کاربرد انواع ترموکوپل

انواع 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.

 1# ترموکوپل چیست؟

2# دماسنج انواع ترموکوپل چگونه کار می کند؟

ترموکوپل در واقع یک زوج (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 ترموکوپل می دهیم.

در نتیجه ولتاژی در حدود چند میلی ولت در دو سر ترموکوپل ایجاد می شود.

این ولتاژ خیلی کوچک را می توان به کمک مدارات الکترونیکی نظیر یک آپ امپ تقویت کرد، تا در حدود 1~5 ولت قرار گیرد.

سپس یک مقاومت 250Ω نیز در مسیر آن گذاشته و جریانی بین 4-20 میلی آمپر را دریافت خواهیم کرد.

ترموکوپل ها به طور کلی دارای رنج اندازه گیری 200- ~ 1800 درجه سانتی گراد هستند.

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

3# انواع ترموکوپل (Thermocouple Type)

با توجه به نوع فلزاتی که مورد استفاده قرار می گیرد، ترموکوپل ها را به دسته های متنوعی تقسیم می کنند که
سه نوع اول، رایج ترین آن ها هستد.

از نظر دمای نامی، هر نوع ممکن است در دماهای مختلفی استفاده شود؛ اما
آنچه که به طور عملی و صنعتی عموما از آن استفاده می شود، 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 می توانند 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 آن ها در این بازه های دمایی، بیشتر استفاده شود.

برای 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.

1-3# جدول انواع ترموکوپل ها

انواع ترموکوپل ها از نظر رنگ بندی و متریال سازنده آن ها، مطابق با جدول زیر تقسیم بندی می شوند:

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

4# نحوه نصب انواع ترموکوپل

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

از این طریق سیگنال جریانی به اتاق کنترل ارسال می شود.

5# سنسور pt100

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

6# نحوه اتصال پایه های Hot Junction در داخل ترموول

الف) اگر از یک المنت استفاده شود به آن Single می گوییم.
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 آن ها non–Connected گوییم.

هر یک از این اتصالات ویژگی های متفاوتی دارند:

1. Grounded: در این حالت پاسخ زمانی سریع تری داریم؛ اما پایه ها در معرض نویز الکتریکی (امواج الکترومغناطیسی) هستند.
2. Ungrounded: پاسخ زمانی آهسته تر است (مثلا 5 ثانیه یکبار دما به روز رسانی می شود) ولی در معرض نویز نیستند.
3. Dual – connected: دو ترموکوپل است که نقطه Hot junction در آن ها یکی است و هر مشکلی پیش بیاید هر دوتایشان دچار اشکال می گردند.
4. 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. Exposed: 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.

7# جبران سازی 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 می گذارد.

این اتصال منجر می شود که یک خطای عمده در اتاق کنترل داشته باشیم.

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

به کمک مقاومت هایی که در این روش استفاده می شود، اثر emf به وجود آمده را از بین برده و
با کمترین خطا می توانیم کابل مسی را به ترمینال متصل کنیم.

تذکر: پس اگر ترانسمیتر مربوط به ترموکوپل را سفارش گذاری می کنید، حتما در دیتاشیت مربوطه، واژه Cold Junction Compensation را تیک زده و
حتما از 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 به صورت مستقیم به اتاق کنترل انتقال دهید،
حتما نوع ترمینال و کابل های استفاده شده بایستی مطابق با نوع ترموکوپل باشند.

جمع بندی

با توجه به خاصیت خطی المنت هایی که تا اینجا معرفی کردیم و تجربه ای که از استفاده از آن ها 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 ℃