بررسی و پایش مداوم دما در حوزه صنعت، یکی از حیاتی‌ترین اعمالی است که می بایست با کمترین خطا و دقیق‌ترین و قابل اطمینان‌ترین روش صورت گیرد، چرا که در صورت اهمال کاری در بررسی و تنظیم دمای دستگاه‌ها و فرایندها، صنعتگر دچار ضرر و زیان زیاد و حتی حوادث جبران ناپذیری خواهد شد. به همین علت سنسور دمایی یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی در حوزه صنعت و تولیدات است که اطلاعات حیاتی از فرایندها و تجهیزات صنعتی به دست اپراتور می دهد.

ترموکوپل از پرکاربرد‌ترین ابزار دقیق در اندازه گیری دما با طیف وسیع و گسترده است که امروزه در صنایع به فراوان مورد استفاده قرار می گیرد.  به همین جهت در این مطلب به این حسگر محبوب و پرکاربرد می پردازیم و انواع آن، قواعد عملکردی، ساختار، کاربردها و مزایا و معایب آن را برخواهیم شمرد.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل رایج‌ترین نوع سنسور دما است. این قطعه در دسته تجهیزات اندازه گیری قرار گرفته و در اهداف صنعتی، خودرو و برنامه های مختلف استفاده می شود. ترموکوپل‌ها خودکار هستند، نیازی به تحریک ندارند، می توانند در محدوده وسیعی از دما کار کنند و زمان پاسخ دهی سریع دارند.

ترموکوپل‌ها با اتصال دو سیم فلزی متفاوت به هم ساخته می شوند؛ این باعث ایجاد اثر Seebeck می شود. اثر سیبک پدیده ای است که در آن اختلاف دمای دو رسانای متفاوت، اختلاف ولتاژ بین دو ماده را ایجاد می کند. این اختلاف ولتاژ است که می توان اندازه گیری کرد و برای محاسبه دما استفاده کرد.

ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی تولید می شوند، مانند پروب‌های ترموکوپل، پروب های ترموکوپل با اتصالات، پروب های ترموکوپل اتصال گذرا، ترموکوپل های مادون قرمز، ترموکوپل سیم برهنه یا حتی سیم ترموکوپل.

جهت خرید ترموکوپل به صفحه ” ترموکوپل (THERMOCOUPLE) ” مراجعه کنید.

انواع ترموکوپل

انواع گسترده ای از ترموکوپل‌ها وجود دارد که از مواد و فلزات مختلف ساخته شده‌اند که دامنه های مختلف دما و حساسیت های مختلف را امکان پذیر می کند. انواع مختلف با حروف انگلیسی دسته بندی می شوند. رایج ترین نوع K است.

ترموکوپل نوع K (نیکل-کروم / نیکل-آلوم): نوع K رایج‌ترین نوع ترموکوپل است. ارزان، دقیق، قابل اعتماد و دارای طیف وسیعی از دما است.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۴۵۴- تا ۲۳۰۰ درجه فارنهایت (۲۷۰- تا ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد)

دقت:

استاندارد: C 2.2+/- یا  ۰.۷۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 1.1 +/- یا ۰.۴٪

 

ترموکوپل نوع J (آهن/کنستانتان): نوع J نیز بسیار رایج است. محدوده دمایی کوچکتر و طول عمر کوتاه تری در دماهای بالاتر نسبت به نوع K دارد. از نظر هزینه و قابلیت اطمینان معادل نوع K است.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۳۴۶- تا ۱۴۰۰ درجه فارنهایت (۲۱۰- تا ۷۶۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 2.2+/- یا  ۰.۷۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 1.1 +/- یا ۰.۴٪

 

ترموکوپل نوع T (مس/کنستانتان): نوع T یک ترموکوپل بسیار پایدار است و اغلب در برنامه های درجه حرارت بسیار پایین مانند فریزرهای با دمای بسیار پایین استفاده می شود.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۴۵۴- تا ۷۰۰ درجه فارنهایت (۲۷۰- تا ۳۷۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 1+/- یا  ۰.۷۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 0.5 +/- یا ۰.۴٪

 

ترموکوپل نوع E (نیکل-کروم/کنستانتان): نوع E دارای سیگنال قوی تر و دقت بیشتری نسبت به نوع K یا نوع J در محدوده دمای متوسط  F ​​۱۰۰۰ و کمتر است.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۴۵۴- تا ۱۶۰۰ درجه فارنهایت (۲۷۰- تا ۸۷۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 1.7 +/- یا  ۰.۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 1 +/- یا ۰.۴٪

 

ترموکوپل نوع N (نیکروسیل/نیسیل): نوع N دارای محدودیت های دقت و دما مشابه نوع K است. نوع N کمی گرانتر است.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۴۵۴- تا ۲۳۰۰ درجه فارنهایت (۲۷۰- تا ۳۹۲ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 2.2 +/- یا  ۰.۷۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 1.1+/-  یا ۰.۴٪

 

ترموکوپل های فلزی (نوع S ، R و B):

ترموکوپل های با فلزات نجیب به دلیل قابلیت مقاومت در برابر درجه حرارت بسیار بالا در عین حفظ دقت و  طول عمر بالا انتخاب شده اند. آنها به طور قابل توجهی گران تر از ترموکوپل های base metal هستند.

 

ترموکوپل نوع S (پلاتین رادیوم ۱۰%-پلاتین): از نوع S در کاربردهای درجه حرارت بسیار بالا استفاده می شود. معمولاً در صنایع بیوتکنولوژی و داروسازی یافت می شود. گاهی اوقات به دلیل دقت و ثبات بالا در کاربردهای دمای پایین نیز استفاده می شود.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۵۸- تا ۲۷۰۰ درجه فارنهایت (۵۰- تا ۱۴۸۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 1.5 +/- یا  ۰.۲۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 0.6+/-  یا ۰.۱٪

 

ترموکوپل نوع R (پلاتین رادیوم ۱۳%-پلاتین): نوع R در کاربردهای درجه حرارت بسیار بالا استفاده می شود. درصد بیشتری از رادیوم نسبت به نوع S دارد که باعث گران شدن آن می شود. نوع R از نظر عملکرد بسیار شبیه به نوع S است. گاهی اوقات به دلیل دقت و ثبات بالا در کاربردهای دمای پایین نیز استفاده می شود.

محدوده دما:

درجه حرارت سیم: ۵۸- تا ۲۷۰۰ درجه فارنهایت (۵۰- تا ۱۴۸۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: C 1.5 +/- یا  ۰.۲۵%+/-

محدودیت های ویژه خطا: C 0.6+/-  یا ۰.۱٪

 

ترموکوپل نوع B (پلاتین رادیوم ۳۰%-پلاتین رادیوم ۶%): ترموکوپل نوع B در کاربردهای درجه حرارت بسیار بالا استفاده می شود. دارای بالاترین حد دما در بین ترموکوپل های ذکر شده است. سطح بالایی از دقت و ثبات را در دمای بسیار بالا حفظ می کند.

محدوده دما:

نوع ترموکوپل درجه سیم سیم ترموکوپل درجه ، ۳۲ تا ۳۱۰۰ درجه فارنهایت ( ۰ تا ۱۷۰۰ درجه سانتی گراد)

دقت:

استاندارد: ۰.۵+/-

محدودیت های ویژه خطا: ۰.۲۵% +/-

 

قواعد عملکردی ترموکوپل

ترموکوپل بر پایه سه اثر کار می کند:

اثر سیبک (Seebeck Effect): هنگامی که دو فلز متفاوت در دماهای مختلف به هم متصل می شوند و گرما به هر یک از فلزات داده می شود، جریان الکترون از فلز داغ به فلز سرد جریان می یابد. این حرکت الکترون منجر به ایجاد جریان در مدار می شود. اختلاف دمای بین فلزات باعث ایجاد اختلاف بالقوه بین آنها می شود.

اثر پلتیر (Peltier Effect): عکس اثر سیبک، اثر پلتیر است. این نشان می دهد که وقتی اختلاف پتانسیل بین دو فلز اعمال می شود، اختلاف دما بین فلزات متصل ایجاد می کند.

اثر تامسون (Thomson’S Effect): هرگاه دو فلز مختلف با هم ترکیب شوند، دو نقطه اتصال ایجاد می شود. در این شرایط  به دلیل اختلاف دما بین دو فلز، ولتاژی در رسانا ایجاد می شود.

کاربردهای ترموکوپل

ترموکوپل‌ها معمولاً در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به طیف گسترده ای از مدل ها و مشخصات فنی، اما درک ساختار اساسی، عملکرد و محدوده‌ها برای تعیین بهتر نوع ترموکوپل و مناسب‌ترین آن برای اهداف و برنامه صنعتی و تجاری بسیار مهم است. برخی از کاربردهای ترموکوپل شامل موارد زیر است:

  • به عنوان سنسورهای دما در ترموستات در ادارات ، خانه ها، دفاتر و مشاغل استفاده می شود.
  • در صنایع برای نظارت بر دمای فلزات مانند آهن، آلومینیوم و فلز استفاده می شوند.
  • در صنایع غذایی برای کاربردهای انجمادی و دمای پایین استفاده می شوند. ترموکوپل ها به عنوان پمپ های حرارتی برای خنک کننده ترموالکتریک استفاده می گردند.
  • برای آزمایش دما در کارخانجات مواد شیمیایی ، پتروشیمی و فراورده های نفتی استفاده می شود.
  • در ماشین‌های گازی برای تشخیص شعله پیلوت مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد ترموکوپل ها بر اساس نوع

ترموکوپل‌ها در طیف وسیعی از صنایع استفاده می شوند و مارش شاپ دارای اطلاعات راهنمایی کننده است که به شما کمک می کند مناسب‌ترین محصول را برای فرآیندهای خود تعیین کنید. جزئیات زیر مقدمه ای کوتاه بر انواع و موارد استفاده از ترموکوپل‌ها است.

  • نوع B: به طور گسترده در صنعت فولاد و آهن برای نظارت بر درجه حرارت و شیمی در طول فرآیند تولید فولاد استفاده می شود.
  • نوع C: به طور گسترده ای در وسایل نقلیه فضایی، راکتورهای هسته ای، گرمایش صنعتی یا هر جا که درجه حرارت ممکن است بسیار بالا رود، استفاده می شود. مناسب برای کوره های خلاء در دمای بسیار بالا و همچنین در تحقیقات فشار قوی استفاده می گردد.
  • نوع E: برای شرایط زیر صفر، اکسید کننده یا فاقد کنش های شیمیایی استفاده می شود. ایده آل برای کاربردهای سرمازا، دارویی و شیمیایی که در آن اندازه گیری های حیاتی در مقادیر کم مورد نیاز است.
  • نوع J: برای خلاء، عملیات بی اثر و کاهش جو توصیه می شود.
  • نوع K: برای اندازه گیری در انواع مختلف محیط مانند آب، محلول های شیمیایی ملایم، گازها و مناطق خشک استفاده می شود. در موتورها، بخاری های روغنی و دیگ‌های بخار یافت می شود. همچنین به عنوان دماسنج در بیمارستان‌ها و صنایع غذایی استفاده می گردد.
  • نوع N: دارای پایداری ترموالکتریک برجسته است. قابل استفاده در فضاهای خلاء یا کنترل شده. توسعه یافته برای جایگزینی نوع K در برنامه های هسته ای.
  • نوع R و نوع S: سنسورهای عملیات حرارتی و کنترل، صنایع نیمه هادی، تولید شیشه، فلزات آهنی و غیر آهنی.
  • نوع T: در نظارت بر غذا و برنامه های محیطی استفاده می شود.

تفاوت بین ترموستات و ترموکوپل چیست؟

در جدول زیر به تفاوت های این دو نوع سنسور پرکاربرد و محبوب می پردازیم:

ویژگی هاترموکوپلترموستات
محدوده دما۴۵۴- تا ۳۲۷۲ درجه فارنهایت۱۱۲- تا ۳۰۲ درجه فارنهایات
محدوده قیمت

 
پایینبالا
ثبات
ثبات کمتری را ایجاد می کندثبات متوسط را فراهم می کند
حساسیت ترموکوپل حساسیت کمتری داردترموستات بهترین ثبات را ارائه می دهد
خطیمتوسطضعیف
هزینه سیستم بالامتوسط

بیشتر بخوانید: ” ترموستات (THERMOSTAT) چیست و چه کاربردی دارد؟

مزایا و فواید ترموکوپل‌

 مزایای ترموکوپل

  • دقت بالا
  • مقاوم و قابل استفاده در محیط های با شرایط سخت، دشوار و دارای ارتعاش زیاد
  • واکنش حرارتی سریع
  • محدوده عملکرد گسترده در طیف وسیع دمایی
  • هزینه کم و بسیار سازگار

معایب ترموکوپل‌

معایب ترموکوپل شامل موارد زیر است.

  • غیر خطی بودن
  • حداقل ثبات
  • ولتاژ پایین
  • نیازمند به رفرنس
  • حداقل حساسیت
  • کالیبراسیون سخت ترموکوپل