شرکت باروس‌صنعت تامین‌کننده انواع مدل های ترموکوپل
ترموکوپل (Thermocouple) :
ترموکوپل ها بر اساس پدیده ترموالکتریک کار می کنند. این اثر را توماس سیبک” در سال ۱۸۲۱ کشف کرد. ترموکوپل از دو فلز غیر همنام که به یکدیگر متصل شده‌اند ساخه می شود.در شکل زیر اگر نقطه اتصال دو فلز تحت تأثیر گرما قرار گیرد، یک ولتاژ الکتریکی (eAB) در دو سر آزاد آنها تولید میشود که ولتاژ سیبک گفته میشود. این ولتاژ اندازه کوچکی در حد میلی ولت داشه و مناسب با دمای نقطه اتصال میباشد. ترموکوپل ها با بهره گیری از این خاصیت ساخه می شوند، و متداول ترین سنسورهای دما در صنعت هسند. ترموکوپل ها در مدارک ابزاردقیق به اختصار بصورت T/C نشان داده شده است.
انواع ترموکـوپل :
از نظر تئوری هر دو فلز غیر همنام می‌توانند در نقش ترمـوکوپل عمل کنند. با انتخاب فلزات متفاوت، ترموکوپل‌های متنوعی از نظر میزان تحمل درجه حرارت ساخته میشوند. معروف ترین و پر کاربردترین ترموکوپلها عبارتند از ترموکوپل‌هایی تایپ H/K/T/R/S که مشخصات انها در جدول زیر مشخص گردیده است.
ترموکـوپل تیپ K :
ترموکوپل نوع Kاز سیم فلزی ( Ni-Crبه نام تجاری کرومل )Chromelو( Ni-Alبه نام تجاری آلومل )Alumelساخته می شود.این ترمـوکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین ترموکوپل ها می باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین – C° 200و + C° 1350و حساسیت آن تقریبا µV/°C 41است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع Kبخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد. لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب تر می باشد.
ترموکـوپل تیپ J :
این ترموکوپل از فلز آهن Feو آلیژهای مس – نیکل Cu Niساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین – C° 180و + C° 750است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترمـوکوپل ، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده میشود. حساسیت ترمـوکوپل نوع ، Jبه اندازه ی µV/°C 55است و برای طرح های جدید توصیه می شود. در ترمـوکوپل نوع Jبه علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد استفاده نمی شود.
ترموکـوپل تیپ E :
ترمـوکوپل نوع Eبا استفاده از فلزات ( Ni-Crکرومل) و ( Cu-Niکنستانتان )Constantanساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی آن ، بین – C° 40و + C° 900است. این ترموکوپل با µV/°C 68بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است ، استفاده کرد.
ترموکـوپل تیپ T :
ترموکوپل نوع Tاز مس Cuو آلیاژ نیکل – مس ( Cu-Niکنستانتان )Constantanساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل ، بین C° –250و + C° 400است. این ترمـوکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترمـوکوپل ، µV/°C 46است.ترمـوکوپل نوع Tدر صنعت
به دلیل اینکه نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطیتر است و رنج درجه حرارت مناسبی دارد و همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است در صنعت بیشتر مورد استفاده میگیرد.
ترموکوپل تیپ N :
ترموکوپل نوع Nاز فلزهای ( Ni-Cr-Siبه نام تجاری نیکروسیل) و -Ni-Si ( Mgبه نام تجاری نیسیل )Nisilساخته می شود. محدوده دمائی آن بین– C° 270و + C° 1300است. حساسیت این ترمـوکوپل ، به اندازۀ 30 µV/°Cاست و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.
ترموکوپل تیپ /S/R/B:
ترمـوکوپل نوع ، Bترمـوکوپل نوع Sو ترمـوکوپل نوع Rکه با استفاده از -Pt ( Rhپلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود.قیمت آنها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود µV/°C 10و محدوده دمایی آن تقریبا + C° 0و +C° 1750است. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا مثلا در صنعت شیشه و فولاد به کار میرود.
برای هر مدلی از ترموکوپلها جدولی ارایه می شود، که نشان دهنده میزان ولتاژ تولید شده در دو سر ترموکوپل در دماهای مختلف می باشد. به کمک این جداول می توان ولتاژ اندازه گیری شده در انتهای ترموکوپل را، به دما تبدیل کرد. الته این جداول استاندارد بوده و سازندگان ترموکوپل موظف هستند، ترموکوپل های خود را با توجه به این جداول عرضه نمایند. یکی از این استانداردهای ISA-MC96-1 میباشد. شکل زیر جدولی که برای ترموکوپل نوع K در این استاندارد ارایه شده است را نشان میدهد.
اندازه‌گیری ولتاژ در تایپ T :
برای اندازه گیری ولتاژ تولید شده در ترموکوپل ها نمی توان، ولت متر را مستقیما به دو سر ترموکوپل متصل کرد. اگر همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. یک ترموکوپل نوع T به ولت‌متر وصل شود. ولتاژ واقعی متأثر از حرارت اعمال شده در نقطه اتصال J1 ولتاژ ,V است، تمایل وجود دارد که تنها این ولتاژ اندازه گیری شود. اما به دلیل وجود فلزهای متفاوت در محل اتصال سیمها به ولت‌متر، (در نقطه اتصال J2) یک ترموکوپل جدید ایجاد می شود، که ولتاژ V2 را تولید می نماید. این ولتاژ بطور ناخواسته با ولتاژ V1 سری شده، و در اندازه گیری‌ها وارد می شود. این مساله اندازه گیری را با خطا مواجه می کند. در ضمن با توجه به اینکه در نقطه اتصال در هر دو فلز یکسان هستند، مقدار V3 برابر با صفر خواهد بود.
برای تعیین ولتاژ واقعی (ولتاژ V1) باید ولتاژ V2 مشخص گردد.چنانچه دمای اتصال J2 مشخص باشد میتوان مقدار V2 را از جداول مربوطه بدست اورد.یک راه حل این است که نقطه اتصال J2 به بیرون از ولت متر منتقل شده و ثابت نگه داشته شود. شکل زیر این وضعیت را نشان میدهد. نقطه اتصال J2 معمولا در محفظه ای از یخ (در دمای صفر درجه سانتیگرد) قرار داده می شود. اندزه ولتاژ V2 از روی جدول مربوطه برای ترموکوپل نوع T در دمای صفر درجه سانتیگرد بدست می آید. حال میتوان ولتاژ اندزه‌گیری شده توسط ولت متر را از ولتاژ V2 کم کرده و ولتاژ V1 را مخاسبه نمود.
اندازه‌گیری ولتاژ در تایپ J :
چنانچه ترمـوکوپل نوع J را به ولت‌متر متصل کنیم، شرایط کمی متفاوت تر خواهد بود. با توجه به اینکه این نوع ترموکوپل از فلزهای آهن و کنستانت ساخته میشود. هر دو نقطه اتصال ترمـوکوپل، با فلز مس درون ولت متر تشکیل یک ترموکوپل می دهند. جهت اندازه‌گیری ولتاژ واقعی باید ولتاژ هر دو نقطه معلوم باشد. با توجه به راه حلی که در بالا ارایه شد، لازم است که دو نقطه مرجع دما وجود داشته باشد که این کار امکان پذیر نیست. راه حلی که در اینجا پیشنهاد می شود در شکل زیر نشان داده شده است. در این حالت از یک اتصال میانی استفاده میشود، و سیمهای ترموکـوپل به این واسط میانی متصل می شوند. سپس این ترمینال میانی بوسیله سیمهای مسی که از جنس سیمهای داخل ولت متر می باشند به ولت متر متصل میشود.
با توجه به اینکه دو نقطه تشکیل شده در این اتصال میانی بصورت قرینه قرار گرفته اند، اثر یکدیگر را خنثی می کنند. و برای اندازه گیری ولتاژ ترموکوپل مانند حالت قبل تنها لازم است که ولتاژ V2 محاسبه شود. استفاده از اتصال میانی روشی است که در ترموکـوپل های صنعتی به کار می رود.
انواع مدل های ترموکوپل :
سنسورهای ترموکـوپل نیز همانند RTD ها درون پوشش فلزی استوانه ای قرار داده میشوند. این پوشش کمک می کند که ترموکوپل از تأثیرات شیمیایی و مکانیکی و آلودگیهای خارجی در امان باشد. آلودگی ها منجر به تغییر مشخصات ترمـوکوپل و اخلال در عملکرد آن می شوند. ترموکوپل ها در سه مدل ساخته و نصب می شوند. این سه مدل ترموکوپل در شكل زیر نشان داده شده اند.
در نوع اول، نقطه اتصال دو فلز با کمی فاصله از قسمت انتهایی پوشش قرار می گیرد و هیچگونه تماسی با بدنه فلزی پوشش ندارد. در این حالت ترمـوکوپل دیگر به زمین متصل نمی شود.و در معرض نویزهای محیطی قرار نمی‌گیرد و از نظر الکتریکی کاملا مجزا است، اماتاخیر اندازه گیری افزایش می یابد. سیمهای ترموکوپل که درون پوشش فلزی قرار می گیرند، بوسیله یک ماده عایق از تماس با بدنه فلزی، جدا می شوند.
در نوع دوم، فلزهای ترموکوپل به طور کامل درون پوشش قرار داده میشوند، و نقطه نتهایی آنها به بدنه فلزی پوشش، جوش میشود، اینکار باعث کاهش تاخیر زمانی اندازه‌گیری دما خوهد شد. در این حالت بدنه پوشش به زمین متصل می شود، تا تحت تأثیر نویزهی الکتریکی محیط قرار نگیرد؛ اما به دلیل پایین بودن میزان ولتاژ تولیدی در ترموکوپل، باز هم مقداری خطا وجود درد.
در نوع سوم، نقطه اتصال دو فلز، بیرون از پوشش قرار می گیرد . و امکان تماس سنسور بسیال وجود دارد این مسله سرعت اندزه‌گیری دمد را افزایش خواهد داد.
نصب ترموکوپل :
به منظور اندازه گیری دمای سیال درون تجهیزات سایت، ترموکوپلها را نیز مانند سنسورهای RTD درون غلاف قرار میدهند.شکل زیر ترموکوپل بوسیله فنری که در قسمت انتهایی آن تعبیه میشود، درون غلاف جای داده می شود در اینصورت با سطح غلاف در تماس خواهد بود و سرعت و دقت اندازه گیری دما افزایش می یابد.
با توجه به اینکه خروجی ترموکـوپل ها بصورت ولتاژ میباشد، می توان آنها را مستقیما به سیستم کنترل متصل کرد و دیگر نیازی به مبدل و ترانسمیتر نمی‌باشد. با توجه به مطالی که در بالا گفته شد، جهت جلوگیری از ایجاد ترموکوپل جدید در محل اتصال کابلها، بهتر است سیمهای رابط تا اتاق کنترل از جنس، فلزهای ترموکوپل و سیمهای سنسور باشند. اما این کار مقرون به صرفه نیست زیرا سیمهای ترموکوپل با دقت بالایی ساخته می شوند و قیمت گرانی دارند. این سیمها تنها در نقش انتقال سیگنال عنصر اندازه گیری دما بکار می روند. بدین منظور سازندگان کابلهای دیگری ارایه می کنند، که از نظر مشخصات حرارتی بسیار شبیه به سیمهای ترموکـوپل بوده، و قیمت ارزان تری دارند. به این کالها، کابل توسعه ترموکوپل (T/C Extension Wire)گفته میشود. این کابلها مانند خود ترموکوپلها و با همان نامها تولید می شوند.
وایرینگ ترموکوپل :
چنانچه برای اتصال دو کابل به یکدیگر از ترمینال استفاده شود، فلز ترمینال نیز باید از نوع خود ترموکوپل باشد. در صورت رعایت نکردن این مساله، خود ترمینال مثل یک ترموکـوپل مجازی عمل می کند و باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می شود. در صورت استفاده از کابلهای معمولی برای انتقال ولتاژ ترموکوپل، با توجه به اینکه سیمهای معمولی مشخصات حرارتی مطابق با سیم ترموکوپل ندارند باید دمای محیط به درجه حرارت نشان داده شده اضافه شود. این دما معمولا C° ۳۰ و یا ۰/۱۷mv در نظر گرفته می شود.
نکته مهم در زمان نصب ترمـوکوپل ها، رعایت جهت مثبت و منفی ولتاژ خروجی ترموکـوپل می باشد. این علامت مثبت و منفی ممکن است بر روی سیمهای ترموکوپل معین شده باشد. در صورت مشخص بود علامت مثبت و منفی، سیم منفی ترموکوپل معمولا نرمتر میباشد. این مساله با دست کاملا محسوس است. اما جهت رفع هرگونه خطا در زمان نصب ترموکوپلها، این موضوع در استاداردهای مربوطه بوسیله رنگ مشخص شده است. سرهای مثبت و منفی ترموکـوپل ها و سیمهای توسعه توسط رنگهای متنوع کدبندی میشود. تمام رگ بندی‌ها برای ترموکوپل و سیمهای رابط و توسعه دهنده آن باید، از استادارد واحدی تبعیت نماید.
جعبه اتصال (Housing) ترموکوپل :
هماطور که گفتیم میتوان بدون استفاده از مبدل و ترانسمیتر ولتاژ تولید شده در ترموکوپل ها را به سیستم کنترل منتقل کرد. اما با توجه به اینکه ولتاژ الکتریکی تولید شده دامنه کوچکی دارد و این احتمال وجود دارد که تحت تأثیر نویزهای الکتریکی قرار گیرد. برای انتقال سیگنال تولید شده از ترانسمیتر استفاده می شود. بدین منظور سیستم های الکترونیکی کوچکی ساخته شده‌اند که در جعبه اتصالات ترموکوپل قرار می گیرد.
خروجی این سیستم ها معمولا جریان الکتریکی ۴-۲۰mA است، که کمتر تحت تأثیر نویز قرار میگیرد. محدوده دمایی که ترموکـوپل ها اندازه‌گیری می کنند، بسیار بالاست به نحوی که امکان نصب سیستمهای الکترویکی در آن شرایط و در نزدیکی سنسور وجود ندارد. لذا معمولا مبدل و تراسمیتر در فاصله دورتری نصب می شود و ترموکوپل به وسیله کابلهای توسعه به آنها متصل می شود.
مقایسه کلی :
ترموکـوپل ها بسیار ساده می باشد و نیازی به تغذیه جداگانه ندارد و نسبت به سنسورهای RTD ارزان‌تر هستد. ترموکـوپل ها محدوده دمایی وسیعی را (۱۵۰۰ تا ۲۰۰- درجه ساتیگراد ) پوشش میدهد. و به راحتی می توان آنها را تعویض و جایگزین کرد. زمان پاسخ‌گویی سریعی (بین ۰/۲ تا ۱۲ ثایه ) دارد. سنسورهای RTD جهت اندازه گیری دما، متوسط‌گیری می کنند اما ترموکوپلها دمایی را که در نقطه انتهایی آنها وارد می شود، مستقیما اندازه گیری می کنند و به همین دلیل سریعتر می باشد.
انتخاب ترموکوپـل :
- رنج دمائی کارکرد ترمـوکوپل
- تیپ ترموکـوپل
- طول ترموکـوپل
- جنس غلاف ترموکـوپل
- امکان داشتن خروجی 4تا 20میلی آمپر برای ترمـوکوپل
- دقیق بودن ترموکوپل و کلاس دقت آن
- نوع سرامیک به کار برده شده در ترموکوپل