ترموکوپل (thermocouple) یک نوع سنسور اندازه‌گیری دما است که از دو فلز مختلف تشکیل شده است که از یک طرف به هم متصل شده‌اند. زمانی که اتصال دو فلز حرارت داده می‌شود یا خنک می‌شود، ولتاژی در ترموکوپل ایجاد می‌شود که به مقدار دما وابسته است.
ترموکوپل را می‌توان یک سنسور دمای مقاوم، ساده و ارزان‌قیمت دانست که در گستره وسیعی از فرایندهای اندازه‌گیری دما مورد اسفاده قرار می‌گیرد. در مقالات قبلی وبلاگ پریسماتک سنسورهای دما غیرتماسی، سنسورهای RTD و ترمیستورها را مورد بررسی قرار دادیم.
در این مطلب قصد داریم به بررسی ساختار و اصول کار و انواع ترموکوپل‌ها بپردازیم. تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.
ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی از جمله پروب ترموکوپل، پروب ترموکوپل با کانکتور، ترموکوپل مادون قرمز، ترموکوپل سیمی و پروب ترموکوپل transition joint تولید می‌شوند. ترموکوپل‌ها به دلیل تنوع بالای مدل‌ها و مشخصه‌های فنی، در کاربردهای زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به همین دلیل اطلاع از ساختار و کارکرد و بازه اندازه‌گیری هر کدام برای تعیین نوع و جنس مناسب با هر کاربرد بسیار ضروری است.
در سال ۱۸۲۱ یک فیزیکدان آلمانی به نام سیبِک (Seebeck) اثر ترموالکتریک را کشف کرد که اساس کار ترموکوپل را شکل داد. او مشاهده کرد که اگر بین نقاط اتصال در دو فلز ناهمسان که یک مدار بسته تشکیل داده‌اند، اختلاف دما وجود داشته باشد، جریان الکتریکی در آن مدار برقرار می‌شود. به عبارت دیگر، اگر دو فلز ناهمسان در دو طرف به هم وصل شوند و به یکی از این اتصالات گرما داده شود، در مدار ترموکوپل جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. اگر این مدار در مرکز شکسته شود، ولتاژ مدار باز (ولتاژ سیبِک) تابعی از دمای پیوند و جنس دو فلز خواهد بود.
در تصویر زیر نمایی از ساختار ترموکوپل نشان داده شده است.
همان طور که گفتیم، اگر محل اتصال دو فلز گرم و یا سرد شود، ولتاژی تولید می‌شود که با دما متناسب است. اما اگر دمای محل دو اتصال با همدیگر برابر باشد، ولتاژ تولید شده از هر اتصال، ولتاژ دیگری را خنثی می‌کند و در مدار جریان برقرار نمی‌شود. پس ترموکوپل در واقع اختلاف دمای بین دو اتصال را اندازه‌گیری می‌کند و بر همین اساس می‌توان از آن استفاده کرد.
چون ترموکوپل اختلاف دما را اندازه می‌گیرد (نه دمای مطلق را)، پس برای اندازه‌گیری دمای یک نقطه باید یکی از اتصالات که به آن اتصال سرد (cold junction) می‌گویند را در یک دمای مرجع ثابت حفظ کرد و اتصال دیگر را محلی قرار داد که قصد اندازه‌گیری دمای آن را داریم. دمای نقطه مورد نظر از فرمول زیر به دست می‌آید:
Target Temerature = (voltage / Seebeck voltage) + Refrence temperature
Seebeck coefficient = S = – ΔV /ΔT
ضریب سیبک برای هر ماده در دمای اتاق متفاوت است. در تصویر زیر بخش‌های مختلف یک ترموکوپل نشان داده شده است.
معمولا المان ترموکوپل درون ترموول قرار می‌گیرد. قطر خارجی ترموکوپل نیز معمولا ۱/۴ اینچ است. جنس غلاف این المان استیل ضدزنگ است، اما می‌تواند از مواد دیگری مانند اینکنل، هستلوی مونل و … نیز باشد. ترموکوپل‌های داپلکس دارای دو المان درون یک غلاف هستند.
داشتن یک اتصال با دمای مشخص برای کاربردهای آزمایشگاهی مفید است، اما در اغلب کاربردهای کنترلی امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل، از یک اتصال سرد ساختگی یا مصنوعی با استفاده از یک المان حساس به دما مانند ترمیستور یا دیود برای اندازه‌گیری دمای اتصالات ورودی در تجهیز استفاده می‌شود. باید بسیار دقت کرد تا گرادیان دما را بین ترمینال‌ها مینیمم کرد. به این ترتیب می‌توان ولتاژ ناشی از یک اتصال سرد مشخص را شبیه‌سازی کرد و ضریب مناسب را اعمال کرد. به این کار جبران‌سازی اتصال سرد (cold junction compensation) می‌گویند. برای جبران‌سازی اتصال سرد در برخی انواع خاص ترموکوپل مدارات مجتمع نیز طراحی شده است.
در حالت کلی می‌توان گفت ۳ نوع اتصال اندازه‌گیری در ترموکوپل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در این نوع اتصال، نوک زمین شده ترموکوپل به غلاف جوش شده است تا زمان پاسخ‌دهی سریع‌تر شود و نویزهای الکتریکی کمتر شوند.
در اتصال نوع B نوک ترموکوپل زمین نشده است و از لحاظ الکتریکی از بدنه ایزوله است. اما دارای زمان پاسخ‌دهی بزرگتری است.
در اتصال نمایان یا ترموکوپل سیمی لخت (bare wire)، اتصال بیرون از غلاف و در تماس مستقیم با سیال فرایند است. در تصویر زیر این ۳ نوع اتصال نشان داده شده است.
ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی از ترکیبات فلزات و کالیبراسیون‌ها موجود هستند. اما متداول‌ترین انواع ترموکوپل را می‌توان ترموکوپل‌های فلزات پایه شامل انواع J ،K ،T ،E و N دانست.
همچنین ترموکوپل‌های با کالیبراسیون دمای بالا نیز وجود دارند که به آن‌ها ترموکوپل‌های فلزات نوبل نیز می‌گویند و شامل ترموکوپل‌های نوع R،S،C و GB هستند. هر کدام از این انواع ترموکوپل دارای بازه دمایی متفاوتی هستند.
همچنین بیشینه دما در هر کدام متناسب با قطر سیم مورد استفاده در آن‌ها تغییر می‌کند. اگرچه بازه دمایی هر ترموکوپل را نوع آن تعیین می‌کند، اما گاهی قطر سیم مورد استفاده در آن بیشینه بازه دمایی را محدود می‌کند.
این بدین معنی است که در ترموکوپل‌های نازک نمی‌توان به بیشینه بازه اندازه‌گیری دست یافت. در جدول زیر بازه دمایی هر کدام از انواع ترموکوپل‌ها نشان داده شده است.
| نوع ترموکوپل | بازه دمایی | استاندارد خطا |
| J | ۰ تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد | بزرگ‌تر از ۲.۲ درجه سانتی‌گراد یا ٪۰.۷۵ |
| K | ۲۰۰- تا ۱۲۶۰ درجه سانتی‌گراد | بزرگ‌تر از ۲.۲ درجه سانتی‌گراد یا ٪۰.۷۵ |
| E | ۲۰۰- تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد | بزرگ‌تر از ۱.۷ درجه سانتی‌گراد یا ٪۰.۵ |
| T | ۲۵۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد | بزرگ‌تر از ۱ درجه سانتی‌گراد یا ٪۰.۷۵ |
ترموکوپل نوع K در بین سایر انواع از محبوبیت بالاتری برخوردار است. دلیل این محبوبیت بازه اندازه‌گیری وسیع و دوام بالای ترموکوپل‌های نوع K است. مواد رسانای مورد استفاده در این نوع ترموکوپل به لحاظ شیمیایی خنثی‌تر از نوع T (مس) و نوع J (آهن) است.
خروجی ترموکوپل نوع K کمی کوچک‌تر از خروجی ترموکوپل‌های نوع T ،J و E، اما بزرگ‌تر از نزدیک‌ترین رقیب خود، یعنی ترموکوپل نوع N است و زمان بیشتری مورد استفاده در صنعت بوده است.
در استاندارها، برای سیم‌های اتصال در انواع مختلف ترموکوپل‌ها رنگبندی خاصی تعیین شده است. در استاندارد API 551 بر حسب نوع ترموکوپل رنگبندی و جنس آلیاژها به صورت جدول زیر است.
توجه به این نکته ضروری است که هم دقت و هم بازه اندازه‌گیری به آلیاژهای ترموکوپل، دمای اندازه‌گیری، ساختار سنسور، جنس مواد غلاف، سیال مورد اندازه‌گیری، حالت سیال (جامد، مایع یا گاز) و قطر سیم ترموکوپل و یا در صورت پوشش‌دار بودن، به قطر غلاف ترموکوپل وابسته هستند.
ترموکوپل‌ها در خروجی خود ولتاژی تولید می‌کنند که به دمای اندازه‌گیری وابسته است. معمولا اطلاعات درباره ولتاژ ترموالکتریک و دمای متناظر برای هر مدل ترموکوپل در جداولی توسط سازندگان منتشر می‌شود. همچنین در اغلب این مدارک بازه دمای ترموکوپل، محدوده خطا و ملاحظات محیطی نیز درج می‌شوند.
ولتاژ تولید شده در خروجی ترموکول معمولا مقدار بسیار کوچکی در محدوده میلی ولت است و خطای مطلق ترانسمیتر ۰.۰۱ میلی ولت در نظر گرفته می‌شود. بنابراین خطا کمتر از ۱ درجه سانتی‌گراد خواهد بود.
اما برای بازه دماهای بسیار کوچک این مقدار خطا نیز قابل قبول نیست. بنابراین باید از ترموکوپل‌های دمای بالا استفاده کرد. برای اندازه‌گیری دماهای پایین تا اواسط بازه دمایی (۲۰۰- درجه سانتی‌گراد تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) معمولا از RTDهای PT100 استفاده می‌شود. در نموادر زیر مقدار ولتاژ تولید شده در انواع مختلف ترموکوپل‌ها نشان داده شده است.
خطای کل، حاصل مجموع خطاهای سیم ترموکوپل، سیم‌های اتصال و سیگنال کاندیشنر یا ترانسمیتر است. برای کاهش خطای سیم‌های اتصال و تاثیرات محیط، باید طول این سیم‌ها تا حد ممکن کوتاه باشند. در نتیجه بهترین راه‌حل، نصب ترانسمیتر درون هد ترموکوپل است.
انتخاب نوع مناسب ترموکوپل وابسته به نوع کاربرد مد نظر است. در ادامه به مواردی می‌پردازیم که باید هنگام انتخاب ترموکوپل به آن‌ها توجه کرد.
جنس غلاف (در نوع پروب ارتماسی)، جنس عایق (برای سنسورهای سطحی یا سیمی) و هندسه سنسور نیز از سایر ملاحظات مهم در انتخاب ترموکوپل به شمار می‌آیند.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
سنسور RTD چیست و چگونه کار می‌کند؟
سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد
ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر
ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده
بازتاب داخلی کلی یا Total Internal Reflection چیست؟
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
