ترموکوپل و انواع آن

[Mehdi.Aref 26,774]

 

ترموکوپل ها متداول ترین اندازه گیرهای الکتریکی دما در صنعت هستند. که بر اساس پدیده سی بک (seebeck) کار می کنند دما را به ولتاژ تبدیل می کنند. از مزایای آنها می توان به سادگی، ارزان بودن، استحکام و دوام بالا و دقت مناسب اشاره کرد. محدوده اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ها نسبتاً وسیع بوده و در شرایط محیطی گوناگون قابل استفاده می باشند.

ترموکوپلها به دلیل ثابت زمانی کوچک دارای سرعت پاسخ دهی خوب می باشند. ولی به لحاظ رعایت مواردی در محل نصب آنها، این سرعت پاسخ دهی تا حد زیادی کاهش می یابد.

 

ترمو الکترسیته

این پدیده توسط سی بک در سال 1821 کشف شد. او متوجه شد هرگاه دو انتهای دو رشته سیم غیر هم جنس را به یکدیگر وصل کرده و نقطه اتصال را حرارت دهیم در این محل یک اختلاف پتانسیل الکتریکی که به آن پتانسیل تماس یا ولتاژ سیبک می گویند به وجود می آید. در صورتی که دمای اتصالات تشکیل شده با یکدیگر متفاوت باشد جریانی در سیم ها جاری خواهد شد.

در شکل 1 نمایش کلی ترموکوپل (پدیده ترموالکتریک) را ملاحظه می کنید.

 

شکل 1

 

سی بک به این نتیجه پی برد که مقدار جریان بستگی به نوع مواد (جنس فلزات) و تفاوت دمای دو اتصال دارد و تا زمانی که اتصالات در دماهای مختلف نگه داشته شوند جریان ادامه خواهد یافت.

جالب ایت است که پدیده فوق برگشت پذر می باشد، یعنی عکس آن هم صادق است. به عبارت دیگر اگر در مداری مطابق شکل زیر جریان الکتریکی ثابت I را برقرار کنیم دماهای متفاوتی در محلهای اتصال مشاهده خواهیم کرد. این پدیده را (Polietr) یا به طور خلاصه اثر پلیته می نامند.

 

شکل 2

یک ترموکوپل از اتصال دو فلز غیر یکسان تشکیل می شود. این اتصال در محلی که مایل به اندازه گیری دمای آن (T1) هستیم قرار داده می شود، اتصال مبنا (T2) را نیز معمولاً در دمای صفر قرار می دهیم که در این حالت جریان الکتریکی یا ولتاژ ایجاد شده مستقیماً متناسب با دمای مورد اندازه گیری (T1) کی باشد. ولتاژ ناشی از اختلاف پتانسیل بین T1 و T2 به صورت زیر است :

ET1,T2=ET1-ET2=C(T1-T2)+K(T1^2-T2^2)

که ضرایب C وK ثابتهای مربوط به جنس فلزات ترموکوپل هستند.

 

انواع ترموکوپل ها

در جدول زیر اسامی و مشخصات ترموکوپلها براساس استاندارد ISA دیده می شود:

 

 

[TABLE]

[TR]

[TD]نام ترموکوپل[/TD]

[TD]فلزات به کار رفته[/TD]

[TD]محدوده دما

(درجه سانتیگراد)[/TD]

[TD=width: 103]حساسیت

(میکرو ولت بر درجه سانتیگراد)[/TD]

[TD=width: 103] بر حسب میکرو ولت به ازای هر 100درجه[/TD]

[TD=width: 103]توضیحات[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]B[/TD]

[TD=width: 103]پلاتین -30% آلیاژرادیوم

پلاتین -60%آلیازرادیوم[/TD]

[TD=width: 103]تا 1700[/TD]

[TD=width: 103]12[/TD]

[TD=width: 103]خروجی ناچیز[/TD]

[TD=width: 103]پایداری بسیار بالا در برابر حرارت

اندازه گیری دماهای بالا[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]S[/TD]

[TD=width: 103]پلاتین

رادیوم[/TD]

[TD=width: 103]تا 1600[/TD]

[TD=width: 103]12[/TD]

[TD=width: 103]0.645[/TD]

[TD=width: 103]احتیاج به پوشش سرامیکی دارد[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]R[/TD]

[TD=width: 103]پلاتین

رادیوم[/TD]

[TD=width: 103]تا 1600[/TD]

[TD=width: 103]14[/TD]

[TD=width: 103]0.647[/TD]

[TD=width: 103]احتیاج به پوشش سرامیکی دارد[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]J[/TD]

[TD=width: 103]آهن

کنستانتان[/TD]

[TD=width: 103]40- تا 750[/TD]

[TD=width: 103]55[/TD]

[TD=width: 103]5.268[/TD]

[TD=width: 103]به وسیله اکسیژن و اسیدها آسیب می بیند[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]K[/TD]

[TD=width: 103]کرومل

آلومل[/TD]

[TD=width: 103]200- تا 1200[/TD]

[TD=width: 103]41[/TD]

[TD=width: 103]4.095[/TD]

[TD=width: 103]با عوامل تجزیه کننده و خورنده تماس نداشته باشد[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]E[/TD]

[TD=width: 103]کرومل

کنستانتان[/TD]

[TD=width: 103]200- تا 900[/TD]

[TD=width: 103]68[/TD]

[TD=width: 103]6.137[/TD]

[TD=width: 103]دارای ولتاژ خروجی زیاد است

غیر مغناطیسی است[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 103]T[/TD]

[TD=width: 103]مس

کنستانتان[/TD]

[TD=width: 103]200- تا 350[/TD]

[TD=width: 103]22[/TD]

[TD=width: 103]4.277[/TD]

[TD=width: 103]مورد استفاده در محدوده دمایی کم[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

مشخصه ترموکوپل

مشخصه ترموکوپل نشان می دهد که ترموکوپل به دلیل رفتار غیرخطی مشخصه و حالت معکوس که در دماهای بالا تر از دمای بازگشت برای مشخصه پیش می آید، تنها در فاصله دمایی محدود دارای کاربرد مفید است . این مشخصه مطابق شکل3 در زیر است:

شکل3

تعداد کمی از ترکیبات فلزی وجود دارند (مانند مس و نقره) که دارای نقطه انتقالی نیستند اما دارای ولتاژ خروجی بسیار ضعیفی هستند.

منحنی مشخصه چند نوع ترموکوپل مهم که کاربرد صنعتی دارند به صورت نمودار شکل 4 در زیر آمده است:

 

شکل 4

ویژگی ها و مزایای ترمو کوپل

امتیاز خاص ترموکوپل این است که قسمت حس کننده ان خیلی کوچک است و امکان این هست که ترموکوپل ها در فضاهای خیلی کوچک جاسازی شوند و بتوان پاسخ مناسبی را نسبت به تغییرات سریع دما دریافت کرد. به عبارت دیگر مهم ترین ویژگی ترموکوپل حجم کم آن می باشد و سادگی، ارزانی، دقت و محدوده دمایی نسبتاً وسیع از دیگر ویژگی های ترموکوپل ها است.

 

سری کردن ترموکوپل ها (ترموپیل)

 

جهت بالا بردن حساسیت معمولاً تعداد زیادی از ترموکوپل ها را سری می کنند، به طوری که تمام اتصالات مرجع دارای حساسیت یکسان و اتصال اندازه گیری در کنار یکدیگر برای اندازه گیری حرارت مورد نظر به کار می روند. به این ترتیب اصطلاحاً ترموپیل می گویند. مثلاً با اتصال 25 ترموکوپل از جنس کرومل - کنستانتان، امکان اندازه گیری با دقت 0.001 درجه سانتیگرادبه دست می آید.

با توجه به ساختار ترموپیل ثابت می شود که ولتاژ خروجی n ترموکپل n برابر ولتاژ هر یک از ترموکوپل ها خواهد بود.

اگر ترموکوپل ها یکسان نباشند، در آن صورت ولتاژ خروجی برابر مجموع ولتاژهای ترموکوپل ها خواهد شد.

شکل5 زیر نحوه سری کردن ترموکوپل ها و تشکیل ساختمان ترموپیل را نمایش می دهد:

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

شکل 5

موازی کردن ترموکوپل ها (متوسط گیری)

 

هر گاه گروهی از ترموکوپل های یکسان به طور موازی به هم وصل شوند، ولتاژ تولید شده برابر مقدار متوسط ولتاژها خواهد بود. یا به عبارتی دیگر T2ها و T1ها در دمای مختلف باشند و تمام ترموکوپل ها مقاومت یکسان داشته باشند، ولتاژ خروجی برابر متوسط ولتاژها خواهد بود.

در صورتی که ترموکوپل ها یکسان باشند، چند ترموکوپل موازی شده مانند یک ترموکوپل واحد عمل می کنند که مقدار متوسط را اندازه گیری می کنند.

شکل6 زیر نحوه موازی کردن ترموکوپل ها را نمایش می دهد:

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

شکل 6

[Mehdi.Aref 26,774]

خواص كاربردي ترموكوپلها

معمولأ ترموكوپلها به سه دسته استاندارد فلزي كمياب ، استاندارد پايه فلزي و غير استاندارد تقسيم مي شوند . انواع ترموکوپلهاي ذکر شده درجدول زیر پوشش دهنده اغلب نيازهاي اندازه گيري مي باشند ولي با اينحال آنها تمامي نيازها را پوشش نمي دهند و بطور پيوسته تحقيقات براي ساخت انواع ديگر ترموکوپل انجام مي گيرد.

 

[TABLE]

[TR]

[TD]نـوع[/TD]

[TD]تركيب مـواد (شاخه A / شاخه B )[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]T

[/TD]

[TD]مس / آلياژ مس - نيكل[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]E[/TD]

[TD]آلياژ نيكل - كروم / آلياژ مس - نيکل[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]J[/TD]

[TD]آهن / آلياژ مس - نيكل[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]K[/TD]

[TD]آلياژ نيكل-كروم / آلياژ نيكل- آلومينيوم[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]N[/TD]

[TD]آلياژ نيكل-كروم- سيليکون / آلياژ نيكل- سيليكون[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]R[/TD]

[TD]پلاتين - ۱۳% راديوم / پلاتين[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]S[/TD]

[TD]پلاتين - ۱۰% راديوم / پلاتين[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]B[/TD]

[TD]پلاتين - ۳۰% راديوم / پلاتين - ۶% راديوم[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

 

ترکيبات ونام تجاري انواع ترموکوپل استاندارد

بمنظور انتخاب يک نوع ترموکوپل براي يک کاربرد خاص ، دانش و اطلاع جزئي از خواص مواد ،مورد نياز است . جداول زير در برگيرنده برخي از اين اطلاعات مي باشند .همچنين در ادامه برخي اطلاعات پايه اوليه در مورد خواص ونحوه کاربرد ترموكوپلهاي هر دسته ارائه خواهد شد.[TABLE]

[TR]

[TD]نوع ترموکوپل[/TD]

[TD]محيط کاري مجاز[/TD]

[TD]حداکثر دماي کاري(‍C°)*[/TD]

[TD]توضيحات[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]R & S[/TD]

[TD]اکسيد کننده[1] ، بي اثر[2][/TD]

[TD] ۱۴۰۰[/TD]

[TD]از تماس با فلز اجتناب شود[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]B[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر، خلأ

براي فواصل زماني کوتاه[/TD]

[TD]۱۷۰۰[/TD]

[TD]از تماس با فلز اجتناب شود. بسيار مناسب براي دماهاي بالاست. در دماي اتاق ولتاژ خروجي پائيني دارد[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]T[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر، احياء کننده[3]

در محيط تاحدودي خلأ[/TD]

[TD]۳۷۰[/TD]

[TD]مناسب دماهاي زير صفر. قابليت تحمل رطوبت[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]J[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر، احياء کننده

در محيط تاحدودي خلأ[/TD]

[TD]۷۶۰[/TD]

[TD]بسرعت آهن آن زنگ مي زند يا اکسيد مي شود[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]K[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر[/TD]

[TD]۱۲۶۰[/TD]

[TD]پوسيدگي سبز[4] در برخي محيطها[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]N[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر[/TD]

[TD]۱۳۰۰[/TD]

[TD]بسيار پايدارتر از نوعK در دماهاي بالا[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]E[/TD]

[TD]اکسيد کننده ، بي اثر[/TD]

[TD]۸۷۰[/TD]

[TD]مناسب براي دماهاي زير صفر. بالاترين ولتاژ خروجي بين ترموکوپلهاي معمول[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

*حداکثر دماي کاري بستگي به ضخامت سيم هاي ترموکوپل دارد و بهتر است به جدول زيرين نيز توجه کنيد

جدول کاربرد انواع ترموکوپلها

 

[TABLE]

[TR]

[TD]نوع ترموکوپل[/TD]

[TD=colspan: 5]قطر سيم (mm)[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]۳/۲۵[/TD]

[TD]۱/۵۳[/TD]

[TD]۰/۸۱[/TD]

[TD]۰/۵۱[/TD]

[TD]۰/۳۳[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]R & S[/TD]

[TD][/TD]

[TD][/TD]

[TD][/TD]

[TD]۱۴۸۲[/TD]

[TD][/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]B[/TD]

[TD][/TD]

[TD][/TD]

[TD][/TD]

[TD]۱۷۰۵[/TD]

[TD][/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]T[/TD]

[TD][/TD]

[TD]۳۷۱[/TD]

[TD]۲۶۰[/TD]

[TD]۲۰۴[/TD]

[TD]۲۰۴[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]J[/TD]

[TD]۷۶۰[/TD]

[TD]۵۹۳[/TD]

[TD]۴۸۲[/TD]

[TD]۳۷۱[/TD]

[TD]۳۷۱[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]K[/TD]

[TD]۱۲۶۰[/TD]

[TD]۱۰۹۳[/TD]

[TD]۹۸۲[/TD]

[TD]۸۷۱[/TD]

[TD]۸۷۱[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]E[/TD]

[TD]۸۷۱[/TD]

[TD]۶۴۹[/TD]

[TD]۵۳۸[/TD]

[TD]۴۲۷[/TD]

[TD]۴۲۷[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

 

جدول حد بالاي دماي کاري پيوسته برحسب درجه سلسيوس براي انواع قطر سيمها

نکته :محدوده هاي قيد شده در جدول فوق ، براي ترموکوپلها با استفاده از غلاف سراميکي محافظ معمولي است . عمر کاري ترموکوپلها بستگي به نوع محيط کاري آنها نيز دارد . همچنين در فواصل زماني کوتاه مي توان از ترموکوپلها در دماهاي بالاتر از مقادير قيد شده در جدول نيز استفاده کرد.

 

منبع : جزوه آموزشي "ترموكوپلها"-شهريور ۱۳۸۵

[Control 1,576]

دوستان دقت داشته باشند در صورت استفاده از ترموکوپل و کنترلرهای دما..... اگر به پلاریته ترموکوپل در زمان اتصال دقت نکنند شاهد عملکرد عکس کنترلر خواهند بود.