ترموکوپل را بشناسید

ترموکوپل از 2 کلمه ترمو و زوج تشکیل شده است. ترمو مخفف دماسنج یا ابزاری است که برای اندازه گیری دمای چیزی استفاده می شود. در حالی که خود زوج به این دلیل است که سنسور ترموکوپل از دو کابل از انواع مختلف تشکیل شده است که در یک سر به هم متصل شده اند. این دو کابل با افزایش یا کاهش دما اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند. این اختلاف پتانسیل بعداً به عنوان مقدار خود ترموکوپل خوانده می شود.

منبع: https://www.automationdirect.com

با توجه به سایت https://www.thermocoupleinfo.com/ تعریف ترموکوپل سنسوری است که برای اندازه گیری دما استفاده می شود، ترموکوپل از دو سیم ساخته شده از فلزات مختلف تشکیل شده است. سپس دو کابل در یک انتها به هم متصل می شوند تا یک اتصال ایجاد کنند. هنگامی که گره اختلاف دما را تجربه می کند، یک انرژی ولتاژ تولید می شود. سپس این ولتاژ با یک جدول ولتاژ استاندارد تطبیق داده می شود تا مشخص شود که چه دمایی را تجربه می کند.

منبع: https://image.slidesharecdn.com

اصل کار ترموکوپل

اصل کار ترموکوپل بر اساس 3 قانون است. قانون سیبک، قانون پلتیر و قانون تامسون.

    قانون Seebeck

قانون Seebeck بیان می‌کند که وقتی دو فلز غیرمشابه در انتها به هم متصل می‌شوند، نیروی محرکه الکتریکی (emf) تولید می‌کنند. نیروی حاصل از فلزی به فلز دیگر متفاوت خواهد بود.

    قانون پلتیر

قانون پلتیر بیان می‌کند که وقتی دو فلز غیرمشابه به هم نزدیک می‌شوند، بسته به دمایی که دو سر به هم متصل می‌شوند، نیروی EMF تولید می‌کند.

    قانون تامپسون

قانون تامپسون بیان می‌کند که وقتی دو فلز غیرمشابه در کنار هم قرار می‌گیرند، بسته به گرادیان دما و طول هادی‌های دو فلز، نیروی EMF تولید می‌کنند.

از این سه قانون می توان نتیجه گرفت که اصل کار یک ترموکوپل به هم پیوستن دو فلز (کابل) است که مواد تشکیل دهنده متفاوتی دارند که وقتی این فلزات در یک انتها به هم وصل شوند، یک EMF تولید می کند که می تواند مطابق با استانداردها تنظیم شود. بسته به نوع فلز، دمای دریافتی و طول فلز از نوک سنسور تا ابزار اندازه گیری.

انواع ترموکوپل ها و محدوده اندازه گیری آنها

انواع مختلفی از ترموکوپل ها وجود دارد. من فقط به 3 موردی که بیشتر استفاده می شود اشاره می کنم. برای اطلاعات و انواع دیگر کابل های ترموکوپل به لینک زیر مراجعه کنید: https://www.thermocoupleinfo.com/thermocouple-types.htm

    نوع J

ترموکوپل نوع J پرمصرف ترین ترموکوپل در صنعت پتروشیمی است. این به دلیل محدوده اندازه گیری کوتاه آن است و رایج ترین آن 210- درجه سانتی گراد تا 760 درجه سانتی گراد است. ترموکوپل نوع J برای اندازه گیری دمای آب، دمای معمولی هوا، دمای اتمسفر، دمای بخار دمای پایین، دمای میعانات و غیره بسیار مناسب است. مشخصه کلی کابل ترموکوپل نوع J این است که کابل مثبت سفید و کابل منفی قرمز است. مواد تشکیل دهنده کابل های ترموکوپل نوع J عبارتند از Fe (+) و Cu-Ni (-). با این وجود، کابل‌های ترموکوپل نوع J برای اندازه‌گیری دماهای بالا مانند بخار دمای بالا خیلی خوب نیستند، زیرا در صورت استفاده در دماهای بالا، دوام کابل خوب نیست.

برای جدول مرجع نوع J به لینک زیر مراجعه کنید: https://www.thermocoupleinfo.com/pdf/type-j-thermocouple-reference-table.pdf

    نوع K

ترموکوپل نوع K یکی دیگر از ترموکوپل هایی است که در صنعت پتروشیمی نیز کاربرد فراوانی دارد. معمولاً از این نوع ترموکوپل برای اندازه گیری محفظه احتراق مانند بویلرها، ریفرمرها، سوپر هیترها و بخار با دمای بالا استفاده می شود. رنگ کابل ترموکوپل نوع K عموماً زرد برای کابل مثبت و قرمز برای کابل منفی با محدوده اندازه گیری -260 درجه سانتیگراد تا 1200 درجه سانتیگراد است. جنس کابل ترموکوپل Ni-Cr(+) و Ni-Al(-) است.

برای جدول مرجع نوع K به لینک زیر مراجعه کنید: https://www.thermocoupleinfo.com/pdf/type-k-thermocouple-reference-table.pdf

    نوع T

ترموکوپل نوع T معمولاً برای اندازه گیری دمای بسیار سرد استفاده می شود. مواد تشکیل دهنده Cu (+) و Cu-Ni (-) هستند. محدوده اندازه گیری 270- تا 370 درجه سانتی گراد است. رنگ کابل نوع T آبی - قرمز است.

جدول مرجع نوع T:

https://www.thermocoupleinfo.com/pdf/type-t-thermocouple-reference-table.pdf

برای خلاصه ای از جدول مرجع دمای میلی ولت، نمودار زیر را ببینید.

منبع: https://www.thermocoupleinfo.com

خلاصه ای از محدودیت های اندازه گیری ترموکوپل در جدول زیر قابل مشاهده است

منبع: https://www.thermocoupleinfo.com

در زیر خلاصه ای از کدهای رنگ کابل ترموکوپل استاندارد آمده است

منبع: https://www.thermocoupleinfo.com

نصب ترموکوپل

    پروب و غلاف

سنسور ترموکوپل از یک پروب و یک غلاف تشکیل شده است. پروب ها دو نوع مختلف سیم ترموکوپل هستند که در یک سر به هم وصل شده اند. معمولا این کاوشگر به محافظ نیاز دارد، حالا این محافظ است؟

تعریف ترموکوپل در فیزیک

ترموکوپل وسیله ای است که اختلاف دما را اندازه گیری می کند. بنابراین آنها به تنهایی کاربرد کمی دارند و برای تعیین دمای واقعی نیاز به یک سنسور دمای جداگانه دارند. ترموکوپل ها را می توان کوچکتر از سنسورهای دیگر ساخت، که به ما مربوط نیست، آنها محدوده دمای زیادی را پوشش می دهند.

اصل کار به شرح زیر است: یک ولتاژ کوچک بین انتهای سیم ظاهر می شود که در یک گرادیان دما قرار دارد و این ولتاژ را می توان با اتصال یک سر، فرض کنید سر داغ سیم، به سیم دیگری اندازه گیری کرد. . یک ماده دارای اختلاف پتانسیل متفاوت در محدوده دمایی یکسان است. اکنون یک ولتاژ بین انتهای سرد دو سیم ظاهر می شود. این تلاش بسیار ناچیز است. اگر یک سیم مسی و دیگری ثابت باشد که از آلیاژ مس نیکل است و محل اتصال گرم 20 درجه گرمتر از ترمینال سرد باشد، ولتاژ حدود 800 میلی ولت خواهد بود. امروزه به راحتی می توان آن را اندازه گیری کرد و دماسنج های دوگانه دقتی در حدود 0.2 درجه دارند (واحدهای سلسیوس و SI همیشه در این صفحات هستند).

سنسور مرجع معمولا یک دماسنج (ارزان) یا یک دماسنج مقاومتی پلاتینیومی (دقیق) است. اندازه گیری دما در قسمت های بعدی این سریال به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

در انتخاب و استفاده از ترموکوپل ملاحظات عملی وجود دارد. ترموکوپل استاندارد دمای پایین مسی - ثابت، نوع T است. این ترموکوپل پایدار است و بسیار مورد توجه کارشناسان قرار می گیرد. با این حال، سیم مسی دارای چنان هدایت حرارتی خوبی است که برای مثال اندازه گیری دمای سطح دیوار دشوار است، زیرا گرما در طول سیم به سمت نوک اندازه گیری حرکت می کند. برای این منظور نوع K: chromel-alumel را توصیه می کنم. این دارای حساسیت مشابه، پایداری بدتر از حد شناخته شده، و ولتاژ غیر خطی تا حدودی زیر صفر است. در نوع دمای اتاق آنقدر خوب به نظر می رسد که محافظان آب باید عاقلانه عمل کنند. ابزارهای دستی وجود دارند که هر دو نوع ترموکوپل را می گیرند. ابزار ورودی باینری بسیار مفید است. می توان آن را برای کار به عنوان یک رطوبت سنج سریع تطبیق داد (اطلاعات بیشتر در این مورد در مقاله بعدی).

سنسور ترموکوپل چیست؟

تعریف: ترموکوپل وسیله ای برای اندازه گیری دما است. برای اندازه گیری دما در یک نقطه خاص استفاده می شود. به عبارت دیگر، نوعی سنسور است که برای اندازه گیری دما به صورت جریان الکتریکی یا EMF استفاده می شود.

ترموکوپل از دو سیم از فلزات مختلف تشکیل شده است که در انتها به هم جوش داده شده اند. قسمت جوش داده شده محل اتصالی بود که دما در آن اندازه گیری می شد. ولتاژهای تغییر دمای سیم را تحریک می کند.

اصل کار ترموکوپل ها

اصل عملکرد ترموکوپل ها بر اساس سه اثر است.

جلوه برگشتی را ببینید - اثر برگشتی بین دو ماده معدنی مختلف رخ می دهد. هنگامی که گرما به هر یک از فلزات داده می شود، الکترون ها شروع به جریان از فلز داغ به فلز سرد می کنند. بنابراین، جریان مستقیم در مدار القا می شود.

ابزار حرارتی

به طور خلاصه، این پدیده ای است که در آن اختلاف دمایی بین دو فلز غیرمشابه منجر به اختلاف پتانسیل بین آنها می شود و اثر See beck ولتاژهای کمی در هر کلوین دما ایجاد می کند.

اثر پلتیه - اثر پلتیه معکوس اثر سیبک است. اثر پلتیه نشان می دهد که با اعمال اختلاف پتانسیل بین دو هادی مختلف، می توان اختلاف دما را ایجاد کرد.

اثر تامسون - اثر تامسون می گوید که وقتی دو فلز مختلف به هم می رسند و اگر دو اتصال ایجاد می کنند، به دلیل گرادیان دما، ولتاژ در تمام طول هادی القا می شود. گرادیان دما یک اصطلاح فیزیکی است که جهت و سرعت تغییر دما در یک مکان خاص را توصیف می کند.

اصل کار ترموکوپل ها

اصل عملکرد ترموکوپل ها بر اساس سه اثر است.

جلوه برگشتی را ببینید - اثر برگشتی بین دو ماده معدنی مختلف رخ می دهد. هنگامی که گرما به هر یک از فلزات داده می شود، الکترون ها شروع به جریان از فلز داغ به فلز سرد می کنند. بنابراین، جریان مستقیم در مدار القا می شود.

https://illustrationprize.com/es/213-thermocouple.html

ابزار حرارتی

به طور خلاصه، این پدیده ای است که در آن اختلاف دمایی بین دو فلز غیرمشابه منجر به اختلاف پتانسیل بین آنها می شود و اثر See beck ولتاژهای کمی در هر کلوین دما ایجاد می کند.

اثر پلتیه - اثر پلتیه معکوس اثر سیبک است. اثر پلتیه نشان می دهد که با اعمال اختلاف پتانسیل بین دو هادی مختلف، می توان اختلاف دما را ایجاد کرد.

اثر تامسون - اثر تامسون می گوید که وقتی دو فلز مختلف به هم می رسند و اگر دو اتصال ایجاد می کنند، به دلیل گرادیان دما، ولتاژ در تمام طول هادی القا می شود. گرادیان دما یک اصطلاح فیزیکی است که جهت و سرعت تغییر دما در یک مکان خاص را توصیف می کند.

ساخت و ساز حرارتی

ترموکوپل از دو فلز مختلف ساخته شده است. این فلزات در نقطه تقاطع به هم جوش داده می شوند. این تقاطع به عنوان نقطه اندازه گیری در نظر گرفته می شود. نقطه تقاطع به سه نوع طبقه بندی می شود.

اتصال زمین نشده - در یک اتصال زمین نشده، هادی ها به طور کامل از آستین محافظ جدا می شوند و برای کارهای اعمال فشار بالا استفاده می شوند. مزیت اصلی استفاده از این نوع کوپلینگ کاهش تأثیر میدان مغناطیسی انگلی است.

زمین - در این نوع اتصال. فلز و آستین محافظ به هم جوش داده شده اند. از زمین برای اندازه گیری دما در یک محیط خورنده استفاده کنید. این اتصال مقاومت در برابر صدا را ایجاد می کند.

خروجی لخت - این نوع اتصال در مواردی که نیاز به پاسخ سریع است استفاده می شود. اتصال در معرض برای اندازه گیری دمای گاز استفاده می شود.

استفاده از مواد برای ساخت ترموکوپل به محدوده اندازه گیری دما بستگی دارد.

عملکرد ترموکوپل

مدار ترموکوپل در شکل زیر نشان داده شده است. مدار از دو فلز مختلف تشکیل شده است. این فلزات به گونه ای در کنار هم قرار می گیرند که دو پیوند ایجاد می کنند. فلزات به اتصال از طریق جوش محدود می شوند.

آهن-صامت-ترموکوپل

فرض کنید P و Q دو محل اتصال ترموکوپل باشند. t1 و T2 دماهای محل اتصال هستند. از آنجایی که دمای اتصالات با یکدیگر متفاوت است، EMF در مدار تولید می شود.

اگر دمای محل اتصال برابر باشد، EMF برابر و مخالف در مدار تولید می شود و جریان صفر از آن عبور می کند. اگر دمای محل اتصال نابرابر شود، اختلاف پتانسیل در مدار القا می شود. بزرگی القای EMF در مدار بستگی به نوع مواد استفاده شده برای ساخت ترموکوپل دارد. کل جریان عبوری از مدار از طریق دستگاه های اندازه گیری اندازه گیری می شود.

القای EMF در مدار ترموکوپل با معادله داده می شود

معادله ترموکوپل

جایی که Δθ - اختلاف دما بین محل اتصال ترموکوپل داغ و محل اتصال ترموکوپل مرجع.

a، b - ثابت ها

اندازه گیری خروجی ترموکوپل

خروجی EMF بدست آمده از ترموکوپل ها را می توان از طریق روش های زیر اندازه گیری کرد.

مولتی متر - روش ساده تری برای اندازه گیری خروجی EMF ترموکوپل است. مولتی متر به اتصالات سرد ترموکوپل متصل می شود انحراف نشانگر مولتی متر برابر جریانی است که از متر می گذرد.

پتانسیومتر - خروجی ترموکوپل را می توان با کمک پتانسیومتر DC نیز اندازه گیری کرد.

تقویت کننده با دستگاه های خروجی - خروجی به دست آمده از ترموکوپل ها از طریق یک تقویت کننده تقویت می شود و سپس به دستگاه ضبط یا نشانگر تغذیه می شود.

مزایای ترموکوپل

در زیر به مزایای ترموکوپل ها اشاره شده است.

ترموکوپل ارزان تر از سایر دستگاه های اندازه گیری دما است.

ترموکوپل دارای زمان پاسخ سریع است.

دارای محدوده دمایی گسترده ای است.

معایب ترموکوپل ها

ترموکوپل دقت پایینی دارد.

کالیبراسیون مجدد ترموکوپل دشوار است.

آلیاژ نیکل، آلیاژ پلاتین/رودیوم، آلیاژ تنگستن/رنیم، کروم طلا، آلیاژ آهن نام آلیاژهایی است که برای ساخت ترموکوپل استفاده می شود. شما می توانید به منظور خرید سنسور ترموکوپل، سنسور RTD، ترمیستور به وبسایت مانیاد صنعت maniadsanat.com سر بزنید. 

تلورانس های ساخت برای ترموکوپل

IEC کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی است، استانداردهای آن بین المللی است و باید تا حد امکان به دقت دنبال شود. IEC 60584: 2013

IEC 60584 اخیراً در سال 2013 مورد بازنگری قرار گرفت. این شامل جداول مرجع و چند جمله ای های حسابی برای سیگنال های خروجی ترموکوپل های استاندارد به عنوان تابعی از دما و همچنین کدهای رنگی برای شناسایی نوع ترموکوپل است.

همچنین تلورانس کابل های اتصال و جبران را مشخص می کند.

مدارا را نباید با مفهوم عدم قطعیت اشتباه گرفت. ویژگی های سنسور فردی با کالیبراسیون تعیین می شود.

Tolerance حدود دما را از مقدار استاندارد صحیح برای مجموعه ای از ترموکوپل ها تنظیم می کند تا زمانی که به عنوان ترموکوپل از یک نوع خاص طبقه بندی شود.

کلاس های تحمل حرارتی مطابق با استاندارد IEC 60584 (نقطه مرجع در 0 درجه سانتی گراد)

https://www.pentronic.se/en/about-temperature/temperature-sensors/thermocouples/

اطلاعات کلی در مورد ترموکوپل

ترموکوپل اختلاف دما بین نوک پروب و تماس با پایانه های نشانگر دما را اندازه گیری می کند. دمای پایانه ها در اکثر دستگاه ها به صورت الکترونیکی جبران می شود. استثناها می توانند آزمایشگاه هایی باشند که در آنها می توانید حمام آب یخ را نگهداری کنید.

ترموکوپل در ساده ترین شکل خود شامل دو سیم است که در یک انتهای اندازه گیری متصل شده اند. برای مصارف صنعتی، به اصطلاح نگه دارنده ژاکت رایج تر است. سپس سرنخ ها در یک ماده عایق فشرده که معمولاً اکسید منیزیم، MgO است، وارد می شود. در بیرون یک ژاکت فلزی وجود دارد. ساختار ترموکوپل به ژاکت اجازه می دهد تا در محدوده خاصی خم شود و هندسه خود را پس از اتمام خمش، یعنی جنس پلاستیک، حفظ می کند.

فقط از ترموکوپل های عایق سیمی به سختی استفاده می شود، اما پلاستیک ها و مواد دیگری وجود دارند که می توانند دماهای مختلف را تحمل کنند.

سیم ترموکوپل را البته می توان در لوله های فولادی قرار داد، اما این ساختار بیشتر در دماهای پایین تر استفاده می شود.

در دماهای بالاتر، ترموکوپل های گرانبها باید با سیم های پلاتین استفاده شوند. سپس از میله های سرامیکی سوراخ دار برای جداسازی سیم ها از یکدیگر استفاده می شود.

هنگامی که ساخت سنسور کامل شد، راه های مختلفی برای اتصال سنسور به دستگاه ها وجود دارد. این کار برای انواع معمولی ترموکوپل با خط تماس و در مورد ترموکوپل های فلزی گرانبها از خط به اصطلاح جبران استفاده می شود. اولی در اصل از مواد سیمی مشابه ترموکوپل تشکیل شده است، در حالی که دومی آنقدر گران است که مواد پایه را ترجیح می دهد که به طور معقولی خواص ترموکوپل را در دمای پایین تر تقلید کنند.

به عنوان مثال 0 - 100 درجه سانتیگراد.