در هر صنعتی که نیاز به تغییر دمای مواد اولیه باشد، ترموکوپل اولین گزینه انتخابی مهندسان است، پس با آموزش عملکرد ترموکوپل همراه ما باشید.

ترموکوپل ها یکی از پرکاربردترین سنسورهای دما هستند، که به دلیل قابلیت اطمینان بالا، ساده بودن مکانیزم عملکرد، رنج دمایی گسترده و مقرون به صرفه بودن از محبوبیت زیادی برخوردارند.

ترموکوپل ها در صورت نصب صحیح، می توانند اندازه گیری دما را با دقت مناسبی انجام دهند. این تجهیزات که بر اساس اثر ترموالکتریک فعالیت می کنند، در ورودی خود دما را دریافت کرده و در خروجی ولتاژ تولید می کنند.

در این مقاله ابتدا به بررسی چگونگی تولید ولتاژ با دما پرداخته و اثر ترموالکتریک را بررسی می کنیم. سپس به بررسی ترموکوپل، مکانیزم عملکرد، انواع و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

تولید ولتاژ

شش راه برای تولید ولتاژ وجود دارد:

 تولید ولتاژ از طریق واکنش شیمیایی:

این روش عملکرد باتری ها است. اساساً باتری ها با فرآیند یونیزاسیون کار می کنند. یعنی، مواد شیمیایی که دارای ذرات با بار منفی و ذرات با بار مثبت هستند با کنار هم قرار گرفتن باعث تولید ولتاژ می شوند. برای آشنایی بیشتر با این روش، مقاله و ویدئوی ” تولید ولتاژ با واکنش‌های شیمیایی” در تلویزیون ماهر مفید خواهد بود.

 تولید ولتاژ از طریق میدان مغناطیسی:

بیشتر انرژی مصرفی ما از این روش به دست می آید. پس از این که آهنرباها خطوط شار مغناطیسی ایجاد کردند، عبور شار متغیر از یک هادی می تواند مبنع تولید ولتاژ باشد. توربین های بخار، آسیاب های بادی و سدهای برق آبی همگی از این فناوری برای تولید ولتاژ استفاده می کنند.

 تولید ولتاژ از طریق نیروی اصطکاک:

هنگامی که دو ماده متفاوت به هم مالیده می‌شوند، الکترون ها بین دو ماده حرکت می کنند. این اثر تریبوالکتریک (Triboelectric Effect) است، و باعث می شود یک جسم دارای بار منفی (الکترون اضافی) و دیگری دارای بار مثبت (کمبود الکترون) شود. این وضعیت منجر به تخلیه الکترواستاتیکی خواهد شد. در این تخلیه، با انتقال الکترون ها از جسم منفی به جسم مثبت، ولتاژ تولید می شود.

 تولید ولتاژ از طریق فشار:

نام دیگر این فرآیند پیزوالکتریک است. پیزوالکتریسیته بارهای الکتریکی هستند که در برخی مواد جامد در پاسخ به تنش مکانیکی جمع می‌شود. کلمه پیزوالکتریک به معنای الکتریسیته ناشی از فشار است. وقتی که فشار به برخی از اجسام اعمال می شود، فشار بارهای مثبت و منفی را در یک جسم خنثی جابجا می کند و جابجایی بارهای الکتریکی هم یعنی تولید ولتاژ.

 تولید ولتاژ از طریق نور:

این روش همان اثر فوتوولتائیک است. در این روش، سلول های فوتوولتائیک که از جنس خاصی ساخته شده اند، با جذب نور جریانی از الکترون ها را در خود تجربه می کنند. با جابجایی الکترون ها، تولید ولتاژ را خواهیم داشت.

 تولید ولتاژ از طریق دما:

این فرآیند به اثر ترموالکتریک مشهور بوده و اساس کار ترموکوپل ها است، در ادامه با این روش بیشتر آشنا خواهیم شد.

اثر ترموالکتریک

اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی و بالعکس است. دستگاه های ترموالکتریک زمانی که دمای متفاوتی در هر قسمت داشته باشند، ولتاژ ایجاد می کنند و یا وقتی یک ولتاژ به آن ها اعمال می شود، گرما از یک قسمت به قسمتی دیگر منتقل می شود و اختلاف دما ایجاد می کند.

در مقیاس اتمی، دما باعث می شود که حامل های بار از سمت گرم ماده به سمت سرد آن پخش شوند. این اثر می تواند برای تولید الکتریسیته، اندازه گیری دما یا تغییر دمای اجسام استفاده شود. از آنجا که جهت گرمایش و سرمایش توسط قطب های ولتاژ اعمال شده تعیین می شود، دستگاه های ترموالکتریک را می توان به عنوان کنترل کننده دما مورد استفاده قرار داد.

ایبک (Seebeck)

اثر پصطلاح “اثر ترموالکتریک” شامل سه اثر جداگانه است:

اثر سلتیر (Peltier)  

اثر تامسون (Thomson)

 اثر سیبک

این اثر توسط توماس سیبک، فیزیک دان آلمانی، ارائه شده و توسط فیزیکدان دانمارکی به نام هانس کریستین اورستد تکمیل شد. بر مبنای این اثر، گرادیان دما عامل ایجاد اختلاف پتانسیل است.

 اثر پلتیر

وقتی جریان الکتریکی از دو رسانای غیر هم جنس عبور کند، در محل اتصال دو فلز گرما یا سرما ایجاد خواهد شد.

اثر تامسون

اگر جریان الکتریکی در ماده‌ای با گرادیان دمایی برقرار ‌شود، گرما، کاهش یا افزایش می یابد. مقدار این میزان کاهش یا افزایش گرما، با جریان الکتریکی و گرادیان دما متناسب است.

با توجه به این سه اثر می توانیم انتظار داشته باشیم با تغییر دمای دو فلز نا هم جنس و اندازه گیری ولتاژ آن ها، مکانیزمی برای اندازه گیری دما داشته باشیم، این مکانیزم همان مکانیزم عملکرد ترموکوپل است.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل (Thermocouple) که با نام‌های:

• ترموالکتریک (Thermoelectric)
• ترمومتر (Thermometer)
• و اتصال حرارتی (Thermal Junction)  

نیز شناخته می‌شود، سنسوری است که دما را اندازه‌گیری می‌کند.

برای بررسی انواع سنسورها مقاله‌ی  ” سنسور چیست و چه انواعی دارد؟ “ را مطالعه کنید.‌

اساس کار ترموکوپل

ترموکوپل‌ها از دو صفحه‌ی فلزی با جنس متفاوت ساخته شده اند، که از یک ‌طرف به هم متصل می‌شوند. محل اتصال دو فلز روی عنصر یا سطحی قرار می‌گیرد که می‌خواهیم دمای آن را اندازه‌گیری کنیم.

با توجه به اثر سیبک، با تغییر دمای سمت مشترک دو فلز، در دو سر جدا از هم اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود. با استفاده از یک ولت‌متر ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری کرده و میزان دما را بر اساس آن محاسبه می کنیم.

شکل 1- عملکرد ترموکوپل

انواع ترموکوپل

انواع زیادی از ترموکوپل ها با توجه به نوع فلزات مورد استفاده در آن ها موجود است.

انواع K، J، T ، E ، R ، S ، B  و N با توجه به نوع فلزات دسته‌بندی می‌شوند.

ترموکوپل‌های نوع J ، K ، T و E به عنوان ترموکوپل‌های بیس‌متال (Base Metal Thermocouple)و ترموکوپل‌های R ، S و B به عنوان ترموکوپل‌های نوبل‌متال (Noble Metal) هستند.

برای آشنایی بیشتر با انواع مختلف این تجهیز به مقاله “ترموکوپل چیست؟“ مراجعه فرمایید.

شکل 2- ترموکوپل نوع k

چطور ترموکوپل انتخاب کنیم؟

از آنجا که ترموکوپل می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، انتخاب صحیح نوع ترموکوپل چالش خواهد بود. برای تعیین بهترین ترموکوپل پنج نکته را باید در نظر گرفت:

1. تعیین جزئیات اپلیکیشنی که در آن از ترموکوپل استفاده می‌شود.
2. تعیین محدوده دمایی مناسب ترموکوپل با توجه به شرایط نصب.
3. مشخص کردن طول زمان پاسخ ترموکوپل.
4. در نظر گرفتن شرایط خاص حاکم بر محیط مانند وجود مواد شیمیایی و خورنده و ….
5. توجه به الزامات نصب ترموکوپل.

این موارد در مقاله “ترموکوپل چیست؟” کاملا توصیف شده اند.

غلاف ترموکوپل

غلاف های ترموكوپل به دو گروه فلزی و سراميكی تقسيم بندي می گردند.

غلاف فلزی:

غلاف های فلزی معمولا از خانواده فولاد های ضد زنگ و يا فولاد های مقاوم به دما هستند.

شکل 3- غلاف فلزی ترموکوپل

غلاف سرامیکی:

غلاف های سراميكی خود به دو گروه تقسیم می شوند؛ غلاف های سرامیکی با آلومینای 60 درصد و آلومینای بالای 99 درصد.

• غلاف های آلومينای 60 درصد می توانند تا دمای 1500 درجه سانتی گراد را تحمل کنند. این غلاف ها براي ترموكوپل های نوع K , S مورد استفاده قرار می گيرند. اكسيد آلومينيوم و عناصر قليايی عناصر سازنده اين نوع غلاف سرامیکی هستند. غلاف آلومینای 60 درصد كاملا سفيد رنگ است.
• غلاف سراميكی با آلومينای بالای 99 درصد حداكثر تا 1800 درجه سانتي گراد را تحمل می کند.

شکل 4- غلاف سرامیکی

کاربرد ترموکوپل

به طور کلی ترموکوپل ها در صنایعی که تغییر دما در مواد اولیه لازم باشد و یا نیاز به سنجش دما در سیستم وجود داشته باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. این تجهیزات در وسایل خانگی، کنترل کوره های صنعتی، اکسترودرها، صنایع غذایی، خودروسازی، صنایع فضایی و … کاربرد دارند.

جمع بندی

• در این مقاله یکی از پرکاربردترین سنسورها، یعنی ترموکوپل را بررسی کردیم. مقاله “ترموکوپل چیست؟” می تواند اطلاعات بیشتری درباره این تجهیز در اختیار شما قرار دهد.
• اساس کار ترموکوپل بر پایه اثر ترموالکتریک است.
• ترموکوپل ها بر اساس نوع فلز آن ها به دسته های مختلفی تقسم می شوند. برای انتخاب صحیح این تجهیزات، 5 عامل را معرفی کردیم.
• ترموکوپل ها در موقعیت هایی که به اندازه گیری دما نیاز باشد، استفاده می شود.

یک سوال، یک چالش

تست اتصال کوتاه در بعضی از ترموکوپل ها، وجود اتصال کوتاه در ترموکوپل را با صدای ممتد بوق نشان می دهد. اما در بعضی دیگر، این تست عدم وجود اتصال کوتاه را نشان می دهد.

چه تفاوتی بین ترموکوپل ها نتیجه تست بازر (بیزر) را تغییر می دهد؟

در مقالات بعدی به پاسخ این سوال خواهیم پرداخت.

ویدیوی ماهر؛ فیلم آموزش عملکرد ترموکوپل

فیلم آموزش عملکرد ترموکوپل، به خوبی عملکرد ترموکوپل را نمایش می دهد.

منبع: sciencedirect.com