ترموکوپل
مدار اندازه گیری دما در ترموکوپل
در سال 1821 سیبک، دانشمند آلمانی، اثر ترموالکتریک را کشف کرد که پایه تکنولوژی ترموکوپل مدرن را پایه نهاد.
او مشاهده کرد که در یک
مدار الکتریکی بسته، متشکل از دو فلز متفاوت، اختلاف دما باعث ایجاد جریان الکتریکی میشود.
بدین معنی که بین آن دو نقطه با دمای متفاوت، اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود می آید.
اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود آمده به جنس فلزات استفاده شده و تفاوت دما بین دو نقطه اتصال بستگی دارد.
اگر دمای دو نقطه اتصال یکسان باشد، اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی بوجود آمده در دو نقطه یکدیگر را خنثی کرده و جریان الکتریکی در مدار بوجود نخواهد آمد.
تفاوت دمای بین دو نقطه اتصال باعث ایجاد اختلاف پتانسیل ترموالکتریکی در دونقطه و در نتیجه جریان الکتریکی در مدار می شود.
بنابراین ترموکوپل می تواند فقط اختلاف دمای بین دونقطه اتصال را اندازه گیری کند ونه دمای مطلق یک نقطه را، که این امر مبنای استفاده از ترموکوپل کاربردی را بیان می کند.
برای اندازه گیری دمای یک نقطه، یکی از نقطه های اتصال در یک دمای مشخص به عنوان دمای مرجع نگه داشته می شود (نقطه اتصال سرد) و نقطه دیگر اتصال در محلی که قرار است دمای آن اندازه گیری شود، قرار می گیرد.
بنابراین دمای نقطه مورد نظر طبق فرمول زیر محاسبه می شود:
ثابت سیبک برای هر ماده ای در دمای اتاق متفاوت است.
داشتن یک نقطه اتصال به دمای مشخص در محیط آزمایشگاه بسیار مفید است، اما برای اکثر محیطهای صنعتی اندازه گیری و کنترل سهل و مناسب نیست.
بدین منظور بجای آن، با استفاده از تجهیزات حساس به دما مانند ترمیستور یا دیود و اندازه گیری دمای محل اتصال سیمها داخل تجهیز ابزاردقیق (ترموکوپل)، و با دقت جهت کاهش هرگونه اختلاف دما بین ترمینالها، یک نقطه اتصال سرد مجازی (نقطه دمایی مرجع مجازی) می سازند.
بدین ترتیب، اختلاف پتانسیل نقطه اتصال سرد میتواند پس از اعمال اصلاحات مناسب، شبیه سازی شود.
به این عمل جبرانسازی نقطه اتصال سرد (نقطه دمایی مرجع) می گویند.
ساختار ترموکوپل
- معمولا المنت (حسگر) داخل ترموول قراردارد.
- عموما قطر خارجی المنت یک چهارم اینچ است.
- معمولا ماده پوسته دور المنت از Stainless Steel است، که البته در موارد خاص میتوان مواد ویژه ای نظیر Inconel، Incoloy ، Hastelloy و Monel باشد..
- ترموکوپل دوپلکس دارای دو المنت داخل یک پوسته است.
ترکیب آلیاژ هادی های ترموکوپل استاندارد
| کد | ترکیب آلیاژ هادی | رنج کاری – فارنهایت |
| B | Platinum-30% Rhodium / Platinum-6% Rhodium | +2500 to +3100 |
| C | Tungsten-5% Rhenium / Tungsten-26% Rhenium | +3000 to +4200 |
| D | Tungsten-3% Rhenium / Tungsten-25% Rhenium | +2800 to +3800 |
| E | Nickel Chromium / Constantan | 0 to +1650 |
| J | Iron / Constantan | +0 to +1400 |
| K | Nickel Chromium / Nickel Aluminium | 0 to +2300 |
| N | Nickel-Chromium-Silicon / Nickel-Silicon-Magnesium | 1200 to +2300 |
| R | Platinum-13% Rhodium / Platinum | 1600 to +2600 |
| S | Platinum-10% Rhodium / Platinum | 1800 to +2600 |
| T | Copper / Constantan | -300 to +650 |
رنگهای مختلفی برای سیمهای اتصال انواع مختلف ترموکوپل تعریف شده است.
در API 551 انواع ترموکوپل و رنج پیشنهادی استاندارد ISA/ASTM به شرح جدول زیر مشخص شده اند:
نکته: در دماهای بسیار بالا باید حتما از ترموول های سرامیکی استفاده شود.
موارد زیر باید در انتخاب ترموکوپل مناسب برای کاربرد مورد نظر حتما در نظر گرفته شود:
- دما (انتخاب نوع ترموکوپل J ، K ، M ، و غیره)
- زمان پاسخ ( هرچه قطر المنت بیشتر باشد زمان پاسخ کمتر است)
- عمر مفید ( هر چه قطر المنت بیشتر باشد عمر مفید بیشتر است)
همانطور که قبلا گفته شد ثابت سیبک برای هر ماده در دمای اتاق متفاوت است، بنابراین هر نوع ترموکوپل ثابت سیبک متفاوتی دارد:
|
نوع ترموکوپل |
ثابت سیبک در دمای اتاق(µV/ºC) |
|
J |
50 |
|
K |
40 |
|
E |
60 |
|
R |
11 |
|
S |
10 |
|
T |
38 |
انواع اتصال ترموکوپل
دو نوع نقطه اتصال بطور معمول استفاده می شود:
- نوع A ( زمین شده ) که سر ترموکوپل به منظور پاسخ سریعتر و کاهش اغتشاشات الکتریکی به پوسته که دارای اتصال زمین است جوش داده شده است.
- نوع B ( زمین نشده ) که سر ترموکوپل از نظر الکتریکی از پوسته ایزوله شده است و پاسخ کند تری دارد.
نکته: نوع اتصال رهاشده که نقطه اتصال تروکوپل خارج از پوسته و در تماس مستقیم با مواد فرایند است توصیه نمی شود.
استاندارد های زیر مشخصات ترموکوپل ها را بیان می کنند:
- IEC 60584-1: Thermocouples: basic and tolerance values of the thermoelectric voltages
- IEC 60584-3: Thermocouples: Thermocouple cables and compensating cables
- ASTM E230: Standard specification and temperature-electromotive force (EMF) tables for standardized thermocouples.
دقت ترموکوپل
اختلاف پتانسیل تولید شده توسط ترموکوپل در رنج میلی ولت و ضعیف است، و خطای ترانسمیتر ارسال کننده این مقدار اندازه گیری شده نیز حدود 0.01 میلی ولت درنظر گرفته میشود، بنابراین خطای کلی ترموکوپل می تواند کمتر از 1 درجه سانتیگراد باشد.
برای رنج های کوچک اندازه گیری دما این میزان خطا قابل قبول نیست، بنابراین پیشنهاد میگردد از ترموکوپل برای اندازه گیری دماهای بالا استفاده شود.
برای اندازه گیریهای دماهای پایین و متوسط (-200 تا +600 درجه سانتی¬گراد)، معمولا از RTD های Pt100 استفاده می شود.
0
خطای اندازه گیری کل حاصل جمع خطای سیم های ترموکوپل، سیم های رابط اتصالی و خطای پردازشگر سیگنال (ترانسمیتر) می باشد.
برای کاهش خطای سیم های رابط اتصالی و تاثیرات محیطی، طول سیم های رابط باید در حد امکان کوتاه باشد.
بدین منظور بهترین راه حل، نصب ترانسمیتردر نزدیک ترین فاصله ممکن یعنی داخل محفظه بالای ترموکوپل است.
