مبانی فنی و انواع ترموکوپل
اساس کار ترموکوپل
اصل کار ترموکوپل بر مبنای اثر سیبک است. هنگامی که دو فلز ناهمنام در دو نقطه به یکدیگر متصل شده و این دو نقطه در دماهای متفاوتی قرار گیرند، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در مدار ایجاد میشود. این ولتاژ که نیروی محرکه حرارتی (Thermoelectric Motive Force یا EMF) نامیده میشود، مستقیماً با اختلاف دما بین دو اتصال متناسب است. بزرگی و قطبیت این ولتاژ به نوع فلزات مورد استفاده و میزان اختلاف دما بستگی دارد. در یک ترموکوپل، یک اتصال (اتصال داغ یا اندازهگیری) در محلی قرار میگیرد که دما باید اندازهگیری شود و اتصال دیگر (اتصال سرد یا مرجع) در دمای ثابت و شناخته شدهای نگه داشته میشود یا اثر آن به صورت الکترونیکی جبران میشود تا قرائت دما دقیق باشد.
انواع ترموکوپل و ویژگیها
ترموکوپلها بر اساس ترکیب آلیاژهای فلزی مورد استفاده در ساختارشان به انواع مختلفی طبقهبندی میشوند که هر یک دارای محدوده دمایی، دقت و مقاومت محیطی خاصی هستند. رایجترین انواع عبارتند از:
ترموکوپلهای فلز پایه
ترموکوپل نوع K (کرومل-آلومل): پرکاربردترین نوع ترموکوپل است. محدوده دمایی گستردهای از -200°C تا +1250°C را پوشش میدهد. دارای حساسیت خوب، خطی بودن مناسب و مقاومت در برابر اکسیداسیون است. مناسب برای کاربردهای عمومی صنعتی و آزمایشگاهی.
ترموکوپل نوع J (آهن-کنستانتان): محدوده دمایی -40°C تا +750°C را پوشش میدهد. دارای خروجی ولتاژ بالاتری نسبت به نوع K در دماهای پایین است اما برای استفاده در محیطهای اکسیدکننده بالای 500°C توصیه نمیشود زیرا آهن به سرعت اکسید میشود. مناسب برای کاربردهای خلأ و اتمسفرهای کاهنده.
ترموکوپل نوع T (مس-کنستانتان): محدوده دمایی -200°C تا +350°C را دارد. در دماهای پایین بسیار پایدار و دقیق است. مناسب برای کاربردهای برودتی و اندازهگیری دما در مواد غذایی و دارویی.
ترموکوپل نوع E (کرومل-کنستانتان): دارای بالاترین خروجی EMF در بین ترموکوپلهای فلز پایه است (-200°C تا +900°C). برای کاربردهایی که نیاز به حساسیت بالا دارند مناسب است اما در دماهای بالا پایداری کمتری نسبت به نوع K دارد.
ترموکوپل نوع N (نیکروسیل-نیسیل): از آلیاژهای نیکل-کروم-سیلیکون و نیکل-سیلیکون-منیزیم ساخته شده است. محدوده دمایی مشابه نوع K دارد اما پایداری حرارتی و مقاومت در برابر اکسیداسیون بهتری در دماهای بالا (تا +1300°C) ارائه میدهد و کمتر مستعد رانش کالیبراسیون است.
ترموکوپلهای فلزات نجیب
ترموکوپل نوع R (پلاتین-پلاتین/رودیم 13%): برای اندازهگیری دماهای بسیار بالا (تا +1600°C) استفاده میشود. گرانتر از ترموکوپلهای فلز پایه است و در کاربردهای خاص با دقت بالا و دمای زیاد (مانند کورههای صنعتی، شیشهسازی) به کار میرود.
ترموکوپل نوع S (پلاتین-پلاتین/رودیم 10%): شبیه نوع R، اما با درصد رودیم کمتر. محدوده دمایی مشابه (+1600°C) دارد و برای کالیبراسیون دقیق در دماهای بالا به عنوان استاندارد استفاده میشود.
ترموکوپل نوع B (پلاتین/رودیم 30%-پلاتین/رودیم 6%): مقاومترین ترموکوپل در برابر دماهای بسیار بالا (تا +1700°C) و در محیطهای اکسیدکننده. این نوع در دماهای پایینتر از 600°C خروجی بسیار کمی دارد و نیاز به جبرانسازی اتصال سرد ندارد.
جبرانسازی اتصال سرد (Cold Junction Compensation)
همانطور که ذکر شد، ولتاژ خروجی ترموکوپل به اختلاف دما بین اتصال اندازهگیری و اتصال مرجع بستگی دارد. برای اندازهگیری دقیق دما، دمای اتصال مرجع (اتصال سرد) باید ثابت و معلوم باشد. در عمل، ثابت نگه داشتن دمای اتصال سرد دشوار است. برای غلبه بر این مشکل، از روشی به نام جبرانسازی اتصال سرد (CJC) استفاده میشود. در این روش، یک سنسور دما (مانند ترمیستور یا RTD) در نزدیکی اتصال سرد قرار داده شده و دمای آن را اندازهگیری میکند. سپس، با استفاده از مدارهای الکترونیکی، ولتاژ اضافی برای جبران اثر دمای اتصال سرد به ولتاژ ترموکوپل اضافه یا از آن کم میشود تا خروجی نهایی تنها نماینده دمای اتصال اندازهگیری باشد. این فرآیند دقت اندازهگیری را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
جنس غلاف و کاربرد
غلاف محافظ (Sheath) در ترموکوپلها نقش حیاتی در محافظت از سیمهای داخلی در برابر محیطهای خشن دارد. انتخاب جنس غلاف بستگی به شرایط محیطی نظیر دما، فشار، وجود مواد خورنده یا ساینده دارد. متداولترین جنسهای غلاف شامل فولاد ضد زنگ (مانند 304، 316)، اینکونل (Inconel)، سرامیک و تانتالیوم هستند. فولاد ضد زنگ برای کاربردهای عمومی با دماهای متوسط مناسب است، در حالی که اینکونل مقاومت حرارتی و خوردگی بالاتری دارد. برای دماهای بسیار بالا و محیطهای خاص، غلافهای سرامیکی یا فلزات گرانبها به کار میروند. عایقبندی داخلی معمولاً از اکسید منیزیم (MgO) برای ترموکوپلهای غلافدار معدنی (MI Thermocouples) استفاده میشود که عایق الکتریکی عالی و مقاومت حرارتی بالایی دارد.