سنسورهای ترموکوپل یکی از پرکاربرد ترین سنسورها در صنعت می باشد که از این سنسور برای اندازه گیری دما استفاده می شود.

ترموکوپل Thermocouple

ترموکوپل ها بر اساس پدیده ترموالکتریک کار می کنند، بدین صورت که هرگاه محل اتصال دو فلز غیر هم جنس که تشکیل یک مدار بسته میدهند را گرم کنیم، در مدار جریان الکتریکی برقرار می گردد. شکل زیر این پدیده را نشان میدهد.

پدیده ترموالکتریک در ترموکوپل

در واقع ترموکوپل یک ترانسدیوسر خود مبدل است که از متصل شدن دو یا چند فلز غیر هم جنس ساخته میشود و به عنوان عنصر حس کننده دما در سنسورهای حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

محل اتصال دو فلز Measuring Junction یا اتصال گرم نامیده می شود و با TH نشان داده می شود. همچنین محل اتصال دو سیم ترموکوپل با سیم های رابط مسی که به منظور وصل ترموکوپل به ابزار اندازه گیری استفاده میشوند را Reference Junction یا اتصال سرد گویند و با TCنشان داده میشود.

اتصال گرم و اتصال سرد در ترموکوپل

ترموکوپل ها، دما را نسبت به اتصال سرد یا Reference Junction اندازه می گیرند. در واقع محل اتصال دو سیم ترموکوپل با سیم های رابط مسی تشکیل ترموکوپل جدیدی میدهند که در ولتاژ تولیدی ترموکوپل تأثیر زیادی می گذارد. شاید بتوان گفت بزرگترین عیب ترموکوپل نیز همین مورد میباشد که می بایست دمای محل اتصال سرد در مقدار اندازه گیری شده ترموکوپل جبران سازی شود.

ولتاژ تولیدی ترموکوپل طبق فرمول زیر محاسبه می گردد :

E = C(TH-TC) + K(TH2-TC2)

E : ولتاژ تولیدی ترموکوپل بر حسب میلی ولت

K و C : ضرایب ثابت وابسته به نوع ترموکوپل

TH : دمای اتصال گرم (Hot Junction)

TC : دمای اتصال سرد (Cold Junction)

مزایای ترموکوپل

استفاده از ترموکوپل در صنایع برای اندازه گیری دما بسیار متداول است. علت این امر مزایای زیاد ترموکوپل می باشد، از مهم ترین مزایای ترموکوپل می توان موارد زیر را نام برد :

محدوده درجه حرارت بالا
عمر بالا
سادگی اجزا
خود تغذیه بودن (عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی)
تنوع زیاد
حجم کم نقطه اندازه گیری دما

معایب ترموکوپل

ترموکوپل ها بر خلاف داشتن مزایای زیاد دارای معایب زیر نیز می باشند.

غیر خطی بودن
ولتاژ خروجی پایین
نیاز به جبران سازی دمای نقطه سرد
حساسیت پایین
پایداری پایین

روش های جبران سازی ولتاژ اتصال سرد

برای جبران سازی ولتاژ اتصال سرد روش های زیادی وجود دارد. ساده ترین روش قرار دادن اتصال سرد در یک ظرف یخ در حال ذوب شدن و صفر کردن دمای اتصال سرد است، اما این روش در عمل امکان پذیر نیست.

صفر کردن دمای اتصال سرد برای جبران سازی ولتاژ

روش دیگر جبران سازی با استفاده از اندازه گیری دمای نقطه سرد توسط یک سنسور دیگر می باشد. با توجه به اینکه ترموکوپل ها برای نشان دادن و یا کنترل دما همراه با یک کنترلر و یا نشانگر دما مورد استفاده قرار می گیرند که در داخل این کنترلرها می توان عمل جبران سازی به صورت اتوماتیک با استفاده از اندازه گیری دمای نقطه سرد انجام داد.

در این حالت می بایست سیمهای رابط بین ترموکوپل و کنترلر از جنس سیم های ترموکوپل انتخاب شوند. شکل زیر نمونه ای از یک کنترلر دما با قابلیت اندازه گیری دما توسط ترموکوپل را نشان میدهد.

کنترلر دما

دقت گردد در صورتی که فاصله بین ترموکوپل و کنترلر دما زیاد باشد با توجه به قیمت بالای سیم های ارتباطی از جنس خود ترموکوپل، روش فوق مقرون به صرفه نیست. در نتیجه می توان با استفاده از ترانسمیتر، دما را در محل اندازه گیری کرد و با استفاده از سیم های معمولی توسط سیگنال های استاندارد ابزاردقیق (معمولا 4 الی 20 میلی آمپر) به کنترلر دما یا اتاق کنترل ارسال کرد.

استفاده از ترانسمیتر در صنایع بسیار متداول است، چرا که تمامی سیستم های کنترلی آنالوگ، مانند کارت های ورودی آنالوگ PLC ها با سیگنال های استاندارد ابزاردقیق سازگاری کامل دارند و قابلیت سنجش این سیگنال برای سیستم های کنترلی به سادگی مقدور است.

به منظور حفاظت فیزیکی ترموکوپل سیم های آن را داخل لوله یا روکشی از جنس فولاد زنگ نزن یا سرامیک قرار میدهند. همچنین سیم های رابط ترموکوپل نیز دارای پوشش حرارتی متناسب با محل نصب ترموکوپل می باشند.

انتخاب جنس ترموکوپل متناسب با محل نصب آن میباشد که معمولا ترموکوپل با بدنه پلاستیکی برای اندازه گیری دماهای پایین و ترموکوپل با بدنه فولاد زنگ نزن جهت اندازه گیری دماهای متوسط و بالا مورد استفاده قرار می گیرد. البته دقت شود هر چه بدنه ترموکوپل مقاوم تر باشد، اندازه گیری با تأخیر بیشتری صورت می گیرد. شکل زیر دو نمونه ترموکوپل با بدنه فولاد زنگ نزن را نشان میدهد.

ترموکوپل با بدنه فولاد زنگ نزن

قوانین ترموکوپل

قوانین مربوط به ترموکوپل در اندازه گیری دما بسیار اهمیت دارند که به طور خلاصه این قوانین توضیح داده می شوند.

دمای سیمهای رابط : طبق این قانون، ولتاژ ترموکوپل به دمای سیم های رابط وابسته نیست و فقط به TH و TC بستگی دارد. در ادامه این قانون نمایش داده شده است.

دمای سیمهای رابط

فلز اضافی : در موقع استفاده از ترموکوپل اگر یک فلز با جنس جدید به ترموکوپل متصل شود، در صورتی که اتصال جدید دارای دمای یکسان باشد، ولتاژ تولیدی ثابت می ماند. به طور مثال فلز جدید می تواند یک ولت متر یا آمپر متر باشد.

فلز اضافی

فلز میانی : طبق این قانون می توان ولتاژ تولیدی دو فلز، به طور مثال مس و آهن را از جمع ولتاژهای دو ترموکوپل با این فلزات و فلز دیگری به طور مثال مس- کنستانتان و کنستانتان – آهن بدست آورد.
دمای میانی : ولتاژ سی بک از دمای پایین تر تا دمای بالاتر برابر مجموع ولتاژ سی بک از دمای پایین تا هر دمای میانی و ولتاژ سی بک از دمای میانی تا دمای بالاتر است. رابطه زیر بیانگر این قانون میباشد.

رابطه دمای میانی

انواع ترموکوپل

ترموکوپل ها بر اساس جنس فلزاتی که در ساخت آنها استفاده شده به دسته های زیر تقسیم بندی میشوند:

ترموکوپل نوع B, K, J, E, N, S, R و نوع T

یکی از مهم ترین مسائلی که باید هنگام انتخاب ترموکوپل در نظر گرفت محدوده دمای مورد نیاز برای اندازه گیری است. این محدوده برای انواع ترموکوپل متفاوت می باشد و در نتیجه کاربردهای مختلفی در صنعت برای هر کدام در نظر گرفته شده است.

جدول زیر مشخصات انواع ترموکوپل و رنج دمایی هر نوع را نشان میدهد. دقت شود که رنج دمایی ترموکوپل های سازندگان مختلف ممکن است مقداری با رنج بیان شده در جدول زیر تفاوت داشته باشد، در نتیجه بهتر است رنج دمایی بیان شده توسط سازنده را مد نظر داشته باشیم.

جدول مشخصات انواع ترموکوپل

نکته

به طور کلی همیشه از ترموکوپل نوع K استفاده میشود، مگر اینکه دلیل خاصی برای استفاده از ترموکوپل نوع دیگر باشد. علت این امر قیمت پایین و مقاوم بودن این نوع ترموکوپل در برابر خوردگی است. دماهای بسیار بالا توسط ترموکوپل نوع B و دماهای بسیار پایین توسط ترموکوپل نوع T اندازه گیری می شوند.

سازندگان ترموکوپل برای رنگ سیم های ترموکوپل از استانداردهای خاصی پیروی می کنند. در زیر رنگ سیم های ترموکوپل های مختلف مطابق با استاندارد ANSI MC 96.1 نشان داده شده است.

رنگ سیم های ترموکوپل های مختلف مطابق با استاندارد ANSI MC 96.1

یکی دیگر از استانداردهای معروف برای رنگ سیم های ترموکوپل، استاندارد 3-584 IEC می باشد. رنگ سیم های ترموکوپل مطابق با این استاندارد در زیر نشان داده شده است.

رنگ سیم های ترموکوپل های مختلف مطابق با استاندارد 3-584 IEC

شکل زیر منحنی و مشخصه چند نوع ترموکوپل مهم را نشان می دهد، با دقت به این منحنی و مشخصه، غیر خطی بودن ترموکوپل کاملا مشخص می باشد.

منحنی مشخصه چند نوع ترموکوپل

اتصال سری و موازی ترموکوپل

در صورتی که ترموکوپل های مختلف را با یکدیگر به صورت سری اتصال دهیم یک پیل حرارتی تشکیل می شود. از خصوصیات این پیل حرارتی می توان ولتاژ تولیدی بالا و اندازه گیری دما با دقت و حساسیت بالا را نام برد. در شکل زیر این اتصال نشان داده شده است.

اتصال سری ترموکوپل ها

در صورتی که نیاز باشد متوسط دمای یک محیط را اندازه گیری نماییم می توان چند ترموکوپل را در نقاط مختلف نصب کرد و آنها را به صورت موازی با یکدیگر اتصال داد که در این حالت ولتاژ خروجی ترموکوپل ها برابر با متوسط ولتاژ ترموکوپل ها خواهد بود. در نتیجه با این اتصال می توان متوسط دمای یک محیط را اندازه گیری کرد.

به طور مثال یکی از کاربرد این اتصال اندازه گیری متوسط دمای یک کوره بزرگ می باشد. در شکل زیر این اتصال نشان داده شده است.

اتصال موازی ترموکوپل ها

نکته

در اتصال ترموکوپل ها به صورت موازی تا زمانی دمای اندازه گیری مقدار متوسط دما می باشد که ترموکوپل ها در ناحیه خطی باشند. برای اندازه گیری دقیق دما نباید دمای نقطه گرم ترموکوپل های مختلف، تفاوت زیادی داشته باشد.

دقت شود که تا زمانی میانگین گیری بین ترموکوپل ها دارای خطای کمی است که مقاومت تمامی سیم های موازی، کاملا یکسان باشند. در صورتی که طول سیم ها با یکدیگر برابر نباشد در نتیجه مقاومتهای مسیرهای مختلف متفاوت می شود، در نتیجه ترموکوپلی که بیشترین فاصله را از نقطه میانگین گیری دارد، بیشترین مقاومت خط و کمترین تأثیر را بر روی میانگین دما دارد.

به منظور کم کردن این خطا می توان از مقاومت سری شده با هر ترموکوپل که مقاومت آن از مقاومت سیم ترموکوپل بیشتر است، استفاده کرد. این مقاومت به مقاومت Swamp معروف می باشد. شکل زیر استفاده از این مقاومت را در مسیر ترموکوپل های موازی نشان میدهد.

نحوه استفاده از مقاومت Swamp

معمولا از Swamping box با مقاومت 500 اهم به منظور کاهش خطا در ترموکوپل های موازی استفاده می شود. شکل زیر یک نمونه Swamping box برای اتصال سه ترموکوپل را نشان می دهد.

Swamping box

آموزش جامع سنسورهای ترموکوپل