مقدمه ایی بر ترموکوپل ها و سنسورهای دما
انواع مختلفی سنسور دما وجود دارد و هر یک، بسته به کاربرد آن، ویژگیهای متفاوتی دارند. یک سنسور دما دو نوع کلی فیزیکی دارد:
- سنسور دمای نوع تماسی: این نوع سنسور دما نیاز دارد که در تماس فیزیکی با جسمی قرار بگیرد که می‌خواهد دمای آن را «حس کند» و برای نظارت بر تغییرات دما، از رسانش استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای جامدات، مایعات و گازها در بازه‌ی وسیعی از دما استفاده کرد.
- سنسور دمای نوع غیر تماسی: این نوع سنسور دما از همرفت و تابش برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای مایعات و گازهایی استفاده کرد که با بالا رفتن گرما و پایین آمدن سرما در جریان‌های همرفتی آنها، انرژی تابشی منتشر می‌شود. همچنین می‌توان از آنها برای تشخیص انرژی تابشی که از یک شی به صورت امواج فروسرخ منتشر می‌شود، استفاده کرد.
دلیل محبوبیت ترموکوپل‌ها، سادگی، سهولت استفاده و سرعت مناسب واکنش به تغییرات دما (بیشتر به خاطر ابعاد کوچکشان) می‌باشد. ترموکوپل‌ها همچنین گسترده‌ترین بازه دمایی را در بین تمام سنسورهای دما دارند که از منفی ۲۰۰ درجه تا بالای ۲۰۰۰ درجه سلسیوس است.
ترموکوپل است که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها از دو سیم ناهم‌جنس تشکیل شده‌اند. دو سر این دو سیم به یکدیگر جوش خورده‌اند و یک اتصال را به وجود آورده‌اند. این اتصال، جایی است که دما اندازه‌گیری می‌شود. وقتی که اتصال تغییری را در دما تجربه کند، یک ولتاژ تولید می‌شود. این ولتاژ با استفاده از جدول‌های مرجع ترموکوپل برای محاسبه‌ی دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انواع مختلفی ترموکوپل وجود دارد و هر یک از نظر بازه دما، دوام و استحکام، مقاومت در برابر لرزش، مقاومت شیمیایی و سازگاری با کاربردهای مختلف، ویژگیهای منحصر به فرد خود را دارند. انواع J و K و T و E ترموکوپل‌های «فلز پایه» بوده و رایج‌ترین نوع ترموکوپل هستند. انواع R و S و B ترموکوپل‌های «فلز قیمتی» هستند که در کاربردهای با دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها در کاربردهای متنوع صنعتی، علمی و OEM مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها تقریبا در تمام بازارهای صنعتی حضور دارند: تولید برق، نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی یا زیست فناوری، سیمان، پالپ و کاغذ و غیره. ترموکوپل‌ها همچنین در تجهیزات معمولی خانگی همچون اجاق گاز، شومینه و توسترها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها عموما به خاطر هزینه پایین، محدوده‌ی بالای دما، بازه‌های وسیع دما و ذات بادوام خود انتخاب می‌شوند.
نحوه‌ی کارکرد ترموکوپل
اصل کارکرد یک ترموکوپل بسیار ساده و ابتدایی است. وقتی اتصال دو فلز ناهمسان همچون مس و آلیاژ کنستانتان، یک اثر ترموالکتریکی یا گرما برقی ایجاد کند، یک اختلاف پتانسیل چند میلی‌ولتی (mV) بین آنها ایجاد می‌شود. به این تفاوت ولتاژ بین دو اتصال، اثر سیبک (See beck effect) گفته می‌شود، به این معنی که با ایجاد یک گرادیان دما در امتداد سیم‌های رسانایی، یک نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌شود. پس ولتاژ خروجی ترموکوپل، تابعی از تغییرات دما خواهد بود.
اگر هر دو اتصال در دمایی یکسان باشند، اختلاف پتانسیل بین دو اتصال صفر است، به عبارت دیگر خروجی ولتاژ ندارد چون V1 = V2. از طرفی، وقتی که اتصالات، داخل یک مدار، به هم متصل می‌شوند و دمای آنها متفاوت است، یک خروجی ولتاژ به نسبت تفاوت دما بین دو اتصال تشخیص داده می‌شود، (V1 – V2). تا زمانی که به سطح پیک ولتاژ اتصال‌ها برسیم، این تفاوت در ولتاژ با افزایش دما، افزایش می‌یابد. این سطح پیک ولتاژ، توسط ویژگیهای دو فلز ناهمسان بکار رفته در ترموکوپل، تعیین می‌شود.
ترموکوپل‌ها از انواع مختلفی از مواد ساخته می‌شوند که امکان اندازه‌گیری دماهای به شدت بالا و پایین، از -۲۰۰ درجه تا +۲۰۰۰ درجه سلسیوس را محقق می‌سازند. با وجود انتخاب گسترده‌ای از مواد و بازه‌های دما که وجود دارد، استانداردهای بین‌المللی با کدهای رنگی برای ترموکوپل‌ها ایجاد شده است تا کاربران بتوانند سنسور ترموکوپل مناسب را برای هر کاربردی انتخاب کنند.
سه ماده‌ی رایج پراستفاده برای ترموکوپل‌هایی که برای اندازه‌گیری عمومی دما بکار گرفته می‌شوند، عبارتند از آهن- کنستانتان (نوع J)، مس- کنستانتان (نوع T) و نیکل-کروم (نوع K). ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک است: حدود چند میلی‌ولت (mV) برای یک تغییر ۱۰ درجه‌ی سلسیوسی در تفاوت دمایی. و به این دلیل، معمولا برای این خروجی ولتاژ کوچک، نیاز به نوعی تقویت‌کننده (امپلی‌فایر) است.
قبل از آنکه انواع مختلف ترموکوپل را معرفی کنیم، باید ذکر کنیم که ترموکوپل عموما در یک غلاف محافظ قرار دارد تا در برابر اتمسفر محلی از آن محافظت شود. این غلاف محافظ، به شکل قابل توجهی از اثرات خورندگی می‌کاهد. ترموکوپل‌ها در ترکیب‌هایی متنوع از فلزات و کالیبراسیون‌ها موجود هستند.
رایج‌ترین آنها، ترموکوپل‌های «فلز پایه» هستند که به اسم های N و T و E و J و K شناخته می‌شوند. همچنین ترموکوپل های دارای کالیبراسیون‌های دمای بالا وجود دارند که به آنها ترموکوپل‌های فلز قیمتی گفته می‌شود و انواع R و S و C و GB هستند.
ترموکوپل های فلز قیمتی به این دلیل برگزیده می شوند که توانایی تحمل دماهای بالاتری را داشته و در عین حال، درستی و طول عمر مفید خود را حفظ می کنند. این ترموکوپل ها نسبت به ترموکوپل های فلز پایه به میزان قابل توجهی گران قیمت تر هستند.
هر کالیبراسیون، محیط و بازه دمایی متفاوتی دارد، البته حداکثر دما بسته به قطر سیم استفاده شده در ترموکوپل، متفاوت است.
با آنکه کالیبراسیون ترموکوپل، بازه دما را تعیین می‌کند، حداکثر بازه دمایی توسط قطر سیم ترموکوپل نیز محدود می‌شود. به همین دلیل است که یک ترموکوپل بسیار نازک ممکن است به حداکثر بازه دمایی خود دست پیدا نکند.
ترموکوپل‌های نوع K به عنوان ترموکوپل‌های «استفاده عمومی» شناخته می‌شوند، چون هزینه و قیمت پایینی دارند و بازه دمایی آنها نیز مناسب است.
نوع K (نیکل-کروم / نیکل-آلومل)
نوع K رایج‌ترین نوع ترموکوپل است. این نوع، دارای قیمت کم، درستی خوب و قابلیت اطمینان است و بازه دمایی گسترده ای دارد.
علاوه بر سیستم شماره‌گذاری، معمولا ترموکوپل‌ها دارای کد رنگی هم هستند. این کدگذاری‌های رنگی در هر کشور متفاوت است، بنابراین بهتر است که کدهای رنگی را بر اساس کشوری بررسی کنید که متریال از آن تامین شده است.
تفاوت بین ترموکوپل نوع J و K چیست؟
ترموکوپل‌های نوع K رایج‌ترین سنسورهای دمای موجود در بازار هستند. قیمت این ترموکوپل‌ها، بالاتر از قیمت ترموکوپل‌های نوع J است، اما نوع K سنسور دمایی همه‌کاره بوده و توانایی تحمل دماهای ۰ تا ۱۲۶۰ درجه سلسیوس را دارند. این محدوده دمایی بالاتر، این نوع ترموکوپل را نسبت به ترموکوپل نوع J برای تماس با حرارت بسیار بالا مناسب تر می سازد. البته قیمت بالاتر این ترموکوپل به آن معناست که ترموکوپل نوع K در دماهای پایین تر و معمولی نمی تواند با ترموکوپل نوع J رقابت کند.
ترموکوپل نوع K، علاوه بر محدوده دمایی گسترده تر، مزیت دیگری هم دارد که مقاومت و ظرفیت آن، به دلیل جنس فلزات متفاوت آن است. ترموکوپل نوع J از آهن و کنستانتان و نوع K از نیکل/آلیاژ کروم (کرومل) و نیکل/آلیاژ آلومینیوم (آلومل) ساخته می‌شود.
این ترکیبات باعث می‌شوند ترموکوپل نوع K، نسبت به سیم های آهنی ترموکوپل نوع J، محافظت بیشتری در برابر اکسایش و اسیدها داشته باشد.
در نتیجه ترموکوپل‌های نوع K برای شرایط محیطی اکسید کننده و محیط های دارای اتمسفر خورنده، یا برای غوطه ور شدن در سیالات اکسید کننده یا خورنده مناسب هستند.
در واقع، ترموکوپل‌های نوع K در یک فرآیند تمیز کردن توسط اکسیداسیون با بهره‌وری بسیار بالایی کار می‌کنند، در صورتی که ممکن است ترموکوپل نوع J در این محیط دچار اکسایش شده و آسیب ببیند. همچنین ترموکوپل‌های نوع K برای بکارگیری در دماهای بسیار بالا – تا سقف ۱۲۶۰ درجه سلسیوس – مناسب تر هستند و این امکان را فراهم می سازند که حتی با وجود چنین حرارت هایی، دما را با درستی خوبی اندازه گیری کنید.
از طرفی، قیمت اندکی بالاتر آنها نسبت به ترموکوپل‌های نوع J باعث می‌شود که ترموکوپل‌های نوع J همچنان برای کاربردهای دارای دمای کمتر و اتمسفرهای غیر اکسید کننده که با محدوده دمایی این نوع ترموکوپل هماهنگی دارند، مناسب باشند. شاید ترموکوپل‌های نوع K و J به عنوان سنسور دما ظاهرا مشابه یکدیگر باشند، اما برای گستره‌ی متفاوتی از کاربردها مناسب هستند.
ترموکوپل‌های نوع K برای اندازه‌گیری در انواع مختلفی از محیط ها همچون آب، حلال‌های نسبتا ضعیف شیمیایی، گاز و مناطق خشک مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثلا از این ترموکوپل ها در موتورها، بخاری روغنی و بویلرها استفاده می‌شود. آن ها همچنین در بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به عنوان دماسنج مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جدول های مرجع ترموکوپل
ترموکوپل‌ها یک ایجاد می‌کنند که با دمایی که ترموکوپل اندازه‌گیری می‌کند، متناسب است. فایل های موجود در جدول زیر، ولتاژ گرما برقی و دمای متناسب با آن را برای انواع ترموکوپل خاص ارائه کرده اند. اکثر این فایل ها همچنین محدوده دمایی ترموکوپل، محدوده خطا و نکات مرتبط با شرایط محیطی را نیز مطرح کرده‌اند.
رایج‌ترین کاربردهای ترموکوپل‌ها چیست؟
ترموکوپل‌ها رایج‌ترین سنسورهای دما روی کره زمین هستند، به دلیل ظرفیت دمایی گسترده، استحکام بالا و قیمت پایین. ترموکوپل‌ها در کاربردهایی متنوع استفاده می‌شوند، از وسایل خانگی تا فرآیندهای صنعتی، تولید الکتریکی برق، نظارت و کنترل بر کوره، پردازش و فرآوری غذا و نوشیدنی، سنسورهای خودروسازی، موتور هواپیما، موشک، ماهواره و فضاپیما. وقتی موضوع دمای بالا، ابعاد کوچک، پاسخگویی سریع، ضربه یا لرزش بالا باشد، اکثر اوقات می‌بینید ترموکوپل‌ها اندازه‌گیری دما را انجام می‌دهند.
ترموکوپل‌های مناسب اکسترودرها
اکسترودرها نیازمند دما بالا و فشار بالا هستند. همچنین یک تبدیل رشته‌ای منحصر به فرد دارند که برای موقعیت‌دهی نوک سنسور در پلاستیک ذوب‌شده تحت فشار بالای موجود استفاده می‌شود.
امگا ارائه‌دهنده‌ی ترموکوپل‌های TER/TEFE/SEFE و SERP برای استفاده در اکسترودرهاست. این ترموکوپل‌ها که با المان‌های تکی و دوتایی موجود هستند، پوشش یا غلاف رشته‌ای منحصر به فرد مناسب این کاربرد را دارند. امگا همچنین ارائه‌کننده‌ی محصولات BT و CF است که اغلب در بخش‌های کم‌فشار اکسترودرها، هم در ترموکوپل و هم در RTD استفاده می‌شوند.
ترموکوپل‌های مناسب فشار کم
ترموکوپل‌های E و K و T و N را می‌توان برای اندازه‌گیری دما تا -۲۰۰ درجه استفاده کرد، البته آلیاژهای استفاده شده در این ترموکوپل‌ها باید به شکل ویژه برای استفاده در این دماها انتخاب شده باشد تا دقت و صحت مورد نیاز را محقق کند. اکثر تولیدکنندگان ترموکوپل، آلیاژهای ترموکوپل خود را به شکل کالیبره شده برای استفاده از ۰ درجه سلسیوس و بالاتر تهیه می‌کنند. همین آلیاژها را می‌توان تا -۲۰۰ درجه سلسیوس استفاده کرد اما ممکن است دقت نسبت به مقادیر ذکرشده مقداری منحرف شود. کالیبراسیون‌های منفرد را می‌توان خرید تا مقادیر افست تعیین شوند.