دما از پارامترهای مهم فیزیکی است که در بیشتر فرایندهای صنعتی و تولیدی اهمیت زیادی دارد و اندازه‌گیری و کنترل آن از چالش‌های مهم در هر سیستم اتوماسیون صنعتی است. برای اندازه‌گیری دما از سنسورهای مختلفی استفاده می‌شود؛ اما یکی از رایج‌ترین و محبوب‌ترین سنسورهای دما ترموکوپل است. بهکارگیری ترموکوپل در سیستم‌های اتوماسیون بسیار ساده است، سازگاری خوبی با کنترلرهای مدرن دارد و قیمت آن نیز مقرون‌به‌صرفه است. در ادامه، ضمن معرفی این تجهیز، نکات مهم مربوط به آن را بررسی می‌کنیم.
در دوره اتوماسیون صنعتی ماهر به‌صورت عملی نحوه استفاده از ترموکوپل و بسیاری دیگر از سنسورها را در یک سیستم اتوماسیون فرا می‌گیرید. گذراندن این دوره، این مهارت را به شما می‌دهد تا یک سیستم اتوماسیون صنعتی را به طور کامل طراحی، اجرا و عیب‌یابی کند.
شکل ۱- یک نمونه ترموکوپل
ترموکوپل چیست و چه کاربردی دارد؟
ساختار ترموکوپل‌ها بسیار ساده است. یک ترموکوپل از دو فلز غیرهم‌جنس ساخته شده است که از یک سر به هم متصل می‌شوند. محل اتصال، درون محیط یا روی سطحی قرار می‌گیرد که می‌خواهیم دمای آن را اندازه‌گیری کنیم. نقطه اتصال دو فلز، به اتصال گرم (Hot Junction) معروف است. سر دیگر دو فلز در دمای پایین‌تر (دمای اتاق) قرار می‌گیرد. این اتصال به عنوان اتصال سرد (Cold Junction) یا اتصال مرجع (Reference Junction) شناخته می‌شود.
مبنای کار ترموکوپل بر اساس اثر سیبک (Seebeck) است. این اثر، بیان‌گر اختلاف پتانسیل الکتریکی است که در نتیجه تغییرات دما به وجود می‌آید. با تغییر دمای سمت مشترک دو فلز، در اتصال سرد، اختلاف پتانسیل و در نتیجه ولتاژ ایجاد می‌شود. ولتاژ ایجاد‌شده را می‌توان با استفاده از یک ولت‌متر اندازه‌گیری کرده و با تفسیر آن میزان دما را محاسبه کرد.
شکل ۲- نحوه عملکرد ترموکوپل
برای آشنایی بیشتر با ترموکوپل و بسیاری سنسورهای رایج در اتوماسیون صنعتی می‌توانید مقاله زیر را مطالعه کنید.
سنسور چیست و انواع سنسور کدامند؟
انواع اتصالات ترموکوپل‌ها
نوع اتصال در سرعت عملکرد ترموکوپل‌ها نقش مستقیم دارد. اتصالات ترموکوپل‌ها را می‌توان به سه دسته‌ی ترموکوپل با اتصال بدون غلاف (Exposed Thermocouple Junction)، ترموکوپل با اتصال زمین‌شده (Grounded Thermocouple Junction) و ترموکوپل با اتصال زمین‌نشده (Ungrounded Thermocouple Junction) تقسیم کرد.
شکل ۳- انواع اتصال‌های ترموکوپل
ترموکوپل با اتصال بدون غلاف
همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، در اتصال بدون غلاف دو الکترود فلزی، خارج از یک پروب فلزی محافظ به هم متصل شده‌اند. از این اتصال معمولاً برای اندازه‌گیری دمای گازها استفاده می‌شود. از آنجا که در این ترموکوپل، نقطه اتصال، پوشش محافظی ندارد، محل اتصال بسیار آسیب‌پذیر است و رطوبت یا ناخالصی‌های مایع یا جامد نباید در گاز وجود داشته باشند. اتصال بدون غلاف، زمان پاسخگویی سریع‌تری نسبت به انواع دیگر ترموکوپل دارد؛ زیرا انرژی حرارتی برای انتقال به محل اتصال نیازی به عبور از یک غلاف فلزی یا یک عایق فشرده ندارد.
ترموکوپل با اتصال زمین‌شده
ترموکوپل با اتصال زمین‌شده متداول‌ترین نوع ترموکوپل هستند. در این روش، ترموکوپل درون یک غلاف فلزی (Thermowell) قرار گرفته و نقطه اتصال گرم آن به بدنه غلاف متصل می‌شود. در این حالت، انتقال دما از طریق بدنه غلاف به نقطه اتصال ترموکوپل اعمال می‌شود. این نوع ترموکوپل در برابر آسیب یا خوردگی مقاومت بسیار بیشتری نسبت به نواع بدون غلاف دارد. ترموکوپل غلاف‌دار زمین‌شده زمان پاسخ نسبتاً سریعی را فراهم می‌کنند؛ زیرا گرما فقط باید از یک غلاف فلزی که رسانایی حرارتی بالایی دارد، عبور کند (شکل ۳).
شکل ۴- غلاف فلزی ترموکوپل (ترمووِل)
ترموکوپل با اتصال زمین‌نشده
در ترموکوپل با اتصال زمین‌نشده، مشابه ترموکوپل با اتصال زمین‌شده، نقطه اتصال درون یک غلاف فلزی قرار می‌گیرد. با این تفاوت که در نوع زمین‌نشده، سر ترموکوپل علاوه بر غلاف فلزی توسط یک عایق (معمولاً اکسید منیزیم) هم احاطه شده است و اتصال فیزیکی بین نقطه اتصال و بدنه غلاف نیست. این روش، باعث محافظت ترموکوپل در برابر نویز و اتصالی‌های ناخواسته شده و از آسیب به تجهیزات الکترونیکی متصل به آن جلوگیری می‌کند. ترموکوپل‌هایی که با اتصال زمین‌نشده به کار می‌روند، زمان پاسخگویی کندتری دارند، زیرا گرما باید قبل از رسیدن به محل اتصال، از طریق غلاف و سپس از طریق اکسید منیزیم (که رسانایی حرارتی کمتری نسبت به فلز دارد) عبور کند. همچنین، این روش به ترموکوپل اجازه می‌دهد تا رنج دمای بالاتری را اندازه‌گیری کند.
نکته: ترموکوپل با اتصال آشکار در کاربردهایی که به زمان پاسخگویی کم نیاز است بهتر کار می‌کند ، اما ترموکوپل با اتصال زمین نشده در محیط‌های خورنده بهتر است.
انواع (تیپ‌های) ترموکوپل
مشخصه‌های عملکرد ترموکوپل مانند رنج دمای اندازه‌گیری، دقت اندازه‌گیری و محل بهکارگیری آن‌ها مستقیماً به جنس فلزات تشکیل‌دهنده ترموکوپل بستگی دارند. کنار هم قرار گرفتن انواع مختلف فلزات، طیف وسیعی از ترموکوپل‌ها را در دسترس قرار می‌دهد.
انواع ترموکوپل‌ها با توجه نوع فلزهای تشکیل‌دهنده آن‌ها با نام‌های K ،J ،T ،E ،R ،S ،B و N شناخته می‌شوند. منحنی مشخصه دما-ولتاژ تیپ‌های مختلف ترموکوپل را در نمودار شکل ۴ می‌بینید.
شکل ۵- منحنی دما-ولتاژ انواع مختلف ترموکوپل
ترموکوپل‌های نوع J ،K ،T و E به‌عنوان ترموکوپل‌های ساخته‌شده از فلزات پایه (Base-metal) و ترموکوپل‌های R ،S و B به‌عنوان ترموکوپل‌های ساخته‌شده از فلزات بی‌اثر (Noble-metal) شناخته می‌شوند. ترموکوپل‌های گروه دوم در دماهای بسیار بالا عملکرد دقیقی دارند.
۱. ترموکوپل نوع k
ترموکوپل نوع K از دو فلز نیکل-کروم و نیکل-آلومینیوم ساخته شده است و رایج‌ترین نوع ترموکوپل است. این نوع وسیع‌ترین محدوده اندازه‌گیری دما را در میان همه تیپ‌های ترموکوپل دارد. محدوده دمایی ترموکوپل نوع K از ۲۰۰- تا ۱۲۶۰ درجه سانتی‌گراد است. میزان حساسیت این سنسور ۴۱ میکرو ولت بر درجه‌سانتی‌گراد (µV/°C) است و در محیط‌های بدون‌خلأ کیفیت اندازه‌گیری مناسبی دارد.
۲. ترموکوپل نوع J
ترموکوپل نوع J با فلز‌هایی از جنس آهن و کنستانتان (آلیاژ مس و نیکل) ساخته شده است و ترموکوپلی کم‌هزینه و پرکاربرد است. محدوده دمایی ترموکوپل نوع J بین ۲۱۰- تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد است. حساسیت آن ۵۰µV/°C است و در مقایسه با ترموکوپل نوع K محدوده دمایی کمتر و طول عمر کوتاه‌تری دارد. ترموکوپل نوع J برای محیط‌های خورنده و در معرض اکسیداسیون مناسب است.
۳. ترموکوپل نوع T
در ساخت ترموکوپل نوع T از فلزهای مس و کنستانتان استفاده شده است و برای محدوده اندازه‌گیری دمای پایین از آن استفاده می‌شود. حساسیت این نوع ترموکوپل، ۴۳µV/°C است و بین ۲۰۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کند. این ترموکوپل هم مانند ترموکوپل نوع J، برای کار در محیط‌های در معرض اکسیداسیون مناسب است.
۴. ترموکوپل نوع E
جنس فلزهای سازنده ترموکوپل نوع E کروم-نیکل و کنستانتان است. این نوع ترموکوپل دقت بیشتر و سیگنال قوی‌تری نسبت به ترموکوپل نوع K و J دارد. محدوده دمایی نوع E متوسط است و بین ۲۷۰- و ۸۷۰ درجه را اندازه می‌گیرد. ترموکوپل نوع E نسبت به انواع دیگر ترموکوپل بالاترین اختلاف پتانسیل را در هر درجه ایجاد می‌کند؛ بنابراین، در مواردی که دقت بالا و پاسخ سریع مورد نیاز است از نوع E استفاده می‌شود. این ترموکوپل توانایی فعالیت در محیط‌های خلأ یا کم‌اکسیژن و محیط‌های گوگردی را ندارد و قیمت آن بیشتر از ترموکوپل نوع J و K است.
۵. ترموکوپل نوع S
ترموکوپل‌های نوع S با یک فلز پلاتین و یک فلز آلیاژ پلاتین (۹۰٪) و رودیوم (۱۰٪) ساخته می‌شوند. این نوع ترموکوپل در اندازه‌گیری دمای بالا استفاده می‌شوند؛ اما به دلیل دقت و ثبات بالا، گاهی اوقات برای دمای پایین هم به کار می‌روند. محدوده دمایی ترموکوپل نوع S بین ۶۳۰ تا ۱۰۶۰ درجه سانتی‌گراد است. نوع S در صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی در مواردی که به اندازه‌گیری دمای زیاد و دقت بالا نیاز باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۶. ترموکوپل نوع R
در ترموکوپل نوع R هم مشابه نوع S از فلزهای پلاتین و رودیوم استفاده شده است؛ اما با درصدهای متفاوت (یک فلز پلاتین و یک فلز آلیاژ ۸۷٪ پلاتین و ۱۳٪ رودیوم). محدوده خروجی و پایداری ترموکوپل نوع R کمی بیشتر از ترموکوپل نوع S است و محدوده دمایی آن بین ۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
بدیهی است که ترموکوپل‌های نوع S و R بسیار مشابه باشند. هر دوی این ترموکوپل‌ها برای کاربردهای با درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند و باید با یک غلاف غیر‌فلزی و مقره‌های سرامیکی محافظت شوند. ترموکوپل نوع R در صنعت استفاده می‌شود در حالی که نوع S در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارد.
۷. ترموکوپل نوع B
ترموکوپل نوع B به‌خاطر جنس فلزات سازنده آن (یک پایه پلاتین و یک پایه آلیاژ ۷۰٪ پلاتین و ۳۰٪ رودیوم)، شباهت زیادی به نوع R و نوع S دارد. ترموکوپل نوع B برای اندازه‌گیری دمای ۸۷۰ تا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود و خروجی این سنسور در مقایسه با ترموکوپل‌های نوع R و S کمتر است.
۸. ترموکوپل نوع N
جنس فلز ترموکوپل نوع N نیکروسیل (ترکیبی از نیکل، کروم و سیلیکون) و نیسیل (ترکیبی از نیکل و سیلیکون) است. دقت و محدوده‌ی دمایی ترموکوپل نوع N مشابه ترموکوپل نوع K است و حساسیت آن کمی کمتر از ترموکوپل نوع K است (۳۹µV/°C). این ترموکوپل بهترین جایگزین ترموکوپل نوع K برای شرایطی است که اکسیژن کم است. همچنین، برای استفاده در خلأ، محیط اکسیدکننده و محیط خشک این سنسور گزینه مناسبی به شمار می‌رود.
نوع (Type) | فلزات به‌کار‌رفته | محدود اندازه‌گیری (C°) | ویژگی‌ها | کاربرد |
K | نیکل-کروم و نیکل-آلومینیوم | ۲۰۰- تا ۱۲۶۰ | محدوده اندازه‌گیری وسیع حساسیت ۴۱µV/°C طول عمر زیاد | پرکاربردترین نوع صنایعی که محیط اندازه‌گیری غیرخلأ است. صنایع فلزی، مواد غذایی، پلاستیک و … |
J | آهن – کنستانتان | ۲۱۰- تا ۷۵۰ | قیمت کم محدوده اندازه‌گیری وسیع حساسیت ۵۰µV/°C | مناسب محیط‌های خورنده با اکسیداسیون بالا صنایع نساجی، پلاستیک، غذا و … |
T | مس – کنستانتان | ۲۰۰- تا ۳۵۰ | محدوده اندازه‌گیری پایین حساسیت ۴۳µV/°C | صنایع لاستیک، نساجی، مواد غذایی و … مناسب برای محیط‌های با اکسیداسیون و خوردگی بالا |
E | نیکل-کروم و کنستانتان | ۲۷۰- تا ۸۷۰ | دقت بالا تغییر بیشتر ولتاژ با افزایش دما محدوده دمای متوسط سرعت پاسخ بالا | صنایع شیمیایی، فلزات، لاستیک و پلاستیک و … |
S | پلاتین و پلاتین-رودیوم | ۶۳۰ تا ۱۰۶۰ | اندازه‌گیری دمای بالا دقت و حساسیت زیاد | صنایع دارویی، آزمایشگاهی، فلزات و شیمیایی و … |
R | پلاتین و پلاتین-رودیوم | ۰ تا ۱۶۰۰ | محدوده اندازه‌گیری وسیع دقت بالا | صنایع دارویی، آزمایشگاهی، فلزات و شیمیایی و … سیستم‌های اتوماسیون حساس به نویز |
B | پلاتین-رودیوم (۳۰٪) و پلاتین-رودیوم (۶٪) | ۸۷۰ تا ۱۷۰۰ | محدوده اندازه‌گیری وسیع دقت بالا | صنایع دارویی، آزمایشگاهی، فلزات و شیمیایی و … سیستم‌های اتوماسیون حساس به نویز |
N | نیکل-کروم و نیکل-سیلیکون | ۶۵۰ تا ۱۲۶۰ | محدوده اندازه‌گیری وسیع حساسیت ۳۹µV/°C | صنایع دارویی، آزمایشگاهی، فلزات و شیمیایی و … اندازه‌گیری در محیط خلأ یا اکسیداسیون بالا |
کابل ترموکوپل
به دلیل دامنه کم ولتاژ تولید‌شده توسط ترموکوپل، این تجهیز به نویز بسیار حساس است. همچنین، انتقال خروجی آن به مسافت‌های دور به دلیل افت ولتاژ در سیم‌های انتقال، در مقدار قرائت آن تأثیرگذار است. برای اطمینان در انتقال صحیح مقدار دما، باید برای هر نوع ترموکوپل از کابل مخصوص به خودش استفاده کرد. در شکل ۵ کابل مخصوص چند نوع ترموکوپل پرکاربرد در صنعت را مشاهده می‌کنید.
شکل ۶- کابل‌های ترموکوپل
چطور ترموکوپل انتخاب کنیم؟
از آنجا که ترموکوپل می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، درک نحوه انتخاب صحیح ترموکوپل مناسب بسیار مهم است. متداول‌ترین معیارهایی که برای انتخاب ترموکوپل استفاده می‌شود محدوده دما، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سایش و ارتعاش و الزامات نصب است. در ادامه، مختصراً به معیارهای انتخاب ترموکوپل اشاره شده است.
یکی از سنسورهای رایج اندازه‌گیری دما RTD است. در مقاله زیر، تفاوت میان RTD و ترموکوپل به طور مفصل شرح داده شده است.
تفاوت ترموکوپل و RTD چیست؟
- پروژه‌ای که در آن از سنسور ترموکوپل استفاده می‌شود: ترموکوپل را می‌توان در پروژه‌ها و کاربردهای مورد استفاده قرار داد؛ بنابراین، انتخاب مناسب، با آگاهی دقیق از نحوه کار ترموکوپل و مکان استفاده از آن، آغاز می‌شود.
- محدوده دمایی محیط مورد اندازه‌گیری توسط ترموکوپل: هنگامی که محدوده دمایی ترموکوپل مورد نیاز مشخص باشد، انتخاب صحیح ترموکوپل‌ها آسان‌تر اتفاق می‌افتد.
- زمان پاسخ: با مشخص شدن طول زمان مورد نیاز برای پاسخ‌دهی ترموکوپل، می‌توان تشخیص داد که کدام نوع می‌تواند پاسخگوی سرعت مورد نیاز باشد.
- مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی، سایش یا ارتعاش: نوع و سطح مقاومت ترموکوپل در شرایط مختلف در برابر عوامل شیمیایی یا ساییدگی با این معیار مشخص می‌شود. برای انتخاب بهتر ترموکوپل‌ها باید جزئیات محیط مشخص شود.
- توجه به الزامات نصب ترموکوپل: لازم است که ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد؛ بنابراین، توجه به شرایط نصب معیار دیگری برای انتخاب ترموکوپل‌ها خواهد بود.
برای آموزش فیلم آموزش عملکرد ترموکوپل کلیک کنید
مزایای استفاده از ترموکوپل
با توجه به مطالبی که مطرح شد، می‌توان دریافت که بهکارگیری ترموکوپل برای اندازه‌گیری دما مزایای زیادی را به همراه داد. چند نمونه از مزایای مهم این سنسور عبارتند از:
- قیمت مناسب
- محدوده اندازه‌گیری وسیع
- نصب و راه‌اندازی آسان
- سازگاری با انواع کنترل‌کننده‌های دیجیتال
- عدم نیاز به مدار ترنسمیتر یا محاسبات سنگین برای خواندن دما
- سرعت پاسخ بالا
- مقاومت مکانیکی بالا
- دقت قابل قبول
- تنوع زیاد برای کاربردهای مختلف
- رفتار خطی دما نسبت به ولتاژ
برای تعیین بهترین ترموکوپل پنج نکته را باید در نظر گرفت:
- تعیین جزئیات برنامه‌ای که در آن از سنسور ترموکوپل استفاده می‌شود:
ترموکوپل ها را می‌توان در صنایع و برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار داد، بنابراین انتخاب مناسب با آگاهی دقیق از نحوه کار ترموکوپل و مکان استفاده از آن آغاز می شود.
- تعیین محدوده دمایی که ترموکوپل در معرض آن قرار می‌گیرد:
هنگامی که محدوده دمایی ترموکوپل مورد نیاز مشخص باشد، انتخاب صحیح ترموکوپل‌ها آسان‌تر اتفاق می‌افتد.
- مشخص کردن اهمیت و طول زمان پاسخ:
با مشخص شدن طول زمان مورد نیاز برای پاسخ‌دهی می‌توان تشخیص داد که کدام اتصالات ترموکوپل می‌تواند پاسخگوی سرعت مورد نیاز باشد.
- در نظر گرفتن هرگونه مقاومت شیمیایی، سایش یا ارتعاش :
نوع و سطح مقاومت ترموکوپل در شرایط مختلف در برابر عوامل شیمیایی یا سایش با این معیار مشخص می‌شود. برای انتخاب بهتر ترموکوپل‌ها باید جزئیات محیط مشخص شود.
- توجه به الزامات نصب ترموکوپل:
لازم است که ترموکوپل با تجهیزات موجود سازگار باشد. بنابراین توجه به شرایط نصب معیار دیگری برای انتخاب ترموکوپل‌ها خواهد بود.
جمع‌بندی
یکی از سنسورهای رایج در صنعت ترموکوپل است. با توجه به دقت اندازه‌گیری، کاربرد آسان و قیمت مناسب این سنسور، یادگیری نحوه بهکارگیری آن در اتوماسیون صنعتی دانش سودمندی برای متخصصان این مشاغل به حساب می‌رود. در این مقاله، ضمن تشریح نحوه کار ترموکوپل، انواع مختلف آن و کاربرد هر یک در صنعت بررسی شد. در ادامه، معیارهای انتخاب ترموکوپل و برخی نکات فنی و مزایای مربوط به استفاده از آن نیز مورد بررسی قرار گرفت.
منبع: www.omega.co.uk
مقاله‌ای که خواندید بخشی از مطالب دوره آموزش اتوماسیون کار ماهر است.
برای یادگیری 0 تا 100 این دوره کلیک کن
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه اتوماسیون صنعتی هستید،برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
درود بر شما قربان. ترموکوپل نوع C و P جزو کدام دسته قرار می گیرند؟ آیا از نوع S می توان در دماهای بالا استفاده کرد؟ دوست بنده یک ترموکوپل از یکی از تولیدکنندگان ایرانی مانیاد صنعت خریداری کرد که واقعاً از لحاظ کیفیت فوق العاده بود.
سلام وقت شما بخیر.ترموکوپل های نوعC وPجز دسته ترموکوپل های فلز قیمتی و نسوز می باشند. از ترموکوپل نوعS می توان در جو های اکسید کننده یا بی اثر با محدوده دمای0 تا1480 درجه ،استفاده کرد.
عالی بود
بسیار عالی و آموزنده 🌹🌹🌹
سلام و عرض ادب
تشکر از همراهی شما