انواع ترموکوپل و کاربرد هریک را بهتر بشناسیم!

ترموکوپل ها یکی از پرکاربردترین سنسورهایی هستند که در بسیاری از کارهای صنعتی و آزمایشگاهی برای اندازه گیری دما استفاده می شوند.

در این مقاله ابتدا نحوه کارکرد دماسنج ترموکوپل را بررسی می کنیم.
سپس قوانین و محاسبات مربوط به ترموکوپل ها را بررسی کرده و اتصالات سرد و گرم را معرفی خواهیم کرد.

همچنین خواهیم دید که ترموکوپل ها دارای انواع مختلفی هستند که هرکدام برای برخی کاربردهای خاص استفاده می شوند.

مدرس: مهندس فرزاد لطفی

ترموکوپل (بخشی از بسته INSTART)

دانلود ویدیو با کیفیت 720p

دانلود ویدیو با کیفیت 480p

#1 دماسنج ترموکوپل چگونه کار میکند

ترموکوپل در واقع یک زوجِ (couple) فلز است.

همان طور که ملاحظه می کنید، دو فلز متفاوت (نیکل کروم و نیکل آلومینیوم) را به هم متصل کرده
و در نقطه اتصال (Hot Junction) ، دما یا حرارت را به ترمووکوپل می‌دهیم.

در نتیجه ولتاژی در حدود چند میلی ولت در دو سرِ ترمووکوپل ایجاد می‌شود.

این ولتاژ خیلی کوچک را می‌توان به کمک مدارات الکترونیکی نظیر یک اپ امپ تقویت کنیم، تا در حدود 1~5 ولت قرار گیرد.
سپس یک مقاومت 250 Ω نیز در مسیر آن گذاشته و جریانی بین 4-20 میلی آمپر را دریافت خواهیم کرد.

ترموکووپل ها به طور کلی دارای رنج اندازه گیری 200- ~ 1800 درجه سانتی‌گراد هستند.

این روش از آنجا که توسط آقای سی بِک شناخته شد، به روش سی بک نیز معروف است.

#2 انواع ترموکوپل Thermocouple Type

با توجه به نوع فلزاتی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترموکوپل ها را به دسته‌های متنوعی تقسیم می‌کنند
که سه نوع اول، رایج ترین آنها هستد.

از نظر دمای اسمی، هر نوع ممکن است در دماهای مختلفی استفاده شود،
ولیکن آنچه که به طور عملی و صنعتی عموما از آن استفاده می‌شود، در زیر آورده شده است:

J < 500℃

K > 500℃

1000 ℃ < S < 1800 ℃

جالب است بدانید که از نظر اسمی، تایپ J و تایپ K، هر دو می‌توانند بازه
200- ~ 1200 درجه سانتی گراد را اندازه گیری کنند.

اما خاصیت خطی J در دماهای پایین تر از 500 و K در دماهای بالای 500 درجه منجر به این شده است که
از آنها در این بازه های دمایی، بیشتر استفاده شود.

یک مثال کاربردی برای استفاده از نوع S، می توان به استفاده از آن در حوزه فولاد و اندازه گیری دمای ذوب کوره ها اشاره کرد.

جدول ترموکوپل ها

ترموکوپل ها از نظر رنگ بندی و متریال سازنده آنها، مطابق با جدول زیر تقسیم بندی می‌شوند:

حتما توضیحات مربوط به این جدول را از روی فایل های ویدئویی مشاهده کنید.

#3 قوانین ترموکوپل

نحوه نصب Thermocouple

ابتدا ترموول بر روی خط نصب شده، سپس ترانسمیترِ ترموکوپل را در داخل ترموول محکم می کنیم
(در داخل ترانسمیتر، المنت ترموکوپل قرار دارد).

از این طریق سیگنال جریانی به اتاق کنترل ارسال می‌شود.

ترموکوپل pt100

اتصال نقطه Hot junction در مورد ترموکوپل های pt100 به یکی از صورت های زیر می باشد:

نحوه اتصال پایه های Hot Junction در داخل ترموول

الف)  اگر از یک المنت استفاده شود به آن Single می‌گوییم.
اگر از دو المنت استفاده شده باشد، Dual گوییم.

ب)   اگر المنت به سطح جانبی ترموول متصل باشد، به آن Grounded گوییم.
اگر المنت به سطح جانبی متصل نباشد، به آن Ungrounded گوییم.
اگر المنت از سطح جانبی بیرون زده باشد، به آن Exposed گوییم.

ج)    اگر دو المنت داشته و بهم متصل باشند، Connected (isolated) گوییم.
اگر این دو المنت بهم متصل نباشند، به آنها non–Connected گوییم.

1. به صورت Grounded : که در این حالت پاسخ زمانی سریعتری داریم، اما پایه ها در معرض نویز الکتریکی (امواج الکترومغناطیسی) هستند.
2. به صورت Ungrounded : پاسخ زمانی آهسته تر است (مثلا 5 ثانیه یکبار دما به روز رسانی می‌شود) ولی در معرض نویز نیستند.
3. به صورت Dual – connected : دو ترموکوپل است که نقطه Hot junction در آنها یکی است. هر مشکلی پیش بیاید هر دوتایشان دچار اشکال می گردند.
4. به صورت Dual- not connected : اتصال دو ترموکوپل از هم جدا است. ممکن است هم دما یا کمی غیر هم دما باشند که
   در این حالت ضریب اطمینان بالاتر است. زیرا اگر یکی خراب شود، دیگری همچنان کار می کند.
5. همچنین در جاهایی که تغییرات دما بیش از حد مهم بوده (مثلا توربین)، سنسور دما کمی بیرون تر از ترموول بوده و سنسور در معرض هوای داخل محیط است.

جبرانسازی اتصال سرد (Cold Junction Compensation)

در داخل ترانسمیتر، شماتیکی مشابه تصویر زیر را داریم:

این را هم به عنوان یک نکته کاربردی و عملی بدانید که طبق استانداردی که برای ترموکوپل بیان کردیم، کابل قرمز رنگ همواره پایه منفی خواهد بود.

اگر دقت کنید، مس با نیکل/کروم و مس با نیکل در نقاط اتصالی فوق، مجددا یک ترموکوپل را می سازند!
یعنی به ناچار یک V_emf در نقاط اتصال ایجاد شده که با وجود اندک بودن، روی ولتاژ ترموکوپل اثر می‌گذارد.
این اتصال منجر می‌شود که یک خطای عمده در اتاق کنترل داشته باشیم.

روند کار بدین صورت است که یک بلوک ایزوله‌ای دمایی در داخل ترانسمیتر مطابق همان بلوک شکل قبلی قرار داده می‌شود
(به آن جبران ساز اتصال سرد گوییم).
که عموما در داخل این بلوک از مقاومت NTC یا همان ترمیستور استفاده می‌شود.

به کمک مقاومت‌هایی که در این روش استفاده می‌شود، اثر emf بوجود آمده را از بین برده و با کمترین خطا می‌توانیم کابل مسی را به ترمینال متصل کنیم.

تذکر: پس اگر ترانسمیتر مربوط به ترموکوپل را سفارش گذاری می‌کنید، حتما در دیتاشیت مربوطه، واژه Cold Junction Compensation را تیک زده و
حتما از وِندور (سازنده) بخواهید که بلوک ایزوله دمایی را برایتان نصب کرده یا در داخل ترانسمیتر قرار دهد.

نکته: راهکار دیگری نیز وجود دارد که مقدار اندازه گیری شده را مستقیما و  به صورت مقاومتی به اتاق کنترل ارسال کرده (بدون استفاده از H.J) و
کارتی مخصوص را در PLC استفاده نماییم تا دما مستقیما اندازه گیری شود.

اگر قصد داشتید که سیگنال ترموکوپل را با کابل و ترمینال هایی به صورت مستقیم به اتاق کنترل انتقال دهید،
حتما نوع ترمینال و کابل های استفاده شده بایستی مطابق با نوع ترموکوپل باشند.

#4 جمع بندی: تقسیم‌بندی المنت‌های اندازه‌گیری ترانسمیتر دما

با توجه به خاصیت خطی المنت هایی که تا اینجا معرفی کردیم و تجربه ای که از استفاده از آنها در صنعت وجود دارد،

برای دما های مختلف (برحسب درجه سانتی گراد) به ترتیب زیر عمل خواهیم کرد:

1- RTD < 300℃ 

2- Thermocouple > 300℃ 

که نوع ترموکوپل ها را نیز در قسمت قبلی به سه بخش تقسیم بندی کردیم.

2-1 300℃ < J < 500℃

2-2 K > 500 ℃

2-3 1000 ℃ < S < 1800 ℃

ما در مباحث مختلفی از بسته جامع ابزار دقیق به آموزش کاربردی مطالب پرداخته‌ایم.