ترموکوپل

ترموکوپل یکی از پرکاربردترین حسگرهای دما در صنعت و علم است که برای اندازه‌گیری دما به کار می‌رود. این حسگر از دو رشته فلزی مختلف تشکیل شده است که در یک انتها به یکدیگر متصل شده و در انتهای دیگر به دو سر کانتکتور متصل می‌شوند. هنگامی که دما افزایش یافته، تفاوت دما بین دو سر کانکتور ترموکوپل ایجاد می‌شود که باعث جریان الکتریکی شده و این جریان الکتریکی به عنوان یک نشانگر برای دمای محیط استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها به دلیل دقت، پایداری و قابلیت استفاده در شرایط دشوار، در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت، گاز، خودروسازی و پزشکی به کار می‌روند. در ادامه به بررسی عملکرد، انواع، کاربردها و مزایای ترموکوپل‌ها می‌پردازیم.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل وسیله‌ای است که از دو رسانای الکتریکی غیر مشابه تشکیل شده که در یک انتها به هم متصل شده‌اند. از آن برای اندازه‌گیری دما با تبدیل اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی استفاده می‌شود. سپس می‌توان از ولتاژ اندازه‌گیری شده برای اندازه‌گیری دما استفاده کرد. ترموکوپل‌ها به دلیل ارزان بودن، قابلیت تعویض، دامنه دمایی وسیع و دوام بالا به طور گسترده به عنوان حسگرهای دما استفاده می‌شوند.

خرید ترموکوپل

هنگام خرید ترموکوپل، توجه به این نکات مهم است:

• نوع ترموکوپل: انواع مختلفی از ترموکوپل‌ها وجود دارد که بر اساس محیط و دمای مورد استفاده متفاوت هستند. مطمئن شوید که نوع ترموکوپل مورد نیاز خود را انتخاب کنید.
• محدوده دمایی: ترموکوپل‌ها معمولاً برای محدوده دمایی خاصی طراحی می‌شوند. اطمینان حاصل کنید که ترموکوپلی که خریداری می‌کنید، محدوده دمایی مناسبی برای نیاز شما دارد.
• دقت: دقت اندازه‌گیری ترموکوپل مهم است، به طور کلی دقت بالاتر با قیمت بیشتر همراه است.
• مقاومت در برابر شرایط محیطی: اگر ترموکوپل در شرایطی مانند فشار یا شرایط شیمیایی خاص قرار گیرد، باید از مواد مناسبی ساخته شده باشد که مقاومت لازم را داشته باشد.
• استانداردها و گواهینامه‌ها: اطمینان حاصل کنید که ترموکوپل مورد نظر شما با استانداردها و مقررات مربوطه سازگاری دارد و دارای گواهی‌نامه‌های معتبر است.
• هزینه: قیمت ترموکوپل‌ها متفاوت است و بسته به نوع، دقت و مشخصات دیگر، متغیر است. بهتر است قبل از خرید قیمت‌ها را مقایسه کنید.
• نوع اتصال: اطمینان حاصل کنید که ترموکوپل دارای نوع اتصالی است که با سیستم خود سازگار است، مثلاً نوع اتصال به دستگاه اندازه‌گیری دما.

قیمت ترموکوپل

قیمت ترموکوپل ها می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد و به عوامل مختلفی بستگی دارد. در اینجا به برخی از مهم ترین عواملی که بر قیمت ترموکوپل ها تاثیر می گذارند اشاره می کنیم:

• نوع ترموکوپل: نوع ترموکوپل روی قیمت آن تاثیر بسزایی دارد. ارزان ترین نوع ترموکوپل، تیپ K است و تیپ های دیگر مانند J، T، E و R، معمولاً گران تر از تیپ K هستند.
• جنس غلاف: استیل ضد زنگ، رایج ترین و ارزان ترین جنس غلاف است. سرامیک، گران ترین جنس غلاف است و برای کاربردهای با دمای بسیار بالا مناسب است. پس از آن، Inconel (سوپر آلیاژی بر پایه نیکل) است که گران تر از استیل ضد زنگ است و برای محیط‌های خشن تر مناسب است.

• ابعاد غلاف: به طور کلی، ترموکوپل‌ها با قطرهای کوچکتر و طول‌های کوتاه‌تر، ارزان تر از قطرها و طول‌های بزرگتر هستند.

• نوع اتصال: اتصالات ساده مانند رزوه ای یا فشاری به طور کلی ارزان تر از اتصالات پیچیده تر مانند ترمینال هستند.
• دقت: ترموکوپل های با دقت بالاتر به طور کلی گران تر از ترموکوپل های با دقت پایین تر هستند.
• برند: برندهای معتبر و شناخته شده به طور کلی گران تر از برندهای ناشناخته هستند.
• گواهی‌نامه‌ها: ترموکوپل هایی که دارای گواهی‌نامه های لازم مانند CE، RoHS و ATEX هستند: به طور کلی گران تر از ترموکوپل هایی هستند که این گواهی نامه ها را ندارند.

علاوه بر این عوامل، قیمت ترموکوپل ها می تواند تحت تاثیر نوسانات بازار، هزینه های حمل و نقل و سایر عوامل اقتصادی نیز قرار گیرد.

به طور کلی، ارزان ترین ترموکوپل ها، ترموکوپل های تیپ K با غلاف استیل ضد زنگ، قطر کوچک، طول کوتاه، اتصال ساده، دقت پایین و بدون گواهی‌نامه هستند و گران ترین ترموکوپل ها ترموکوپل های تخصصی با جنس های غلاف خاص، قطر و طول بزرگ، اتصالات پیچیده، دقت بالا، برندهای معتبر، گواهی نامه های متعدد و طراحی های پیچیده هستند.

انواع ترموکوپل

ترموکوپل ها به طور کلی به هشت دسته بر اساس ترکیب فلزات مورد استفاده در آنها طبقه بندی می شوند. هر نوع ترموکوپل دارای ویژگی ها و کاربردهای خاص خود است. در اینجا به طور خلاصه به معرفی هر یک از این انواع می پردازیم:

ترموکوپل نوع K

این نوع ترموکوپل از ترکیب فلزات کروم، نیکل و آلومینیوم است و در محدوده دمایی -200°C تا 1200°C کاربرد دارد. ارزان، همه کاره و در دسترس است اما دارای دقت نسبتاً پایین و حساس به اکسیداسیون در دماهای بالا است. این ترموکوپل در طیف گسترده ای از کاربردها از جمله فرآیندهای صنعتی، HVAC، و لوازم خانگی استفاده می‌شود.

ترموکوپل نوع J

این ترموکوپل از ترکیب فلزات آهن و کنستانتان با تحمل محدوده دمایی -40°C تا 750°C ساخته شده است. ارزان، مقاوم در برابر اکسیداسیون و ایده آل برای محیط های مرطوب بوده اما دارای دقت پایین تر از نوع K و محدوده دمایی محدودتر است. از این ترموکوپل در صنایعی همچون صنایع غذایی و دارویی، استفاده می‌شود.

ترموکوپل نوع E

فلزات تشکیل دهنده این نوع ترموکوپل، کروم و کنستانتان است و در محدوده دمایی -200°C تا 900°C کاربرد دارد. ترموکوپل نوع E دارای دقت بالا، پایداری عالی، ایده آل برای کاربردهای با دمای بالا است اما نسبت به شوک های مکانیکی حساس است. از این ترموکوپل در کوره ها و فرآیندهای ذوب فلز استفاده می‌شود.

ترموکوپل نوع T

ترموکوپل نوع T از ترکیب مس و کنستانتان ساخته شده و دارای محدوده دمایی -200°C تا 350°C است؛ ایده آل برای کاربردهای با دقت بالا است اما محدوده دمایی گسترده‌ای ندارد. این نوع ترموکوپل برای کاربردهایی که دقت در آن‌ها اهمیت بسیاری دارد مثل کاربردهای آزمایشگاهی، استفاده می‌شود.

ترموکوپل نوع N

فلزات تشکیل دهنده این ترموکوپل، ترکیب نیکل و کروم است و می‌تواند در دمای -200°C تا 1300°C مورد استفاده قرار گیرد. ترموکوپل نوع N در برابر خوردگی مقاوم است اما از دقت نسبتا پایین‌تر و قیمت نسبتا بالاتری از برخی انواع ترموکوپل، برخوردار است. ترموکوپل های نوع N در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترموکوپل نوع C

گران‌ترین نوع ترموکوپل، ترموکوپل نوع C است که از فلزات ولفرام و رنیوم ساخته شده‌ و در دمای -50°C تا 2300°C کاربرد دارد. این نوع ترموکوپل برای کاربردهای با دمای بسیار بالا، ایده‌آل است و در کاربردهای با دمای بسیار بالا، مانند کوره های صنعتی و تحقیقات فضایی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترموکوپل نوع R

از فلزات پلاتین و رودیوم ساخته شده و تحمل دمای -50°C تا 1500°C را دارد. دارای دقت و پایداری بسیار بالا است و از گران‌ترین انواع ترموکوپل است. از ترموکوپل نوع R، به دلیل دقت و پایداری بالا، در کاربردهایی مانند تحقیقات علمی و کالیبراسیون، استفاده می‌شود.

 ترموکوپل نوع S

ترکیب فلزات سازنده این نوع ترموکوپل، پلاتین و ایریدیوم است و در دمای -50°C تا 1600°C، کاربرد دارد. در حالت کلی ویژگی‌هایی شبیه به ترموکوپل نوع R دارد با این تفاوت که دارای مقاومت بیشتر در برابر اکسیداسیون است.

اجزای تشکیل دهنده ترموکوپل

ترموکوپل یکی از ابزارهای مهم اندازه‌گیری دما است که در صنایع مختلف به کار می‌رود. این ابزار از چند جزء اصلی تشکیل شده که هر کدام نقش حیاتی در عملکرد دقیق و کارآمد آن دارند. اولین و مهم‌ترین جزء ترموکوپل، دو سیم فلزی است که از دو جنس متفاوت ساخته شده‌اند. این دو سیم در یک انتها به هم متصل می‌شوند تا یک اتصال داغ (Hot Junction) ایجاد کنند. اتصال این دو فلز، وقتی در معرض دمای متفاوت قرار می‌گیرند، باعث تولید ولتاژ می‌شود. این ولتاژ تولید شده، که بر اساس پدیده سیبک (Seebeck Effect) شکل می‌گیرد، با دمای محل اتصال داغ رابطه مستقیم دارد.

جزء دوم، اتصال سرد (Cold Junction) است که در واقع همان محل اتصال دو سیم به دستگاه اندازه‌گیری یا سیستم کنترلی است. در این محل، دمای محیط یا یک دمای مرجع تعیین می‌شود که برای محاسبه دقیق دمای نقطه اتصال داغ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تصحیح و دقت بیشتر، از جبران‌ساز اتصال سرد استفاده می‌شود که این اختلاف دما بین اتصال سرد و داغ را به دقت اندازه‌گیری کرده و در محاسبات ولتاژ دخیل می‌کند.

سومین جزء، محفظه یا روکش حفاظتی است که این دو سیم فلزی را در برابر آسیب‌های فیزیکی و شیمیایی محافظت می‌کند. این روکش معمولاً از مواد مقاوم در برابر حرارت و خوردگی ساخته شده و تضمین می‌کند که ترموکوپل در شرایط سخت محیطی، دقت و عملکرد خود را حفظ کند. همچنین، ترمینال‌ها یا کانکتورهای خروجی از اجزای دیگری هستند که ولتاژ تولید شده را به دستگاه‌های اندازه‌گیری منتقل می‌کنند. این اجزا، به همراه هم، ساختاری قابل اعتماد و دقیق را برای اندازه‌گیری دما در محدوده‌های وسیع فراهم می‌کنند، که در بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی ضروری است.

کاربرد ترموکوپل

ترموکوپل‌ها کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع مختلف و در زندگی روزمره دارند. به طور کلی، از آنها برای اندازه‌گیری دما در طیف گسترده‌ای از شرایط استفاده می‌شود.

در اینجا به برخی از مهم‌ترین کاربردهای ترموکوپل‌ها اشاره می‌کنیم:

• فرآیندهای صنعتی: از انواع ترموکوپل در فرآیندهای صنعتی همچون کنترل دما در کوره‌ها، اجاق‌ها و سایر تجهیزات گرمایشی، نظارت بر دمای خطوط لوله و مخازن، اندازه‌گیری دمای سیالات در فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی و کنترل کیفیت محصولات در صنایع غذایی و دارویی، استفاده می‌شود.

•  HVAC (گرمایش، تهویه و مطبوع هوا): انواع ترموکوپل در تنظیم دمای داخل ساختمان‌ها، کنترل دمای سیستم‌های تهویه مطبوع و اندازه‌گیری دمای هوای ورودی و خروجی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• لوازم خانگی: از ترموکوپل‌ها در کنترل دمای فر، اجاق گاز و مایکروویو، تنظیم دمای یخچال و فریزر و اندازه‌گیری دمای آب گرم، استفاده می‌شود.

• خودروها: در خودروها برای کنترل دمای موتور، اندازه‌گیری دمای گازهای خروجی و تشخیص عیب در سیستم‌های احتراق، از ترموکوپل استفاده می‌شود.

• تجهیزات پزشکی: برای اندازه‌گیری دمای بدن بیماران، استریل کردن تجهیزات پزشکی و کنترل دمای انکوباتورها و یخچال‌های پزشکی، از ترموکوپل‌های خاص استفاده می‌شود.

• تحقیقات علمی: توموکوپل‌ها برای اندازه‌گیری دما در آزمایشگاه‌ها، مطالعه واکنش‌های شیمیایی و بررسی خواص مواد، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین از این ابزار برای تشخیص نشتی گاز و دود، اندازه‌گیری دمای هوا، کنترل دمای گلخانه‌ها و اندازه‌گیری دمای ژنراتورها و ترانسفورماتورها در صنعت برق، استفاده می‌شود.

نحوه کار ترموکوپل

ترموکوپل‌ ها برای اندازه‌گیری دما، دارای بخشی به نام سنسور ترموکوپل هستند که به آن گرما جفت یا جفت حرارتی نیز می‌گویند. سنسور ترموکوپل نوعی حسگر دما است که از اثر سیبک برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کند. اثر سیبک پدیده‌ای است که در آن اختلاف دما بین دو رسانای غیر مشابه، اختلاف ولتاژ بین آنها را ایجاد می‌کند.در یک ترموکوپل، دو سیم فلزی غیر مشابه در یک سر به هم متصل می‌شوند و یک محل اتصال ایجاد می‌کنند. این محل اتصال را محل اتصال اندازه‌گیری می‌نامند. سر دیگر دو فلز در دمای ثابت و مشخصی به نام محل اتصال مرجع نگه داشته می‌شوند.

هنگامی که محل اتصال اندازه‌گیری در معرض دمایی متفاوت از محل اتصال مرجع قرار می‌گیرد، به دلیل اثر سیبک، نیروی محرکه الکتریکی (EMF) ایجاد می‌شود. بزرگی EMF با اختلاف دما بین محل اتصال اندازه‌گیری و محل اتصال مرجع متناسب است. در نهایت، با استفاده از یک جدول یا رابطه ریاضی، EMF اندازه‌گیری شده به دما تبدیل می‌شود

مزایای استفاده از ترموکوپل

ترموکوپل‌ها مزایای متعددی دارند که آنها را به انتخابی محبوب برای اندازه‌گیری دما در طیف گسترده‌ای از کاربردها تبدیل می‌کند. برخی از مهم‌ترین مزایای آنها عبارتند از:

• ارزان بودن: در مقایسه با سایر حسگرهای دما مانند RTDها و ترمیستورها، ترموکوپل‌ها به طور کلی ارزان‌تر هستند. این امر آنها را به یک گزینه اقتصادی مقرون به صرفه برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دما در چندین نقطه دارند، تبدیل می‌کند.
• قابل تعویض بودن: ترموکوپل‌ها به راحتی قابل تعویض هستند. این امر آنها را برای کاربردهایی که به تعمیر و نگهداری مکرر نیاز دارند، ایده‌آل می‌کند.
•  دامنه دمایی وسیع: ترموکوپل‌ها می‌توانند دمای بسیار پایین و بسیار بالا را اندازه‌گیری کنند. برخی از انواع ترموکوپل‌ها می‌توانند دماهایی تا 2200 درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری کنند.
• دوام بالا: ترموکوپل‌ها در برابر شرایط سخت محیطی مقاوم هستند. آنها می‌توانند در برابر لرزش، ارتعاش، شوک و مواد شیمیایی خورنده مقاومت کنند.
• خطی بودن: رابطه بین EMF و دما در ترموکوپل‌ها نسبتاً خطی است. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق دما دارند، ایده‌آل می‌کند.
• سرعت بالای پاسخ: ترموکوپل‌ها سرعت پاسخ سریعی دارند. آنها می‌توانند تغییرات دما را به سرعت تشخیص دهند و به آنها پاسخ دهند.

علاوه بر این مزایا، ترموکوپل‌ها در طیف گسترده‌ای از اندازه‌ها و اشکال موجود هستند، که آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌کند.

انواع اتصال ترموکوپل

از نظر کاربرد، اتصالات ترموکوپل به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

محل اتصال آشکار

اتصال آشکار یا “Exposed Junction” به موقعیتی اشاره دارد که دو سر ترموکوپل (سر حساسیت و سر مرجع) به صورت جداگانه قرار گرفته و هر دو به طور مستقیم با محیط در تماس هستند، به‌طوری‌که نقطه اتصال حساسیت ترموکوپل به دما مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد. این روش معمولاً برای اندازه‌گیری دماهای بالا و در محیط‌های خاصی مانند فرایندهای صنعتی، پزشکی، و آزمایشگاهی استفاده می‌شود. اتصال آشکار می‌تواند دقت بالاتری نسبت به اتصال مخفی (Concealed Junction) داشته باشد و برای کاربردهایی که نیاز به دسترسی آسان به محل اتصال اندازه‌گیری دارند، مانند در کوره‌ها و اجاق‌ها، مناسب است؛ اما به دلیل قرار گرفتن سرهای ترموکوپل در معرض خطرات بیشتری نیز می‌باشد.

محل اتصال زمین‌ شده

اتصال ترموکوپل زمین شده یک نوع اتصال الکتریکی است که برای اندازه‌گیری دقیق دما با استفاده از ترموکوپل‌ها استفاده می‌شود. در این نوع اتصال، یک پایه‌ی ترموکوپل به صورت مستقیم به یک سطح فلزی (معمولاً فولادی) متصل می‌شود که به عنوان زمین الکتریکی عمل می‌کند. این کار باعث افزایش دقت اندازه‌گیری دما و کاهش نویزهای الکتریکی می‌شود، زیرا فلز زمین به عنوان یک مسیر مناسب برای جریان الکتریکی عمل می‌کند و از نویزهای الکتریکی جلوگیری می‌کند.

محل اتصال زمین‌ نشده

اتصال ترموکوپل زمین نشده یا Floating Ground Connection یک نوع اتصال الکتریکی است که در آن یک پایه‌ی ترموکوپل به هیچ سطح زمینی متصل نمی‌شود. در این حالت، ترموکوپل به یک مدار الکتریکی متصل می‌شود که ممکن است یا به یک زمین مرجع متصل شده باشد یا به عنوان یک سیگنال مستقل برای اندازه‌گیری دما عمل کند. این نوع اتصال برای کاربردهایی که در معرض مواد شیمیایی خورنده یا رطوبت بالا هستند، مانند در صنایع شیمیایی و فرآوری مواد غذایی، مناسب است. 

سوالات متداول

ترموکوپل در چه کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد؟

ترموکوپل‌ها در فرآیندهای صنعتی، HVAC (گرمایش، تهویه و مطبوع هوا)، لوازم خانگی، خودروها، تجهیزات پزشکی و تحقیقات علمی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایای استفاده از ترموکوپل‌ ها چیست؟

ارزان بودن، قابل تعویض بودن، دامنه دمایی وسیع، دوام بالا، خطی بودن و سرعت بالای پاسخ، از مزایای استفاده از ترموکوپل‌ ها هستند.