آشنایی با انواع ترموکوپل

ترموکوپل تشکیل شده از یک جفت سیم مختلف که از یک سر به یکدیگر متصل شده اند. این نقطه اتصال به عنوان نقطه اندازه گیری شناخته می شود. اما در حقیقت این نقطه اتصال خود به تنهایی قادر به اندازه گیری نیست. این دو سیم به سادگی از یک طرف به هم متصل شده و اطمینان حاصل می شود که هیچ پتانسیل الکتریکی مختلفی بین دو سیم در آن نقطه ایجاد نمی شود. هدف از این نقطه اتصال این است که نقطه شروعی که ولتاژ ترموالکتریک تولید می کند را بدست آورد. ترمو الکتریک در ترموکوپل یک تاثیر ممتد و پیوسته دارد که در سرتاسر اتصالات رسانای ترموکوپل توزیع می شود. این فرایند با دماهای مختلف یا شیب های دمایی مختلف ایجاد می شود. داخل مدار جریان آن طرف نقطه اتصال یا نقطه شروع، اتصالات رسانای ترموکوپل باید نسبت به یکدیگر عایق الکتریکی بوده و شرایط فرایند به گونه ای ایجاد شود که یک سیگنال خروجی صحیح بدست آید.

اگر بخواهیم تصور صحیحی در مورد ترموکوپل داشته باشیم؛ سه زون حرارتی را در نظر می گیریم. زون حرارتی که در آن دمای اندازه گیری شده به طور یکسان داغ است، زون دیگر که شامل منابع نقطه اتصال و اتصالات ساختاری می شود در دمای یکنواخت خنکتر قرار دارد. در بین این دو زون حرارتی زونی وجود دارد که در آن به شکل خطی دما به آرامی از حرارت بالا به حرارت پایین تر کاهش می یابد.
چون در نقطه اتصال اندازه گیری هیچ پتانسیل الکتریکی متفاوتی بین سیم ها در نقطه اتصال وجود ندارد در حقیقت ولتاژ ترموالکتریک متفاوتی بین سیم ها وجود ندارد به همین دلیل در زون حرارتی داغ یکنواختی دما وجود دارد به همین علت در زون خنک هم هیچ تفاوتی بین ولتاژ ترموالکتریک در بین سیم ها وجود ندارد. همه فعالیت های ترموالکتریک در زون حرارتی میانی ایجاد شده و باعث کاهش دما می شود.

دو سیم ترموکوپل یا همان ترموالمنت ها دارای طراحی متفاوت هستند، هر سیم هادی از المان های شیمایی تشکیل شده که با المان های سیم دیگر کاملا متفاوت است. این تفاوت ساختاری باعث می شود که هر المان پاسخگو تغییرات دمایی خروجی با روشی متفاوت باشد. پتانسیل الکتریکی ولتاژ ترمو الکتریک در طول هر سیم با تغییرات دما تغییر می کند، بنابراین هر کاهش دما باعث ایجاد ولتاژ ترموالکتریک کاهنده برای هر دو ترموالمنت می شود. اما نتایج این کاهش در یک سیم با سیم دیگر متفاوت است (به دلیل ساختار متفاوتشان). این تفاوت کوچک در تغییرات ولتاژ ترموالکتریک بین این دو سیم متفاوت سیگنال خروجی ترموکوپل را ایجاد می نماید.

انتخاب مناسب جفت المان ترموکوپل باعث می شود این خروجی ولتاژ ترموالکتریک بتواند یک تابع قابل اطمینان از تغییرات دما در انتهای دو سیم ایجاد نماید. هر جفت سیم ترموکوپل متفاوت انتخاب شده ولتاژ ترموالکتریک حرارتی مختص به خود را ایجاد می کند. ترکیب ترموالمنت های مهمی وجود دارد که 8 نوع از انواع متنوع ترکیب جفت المان های ترموکوپل دارای مشخصات ترموالکتریک با استاندارد بالاتری هستند.

در بین این چند مدل اختلافاتی در کارایی آن ها برای رنج های مختلف دمایی، ثبات در زمان استفاده، هزینه و تجدیدپذیری برای محیط زیست وجود دارد. اینکه چه نوع ترموکوپلی استفاده شود بستگی به این دارد که در چه رنج دمایی می خواهیم از این ترموکوپل استفاده کنیم. انتخاب نوع ترموکوپل به دما و شرایط استفاده بستگی دارد، هر نوعی که انتخاب شود مهم است که ترموالمنت ها توسط یک محافظ مناسب از شرایط سختی که تغییرات دمایی ایجاد می کند محافظت شود.

اتصالات سیمی یک ساختار معمولا در خارج از انتهای سنسور اسمبل بندی می شود. که می تواند به صورت یک اتصال سرباز باشد و یا در بعضی از مواقع از جک و کلید برای قطع اتصال سریع استفاده شود. مهم است که بسته به بازه دمایی و مواد ترموکوپل از چه نوع سخت افزاری استفاده شود. در برخی از مواقع بهتر است که سیم بندی پشت اتصال دو شاخه نسبت به ساختار مورد نیاز خود ترموکوپل متفاوت باشد. بدلیل اینکه محدوده دمایی در این قسمت از اتصال در مدار جریان معمولا نسبت به خود ترموکوپل از شدت کمتری برخوردار است.

مشخصات فیزیکی ترموکوپل

یک نوع ماده ترموکوپل غلاف فلزی نامیده می شود. یک غلاف بیرونی جداناپذیر که مواد انتخاب شده با تست اتمسفر و مقاوم شدن در برابر آسیب سازگار باشد. که داخل این محفظه پودر سرامیک فشرده قرار دارد که سیم های ترموکوپل را ایزوله می نماید. مواد داخل این غلاف خالص و خشک بوده و آب بندی شده است. که این آب بندی سبب می شود پودر سرامیک کاملا خشک بماند چون نفوذ رطوبت باعث کاهش عمر ترموکوپل می شود.

در یک نوع ساختار دیگر ترموالمنت های بدون روکش به سادگی از درون حفره های سرامیک دانه ای (دانه تسبیحی) عبور داده می شوند. در شرایط ایده آل این ترموالمنت های بدون غلاف را مستقیما وارد محفظه می کنند تا دما را اندازه گیری نماید.

برای موارد با کاربرد دمای متوسط از ایزوله نرم برای هر دو ترموالمنت توسط یک اتصال به هم پیوسته ساده به شکل دانه تسبیح استفاده می شود. که بسته به نوع ایزوله و شرایط استفاده این ساختار اقتصادی می باشد.

مشخصات مکانیکی ترموکوپل

زمانی که مواد اولیه ترموکوپل ساخته می شود جزئیات مکانیکی یا سخت افزاری این اتصال می تواند تعیین شود. منتاژ می تواند به سادگی وارد کردن سنسور درون حفره باشد یا می تواند به دلیل شرایط ساختاری به سختی متصل شود. لوله اتصال برای همین منظور مورد استفاده قرار می گیرد. نکته مهم این است که ارتباط سخت افزاری ترموکوپل می تواند نقش مهمی در کارایی ترموکوپل داشته باشد. اتصالات سیمی یک ساختار معمولا در خارج از انتهای سنسور اسمبل بندی می شود که می تواند به صورت یک مدل از اتصال سرباز باشد و یا به صورت کلید برای قطع اتصال سریع استفاده شود. بسته به بازه دمایی و مواد ترموکوپل اهمیت استفاده از نوع سخت افزار زیاد است.

انواع ترموکوپل و کاربرد آن

ترموکوپل Type K

دارای ترکیب شیمیایی
(nickel – 5% aluminum and silicon) + (nickel – 10% chromium)
مناسب برای استفاده در اکسیداسیون یا اتمسفر خنثی تا دمای 1260 درجه سانتیگراد. این ترموکوپل ها انتخاب مناسبی برای عملکردهای فلزی در دمای بالا می باشد.
ولتاژ ترموالکتریک (در میلی ولت) در دمای 1200 درجه سانتی گراد 48/83 میلی ولت و در دمای 1300 درجه سانتی گراد 52/41 میلی ولت (منحنی ولتاژ به دما بصورت خطی).

ترموکوپل Type J

دارای ترکیب شیمیایی
(nickel – 45% copper) + (iron)
استفاده در شرایط خلاء، هوای آزاد، کاهش یا اکسیداسیون اتمسفر تا دمای 760 درجه سانتیگراد در ابعاد بزرگ قابل استفاده است.
ولتاژ ترموالکتریک (در میلی ولت) در دمای 600 درجه سانتی گراد 33/09 میلی ولت و در دمای 700 درجه سانتی گراد 39/13 میلی ولت و ... (منحنی ولتاژ به دما بصورت خطی).

ترموکوپل Type R

دارای ترکیب شیمیایی
(platinum) + (platinum – 13% rhodium)
فرایند پیوسته در هوای آزاد یا اتمسفر خنثی در رنج دمایی صفر تا 1480 درجه سانتیگراد. دارای ثبات بالا و طول عمر بالا در شرایط ایده آل می باشد.
ولتاژ ترموالکتریک در میلی ولت در دمای 1500 درجه سانتی گراد 17/44 میلی ولت و در دمای 1600 درجه سانتی گراد 18/84 میلی ولت و ...(منحنی ولتاژ به دما بصورت خطی).

ترموکوپل Type S

دارای ترکیب شیمیایی
(platinum) + (platinum – 10% rhodium)
فرایند پیوسته در هوای آزاد یا اتمسفر خنثی در رنج دمایی صفر تا 1480 درجه سانتیگراد. دارای ثبات بالا و طول عمر بالا در شرایط ایده آل می باشد.
ولتاژ ترموالکتریک (در میلی ولت) در دمای 1500 درجه سانتی گراد 15/57 میلی ولت و در دمای 1600 درجه سانتی گراد 16/77 میلی ولت (منحنی ولتاژ به دما بصورت خطی).

ترموکوپل Type B

دارای ترکیب شیمیایی
(platinum – 6% rhodium) + (platinum – 30% rhodium)
جهت استفاده در هوای تمیز و رنج دمایی 870 تا 1700 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرد. در یک بازه زمانی کوتاه می تواند در شرایط خلاء مورد استفاده قرار گیرد. این نوع نسبت به نوع R یا S پایداری بیشتری دارد و انحراف دمایی کمتری نسبت به سنسور R و S دارد.
ولتاژ ترموالکتریک (در میلی ولت) در دمای 1700 درجه سانتی گراد 12/42 میلی ولت و در دمای 1600 درجه سانتی گراد 11/25 میلی ولت و ...(منحنی ولتاژ به دما بصورت خطی).

شرکت آسان گداز رنج وسیعی از انواع ترموکوپل به عنوان قطعات کوره الکتریکی را ارائه می دهد.