ترموکوپل ها در واقع ابزار های سنجش دمایی هستند که از آنها اغلب به عنوان یک سنسور حرارتی یاد می شود. این تجهیزات بر اساس فضاهای مورد استفاده و یا فلز های بهره برده شده در تولید، در چندین دسته طبقه بندی می شوند که در این متن به شرح کامل آنها پرداخته شده است.

ترموکوپل چیست ؟

در این مقاله ضمن آشنایی با تجهیزاتی چون ترموکوپل، می خواهیم بدانیم که آیا حضور این ابزارها در صنعت الزامی است ؟ و چه کاربردهایی را شامل می‌شوند که تا به این اندازه در دنیای صنایع رایج شده اند ؟

در دهه های اخیر تجهیزاتی چون ابزارهای دقیق بیش از پیش نقش خود را در تمامی صنایع به خوبی بازی کرده اند و این روند تا به آنجا پیش رفته است که تقریباً بدون حضور آنها فعالیت غیر ممکن است. یکی از این ابزارها Thermocouple می باشد که هدف تولید آن سنجش دما بر اساس پروسه سیبک است. مکانیسم عمل این پروسه بدین شکل است که دستگاه طراحی شده بر اساس آن، ضمن سنجش تفاوت دما بین دو نقطه آن را به ولتاژ سوئیچ می کند. 

این ابزارها در واقع به عنوان یک سنسور عمل می کنند و در معنای لغوی اصطلاحاً آنها را گرما جفت نیز می نامند. 

این حسگر ها از دو سیم غیر همجنس ایجاد شده اند که از یک سمت به همدیگر اتصال یافته اند. هنگامی که تمایز دمایی وجود داشته باشد، سبب ایجاد جریان الکتریکی در طول سیم ها می شود، این پروسه را اصطلاحاً Seebeck Effect می گویند.

جدا از نقش و طیف عملکردی، این ابزار ها شامل یک مزیت بسیار خوب هستند و این است که بازه قابل سنجش این سنسور ها بسیار وسیع است، به طوری که می‌توانند دما را از محدوده 180- الی 1800+ درجه سانتی گراد اندازه گیری نمایند. 

همانطور که گفته شد این سیم ها از یک سر به یکدیگر وصل هستند. پس شامل دو سر آزاد اند که یک سر آن را اتصال سرد و سمت دیگر را اتصال گرم می نامند. بخش گرم درون یک عایق محافظ جای داده شده است.

این حسگرها از دو فلز غیر همجنس تولید شده اند. چنانچه در قسمت اتصال یافته دو فلز، گرما داده شود این حرارت سبب ایجاد جریان بسیار کمی می گردد که در طول سیم ها هدایت می شود و علت آن پدیده ترموالکتریکی است که در دو سمت آزاد با اختلاف ولتاژ رخ می دهد. از آنجایی که این اختلاف به واسطه تغییر دما ایجاد شده، پس می‌توان با سنجش آن میزان دما را متوجه شد. هرچه حرارت بین نقطه اتصال بیشتر شود در نتیجه جریان ایجاد شده نیز بالاتر می‌رود، لذا به تبع آن ولتاژ نیز سیر صعودی پیدا می کند.

در ضمن استفاده از این حسگر ها باید به این مسئله واقف باشیم که آنها در هر دما قادر به تولید ولتاژ مشخصی می باشند که با سنجش ولتاژ تولیدی می توانیم دمای نقطه اتصال را به صورت دقیق متوجه شویم.  

این ابزارها شامل انواع متنوعی هستند که بر اساس متریال استفاده شده یعنی آلیاژ و فلز به کار رفته می توان آنها را کلاس بندی کرد. در ادامه علاوه بر شرح انواع آنها به توضیح کاربرد ترموکوپل مورد نظر نیز خواهیم پرداخت : 

1_ ترموکوپل نوع K  :

این مدل ها از دو سیم  نیکل _ کروم Ni-Cr  و نیکل _ آلومینیوم Ni-Al  تولید می شوند که به ترتیب اسامی صنعتی آنها کرومل و آلومل می باشد. این دسته جزء نمونه ‌های ارزان قیمت به شمار می روند که در صنایع بسیاری استفاده می شوند. بازه دمایی فعالیت آنها چیزی حدود 200- الی 1350+ درجه سانتی گراد می باشد.

البته این رنج ثابت نیست و ممکن است بر اساس کیفیت متریال استفاده شده و سایر ویژگی ها کمی متغیر باشد. مثلا مدل های سیمی تولید شده در قیاس با مدل‌های میله ای بازه دمایی کمتری را شامل می‌شوند. از آنجایی که در ساخت این مدل ها از فلز مس بهره برده شده، لذا واجد قابلیت مقاومت در برابر اکسیداسیون هستند پس در مواردی که ممکن است در معرض این پروسه قرار گیرند پیشنهاد می شوند.

کاربرد :

• در اغلب صنایعمثل انجام تست های ایمنی در ابزار های حرارتی و گرمایشی
• ساخت ترکیبات شیمیایی
• پالایش مواد نفتی و ترکیبات مرتبط

این مدل ها از فلز آهن به همراه آلیاژهای نیکل و مس تولید می گردند که نام صنعتی آنها اصطلاحاً کنستانتان است. بازه حرارتی قابل سنجش در این مدل ها  حدود 210- الی 1200+ درجه سانتی گراد را شامل می شود. از آنجایی که فلز استفاده شده در این نمونه واجد خاصیت اکسیداسیون است عموماً در کارخانه های قالب زنی پلاستیک مصرف می گردد.

طبق تحقیقات انجام شده در این راستا، میزان حساس بودن این مدل ها را µV/°C 51 تعریف کرده اند. از آنجایی احتمال اکسید شدن فلز آهن به علت خاصیت های ذاتی زیاد است توصیه می گردد در مواردی که این احتمال وجود دارد از این نمونه ها بهره برده نشود.

 کاربرد :

• به منظور مدیریت بر حرارت مواد بی اثر در فضاهای خلا مانند
• در تولیدات فلزات بی اثر
• در تولیدات صنایعی چون رزین و پلاستیک

* توجه داشته باشید که به علت احتمال اکسید شدن در فضاهای واجد رطوبت یا دما های پایین استفاده از این مدل ها پیشنهاد نمی گردد.

_ ترموکوپل نوع E :

مورد بعدی قابل بحث در این مقاله نمونه های تولیدی هستند که فلز به کار رفته در آن ها  نیکل _ کروم و یا مس _ نیکل است. بازه حرارتی قابل سنجش 200- الی 900+ درجه سانتی گراد مشخص شده است و حساس بودن این نمونه ها چیزی حدود  µV/°C62 می باشد.

کاربرد :

• از آنجایی که در بین سایر مدل ها واجد حداکثر حساسیت هستند پس در مواردی از آنها استفاده می شود که فضای کاربری واجد شرایط خلاباشد.

• 5_ ترموکوپل نوع N :

  این مدل ها با استفاده از دو گروه فلز، نیکل _ کروم _ سیلیسیوم یا نیکل_ سیلیسیم _ منیزیم قابلیت تولید دارند. رنج دمایی قابل سنجش در این تایپ شامل 270- الی 1300+ درجه سانتی گراد است و از آنجایی که میزان حساس بودن این مدل ها حدود µV/°C 30 می باشد اغلب در مواردی از آنها استفاده می شود که حرارت محیط بالاست. به علاوه این حسگرها در حین حرارت های زیاد نیز در مقابل اکسیداسیون پایداری بسیار خوبی را از خود نشان می‌دهند. 

   کاربرد :

  • در کوره های صنعتی و دماهای بالا
  • سنجش حرارت اگزوز های موتور و توربین گاز
  • کنترل حرارت در طی پروسه ذوب فلزاتی چون آهن، آلومینیوم و فولاد

• _ ترموکوپل های نوع R، S، B :

  در ساخت این نمونه‌ ها از عناصر پلاتین و رادیوم با درصد های متنوع بهره برده شده است. در واقع وجه تمایز این سه در حجم پلاتین استفاده شده در آنها می باشد. از لحاظ قیمتی جز نمونه ‌های گران قیمت به شمار می روند و میزان حساس بودن آنها چیزی حدود µV/°C 10 اندازه گیری شده است. به علت مزایا و آپشن های خاص می توانند بازه حرارتی بین 50- الی 1750+  درجه سانتی گراد را شامل شوند.

  کاربرد :

  • عموما در صنایع مرتبط با تولید فولاد و شیشه بسیار کاربردی هستند.

• طراحی و دیزاین ساده
• مقرون به صرفه بودن
• مقاومت و پایداری بالا به منظور استفاده در صنایع
• دقت و قدرت تفکیک دمایی بالا با توجه به مدل های تولیدی
• رنج قابل سنجش دمایی گسترده
• قابل استفاده در اغلب شرایط جوی و فضاهای کاربری
• نتایجاندازه گیری ها در سرعت زیاد و دقت بالا حاصل می‌شوند
• عملکرد و فعالیت به شکل خطی در بازه های تعیین شده

 معایب استفاده :

• غیر خطی بودن آنها
• الزام تماس ابزار با محیط برای سنجش
• در فضاهایی که شامل تکان یا فشار هستند حتماً باید از عایق برای آنهااستفاده نمود که همین امر سبب افت سرعت پاسخگویی می گردد.

تمامی موارد ذکر شده در زیر می تواند در روند قیمت گذاری ترموکوپل ها موثر باشد : 

• بازه دمایی قابل سنجش سنسور
• نوع تایپ تولیدی
• سایز و طول ابزار
• متریال و جنس استفاده شده
• قابلیت خروجی در بازه 4 الی 20 میلی آمپر
• توانایی و قدرت تفکیک بالا
• حساسیت و کلاس بندی ها
• نوع سرامیک استفاده شده