ترموکوپل چیست؟ کاربرد و انواع ترموکوپل

ترموکوپل یک نوع حسگر حرارتی است که بر مبنای اصل تغییرات ولتاژ یا جریان الکتریکی ناشی از اختلاف دما در دو نقطه ایجاد می‌شود. این حسگرها به طور گسترده در صنایع مختلف، آزمایشگاه‌ها و سیستم‌های کنترل حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیم‌ها (Wire): ترموکوپل از دو سیم مختلف تشکیل شده است که به اصطلاح سیم گرم و سیم سرد گفته می‌شود.

مواد تشکیل‌دهنده: هر سیم از مواد مختلف تشکیل شده است. به عنوان مثال، ترموکوپل نوع  k از فلز نیکل-کروم (Ni-Cr) به عنوان سیم گرم و فلز آلومینیم (Al) به عنوان سیم سرد استفاده تشکیل می‌شود.

نقطه اندازه‌گیری (Measurement Junction): نقطه‌ای که دما در آن اندازه‌گیری می‌شود. این نقطه معمولاً در نزدیکی انتهای سیم‌ها واقع شده و به آن “مفصل اندازه‌گیری” یا “نقطه گرما” هم گفته می‌شود.

نقطه ارجاع (Reference Junction): نقطه ای که با دماهای مختلف در ترموکوپل تفاوت دارد و به عنوان نقطه ارجاع برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. این نقطه معمولاً در یک محیط با دمای ثابت نگه داشته می‌شود.

 زمانی که ترموکوپل به دماهای مختلفی تحت تأثیر قرار می‌گیرد، اختلاف دما باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین دو سیم مختلف می‌شود. این اختلاف ولتاژ توسط خواص الکتریکی مواد تشکیل‌دهنده ترموکوپل ایجاد می‌شود و این ولتاژ مستقیماً با دما مرتبط است.

 ترموکوپل‌ها با دستگاه‌های خاصی که به نام “ترمومتر ترموکوپل” شناخته می‌شوند، خوانده می‌شوند. این دستگاه‌ها از اختلاف ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل برای محاسبه دمای محیط استفاده می‌کنند. اطلاعات به دست آمده از ترموکوپل به صورت مستقیم با دما مرتبط هستند. همچنین، دقت اندازه‌گیری به وسیلهٔ نقاط ارجاع که در دماهای مختلف ثابت نگهداری می‌شوند، تعیین می‌شود. این اطلاعات حائز اهمیت برای کنترل دما در فرآیندها و صنایع مختلف می‌باشد.

ترموکوپل‌ها در صنعت به عنوان حسگرهای حرارتی گسترده‌ای استفاده می‌شوند. این ابزارهای حسگر دما در موارد مختلف برای کنترل، اندازه‌گیری، و نظارت بر دماها به کار می‌روند. برخی از کاربردهای ترموکوپل در صنعت به شرح زیر می‌باشد:

کنترل دما در فرآیندهای ذوب و آب‌گرمکنی در صنایع فولاد، آلومینیوم، و مس.

اندازه‌گیری دما در واحدهای پالایش نفت و پتروشیمی و کنترل دما در راکتورها و تجهیزات شیمیایی.

کنترل دما در فرآیندهای تولید و بسته‌بندی مواد غذایی و نظارت بر دما در دستگاه‌های پخت و اتوماسیون کشاورزی.

استفاده در دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی برای اندازه‌گیری دما و جلوگیری از افزایش حرارت و

کنترل دما در تولید قطعات الکتریکی حساس.

کنترل دما در فرآیندهای تولید دارو و تجهیزات آزمایشگاهی و اندازه‌گیری دما در واحدهای تولید و بسته‌بندی داروها.

کنترل دما در فرآیندهای ذوب و تشکیل قطعات فلزی و اندازه‌گیری دما در واحدهای تولید باتری و موتورها.

کنترل دما در فرآیندهای تولید و رنگ‌بری مواد چرم و پارچه و همچنین نظارت بر دما در دستگاه‌های اتوماتیک دوخت.

کنترل دما در فرآیندهای ریخته‌گری بتن و قطعات فلزی و استفاده در سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها.

استفاده در آزمایشگاه‌ها و تحقیقات علمی برای اندازه‌گیری دقیق دما در آزمایش‌ها و تجهیزات آزمایشگاهی.

استفاده از ترموکوپل‌ها در این صنایع به دلیل دقت بالا، قابلیت اندازه‌گیری در دماهای بسیار بالا یا پایین، و مقاومت در مقابل شرایط محیطی مختلف بسیار رایج است.

یکی از پر تکرارترین سوال هایی که پرسیده می‌شود تفات ترموکوپل و سنسورهای دمای pt100  است.

ترموکوپل و Pt100 هر دو از انواع حسگرهای حرارتی هستند که در اندازه‌گیری دما به کار می‌روند، اما با تفاوت‌های مهمی در ساختار و عملکرد. در زیر تفاوت‌های اصلی بین این دو نوع حسگر را مرور خواهیم کرد:

ترموکوپل: از دو مواد مختلف تشکیل شده‌اند که در نقاط اتصال خود به نقاط مختلف دما (نقطه اندازه‌گیری) و در نقطه ارجاع (نقطه ارجاع) معرفی می‌شوند.

سنسور دمای pt100 از پلاتینیوم به عنوان ماده مقاوم در برابر دما استفاده می‌کنند. Pt100 یک رزیستور دما-وابسته است که مقاومت الکتریکی آن با تغییر دما تغییر می‌کند.

ترموکوپل: اندازه‌گیری دما بر اساس اختلاف ولتاژی است که در اثر افت ولتاژ در نقاط اتصال دو ماده مختلف به وجود می‌آید.

Pt100: اندازه‌گیری دما بر اساس تغییرات مقاومت الکتریکی پلاتینیوم با تغییر دما صورت می‌گیرد. این تغییرات مقاومت به عنوان یک نشانه برای دما استفاده می‌شود.

ترموکوپل: معمولاً دقت بالایی دارند و در دماهای بسیار بالا یا پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند.

Pt100: دارای دقت بسیار خوبی است و معمولاً در دماهای معمولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. دقت آن معمولاً به صورت کلاس‌های مختلفی اعلام می‌شود.

ترموکوپل: می‌توانند در دماهای بسیار بالا یا پایین به کار روند و رنج دمایی وسیعی دارند.

Pt100:  رنج دمایی آنها معمولاً محدودتر است و در دماهای معمولی تا دماهای نسبتاً بالا به کار می‌روند.

ترموکوپل: مقاوم در برابر شرایط محیطی خاصی مانند اسیدها، بازها و محیط‌های شیمیایی مختلف است.

Pt100: به دلیل استفاده از پلاتینیوم، ممکن است در برخی از شرایط خاص کمی حساس تر باشند.

با توجه به نیازهای خاصی که در هر صنعت یا برنامه‌ی کاربردی وجود دارد، انتخاب بین ترموکوپل و Pt100 باید با توجه به ویژگی‌های فنی، رنج دمایی، دقت مورد نیاز، و شرایط محیطی مشخص شود.

ترموکوپل‌ها با استفاده از مواد مختلف در ساختار خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. انواع ترموکوپل‌ها با توجه به موادی که در ساخت آنها استفاده می‌شود، با حروف و اعداد مختلف مشخص می‌شوند. برخی از انواع معروف ترموکوپل‌ها عبارتند از:

از فلز نیکل و کروم در ساختار خود استفاده می‌کند. دارای رنج دمایی وسیع (حدود -200 درجه سانتی‌گراد تا +1250 درجه سانتی‌گراد) می‌باشد که در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از فلز آهن و کلر در ساختار خود استفاده می‌کند و رنج دمایی تقریباً مشابه ترموکوپل نوع K است. برای اندازه‌گیری در دماهای پایینتر مناسب است.

از فلز مس و کنستانتین در ساختار خود استفاده می‌کند. رنج دمایی حدود -200 درجه سانتی‌گراد تا +350 درجه سانتی‌گراد دارد. برای اندازه‌گیری در دماهای پایین مناسب است.

از فلز نیکل و کنستانتین در ساختار خود استفاده می‌کند. رنج دمایی حدود -200 درجه سانتی‌گراد تا +900 درجه سانتی‌گراد دارد. برای اندازه‌گیری در دماهای متوسط مناسب است.

از فلز نیکل و کروم در ساختار خود استفاده می‌کند و مقاومت به خوردگی بالا دارد. رنج دمایی شبیه به ترموکوپل نوع K است. برای برخی از کاربردهای مختصر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از پلاتینیوم و رودیم در ساختار خود استفاده می‌کنند.

رنج دمایی وسیعتر و دقت بالاتری نسبت به ترموکوپل‌های معمولی دارند.

برای اندازه‌گیری در دماهای بالا و دقت بالا مناسب هستند.

هر نوع ترموکوپل دارای ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود است. انتخاب نوع مناسب ترموکوپل بستگی به نیازهای کاربردی، رنج دمایی، دقت، و شرایط محیطی دارد.

دقت ترموکوپل‌ها بستگی به نوع ترموکوپل و کلاس دقت آنها دارد. ترموکوپل‌ها عمدتاً در چند کلاس دقت مختلف مانند Class I, Class II, و Class III دسته‌بندی می‌شوند.

 هر کلاس نشان‌دهندهٔ دقت خاصی است. دقت ترموکوپل‌ها معمولاً به صورت درصد خطای مجاز از مقدار دما (به عنوان مثال، درصد خطای ±0.5 درجه سانتی‌گراد) بیان می‌شود.

در ادامه برخی از کلاس‌های دقت رایج برای ترموکوپل‌ها آورده شده است:

دقت بسیار بالا با درصد خطای کمتر از ±0.1 درجه سانتی‌گراد.

معمولاً در کاربردهای دقیق علمی و صنعتی با دماهای بسیار حساس مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دقت متوسط با درصد خطای حدود ±1 درجه سانتی‌گراد.

برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری مناسب است.

:Class III  برای دقت متوسط تا پایین

دقت متوسط تا پایین با درصد خطای حدود ±2.2 درجه سانتی‌گراد.

برای کاربردهای کلی و کاربردهایی که دقت بالایی نیاز نیست مناسب است.

در هر صورت، توجه به دقت ترموکوپل اهمیت دارد، زیرا دقت دستگاه اندازه‌گیری دما و نیازهای کاربردی باید با دقت ترموکوپل همخوانی داشته باشد. همچنین، در طول زمان و با افزایش دما، ممکن است دقت ترموکوپل‌ها کاهش یابد، و بنابراین بررسی تاریخچه و دورهٔ عمر مفید ترموکوپل نیز مهم است.

استانداردها و محدودیت‌های خاص خطا در ترموکوپل‌ها می‌توانند از استانداردهای مختلف و موارد کاربردی مختلف برخوردار باشند. مهمترین استانداردی که برای اندازه‌گیری دما با ترموکوپل‌ها استفاده می‌شود، استاندارد ASTM E230 می‌باشد. این استاندارد ترموکوپل‌ها را بر اساس اندازه‌گیری‌هایشان دسته‌بندی می‌کند و حدود خطاهای مجاز را تعیین می‌کند.

بعضی از محدودیت‌ها و نکات مهم در خصوص خطا در ترموکوپل‌ها شامل موارد زیر می‌شود:

خطای انتقال حرارت:

ترموکوپل‌ها ممکن است در محیط‌های با سرعت تغییر دما بالا یا با انتقال حرارت ناپایدار دچار خطا شوند. این خطاها برای ترموکوپل‌هایی که در محیط‌های با تغییر دمایی سریع یا غیر یکنواخت قرار دارند، مهم است.

خطا در نقطه ارجاع یا نقطه تعادل که به عنوان نقطه اتصال با دستگاه خواندن ترموکوپل مرتبط است. این خطا نیاز به کمپانزاسیون دمایی دارد و بر اساس تغییرات دما در نقطه ارجاع می‌باشد.

محیط اطراف ترموکوپل می‌تواند بر خطای اندازه‌گیری تأثیر بگذارد. مثلاً حضور گازها، خوردگی، یا مشکلات دیگر ممکن است باعث افزایش خطا شود.

خطایی که ممکن است در سیگنال الکتریکی تولید شده توسط ترموکوپل رخ دهد، مانند خطاهای الکترومغناطیسی یا تداخل‌های الکتریکی.

هر ترموکوپلی به دلیل محدودیت‌های ساختاری و فرایند تولید ممکن است خطا داشته باشد. این خطاها ممکن است به دلیل عدم یکنواختی در ساختار یا خطاهای اندازه‌گیری در هنگام تولید ایجاد شوند.

هر چه در هنگام کالیبراسیون ترموکوپل دقت و مراعات آن به خطاهای کالیبراسیون کمتر، خطای اندازه‌گیری نیز کاهش می‌یابد.

برای مدیریت بهینه خطاها، اجرای کالیبراسیون منظم، استفاده از کمپانزاسیون دمایی مناسب، و نگهداری صحیح از ترموکوپل‌ها اهمیت دارد. همچنین، اطمینان از تطابق با استانداردها و دقت مطلوب ترموکوپل‌ها در شرایط کاربردی خاص نیز حیاتی است.

سرعت پاسخ ترموکوپل به تغییرات دما از یک ترموکوپل به ترموکوپل دیگر متفاوت است و به عوامل مختلفی بستگی دارد. چندین عامل می‌تواند بر سرعت پاسخ ترموکوپل تأثیر بگذارد:

اندازه ناحیه اندازه‌گیری (حساسیت): ناحیه اندازه‌گیری ترموکوپل میزان انرژیی را که به ترموکوپل وارد می‌شود، تعیین می‌کند. ترموکوپل‌هایی که ناحیه اندازه‌گیری بزرگتری دارند، به تغییرات دمایی کمتری پاسخ می‌دهند.

نوع ترموکوپل: هر نوع ترموکوپل خاصیت‌ها و سرعت پاسخی مختلفی دارد. برخی از ترموکوپل‌ها به دلیل خواص الکتریکی و حرارتی خود سریعتر به تغییرات دما پاسخ می‌دهند.

رنج دمایی: در رنج دمایی خاص، ترموکوپل ممکن است به دلیل تغییرات سرعت انتقال حرارت در مواد سازنده‌اش، سریعتر یا کندتر به تغییرات دما پاسخ دهد.

ضخامت و جرم ترموکوپل: ترموکوپل‌های با جرم بالا و ضخامت زیاد، بیشتر انرژی را نگه می‌دارند و سرعت پاسخ آنها به تغییرات دما ممکن است کندتر باشد.

شرایط محیطی: فراگیر بودن ترموکوپل توسط محیط اطراف (مانند گازها و سیالات) نیز می‌تواند به سرعت پاسخ ترموکوپل تأثیر بگذارد.

به طور کلی، ترموکوپل‌هایی که از مواد حساس با ضریب حرارتی بالا ساخته شده‌اند معمولاً سریع‌تر به تغییرات دما پاسخ می‌دهند. همچنین، توجه به انتخاب نوع مناسب ترموکوپل بر اساس نیازهای کاربردی، رنج دمایی، و دقت مورد نیاز نقش مهمی در بهبود سرعت پاسخ ترموکوپل دارد.

ترموکوپل ها یک انتخاب عالی برای اندازه گیری دما هستند. به خصوص در محیط های بسیار سرد و بسیار گرم. آنها محدوده دمایی گسترده ای دارند و کاملاً مقاوم هستند. از آنجایی که آنها فقط دو سیم هستند، گاهی اوقات دارای محافظ هستند، می توانند سر و صدا و لرزش های زیادی را تحمل کنند. علاوه بر این، آنها سنسورهای نسبتا خطی هستند. این کار کار با آن را آسان می کند. سیگنال می تواند به راحتی به یک سیگنال 4-20 میلی آمپر تبدیل شود. هنگامی که می خواهید به ورودی پی ال سی آنالوگ متصل شوید، این کار مفید است.