموکوپلها به دلیل تنوع بسیاری که دارند،   رنج وسیعی از نیازهای صنعت در اندازه گیری دما را پوشش میدهند و برای کاربردهای مختلف و دماهای مختلف میتوان از ترموکوپل مخصوص به آن کاربرد استفاده کرد. با استفاده از ترموکوپل قادر به اندازه گیری دما از -270 الی +1800 درجه هستیم

شناخت ساختار و اصول اولیه کارکرد ترموکوپل و محاسن و معایب مدلهای مختلف ترموکوپل، برای مشخص کردن صحیح نوع ترموکوپلی که باید با توجه به شرایط کاری و پارامترهای موجود انتخاب و استفاده گردد، بسیار اهمیت دارد و در صورت انتخاب اشتباه ضررهای زیادی ایجاد میگردد.

ترموکوپل چگونه کار میکند

وقتی دو سیم تشکیل شده از فلزات ناهمسان به دو سر یکدیگر وصل می‌شوند و یکی از سرها گرم شود، یک نیروی محرکه الکتریکی در مدار ایجاد می‌شود که مقدار آن با میزان دما ارتباط دارد. و فرمول آن به شکل زیر است:

در فرمول بالا، e همان نیروی محرکه و T همان دمای مطلق میباشد. نکته اینجاست که رابطه بین نیروی محرکه و دما به صورت غیر خطی میباشد و این موضوع کار را مشکل میکند. اما برای برخی از ماده های بخصوص ، با اتصال آن دو ماده به یکدیگر، عبارتهای مربوط به توان های بالاتر T بسیار به صفر نزدیک میشود. بنابراین برای آن مواد بخصوص فرمول بالا به صورت خلاصه شده و به فرمول زیر تبدیل میشود که در آن رابطه بین نیروی محرکه و دما به صورت خطی خواهد بود.

در این حالت به دلیل وجود رابطه خطی، میتوان با محاسبه میزان نیروی محرکه، مقدار دما را محاسبه نمود. بنابراین دلیل این موضوع که در صنعت فقط از متریالهای خاصی برای ساخت ترموکوپل استفاده میشود ( از جفت سیمهای خاصی استفاده میشود) اینست که در مورد آن جفت سیمها، رابطه نیروی محرکه و دما به صورت خطی میباشد.

مشاهده محصولات مرتبط با ترموکوپل

بسته به اینکه از چه جفت سیمی در ساخت ترموکوپل استفاده میشود، یک حرف انگلیسی به آن اختصاص داده شده است که به صورت یک استاندارد جهانی میباشد . به عنوان مثال وقتی گفته میشود که ترموکوپل تیپ K ، حرف K نشان دهنده اینست که در آن از جفت سیم کرومل و آلومل استفاده شده است.

بیشتر بخوانید

انواع ترموکوپل و راهنمای انتخاب ترموکوپل

مشاهده کنید

محل اتصال دو فلز غیر همجنس را  Hot junction یا اتصال گرم یا نقطه اندازه گیری گویند و محل اتصال سیم های ترمکوپل به سیم رابط را  Cold Junction یا Reference Junction یا  اتصال سرد یا اتصال مرجع میباشد

در شکل زیر نمودار دما بر حسب نیروی محرکه برای تعدادی از ترموکوپلهای استاندارد نمایش داده شده است.

با یک مثال به روش کار ترموکوپل بپردازیم. فرض میکنیم که ترموکوپلی با سیمهایی از جنس کرومل و کنستانتان داریم. در شکل زیر مدار الکریکی معادل این ترموکوپل را رسم کرده ایم.

در نقطه ای که دو سیم نا هم جنس به یکدیگر متصل شده اند ، نیروی محرکه E1 را داریم. نقطه اتصال دو سیم غیر همجنس را نقطه اتصال داغ مینامیم و دمای آن را دمای اتصال داغ یا Th مینامیم. مقدار E1 را میتوان در انتهای باز ترموکوپل اندازه گیری کرد که به این نقطه، نقطه اتصال مرجع میگویند.

نکته مهم اینست که برای اینکه مقدار دمای بدست آمده طبق فرمولی که در بالا گفته شد، به دمای واقعی نزدیک باشد باید سیمهای بکار گرفته شده در ترموکوپل از خلوص بسیار بالایی برخوردار باشند و این موضوع باعث میشود که در اکثر موارد، قیمت سیمهای ترموکوپل بسیار بالا باشد و برای رفع این مشکل ، در عمل باید طول سیمهای ترموکوپل را حداکثر در حد چند سانتیمتر انتخاب کرد که این امر باعث میشود امکان اندازه گیری ولتاژ در اتصال مرجع ترموکوپل میسر نباشد. برای برطرف نمودن این مشکل از سیمهای افزایشی استفاده میشود ( extension leads) و طول سیم افزایشی میتواند تا چند متر باشد. در اینحالت مدار معادلی ما از عکس قبلی به عکس زیر تغییر میکند:

در این حالت سه عدد نقطه اتصال در سیستم ما وجود دارد و بنابراین سه منبع ولتاژ خواهیم داشت ( E1, E2,E3). در این حالت نقطه اتصال مرجع ما به انتهای باز سیمهای افزایشی منتقل شده است. جهت انجام اندازه گیری، میبایست ولت متر را به انتهای باز سیمهای افزایشی متصل کنیم و در نتیجه دو منبع ولتاژ دیگر ( E4 , E5) به سیستم اضافه میشود. دستگاه ولت متر، ولتاژ خالص Em را نشان میدهد که حاسل جمع تمام ولتاژها میباشد.

با دانستن مقدار E1 میتوان دمای آن نقطه را محاسبه کرد ، بنابراین چنانچه مقدار E2 تا E5 را داشته باشیم قادر خواهیم بود مقدار E1 را بدست بیاوریم. برای ساده تر کردن کار، جنس سیم های افزایشی را طوری انتخاب میکنند که از نظر خصوصیات ترموالکتریکی مشابه جنس ترموکوپل باشد و مقدار E2 و E3 برابر صفر بشود که در اینحالت به این سیمها، سیم جبران ساز یا Compensating Leads گویند.

بیشتر بخوانید

تفاوت ترموکوپل و سنسورهای RTD

مشاهده کنید

طبقه قانون فلزات میانی،  اثر اتصال سیم جبران ساز حذف میشود و مدار ما به صورت زیر خلاصه میشود

و فرمول به شکل زیر میشود:

E1=Em+Eref

چناچه دمای اتصال مرجع را بدانیم ، مقدار Eref بدست میاید پس میتوان مقدار E1 را بدست آورد. برای اینکه محاسبات ممکن شود، میبایست دمای اتصال مرجع را در یک دمای ثابت نگه داریم.

بهترین روش اینست که محل اتصال مرجع را داخل یک ظرف یخ در حال ذوب شدن قرار بدهیم که همیشه دمای آن صفر باشد ولی در عمل و در صنعت این روش ممکن نخواهد بود. در عمل  برای اینکه دمای اتصال مرجع را ثابت نگه داریم، از یک المان حرارتی الکتریکی استفاده میکنیم.

مشاهده کلیه مقاله های مرتبط با ترموکوپل و سنسورهای دما

در ادامه مقاله های متنوعی در مورد انواع ترموکوپل، سنسورهای RTD و …. خواهیم داشت.