ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل ها ابزارهای بسیار مفید و گسترده در اندازه گیری دما هستند که معمولا در حوزه وسیعی از محیط های علمی، صنعتی و مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند.
اندازه کوچک و زمان واکنش سریع آن ها به این معنی است که می توان آن ها را در هر نوع محیط خطرناک یا چالش برانگیز مورد استفاده قرار داد و در عین حال توانایی اندازه گیری سریع و دقیق دمای شدید (بسته به پیکربندی خاصشان هر درجه حرارتی بین 270 تا 2500 درجه سانتیگراد) را فراهم می کند.
با وجود این توانایی چشمگیر، آن ها در واقع ابزاری نسبتا ساده ای هستند که در عین قدرتمندی بسیار مقرون به صرفه هم می باشند. انواع مختلف ترموکوپل، که معمولا با حروفی مانند J ، K ، L ،N یا T تعریف می شوند، قابلیت های متفاوتی از این مشخصات کلیدی ارائه می دهند، برخی از آن ها با استفاده از مواد خاصی طراحی شده اند تا در برابر بالاترین درجه حرارت و محیط های چالش برانگیز مقاومت کنند، در حالی که برخی دیگر جنسی زبر و خشن دارند و ساختشان ارزان تر تمام شده است و برای استفاده در محیط های بسیار کم مصرف در نظر گرفته شده است.
در این راهنما، انواع مختلف ترموکوپل های موجود در بازار امروز را از نزدیک بررسی خواهیم کرد و برخی از کاربردهای بالقوه آن ها را بحث خواهیم کرد.
ترموکوپل چه کاری انجام می دهد؟
همانطور که در بالا ذکر شد، ترموکوپل ابزار حسگر است که اصولا برای اندازه گیری دمای ناشناخته اجسام، اجزاء یا مواد مختلف فیزیکی طراحی شده است.
نکته اساسی این است که یک ترموکوپل حداقل از دو سیم از جنس فلزات مختلف ساخته شده است که وقتی به یکدیگر متصل شوند و مدار را تشکیل دهند، دو اتصال الکتریکی جداگانه ایجاد می کنند. یکی از محل های اتصال، جایی است که نیاز به اندازه گیری درجه حرارت ناشناخته وجود دارد (محل اتصال «گرم» یا اندازه گیری) و دیگری به یک بدنه با درجه حرارت شناخته شده و پایدار (محل اتصال «سرد» یا مرجع) متصل می شود.
اختلاف دما بین این دو اتصال در هر زمان مشخص باعث ایجاد ولتاژ در مدار می شود و از جریان های بعدی می توان برای اندازه گیری دما در نقطه تماس ناشناخته یا «گرم» استفاده کرد.
ترموکوپل چگونه کار می کند؟
شاید جای تعجبی نباشد که بدانید ترموکوپل بر اساس ترموالکتریک کار می کند: همانطور که در بالا ذکر شد، هنگامی که دما در محل اتصال گرم نسبت به محل اتصال سرد تغییر می کند، باعث ایجاد تغییر ولتاژ در یک مدار بسته متشکل از سیم های فلزی غیرمشابه می شود.
برای مشاهده بسیار ساده این اصل به صورت عملی، به نگه داشتن یک ماهیتابه یک تکه روی شعله گاز فکر کنید. گرچه خیلی سریع مشخص خواهد شد که گرما از دسته ماهیتابه به سمت انتهای سرد دست شما حرکت می کند، اما چیزی که بلافاصله مشخص نیست، این است که برق نیز همان مسیر را طی می کند.
این دقیقا به دلیل تفاوت در سطح حرارت در دو «اتصال» مدار رخ می دهد: جریان توسط نیروهای محرکه الکتریکی ایجاد می شود که آن ها هم به نوبه خود از طریق تفاوت دما بین هر اتصال ایجاد می شوند و یک ترموکوپل از ولت متر متصل برای اندازه گیری آن جریان استفاده می کند. ترموکوپل به شرطی که از قبل دمای شروع پایدار را در انتهای اتصال سرد بداند، می تواند از این خوانش ولتاژ برای محاسبه دقیق دما در محل اتصال گرم استفاده کند.
همچنین لازم به ذکر است که اگر دما در هر دو محل یکسان باشد، نیروهای الکتریکی تولید شده در هر اتصال، اساسا یکدیگر را دفع می کنند و نتیجه این خواهد شد که جریان خالص جریان یافته از محل اتصال صفر است.
اثر سیبک (Seebeck) چیست؟
اصلی که در بالا به آن اشاره شد، به زبان ساده همان چیزی است که به عنوان اثر سیبک یا یکی از آثار فرایند ترموالکتریکی شناخته می شود. این نام از روی نام توماس یوهان سیبک، فیزیکدان معروف برداشته شده است. وی اولین کسی بود که کشف کرد پیوستن دو فلز مختلف به یکدیگر در دو نقطه اتصال با دمای متفاوت نیروی الکتریکی ایجاد می کند و این نیرو بسته به ترکیب خاص فلزات مورد نظر متفاوت خواهد بود .
یافته های سیبک توسط حداقل دو فیزیکدان دیگر، از جمله پلیتر (Peliter) و تامسون (Thomson)مورد اصلاح و بازنگری قرار گرفت، تا جایی که نتیجتا مقدار ولتاژ دقیق ثبت شده در یک مدار از فلزات مختلف را می توان با فرمول های دقیق علمی به کار برد تا مقدار دمایی سابقا ناشناخته را تفسیر کرد.
به همین ترتیب، عملکرد یک ترموکوپل مدرن به ترکیبی از حداقل مشاهدات سه فیزیکدان وابسته است که همه اینها در ابتدا از کشف اثر سیبک نشات گرفته است.
ترموکوپل چه شکلی است؟
ترموکوپل ها بسته به نوع کاربرد و محیط کار می توانند از نظر فیزیکی بسیار متفاوت به نظر برسند. اما، همانطور که در مثال نمودار ترموکوپل در زیر مشاهده می شود همه آن ها به همان اصول و سیستم های اساسی متکی هستند:
دو یا چند سیم غیر مشابه ترموکوپل (حداقل) دو اتصال در مدار ایجاد می کنند، یکی از آن ها همیشه در دمای ثابت و پایدار نگه داشته می شود، معمولا پایین تر، اما گاهی بالاتر از دمای محل اتصال «گرم».
یک ولت متر متصل به مدار، جریان ایجاد شده توسط نیروهای الکتریکی نشات گرفته از تفاوت دما را می خواند و سپس می توان از آن برای خواندن دقیق دما در محل اتصال اندازه گیری استفاده کرد.
انواع ترموکوپل
همانطور که قبلا اشاره شد، امروزه انواع مختلف ترموکوپل در بازار موجود است که همه آن ها برای کنترل طیف متفاوتی از موارد کاربردی یا محیط های چالش برانگیز و به ویژه دامنه های مختلف دما طراحی شده اند. آن ها به طور معمول با حروف متفاوت نشان داده می شوند: از جمله درجه های ترموکوپل که معمولا یافت می شوند عبارتند از J ، K ، L ، N و T هستند.
هر یک از این حروف نشان دهنده ترکیبی متفاوت از فلزات مورد استفاده در اتصالات مدار ترموکوپل هستند. این ترکیبات متفاوت تاثیر مستقیمی بر حساسیت دما و دامنه عملکرد امن کل واحد خواهد داشت.
در این بخش از راهنما، برخی از این انواع مختلف و پیکربندی های ترموکوپل را بررسی خواهیم کرد تا ببینیم به طور معمول در چه نوع محیط ها و دامنه های دمایی قابل استفاده هستند.
ترموکوپل نوع K
این ترموکوپل از متداول ترین نوع مورد استفاده در صنایع و بخشهای مختلف است. واحدهای نوعK از ترکیبی از سیم های مبتنی بر فلز نیکل (به طور معمول کرومل یا آلومل) ساخته شده اند که منجر به شکل گیری یک ترموکوپل به طرز خاص مقرون به صرفه می شود که برای استفاده در طیف وسیعی از دماهای عملیاتی دقیق و قابل اعتماد است.
ترموکوپل های نوع K معمولا در محدوده منفی 200 تا بالای1260 درجه سانتیگراد استفاده می شوند و تخمین دمای دقیق را با انحراف معیار 0.75 ± در نظر می گیرند.
ترموکوپل های نوع K به دلیل ساخته شدن از نیکل، طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه دارند، به این معنی که سیم های آنها قادر به کار در طیف گسترده ای از دما هستند و به طور کلی استقامت راسخی در برابر خوردگی و اکسیداسیون از خود نشان می دهند.
سیم ترموکوپل در مشخصات نوع K معمولا شامل یک پایه مثبت متشکل از تقریبا 90 درصد نیکل، 10 درصد کروم و پایه منفی آن متشکل از حدود 95 درصد نیکل، 2 درصد آلومینیوم، 2 درصد منگنز و 1 درصد سیلیسیم است.
ترموکوپل نوع J
این ترموکوپل ها نوع دیگری از پرکاربردها هستند. اگرچه به طور کلی دامنه دمایی محدود تری (منفی 40 تا بالای750 درجه سانتیگراد) نسبت به انواع K دارند و در صورت قرار گرفتن در معرض گرمای بیش از حد، طول عمر کلی کوتاه تری را از خود نشان می دهند. پایه مثبت نوع J از سیم آهن ساخته شده است و پایه منفی آن از آلیاژ مس- نیکل (کنستانتان) تشکیل شده است.
این یکی از ارزان ترین انواع ترموکوپل است و همه کاره در نظر گرفته می شود، به ویژه بسیار مناسب برای استفاده در فضای جوی نزولی (غیر اکسید کننده ) و خلاء و ایده آل برای خوانش دما از بسیاری از انواع تجهیزات قدیمی تر و همچنین مواد خنثی است. با این حال، اجزای آهنی موجود در واحدهای نوع J بسیار حساس به اکسیده شدن و خوردگی هستند و در شرایطی که احتمال قرار گرفتنشان در معرض رطوبت وجود دارد، نباید از آن ها استفاده شود.
ترموکوپل نوع N
از سیم های ساخته شده از آلیاژهای نیکروسیل- نیسیل (نیکل ، کروم و سیلیکون) تشکیل شده است و بسیاری از خصوصیات مشابه فلزاتی را که در ترموکوپل های نوع K یافت می شوند، یعنی دمای عملکرد در محدوده منفی270 تا بالای 1300درجه سانتیگراد را نشان می دهد .
با این حال، به دلیل اینکه اخیرا برای حل و فصل برخی مشکلات با انواع K در محیط های خاص تولید می شوند، کمی گران تر از انواع K هستند، به ویژه نوع N پایداری همه جانبه بهتری را در کاربردهای هسته ای ارائه می دهد و نسبت به انواع K، حساسیت کمتری به اکسیداسیون تحت الزامات حرارتی شدید نشان می دهد.
ترموکوپل نوع T
در دامنه بین منفی 200 تا بالای 505 درجه سانتیگراد استقامت دمایی از خود نشان می دهد و این نوع ترموکوپل به دلیل پیکربندی به طرز خاصی پایدار خود که متشکل از سیم های آلیاژ مس است، جلب توجه می کند. این امر باعث می شود تا به طور ایده آل متناسب با انواع کاربردهای برودتی و سایر محیط ها با دمای پایین باشد، از جمله طیف وسیعی از آزمایشگاه ها و محیط های مشابه با دمای نزدیک به انجماد شدید. این عملکرد در فضای جوی اکسید کننده نیز به خوبی عمل می کند و به دلیل اینکه سیم های مسی مستقیما با میله ها در تماس هستند، اغلب برای اندازه گیری های افتراقی استفاده می شود.
ترموکوپل ها برای چه استفاده می شوند؟
همانطور که قبلا صحبت کردیم، انواع و پیکربندی های مختلف ترموکوپل ها در مجموعه ای عظیم از کاربردهای خانگی و حرفه ای روزمره، از جمله لوازم خانگی، ماشین آلات صنعتی، سازوکارهای های خودرو، اعمال آزمایشگاهی و موارد دیگر بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.
به عنوان مثال می توان به ذکر چند مورد اشاره کرد:
ترموکوپل برای ترموستات
ترموستات ها در انبوهی از پیکربندی ها اغلب شامل ترموکوپل ها به عنوان اجزای اصلی در اجرای عملکرد صحیح و کارآمدی هستند. اغلب مواقع در تعریف تفاوت های دقیق این دو سردرگمی هایی ایجاد می شود که دلیل آن هم کارکردهای های بسیار نزدیک (اما متمایز) و نام های مشابه آن ها است.
نکته اساسی برای جلوگیری در اشتباه گرفتن این دو به جای یکدیگر این است که بخاطر بسپارید ترموکوپل یک سنسور دما است و برای خواندن دقیق دما کاربرد دارد. از طرف دیگر، ترموستات قسمتی از دستگاه است که در واقع همه چیز را بر اساس آن خوانش از طرف ترموکوپل، خاموش و روشن می کند. به همین ترتیب، ترموکوپل غالبا جزء مورد استفاده در ترموستاتی است که با خواندن دقیق دما، آن ترموستات را برای انجام عمل خاموش و روشن کردن تحریک می کند.
ترموکوپل مخصوص دماسنج های پزشکی
دماسنج های بیمارستانی و سایر موارد و تجهیزات تشخیص و درمان پزشکی، اغلب از ترموکوپل استفاده می کنند. اینها اغلب در نسخه های تخصصی یا کوچک پیکربندی می شوند که به خوانش سریع تر و دقیق تر درجه حرارت بدن بیماران و ماشین آلات و فرآیندهای حیاتی وابسته به دما کمک می کنند.
این کاربردها ممکن است شامل مواردی از حسگرهای پوستی و کارگذاری زیرپوستی گرفته تا تشخیص تومور و تحقیقات DNA ، سنجش جریان مربوط به دما و میله های جراحی باشد. بسیاری از انواع دماسنج های پزشکی برای اندازه گیری بسیار دقیق با استفاده از سیم های بسیار باریک، به فناوری ترموکوپل متکی هستند.
ترموکوپل برای شناسایی مشکلات وسیله نقلیه
ترموکوپل ها به طور گسترده ای در خودروسازی و هوا فضا برای کمک به نظارت و مدیریت طیف گسترده ای از درجه حرارت های مهم مورد استفاده قرار می گیرند و از موارد تشخیصی گرفته تا بهبود عملکرد موتور و ایمنی خودرو کاربرد دارند.
از داده های خوانده شده توسط ترموکوپل موتور و سایر حسگرهای وسایل نقلیه می توان برای نظارت و تنظیم عواملی مانند خوانش گازهای خروجی، عملکرد سر سیلندر و شمع، عملکرد ترمز دیسک، سلامت باتری و تغییرات در برابر محیط های بیرونی استفاده کرد.
ترموکوپل برای دیگ های بخار، سنسورهای گرمایشی و کوره ها
همانطور که در بالا ذکر شد، کارکرد ترموکوپل های دیگ های بخار، سیستم های گرمایش آب و سنسورهای گرمایش کوره ها به همان روشی است که برای ترموستات کار می کنند.
انواع گازی این وسایل غالبا از ترموکوپل ها به عنوان ویژگی ایمن ساز استفاده می کنند، به این شکل که اگر گرمای حاصل از شعله پیلوت یا شمع دستگاه ولتاژ لازم را از طریق مدار ترموکوپل تولید نکند، از باز شدن دریچه های گاز جلوگیری می کنند.
ترموکوپل ها وقتی در دیگ های بخار و سیستم های گرمایش آب دیده می شوند، اغلب با ترمیستورها اشتباه گرفته می شوند.
اگرچه این کاملا دقیق نیست.
در حالی که از هر دو برای اندازه گیری دما استفاده می شود، یک ترمیستور مولفه اندکی متفاوت است که بر اساس این اصل کار می کند که مقاومت الکتریکی درون مواد با افزایش و کاهش دما تغییر می کند. برخلاف ترموکوپل، ترمیستور دیگ بخار ولتاژ تولید نمی کند.
ترموکوپل برای دماسنج های صنایع غذایی، میل های صنعتی و حسگرها
دماسنج های صنایع غذایی اغلب از فناوری ترموکوپل استفاده می کنند تا دمای بسیار سریع و دقیقی را هم در مراحل تولید و تهیه مواد غذایی و هم در کل وعده های غذایی ارائه دهند.
برخلاف دماسنج های سنتی آشپزخانه، قرار نیست که ترموکوپل ها هنگام پخت و پز در غذا باقی بمانند.
زمان واکنش سریع یک ترموکوپل، مثلا در یک دماسنج غذایی دیجیتال، به این معنی است که می توان از آن برای انتقال سریع و دقیق دمای مشخص در قسمت های مختلف اقلام بزرگ تر مانند گوشت و مرغ استفاده کرد، بدون نیاز به انتظار برای اینکه دماسنج خودش هر بار دمای صحیح را در هر خوانش ثبت کند.
به علاوه، این واقعیت که می توان این فناوری را به اتصالات سیمی بسیار کوچک و دقیق کاهش داد، باعث می شود که بتوان خوانش دقیق را در اقلام غذایی کوچک تر یا ظریف تر که تاب مقاومت در برابر دماسنج غذایی استاندارد با ضخامت بالاتر را ندارد، دریافت کرد.
همین اصول در مورد طیف وسیعی از سنسورها و میل های درجه صنعتی که در انواع مختلف ساخت و سایر فرایندهای حیاتی وابسته به دمای تولید اعمال می شوند.
بسیاری از این ترموکوپل ها که برای مصارف کارخانه ای، مکانیکی یا آزمایشگاهی در نظر گرفته شده اند دارای ویژگی هایی مانند میله های مغناطیسی و ترموسنسورهای قوی تر نیز هستند تا بتوانند در محیط هایی با دمای بسیار بالاتر از آنچه معمولا برای بیشتر مصارف خانگی لازم است، عمل کنند.
خلاصه
همانند انواع سنسورها و مبدل ها، انتخاب بهترین ترموکوپل برای نیازهای خاص کاری که در ذهن دارید، شدیدا تحت تاثیر طیف متنوعی از قالب های موجود، مواد، تنظیمات و هزینه های مرتبط با ترموکوپل های موجود در بازار امروز خواهد بود.
