کدام ترموکوپل مناسب کار ماست؟!

ترموکوپل چیست؟
در صنعت معمولترین وسیله برای اندازه گیرهای الکتریکی دما ترموکوپل ها میباشند. مکانیزم ترموکوپل ها بر حسب پدیده سی بک (Seebeck)  میباشد که وظیفه آنها تبدیل تغییرات دما به ولتاژ  است و با همین مکانیزم ساده قادر به اندازه گیری دما به راحتی در رنج وسیعی از زیر صفر تا حدود ۱۷۰۰ درجه میباشند. از ترکیب دو فلز غیر هم جنس مانند آهن و کنستانتان، ترموکوپل تشکیل می شود که از یک طرف به صورت الکتریکی به هم وصل شده اند و در این نقطه اتصال گرم یا المان حسگر را به وجود آورده اند (تصویر شماره ۱). در نقطه اتصال گرم ترموکوپل، اندازه گیری دما انجام می شود که این نقطه با فرایند در تماس است. با وجود اینکه این نقطه، نقطه اتصال گرم نامیده می شود اما ممکن است برای اندازه گیری دماهای زیرصفر هم از ترموکوپل استفاده شود و نقطه اتصال گرم در چنین دمایی قرار داده شود. اعمال حرارت به نقطه اتصال دو فلز در اتصال گرم، باعث ایجاد ولتاژ کوچکی بین دو فلز در طرف دیگر می شود. در این نقطه که به ترانسمیتر یا ولت متر متصل می شود اتصال مرجع یا سرد تشکیل می شود. میزان ولتاژ متناسب با میزان دما است.
رابطه بین ولتاژ حاصل و دما، خطی نیست. دمای فرایند با توجه به مقدار ولتاژ حاصل، با خواندن از روی یک منحنی و یا به وسیله جدول های ترموکوپل به دست می آید.
روش های مختلفی برای اتصال سیم های ترموکوپل در نقطه اتصال گرم وجود دارد این روش ها عبارت اند از: پیچیده شدن، چفت شدن، لحیم شدن و انواع مختلف جوش دادن مشابه.

اتصال گرم ترموکوپل می تواند به بدنه سنسور متصل شود یا اینکه با آن، فاصله داشته باشد. با المان های ترموکوپل ذوب (دو ترموکوپل در یک بدنه)، می توان المان ها را به هم متصل کرده یا جدا از هم قرار داد. این اتصال ها به هر صورتی که قرار گیرند مزایا و محدودیت های مربوط به خود را دارند.
• زمین شده: اتصال المان حسگر به بدنه ترموکوپل باعث هدایت حرارتی بهتر و درنتیجه پاسخ زمانی سریع تر می شود. اما در این حالت، مدار ترموکوپل در معرض نویز الکتریکی قرار می گیرد که می تواند سیگنال ولتاژ ترموکوپل را تحت تاثیر قرار دهد.
• زمین نشده: اتصال های زمین نشده در معرض نویز الکتریکی نیستند ولی در مقایسه با اتصال های زمین شده، پاسخ زمانی آهسته تری دارند.
• متصل شده: در ترموکوپل هاب دوبل با اتصال های گرم به هم متصل، هر دو ترموکوپل در یک دما قرار دارند، ولی اگر مشکلی پیش بیاید معمولا هر دو ترموکوپل دچار اشکال می شوند.
• متصل نشده: در ترموکوپل های دوبل با اتصال های گرم جدا از هم، ممکن است دو ترموکوپل هم دما یا غیر هم دما باشند. در این نوع اتصال به علت مستقل بودن ترموکوپل ها، قابلیت اطمینان بیشتر است.

مزایای ترموکوپل
• هزینه کم
• اندازه کوچک
• مقاوم
• محدوده کاری وسیع
• پایداری در حد قابل قبول
• دقیق برای تغییرات دمایی بالا
• پاسخ سریع

معایب ترموکوپل
• خروجی خیلی ضعیف در حد میلی ولت
• دقت محدود برای تغییرات دمایی کم
• حساس نسبت به نویز الکتریکی
• تبدیل پیچیده از emf به دما
• غیرخطی

انواع ترموکوپل
براساس ترکیب های ممکن از فلزها، می توان تعداد بی شماری ترموکوپل ساخت، ولی در عمل تعداد ترموکوپل ها مشخص و محدود است. مشخصه های لازم برای به کارگیری فلز در ساخت ترموکوپل عبارت اند از:

• نقطه ذوب فلز
• واکنش نسبت به تغییر شرایط اتمسفر
• خروجی ترموالکتریکی در ترکیب با دیگر فلزات
• میزان هدایت الکتریکی فلز، در مقابل مقاومت الکتریکی آن
• ساخت و به کارگیری آسان
• پایداری
• تکرارپذیری
• هزینه

ترموکوپل های استاندارد عبارت اند از:

• نوع E: کرومل و کنستانتان
• نوع J: آهن و کنستانتان
• نوع T: مس و کنستانتان
• نوع K: کرومل و آومل
• نوعN: نیکروسیل و نیسیل
• نوع S،Rو B: پلاتین و رودیوم

ترموکوپل نوع K

ترموکوپل نوع K از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می شود.این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین ترموکوپل ها می باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین −۲۰۰°C و +۱۲۵۰ °C و حساسیت آن تقریبا ۴۱ µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب تر می باشد.

ترموکوپل نوع J

این ترموکوپل از فلز آهن Fe و آلیاژهای مس – نیکل Cu-Niساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین −۱۸۰ °C و +۷۵۰ °C است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل ، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی ۵۵ µV/°Cاست و برای طرح های جدید توصیه می شود. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد استفاده نمی شود

ترموکوپل نوع E

ترموکوپل نوع E با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی آن ، بین −۴۰ °C و +۹۰۰ °C است. این ترموکوپل با ۶۸ µV/°C بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است، استفاده کرد.

ترموکوپل نوع T

ترموکوپل نوع T از مس Cu و آلیاژ نیکل – مس Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل ، بین −۲۵۰ °C و +۴۰۰ °C است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترموکوپل ، ۴۶ µV/°C است.ترموکوپل نوع T در صنعت به دلیل اینکه نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطیتر است و رنج درجه حرارت مناسبی دارد و همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است در صنعت بیشتر مورد استفاده می گیرد.

ترموکوپل نوع N

ترموکوپل نوع N از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین−۲۷۰ °C و +۱۳۰۰ °C است. حساسیت این ترموکوپل ، به اندازۀ ۳۰ µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

ترموکوپل نوع S ،Rو B

ترموکوپل تیپ R (PLATINUM/13% RHODIU-PLATINUM )

ترموکوپل تیپ S (PLATINUM-PLATINUM /10%RHODIUM )

ترموکوپل تایپ B ( PLATINUM/30% RHODIUM-PLATINUM/6% RHODIUM)

ترموکوپل نوع B ، ترموکوپل نوع S و ترموکوپل نوع R که با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود.قیمت آنها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود ۱۰ µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا +۰ °C و +۱۷۵۰ °Cاست. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا مثلا در صنعت شیشه و فولاد به کار می رود.

پارامترهای مهم جهت انتخاب ترموکوپل