ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یک حسگر برای اندازه‌گیری دما است. ترموکوپل تشکیل شده است از دو سیم فلزی غیر هم جنس که در یک سر به هم جوش داده شده‌اند تا یک نقطه اتصال (junction) ایجاد شود. این نقطه اتصال، جایی است که دما اندازه‌گیری می‌شود. وقتی این نقطه اتصال با تغییر دما مواجه می‌شود، یک ولتاژ تولید می‌شود. این ولتاژ با استفاده از جداول مرجع ترموکوپل (Thermocouple reference tables) می‌تواند تفسیر شده و دما محاسبه شود.

ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی وجود دارند، مانند نوع J، K، T، E، R، S و B که از ترکیبات مختلفی از فلزات ساخته شده‌اند. هر نوع آنها دارای محدوده‌ خاصی از نظر دما، مقاومت در برابر لرزش و مواد شیمیایی، و سازگاری با کاربرد‌های مختلف است.

ترموکوپل (Thermocouple)، به بیان ساده یک سنسور اندازه گیری دما است که از دو نوع فلز مختلف (نا هم جنس) در ساخت آن استفاده میشود. در واقع این دو فلز در انتها به یکدیگر متصل هستند و زمانی که نقطه اتصال این دو سیم گرم و یا سرد می شود، یک ولتاژ کوچک متناسب با دما در آن ایجاد می شود. در نهایت با استفاده از جدول های مرجع میزان دمای سیال محاسبه می شود.

ترموکوبل یک سنسور بسیار ساده، مقاوم و مقرون به صرفه است که در دامنه گسترده ای از کاربردهای اندازه گیری دما استفاده می شود.

ساخت و تولید  این تجهیزات در انواع مختلفی مانند پراب های ترموکوپل به همراه کانکتور، ترموکوپل های مادون قرمز (Infrared thermocouple)، ترموکوپل با سیم برهنه و یا حتی تنها سیم تولید می شوند.

thermocouple ها با توجه به ویژگی های مختلف تکنیکی و انواع مدل های آن در کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. اما دانستن نحوه عملکرد، ساختار و بازه های آن، امر بسیار مهمی در تشخیص نوع و متربال مناسب برای یک کاربرد خاص هستند.

عملکرد ترموکوپل

زمانی که دو سیم غیریکسان که هردو انتها به یکدیگر متصل می شوند، در اثر گرمادهی به دو انتهای آن، در این مدار ترموالکتریک یک جریان پیوسته ایجاد می شود. اگر این مدار از وسط شکسته و باز شود، ولتاژ مدار باز بوجود آمده (ولتاژسیبک یا See beck Voltage) تابعی از دما و ترکیب دو فلز است. که این به این معنی است که ایجاد گرما و یا سرما در نقطه اتصال دو سیم، سبب ایجاد ولتاژ متناسب با دما در دو سر دیگر سیم ها می شود.

جهت مشاهده انواع مدل ها و خرید ترموکوپل تجهیز صنعت کلیک نمائید.

ترموکوپل‌ها در صنایع مختلفی از جمله تولید برق، نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی، سیمان، کاغذ و مقوا و بسیاری دیگر استفاده می‌شوند. همچنین، به طور رایج در دستگاه‌های روزمره مانند اجاق‌ها، فرن‌ها و توسترها نیز به کار می‌روند.

دلایل انتخاب ترموکوپل شامل قیمت نسبتاً پایین، تحمل در دماهای بالا، محدوده‌های گسترده اندازه‌گیری دما و مقاومت در محیط‌های سخت می‌باشد.

انواع ترموکوپل صنعتی

1. ترموکوپل نوع K :

 (Nickel-Chromium / Nickel-Alumel):

• دسته‌بندی: ترموکوپل نوع K یکی از رایج‌ترین انواع است.
• ویژگی‌ها: این نوع سنسور دما ارزان قیمت، دقیق، قابل اعتماد و دارای دامنه دمایی وسیعی است.
• دامنه دما:
  • سیم ترموکوپل نوع K: -454 تا 2,300 درجه فارنهایت (-270 تا 1,260 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ± 2.2 درجه سانتیگراد یا ± 0.75 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: ± 1.1 درجه سانتیگراد یا 0.4 درصد

–> مشاهده قیمت ترموکوپل نوع K و مشاوره و خرید ترموکوپل نوع K

2. ترموکوپل نوع J :

(Iron/Constantan)

• دسته‌بندی: ترموکوپل نوع J نیز بسیار رایج است.
• ویژگی‌ها: این نوع دارای دامنه دمایی کوچکتری است و عمر مفید کوتاه‌تری در دماهای بالاتر نسبت به نوع K دارد. اما در مورد هزینه و قابلیت اعتماد با نوع K برابر است.
• دامنه دما:
  • سیم این نوع J: -346 تا 1,400 درجه فارنهایت (-210 تا 760 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ± 2.2 درجه سانتیگراد یا ± 0.75 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: ± 1.1 درجه سانتیگراد یا 0.4 درصد

3. ترموکوپل نوع T :

(Copper/Constantan)

• دسته‌بندی: ترموکوپل نوع T یک نوع بسیار پایدار است و معمولاً در برنامه‌های دمایی بسیار پایین مانند کریوژنیک یا فریزرهای بسیار پایین استفاده می‌شود.
• دامنه دما:
  • سیم آن از نوع T: -454 تا 700 درجه فارنهایت (-270 تا 370 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سنوع T Thermocouple (Copper/Constantan): نوع T یک ترموکوپل بسیار پایدار است و معمولاً در کاربردهای دمایی بسیار پایین مانند کریوژنیک یا فریزرهای بسیار پایین استفاده می‌شود.
• دامنه دما:
  • سیم آن نوع T: -454 تا 700 درجه فارنهایت (-270 تا 370 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ± 1.0 درجه سانتیگراد یا ± 0.75 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: ± 0.5 درجه سانتیگراد یا 0.4 درصد

4. ترموکوپل نوع E :

(Nickel-Chromium/Constantan)

• دسته‌بندی: ترموکوپل نوع E سیگنال قوی‌تر و دقت بالاتری نسبت به نوع K یا J در محدوده دمایی متوسط 1,000 درجه فارنهایت و کمتر دارد.
• دامنه دما:
  • سیم آن از نوع E: -454 تا 1,600 درجه فارنهایت (-270 تا 870 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ± 1.7 درجه سانتیگراد یا ± 0.5 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: ± 1.0 درجه سانتیگراد یا 0.4 درصد

5. ترموکوپل نوع N :

(Nicrosil / Nisil)

• دسته‌بندی: ترموکوپل نوع N دقت و محدوده دمایی مشابهی با نوع K دارد. اما در مقایسه با نوع K، نوع N کمی گرانتر است.
• دامنه دما:
  • سیم آن از  نوع N: -454 تا 2,300 درجه فارنهایت (-270 تا 392 درجه سانتیگراد)
  • سیم اکستنشن، 32 تا 392 درجه فارنهایت (0 تا 200 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ± 2.2 درجه سانتیگراد یا ± 0.75 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: ± 1.1 درجه سانتیگراد یا 0.4 درصد

6. ترموکوپل‌های فلزی نجیب (نوع S، R و B):

• دسته‌بندی: ترموکوپل‌های فلزی نجیب برای تحمل دماهای بسیار بالا و حفظ دقت و عملکرد در دماهای بالا استفاده می‌شوند.
• ویژگی‌ها: این سنسور ها دارای دقت بسیار بالا هستند و در کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دما در محدوده بالا و قابلیت اطمینان بالا است، مناسب هستند.
• دامنه دما:
  • نوع S: 32 تا 2,912 درجه فارنهایت (0 تا 1,600 درجه سانتیگراد)
  • نوع R: 32 تا 3,272 درجه فارنهایت (0 تا 1,800 درجه سانتیگراد)
  • نوع B: 32 تا 3,572 درجه فارنهایت (0 تا 1,972 درجه سانتیگراد)
• دقت (کدامیک بزرگتر باشد):
  • استاندارد: ترموکوپل نوع S و R: ± 1.5 درجه سانتیگراد یا ± 0.25 درصد، نوع B: ± 0.5 درصد
  • محدوده خطاهای ویژه: نوع S و R: ± 0.75 درجه سانتیگراد یا ± 0.15 درصد، نوع B: ± 0.25 درصد

–> مشاهده قیمت ترموکوپل نوع S

 

ترموکوپل‌ها با استفاده از تأثیر جوانش حرارتی بین دو ماده مختلف فلزی که در نقاط متفاوتی دمای ذوب دارند، سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند. این سیگنال الکتریکی با تغییر دما تغییر می‌کند و می‌توان از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده کرد. هر یک از ترموکوپل‌ها می‌توانند در دامنه دماهای خاصی کاربرد داشته باشند و دارای دقت و محدوده دمایی خاصی هستند. انتخاب سنسور دمای مناسب بستگی به نیازها و شرایط مورد استفاده دارد.

اتصالات ترموکوپل

اتصالات ترموکوپل را می‌توان به چهار نوع زیر تقسیم بندی کرد:

1. ترموکوپل‌های Grounded (متصل به زمین): در این نوع، هر دو سیم ترموکوپل و پوشش آن با هم جوش داده می‌شوند تا یک اتصال واحد در نوک پروب شکل بگیرند. مدل های Grounded زمان پاسخ بسیار خوبی دارند زیرا ترموکوپل با پوشش مستقیم تماس دارد و انتقال حرارت به راحتی انجام می‌شود. اما یک معایب این نوع، حساسیت بیشتر آن به تداخلات الکتریکی است. این به این دلیل است که پوشش آنها اغلب با منطقه اطراف تماس دارد و مسیری برای تداخلات فراهم می‌کند.
2. ترموکوپل‌های Ungrounded (غیرمتصل به زمین): در این نوع، سیم‌های ترموکوپل با هم جوش داده می‌شوند اما از پوشش جداگانه‌ای نسبت به پوشش استفاده می‌کنند. این سیم‌ها معمولاً با یک عایق معدنی از هم جدا شده‌اند. انواع Ungrounded به دلیل جدا بودن سیم‌ها از پوشش، حساسیت کمتری نسبت به تداخلات الکتریکی دارند.
3. ترموکوپل‌های Exposed (بدون پوشش): در این نوع، سیم‌های ترموکوپل با هم جوش داده می‌شوند و به صورت مستقیم وارد فرآیند می‌شوند. زمان پاسخ این مدل بسیار سریع است، اما سیم‌های ترموکوپل بدون پوشش نسبت به خوردگی و تجزیه و تحلیل بیشتر حساس‌تر هستند. مگر اینکه کاربرد شما نیاز به اتصالات بدون پوشش داشته باشد، استفاده از این نوع توصیه نمی‌شود.
4. ترموکوپل‌های Ungrounded Uncommon (غیرمتداول غیرمتصل به زمین): مدلهای Ungrounded Uncommon شامل یک ترموکوپل دوتایی است که از پوشش جداگانه‌ای نسبت به پوشش استفاده می‌کند و هر یک از عناصر از یکدیگر جدا هستند.

در ادامه به معرفی 2 مورد از ترموکوپل های رایج صنعت که وفور در صنایع از آنها استفاده میشود اشاره میکنیم:

ترموکوپل سرامیکی

منظور از ترموکوپل سرامیکی متریال غلاف ترموکوپل میباشد. معمولآ برای ترموکوپل های تایپ R و S و B که دارای رنج اندازه گیری بسیار زیادی هستند (ترموکوپل های دما بالا) از متریال سرامیکی برای انتقال بهتر دمایی و محافظت از سیم های ترموکوپل استفاده میشود.

ترموکوپل‌های سرامیکی از مواد سرامیکی خاصی تشکیل شده‌اند که دارای ویژگی‌های حرارتی و مکانیکی مناسب برای اندازه‌گیری دما در شرایط مختلف هستند. این ترموکوپل‌ها معمولاً در دماهای بالا بسیار پایدار بوده و در برابر فشار و خوردگی‌های شیمیایی نیز مقاوم هستند.

ترموکوپل‌های سرامیکی در سرویس ها و شرایط مختلفی از جمله کوره‌های فلزات و ذوب شیشه، کوره‌های با دمای بالا، صنایع فولاد و معدتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل زیر نمونه ای از یک سنسور ترموکوپل هد دار، با غلاف سرامیکی میباشد که برای سرویس های دما بالا (تا 1800 درجه سانتیگراد) مورد استفاده میباشد.

ترموکوپل هد دار (کلگی)

ترموکوپل های هد دار یا دارای کلگی به ترموکوپل هایی گفته میشود که به منظور محافظت از سیم های ترموکوپل و نگهداری از بلوک ترمینال ها یا ترانسمیتر دما، دارای یک بخش محافظت شده میباشد. این قسمت به هد یا کلگی (Head Connection) معروف میباشد.

این قسمت (هد) علاوه بر محافظت از سیم ها و ترمینال باعث اتصال ساده و آسان تر ترموکوپل به سیستم کنترلی نیز خواهد شد.

انواع ترموکوپل هد دار

کلگی یا هد برای ترموکوپل ها بر اساس شرایط و پارامترهای فرآیندی مانند محیط قابل اندازه گیری، نوع و سایز اتصال، نوع ترموکوپل و مواردی از این دست تولید میشود. این کلگی ها دارای انواع زیر میباشند:

1- ترموکوپل با کلگی معمولی:

ساده‌ترین نوع کلگی برای ترموکوپل‌ها مدل کلگی معمولی می‌باشند. این هدها از جنس فلز ساخته می‌شوند و دارای سوراخی برای اتصال سیم‌های ترموکوپل هستند.

2- ترموکوپل با کلگی مقاوم در برابر خوردگی و حرارت:

این کلگی ها از مواد مقاوم در برابر حرارت و خوردگی مانند کوپرنیکیوم یا  استنلس استیل تولید می‌شوند.

3- ترموکوپل با کلگی ضد انفجار:

از کلگی ضد انفجار در محیط های خطرناک زون 0 یا 1 که تجهیزات در معرض خطرات ناشی از اشتعال گازها و ذرات قابل انفجار هستند استفاده میشود. این کلگی ها عمومآ بسیار مقاوم بوده و از متریال های استیل 316 تولید میشوند. همچنین درجه نفوذ در این کلگی ها IP68 میباشد.

 

تفاوت ترموکوپل و RTD

ترموکوپل (Thermocouple) و RTD (Resistance Temperature Detector) دو نوع حسگر دما هستند که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند. در مقایسه با هم، این دو نوع حسگر دما تفاوت‌هایی در موارد زیر دارند:

1. محدوده دما: ترموکوپل‌ها می‌توانند دماهای بسیار بالا تا 3100 درجه فارنهایت را اندازه‌گیری کنند، در حالی که RTDهای استاندارد محدوده‌ای حدود 600 درجه فارنهایت و RTDهای با محدوده گسترده محدوده‌ای حدود 1100 درجه فارنهایت دارند.
2. هزینه: ترموکوپل‌های ساده در حدود 2 تا 3 برابر ارزان‌تر از RTDهای ساده هستند. همچنین، مجموعه سر ترموکوپل تقریباً 50٪ ارزان‌تر از مجموعه سر معادل RTD است.
3. دقت، خطی بودن و پایداری: به طور کلی، RTDها نسبت به ترموکوپل‌ها دقیق‌تر هستند، به خصوص در محدوده دماهای پایین‌تر. همچنین، RTDها پایدارتر هستند و خطیت بهتری نسبت به ترموکوپل‌ها دارند. اگر دقت، خطیت و پایداری اولویت اصلی شما بوده و کاربرد شما در محدوده دمایی RTD قرار دارد، می‌توانید از RTD استفاده کنید.
4. مقاومت در برابر خوردگی: در صنعت حسگرها، RTDها به طور عمومی به عنوان حسگری کمتر مقاوم در مقایسه با ترموکوپل‌ها در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، شرکت REOTEMP تکنیک‌های تولیدی را توسعه داده است که دوام حسگرهای RTD را به شدت بهبود می‌بخشد. این تکنیک‌ها باعث می‌شود که حسگرهای RTD شرکت REOTEMP تقریباً معادل ترموکوپل‌ها از نظر دوام باشند.
5. زمان پاسخ: RTDها نمی‌توانند به زمین متصل شوند. به همین دلیل، زمان پاسخ آن‌ها کندتر از ترموکوپل‌های متصل به زمین است. همچنین، ترموکوپل‌ها را می‌توان در داخل پوششی با قطر کوچکتر قرار داد. قطر کوچکتر پوشش زمان پاسخ را افزایش می‌دهد.

سوالات پرتکرار:

ترموکوپل چگونه کار میکند؟

این تجهیزات یک سنسور بسیار ساده، مقاوم و مقرون به صرفه است که در دامنه گسترده ای از کاربردهای اندازه گیری دما استفاده می شود. ترموکوپل (Thermocouple)، به بیان ساده یک سنسور اندازه گیری دما است که از دو نوع فلز مختلف (نا هم جنس) در ساخت آن استفاده میشود. در واقع این دو فلز در انتها به یکدیگر متصل هستند و زمانی که نقطه اتصال این دو سیم گرم و یا سرد می شود، یک ولتاژ کوچک متناسب با دما در آن ایجاد می شود. در نهایت با استفاده از جدول های مرجع میزان دمای سیال محاسبه می شود.

 

ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی وجود دارند، مانند نوع J، K، T، E، R، S و B که از ترکیبات مختلفی از فلزات ساخته شده‌اند. هر نوع آنها دارای محدوده‌ خاصی از نظر دما، مقاومت در برابر لرزش و مواد شیمیایی، و سازگاری با کاربرد‌های مختلف است.

 

چگونه ترموکوپل کالیبره می‌شود؟

کالیبراسیون ترموکوپل یک فرآیند است که در آن، خروجی‌های اندازه‌گیری شده توسط ترموکوپل‌ها با نقاط مرجع دمایی دقیق و قابل اطمینان مقایسه می‌شود. هدف از کالیبره کردن ترموکوپل‌ها، تبدیل کمی اندازه‌گیری سنسورهای ساخته شده توسط تولید کنندگان در یکی از دو مقیاس اندازه‌گیری تعیین شده به مقیاس اندازه‌گیری دیگر است. این فرآیند به اطمینان از صحت و دقت اندازه‌گیری ترموکوپل‌ها در محدوده خطای قابل قبولی با استانداردهای ملی و بین‌المللی کمک می‌کند.

 برای انجام کالیبراسیون ترموکوپل، مراحل زیر را باید انجام داد:

1. جدا کردن جفت گرمایی از فرآیند.
2. قرار دادن ترموکوپل در یک مکان مرجع دمایی دقیق و قابل اطمینان مانند یک مکان خشک یا حوض محیط مرطوب.
3. مقایسه خروجی ترموکوپل با داده‌های ترمومتر مرجع.
4. تبدیل خروجی ترموکوپل به شرایط دمایی مورد نظر.

با انجام کالیبراسیون، می‌توانید اطمینان حاصل کنید که ترموکوپل‌ها به درستی عمل می‌کنند و دقت اندازه‌گیری آن‌ها حفظ شده است.

 

دستورالعمل‌های اجرایی برای کالیبراسیون ترموکوپل چگونه است؟

دستورالعمل‌های استاندارد برای کالیبراسیون ترموکوپل را برای شما توضیح می‌دهیم:

1. اتصال به لینک مرجع خارجی:

   – برای کالیبره کردن ترموکوپل‌ها، معمولاً از جفت‌های حرارتی نجیب مانند نوع R، S و B استفاده می‌شود.

   – این جفت‌های حرارتی دارای ولتاژ خروجی متفاوتی در شرایط یکسان هستند، بنابراین نیاز به کالیبراسیون دارند.

2. قرار دادن پروب در منابع دما:

   – پروب ترموکوپل را به طور کامل در یک مکان مرجع دمایی قرار دهید. این مکان می‌تواند یک چاه خشک (dry-well) یا حوض محیط مرطوب (bath) باشد.

   – این اقدام به تضمین پوشش دمای مورد نظر برای کالیبراسیون کمک می‌کند.

3. جمع‌آوری داده‌ها:

   – داده‌های خروجی ترموکوپل را با داده‌های ترمومتر مرجع مقایسه کنید.

   – از این تطابق برای ایجاد منحنی کالیبراسیون (Calibration Curve) استفاده کنید.

   – منحنی کالیبراسیون به شما اطلاعات لازم برای تبدیل ولتاژ خروجی ترموکوپل به دمای معادل را می‌دهد.

 

نحوه تست ترموکوپل صنعتی چگونه است؟

تست ترموکوپل صنعتی یک مرحله مهم در اطمینان از دقت و عملکرد ترموکوپل‌ها است. در ادامه، نحوه تست ترموکوپل صنعتی را توضیح می‌دهم:

1. بررسی ظاهری:

   – قبل از تست، ظاهر ترموکوپل را بررسی کنید. آیا غلاف محافظ سنسور دما نشتی دارد؟ آیا جفت حرارتی به طور صحیح زمین شده است؟

2. اندازه‌گیری مقاومت:

   – با استفاده از مولتی‌متر، مقاومت ترموکوپل را اندازه‌گیری کنید.

   – مقاومت باید با مقادیر مشخصه ترموکوپل مطابقت داشته باشد.

3. تست روی سرب دیگر:

   – ترموکوپل را به سرب دیگری متصل کنید و خواندن را مشاهده کنید.

   – این کار به بررسی عملکرد ترموکوپل در دماهای مختلف کمک می‌کند.

 

جهت استعلام قیمت و خرید ترموکوپل تجهیزصنعت کلیک نمائید

لینک های مرتبط :

سنسور PT100 / سوئیچ دما / گیج دما / گیج فشار