انواع ترموکوپل ها
در جدول زیر اسامی و مشخصات ترموکوپلها براساس استاندارد ISA دیده می شود:


 

مشخصه ترموکوپل
مشخصه ترموکوپل نشان می دهد که ترموکوپل به دلیل رفتار غیرخطی مشخصه و حالت معکوس که در دماهای بالا تر از دمای بازگشت برای مشخصه پیش می آید، تنها در فاصله دمایی محدود دارای کاربرد مفید است . این مشخصه مطابق شکل3 در زیر است:

شکل3

تعداد کمی از ترکیبات فلزی وجود دارند (مانند مس و نقره) که دارای نقطه انتقالی نیستند اما دارای ولتاژ خروجی بسیار ضعیفی هستند.
منحنی مشخصه چند نوع ترموکوپل مهم که کاربرد صنعتی دارند به صورت نمودار شکل 4 در زیر آمده است:

شکل 4

ویژگی ها و مزایای ترمو کوپل
امتیاز خاص ترموکوپل این است که قسمت حس کننده ان خیلی کوچک است و امکان این هست که ترموکوپل ها در فضاهای خیلی کوچک جاسازی شوند و بتوان پاسخ مناسبی را نسبت به تغییرات سریع دما دریافت کرد. به عبارت دیگر مهم ترین ویژگی ترموکوپل حجم کم آن می باشد و سادگی، ارزانی، دقت و محدوده دمایی نسبتاً وسیع از دیگر ویژگی های ترموکوپل ها است.

سری کردن ترموکوپل ها (ترموپیل)

جهت بالا بردن حساسیت معمولاً تعداد زیادی از ترموکوپل ها را سری می کنند، به طوری که تمام اتصالات مرجع دارای حساسیت یکسان و اتصال اندازه گیری در کنار یکدیگر برای اندازه گیری حرارت مورد نظر به کار می روند. به این ترتیب اصطلاحاً ترموپیل می گویند. مثلاً با اتصال 25 ترموکوپل از جنس کرومل - کنستانتان، امکان اندازه گیری با دقت 0.001 درجه سانتیگرادبه دست می آید.
با توجه به ساختار ترموپیل ثابت می شود که ولتاژ خروجی n ترموکپل n برابر ولتاژ هر یک از ترموکوپل ها خواهد بود.
اگر ترموکوپل ها یکسان نباشند، در آن صورت ولتاژ خروجی برابر مجموع ولتاژهای ترموکوپل ها خواهد شد.
شکل5 زیر نحوه سری کردن ترموکوپل ها و تشکیل ساختمان ترموپیل را نمایش می دهد:

شکل 5

موازی کردن ترموکوپل ها (متوسط گیری)

هر گاه گروهی از ترموکوپل های یکسان به طور موازی به هم وصل شوند، ولتاژ تولید شده برابر مقدار متوسط ولتاژها خواهد بود. یا به عبارتی دیگر T2ها و T1ها در دمای مختلف باشند و تمام ترموکوپل ها مقاومت یکسان داشته باشند، ولتاژ خروجی برابر متوسط ولتاژها خواهد بود.
در صورتی که ترموکوپل ها یکسان باشند، چند ترموکوپل موازی شده مانند یک ترموکوپل واحد عمل می کنند که مقدار متوسط را اندازه گیری می کنند.
شکل6 زیر نحوه موازی کردن ترموکوپل ها را نمایش می دهد:

شکل 6

 

ترموکوپل چیست انواع و کاربرد آن کدام است :

ترموکوپل یکی از پر مصرف ترین سنسورهای اندازه گیری دما محسوب میگردد . این سنسورهای ساده با استفاده از اتصال یک فلز و آلیاژ آن و با توجه به اثر سیبک تولید میشوند و با همین مکانیزم ساده قادر به اندازه گیری دما به راحتی در رنج وسیعی از زیر صفر تا حدود 1700 درجه میباشند . با توجه به پدیده سیبک اتصال هر دو فلز از نوع مختلف باعث ایجاد ترموکوپل شده و تولید میلی ولتی متناسب با دمای اعمال شده میکند از این رو انواع مختلفی از ترموکوپل میتوان تولید کرد در حالی که در استانداردهای متداول میتوان از انواع 10 یا 12 ترموکوپل یاد کرد که در مدلهای های مختلف و با اشکال گوناگون تولید میشود . با توجه به کاربرد ، محیط اندازه گیری دما ،رنج دما ، اندازه گیری دقیق از انواع ترموکوپل میتوان به انواع زیر اشاره کرد :

(CHROMEL-ALUMEL) ترموکوپل تیپ 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 −200 °C و +1350 °C و حساسیت آن تقریبا 41  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

(IRON-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ J

این ترموکوپل از فلز آهن Fe و آلیژهای مس - نیکل Cu-Niساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین −180 °C و +750 °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 55 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

(CHROMEL-CONSTANTAN ) ترموکوپل تیپ 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 −40 °C و +900 °C است. این ترموکوپل با 68 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.

(COPPE-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ 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 −250 °C و +400 °C است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترموکوپل ، 46 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 میگیرد

(NICROSIL-NISIL) ترموکوپل تایپ 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−270 °C و +1300 °C است. حساسیت این ترموکوپل ، به اندازۀ 30 µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

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

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

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

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 10 µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا +0 °C و +1750 °Cاست. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا مثلا در صنعت شیشه و فولاد به کار می رود.

ترموکوپل

ترموکوپلی که با کالیبره کردن یک مولتی‌متر دمای اتاق را به °C نشان می‌دهد.

ترموکوپل یکی از انواع مولد برق است. ترموکوپل دو فلز غیرهم‌جنس است که از یک طرف به‌هم متصل‌اند. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند برق تولید می‌شود. البته برقی که به این صورت تهیه می‌شود بسیار کم است. به این صورت که وقتی به محل اتصال این دو مفتول حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر این مفتول‌ها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده‌است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

ترموکوپل یک ترانسدیوسر خود مولد است که از ایجاد دو یا چند اتصال بین فلزات با جنس متفاوت تشکیل شده‌است. بایستی توجه داشت که یک اتصال (اتصال سرد) بایستی دردمای مرجع قرار داده شود. به عنوان مثال اتصال مرجع را بایستی درظرف حاوی یخ در حال ذوب شدن نصب کرد. اتصال دیگر ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملا متصل شود. فلزات ترموکوپلی به طور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند. این دو گروه تر موکوپل به ترموکوپلهای فلزپایه و ترموکوپلهای فلزات قیمتی معروفند.

امتیاز عمدة ترموکوپلها محدودة وسیع اندازه گیری آنهاست که به طور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپلها، عملکرد خطی آنها در محدوده اندازه گیری است.

اگر قسمت کوچکی نوک جوشکاری شده ترموکوپل برداشته شده و ترموکوپل داخل خط لوله جاسازی شود، دمای سیال جاری درداخل لوله، بدون هیچگونه زحمتی قابل اندازه گیری است. این نوع سنسورها در بازار موجود هستند و غالبا جهت اندازه گیری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترموکوپل‌ها دارای تیپ‌های متنوع برای اندازه گیری دما می‌باشند بطور مثال تیپ‌های R - S - B با قابلیت اندازه گیری دما در محدوه ۲۰۰- الی ۱۸۰۰ و تیپهای L - K- J با قابلیت اندازه گیری دما در محدوده ۱۸۰- الی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بکار می‌روند. ولتاژ بوجود آمده در دوسر انتهایی ترموکوپل در هر صورت میلی ولت ورفتار الکتریکی هر ترموکوپل بسته به نوع آلیاژ سیم‌های آن تابع جداول استانداردی است که معمولاً در استانداردهای کشورهای مختلف تعریف و تقریبا در هر تیپ منبطق بر یکدیگر است. یکی از انواع معمول آن ترکیب آلیاژکروم و نیکل می‌باشد. معمولا جهت جلوگیری از آسیب دیدن ترموکوپل آن را درون غلاف فلزی یا سرامیکی قرار می‌دهند. روش جوشکاری دوسر ترموکوپل تابع ضوابط خاصی است بطوری که نباید در حین عملیات جوشکاری فلز یا احیانا نیمه‌هادی دیگری در فرآیند جوش دخالت نماید در غیر اینصورت رفتار ترموکوپل هرگز رفتار استاندارد تعریف شده تابع جداول مربوطه نخواهد بود.
ترموکوپها همواره پس از گذشت سالیان متمادی از بهترین سنسورها برای اندازه گیری دما می‌باشند زیرا با نقطه مورد نظر تماس برقرار نموده و دما را بصورت پتانسیل الکتریکی انتقال می‌دهند و ولتاژ با اتصال به اندیکاتور اندازه گیری و به صورت دما تحت تبعیت از جداول مورد بحث مشابه سازی شده و نمایش داده می‌شود. از این دستگاه برای اندازه گیری دماهای بالا(مثلاً در کوره‌های پخت محصولات سرامیکی)استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها اصولا در دمای پایین داری دقت لازم نیستند ولی جهت سنجش دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد یکی از گزینه‌های خوب می‌باشند.

ترموکوپلها در صنعت دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. از جمله مهمترین کاربردهای ترموکوپل در صنایع را می توان در صنایع تولید لوزام گازسوز نام برد. بدین ترتیب که از ترموکوپل جهت ایمن سازی تجهیزات گاز سوز در مواردی که شعله گاز به دلایلی (از جمله باد) خاموش می‌گردد، جهت قطع کردن گاز و جلوگیری از انتشار آن استفاده می‌گردد. ترموکوپل به دلیل ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافت حرارت، وسیله بسیار مفیدی در کنترل حرارت یا استفاده بعنوان کنترلر می‌باشد. از جمله کاربردهای آن، به عنوان انواع [قطع کننده جریان گاز] می‌باشد.

نگاه اجمالی ترموکوپل یا کوپل ترموالکتریک ، نوعی مولد الکتریسته که با استفاده از ترموالکتریکی جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌کند. ترموکوپل از دو میله فلزی غیر هم جنس رسانا یا نیم رسانا ساخته شده است که از یک سر به هم جوش داده شده‌اند و دو سر دیگر آنها بوسیله حساس مانند گالوانومتر متصل است. با گرم شدن محل اتصال ، جریان ضعیفی از مدار عبور می‌کند.

 

بیان فیزیکی ترموکوپل

ترموکوپل ، دماسنج افتراقی (یا دیفرانسیلی) است که خروجی آن به صورت ولتاژ است. به بیان فیزیکی‌تر ، ترموکوپل حس کننده‌ای است که در آن از دو ماده با اثرهای زبک مختلف برای تبدیل اختلاف دما به اختلاف ولتاژ استفاده می‌شود. ولتاژ باز V₁₂ چنین است:
 

که در آن (S_m(T اثر زبک یا توان گرمایی ماده m در دمای T و _iT دمای ناحیه همدما است. برای مواد همگن و نواحی کاملا همه ما V₁₂ به چگونگی تغییر دما بین T₁ و T₂ بستگی ندارد و فقط اختلاف دماست که اهمیت دارد. مثلا اگر از دو ترموکوپل یکسان استفاده کنیم که برای یکی از آنها وسط ماده B در دمای کوره‌ای داغ و برای دیگری وسط ماده B در دمای مایعی بسیار سرد قرار داشته باشد، ولتاژ حاصل در دو ترموکوپل یکسان خواهد بود.

آرایش کاربردی ترموکوپل

• با رعایت تعدادی نکات احتیاطی همان نتایج آرایشی آرمانی را بدست خواهد داد. اول اینکه هیچگونه گرادیان دمای نباید در پیوند گاه A-B که در دمای T₂ قرار دارد، موجود باشد. اگر مواد را به شکل سیم در آوریم و اتصال گرمایی خوبی در پیوندگاه و قسمتی از هر دو سیم با نمونه اندازه گیری شونده برقرار کنیم، این شرط برآورده می‌شود.

• دوم از آنجا که سیم های مختلفی در T₁ که ولتاژ آن اندازه گیری می‌شود قرار می‌گیرند. لازم است که T₁ ناحیه دما با دمای مشخص باشد. پیشتر این شرط را با متصل کردن ترموکوپل ولت سنج به مخزنهای گرمایی مربع ، مانند مخلوط هم زده‌ای از یخ و آب یا مایع زمزاییک در حال جوش برآورده می‌کردند. ابزارهای جدید این اتصالها را در نواحی که دمای آنها به صورت الکتریکی کنترل می‌شود برقرار می‌کنند.
   
• سوم اینکه لازم است توان گرمایی موادی که ترموکوپلی می‌دهند، بر اثر تغییر دما در گستره‌ای از دما که مورد اندازه گیری است یا بر اثر ناخالصیهایی که ممکن است در محیط اندازه گیری شونده موجود باشد، تغییر نکند. یکی از راههای ممکن برای نقص این شرط اکسید شدن مواد یا هر دو ماده است.

کاربرد آلیاژهای ترموکوپل

بکار بردن آلیاژهای فلزات واسطه به عنوان مواد تشکیل دهنده ترموکوپل همه شرایط را به خوبی برآورده می‌کند. ترموکوپلی که از دو آلپاژ یکی با توان گرمایی مثبت و دیگری با توان گرمایی منفی ساخته شده است. به ازای اختلاف دمای مشخص ولتاژ خروجی یا حساسیت بیشتری خواهد داشت.

ترموکوپل مرکب

ترموکوپل مرکب یا ترموکوبیل ، مجموعه‌ای از چند ترموکوپل است که از نظر گرمایی به صورت موازی و از نظر الکتریکی به صورت متوالی با یکدیگر متصلند، از ترموکوپلهای مرکب در مواردی استفاده می‌شود که به ولتاژهای بیشتری نیاز باشد. آشکارسازی اختلاف دمای ناشی از توان اپتیکی و طراحی چشمه‌های ولتاژ دو نمونه از این موارد است.

به دليل اهميتي که ترموکوپل در وسايل گاز سوز دارد در اين صفحه به ساختمان و اساس کار آن مي پردازيم. 

هر گاه دو فلز غير هم جنس از يک طرف به هم متصل باشند و قسمت اتصال را حرارت بدهيم در دو سر آزاد طرف ديگر آن ها برق بوجود مي آيد. البته برقي که به اين صورت توليد مي شود بسيار کم است .در هر صورت ترموکوپل يک مولد جريان الکتريکي است . از اين خاصيت ترموکوپل و برق توليدي آن در شير کنترل هاي (کاربراتور هاي ) وسايل گاز سوز استفاده مي شود .

تذکر :يکي ديگر از موارد استفاده ترموکوپل اندازه گيري درجه حرارت کوره ها مي باشد. (مثلا" اگر محل اتصال دو فلز آهن وکنستانتان را حرارت دهيم به ازاء هر 100 درجه حرارت، 5 ميلي ولت برق توليد مي شود . که اين جريان توليدي به وسيله دستگاه هاي اندازه گير نظير گالوانومتر قابل اندازه گيري است.

در شير کنترل ها - محل اتصال دو فلز ترموکوپل توسط شمعک (پيلوت) گرم مي شود .انتهاي ديگر ترموکوپل به بوبيني متصل مي شود. برق توليدي ، باعث ميدان مغناطيسي در بوبين شده و هسته بوبين را هميشه به حالت جذب (بطرف داخل بوبين) نگه مي دارد.در سر طرفي از هسته بوبين که آزاد است واشر ظريفي نصب شده است.در صورتي که به هر دليل شعله خاموش يا قطع گردد جريان ترموالکتريک ايجاد شده توسط ترموکوپل قطع شده ،بوبين خاصيت مغناطيسي خود را از دست داده و فنري که پشت هسته بوبين قرار دارد آن را به بيرون رانده و واشر آن مسير اصلي گاز را مي بندد.و به همين دليل است که در هنگام روشن کردن وسايل گاز سوز ترموکوپل دار حدود 20 ثانيه بايد دگمه آن را نگه داشت تا ترموکوپل گرم و برق توليدي ، هسته (سوپاپ) بوبين را در حالت جذب نگه دارد و مسير گاز باز شود.

ترموکوپل وسيله اي بسيار ضروري از نظر ايمني وسايل گاز سوز مي باشد زيرا در صورتي که مثلا" گاز شبکه قطع شود و مجددا" بر گشت داشته باشد از تجمع گاز و خطر آتش سوزي و انفجار جلوگيري مي کند همچنين در مورد اجاق گاز هايي که مجهز به ترموکوپل هستند بايد گفت در صورت سر رفتن غذا و خاموش شدن شعله جريان گاز قطع مي گردد و خطر انتشار گاز وجود ندارد. (در شکل زير يک ترموکوپل و دو نمونه بوبين نشان داده شده است.).

آزمايش سالم بودن ترموکوپل و بوبين-

تقريبا" با نگاه کردن به شکل ظاهري ترموکوپل مي توان سالم بودن ويا خرابي آن را تشخيص داد. اگر محل اتصال دو فلز سوخته شده باشد ودر حقيقت اتصال از هم جدا شده باشد به احتمال زياد ترموکوپل خراب است در انتهاي ديگر ترموکوپل که به بوبين متصل مي شود دو فلز دروني و بيروني ترموکوپل به وسيله واشر عايقي از هم جدا شده ،در صورتي که سر فلز دروني کنده شده ويا واشر خراب شده باشد دليل بر خرابي ترموکوپل مي باشد.

ترموکوپل را مي توان به همراه يک بوبين سالم تست نمود با توجه به شکل اگر انتهاي ترموکوپل را به بوبين متصل نموده وسر ترموکوپل را حرارت دهيم (محلي که در شکل با پيکان قرمز نشان داده شده است.) و هسته بوبين را با انگشت به داخل فشار دهيم (محلي که با پيکان سبز نشان داده شده ) و حدود 20 تا 30 ثانيه نگه داريم. اگر پس از رها کردن ، هسته به جاي اول خود بر نگشته و در حال جذب بماند ترموکوپل سالم،ودر غير اين صورت معيوب است.

تذکر مهم- با توجه به شکل چون يک سر سيم بوبين به بدنه آن متصل است و همينطور بدنه بيروني ترموکوپل يکي از سيم هاي هادي جريان محسوب مي شود ، لذا بايد توسط يک سيم رابط هادي قسمت بيروني ترموکوپل را به بدنه بيروني بوبين متصل نموده تا آزمايش فوق درست بوده و جواب دهد.(در شکل اين سيم با رنگ آبي مشخص شده است.)

ساده ترين راه تست ترموکوپل آن است که سر آن را حدود 20 الي 30 ثانيه حرارت داده و بلافاصله انتهاي آن را توسط دو سيم رابط به بلندگوي کوچکي متصل نماييم در صورت سالم بودن ترموکوپل صداي (تق)ضعيفي از بلند گو شنيده مي شود که نشانه وجود جريان الکتريکي ميباشد.

بوبين را مي توان به همراه يک ترموکوپل سالم آزمايش کرد (طبق آزمايش ترموکوپل به همراه بوبين که شرح داده شد.). همچنين اگر بوبين را به يک باتري کوچک 5/1 ولتي وصل نموده و هسته آن را با انگشت بداخل فشار دهيم اگر پس از بر داشتن انگشت به همان حال ماند بوبين سالم است. پايان

از دوستی با دروغگو پرهیز کن.

خـدا !

حـسـرت هـاے زیـادے از 「بـچـگـﮯ」 بـﮧ دلـم مـونـده

عـیـب نـداره ، شُـکـر ، فـدا سـرت

مـصـلحـتـت ایـن بـوده ... مـا تـسـلـیـم ایـم ...

امـا خـدا ...

نـمـیـخـواے کـﮧ حـسـرت ایـن یـکـﮯ رو هـم بـﮧ دلـم بـذارے ، هـان ؟ ؟ ؟

منبع:باب الحسین