سنجش میزان دما یکی از پرکاربردترین اندازه‌گیری‌هایی که انسان بخصوص در محیط‌های آزمایشگاهی و صنعتی با آن سروکار دارد. به همین جهت تنوع زیادی در ابزار اندازه‌گیری دما وجود دارد. دقت و بازه دمایی قابل اندازه‌گیری از مهمترین پارامترهای تفاوت انواع دماسنج‌ها با یکدیگر هستند.
یکی از پرکاربردترین ابزار اندازه‌گیری دما بخصوص در محیط‌های صنعتی، ترموکوپل‌ها هستند. ترموکوپل‌ها انواع بسیاری دارند که در این مقاله به معرفی و ویژگی‌های هر یک از این انواع خواهیم پرداخت. همچنین در کنار انتخاب ترموکوپل ابزار مناسب داده‌برداری نیز از اهمیت بسیاری برخوردار است.
ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل سنسوری است که برای اندازه‌گیری دما استفاده میشود. هر ترموکوپل از دو پایه سیم ساخته میشود. این سیم‌ها می‌توانند از فلزات مختلفی ساخته شوند. پایه‌های سیم در یک انتها به هم جوش داده میشوند و یک اتصال ایجاد می‌کنند. این محل اتصال نقطه‌ای است که دما اندازه‌گیری میشود. هنگامی که محل اتصال دچار تغییر دما میشود، مقداری ولتاژ تولید می‌کند. با اندازه‌گیری این ولتاژ و براساس نوع فلزات بکار رفته از روی جداول مربوطه میتوان دما را بدست آورد.
انواع مختلفی از ترموکوپل‌ها وجود دارد که هر کدام از نظر محدوده دما قابل اندازه‌گیری، دوام، مقاومت در برابر لرزش و مقاومت شیمیایی ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند. ترموکوپل‌های نوع J، K، T و E «فلز پایه» هستند. این ترموکوپل‌ها رایج‌ترین انواع ترموکوپل‌ها هستند. همچنین ترموکوپل‌های نوع R، S و B، ترموکوپل‌های «فلز خاص» هستند که در کاربردهای دمای بالا استفاده میشوند. تصویر زیر محدوده دمایی قابل اندازه‌گیری توسط انواع ترموکوپل‌ها را نشان می‌دهد.
ترموکوپل‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی استفاده میشوند. آنها را میتوان تقریباً در تمام صنایع یافت: صنعت تولید برق، صنایع نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی، سیمان، کاغذ و خمیر کاغذ، و غیره.
علت اصلی انتخاب ترموکوپل‌ها معمولاً به دلیل هزینه کم، محدودیت دمای بالا (High Temperature Limit)، محدوده دمایی وسیع و ماهیت بادوامشان انتخاب میشوند. قبل از بحث در مورد انواع مختلف ترموکوپل، باید توجه داشت که یک ترموکوپل اغلب در یک غلاف محافظ قرار می گیرد تا آن را از محیط محلی جدا کند. این غلاف محافظ اثرات خوردگی را به شدت کاهش می‌دهد.
1- ترموکوپل نوع K
ترموکوپل نوع K (نیکل-کروم/نیکل-آلومل): نوع K رایج‌ترین نوع ترموکوپل است. از مهمترین ویژگی‌های این نوع قیمت ارزان، دقت بالا، نتایج قابل اعتماد (Reliable) و محدوده دمایی گسترده است.
محدوده دما:
درجه حرارت ترموکوپل، 454- تا 2300 فارنهایت (270- تا 1260 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 2.2C+/- یا 0.75٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 1.1C+/- یا 0.4٪+/-
2- ترموکوپل نوع J
ترموکوپل نوع J (آهن/کنستانتان): نوع J نیز بسیار رایج است. محدوده دمایی کمتر و در دماهای بالا طول عمر کوتاه‌تری نسبت به نوع K دارد. از نظر هزینه و قابلیت اطمینان معادل نوع K است.
محدوده دما:
درجه حرارت ترموکوپل، 346- تا 1400 فارنهایت (210- تا 760 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 2.2C+/- یا 0.75٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 1.1C+/- یا 0.4٪+/-
3- ترموکوپل نوع T
ترموکوپل نوع T (مس/کنستانتان): نوع T یک ترموکوپل بسیار پایدار است و اغلب در کاربردهای دمای بسیار پایین مانند کرایوژنیک یا فریزرهای بسیار کم استفاده می شود.
محدوده دما:
درجه حرارت ترموکوپل، 454- تا 700 فارنهایت (270- تا 370 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 1.0C+/- یا 0.75٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 0.5C+/- یا 0.4٪
4- ترموکوپل نوع E
ترموکوپل نوع E (نیکل-کروم/کنستانتان): در محدوده دمای متوسط 540 درجه سانتیگراد و پایین‌تر نوع E سیگنال قوی‌تر و دقت بالاتری نسبت به نوع K یا نوع J دارد. برای جزئیات بیشتر به نمودار دما (پیوند شده) مراجعه کنید.
محدوده دما:
درجه حرارت ترموکوپل، 454- تا 1600 فارنهایت (270- تا 870 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 1.7C+/- یا 0.5٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 1.0C+/- یا 0.4٪
5- ترموکوپل نوع N
ترموکوپل نوع N (Nicrosil/Nisil): نوع N دارای محدودیت‌های درجه حرارت و دقت مشابه با نوع K است. با این تفاوت که نوع N کمی گرانتر است.
محدوده دما:
درجه حرارت ترموکوپل، 454- تا 2300 فارنهایت (270- تا 392 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 2.2C+/- یا 0.75٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 1.1C+/- یا 0.4٪
ترموکوپل‌های فلز خاص (نوع S، R و B):
ترموکوپل‌های فلز خاص یا Noble Metal به دلیل و حفظ دقت و طول عمر زیاد در دماهای بسیار بالا انتخاب میشوند. این دسته از ترموکوپل‌ها به طور قابل توجهی از ترموکوپل‌های فلز پایه گرانتر هستند.
6- ترموکوپل نوع S
ترموکوپل نوع S با ترکیب (Platinum Rhodium - 10% / Platinum): نوع S در کاربردهای دمای بسیار بالا استفاده میشود. این نوع ترموکوپل معمولاً در صنایع بیوتکنولوژی و داروسازی استفاده میشود. همچنین به دلیل دقت و پایداری بالا گاهی اوقات در کاربردهای دمای پایین‌تر نیز استفاده میشود.
محدوده دما:
درجه حرارت 58- تا 2700 فارنهایت (50- تا 1480 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 1.5C +/- یا 0.25٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 0.6C+/- یا 0.1٪
7- ترموکوپل نوع R
ترموکوپل نوع R با ترکیب (Platinum Rhodium - 13% / Platinum): نوع R در کاربردهای دماهای بسیار بالا استفاده میشود. درصد بیشتری از رودیوم نسبت به نوع S دارد که باعث گرانتر شدن آن میشود. تایپ R از نظر عملکرد بسیار شبیه به تایپ S است. گاهی اوقات به دلیل دقت و پایداری بالا در کاربردهای دمای پایین نیز استفاده میشود.
محدوده دما:
درجه حرارت 58- تا 2700 فارنهایت (50- تا 1480 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 1.5C+/- یا 0.25٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 0.6C+/- یا 0.1٪
8- ترموکوپل نوع B
ترموکوپل نوع B با ترکیب (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%): ترموکوپل نوع B در کاربردهایی با دمای بسیار بالا استفاده میشود. بالاترین حد دما را در بین تمام ترموکوپل‌های ذکر شده در بالا دارد. دقت و پایداری خود را در دماهای بسیار بالا حفظ می‌کند.
محدوده دما:
درجه حرارت 32 تا 3100F (0 تا 1700 درجه سانتیگراد)
دقت:
استاندارد: 0.5٪+/-
محدودیت های ویژه خطا: 0.25٪+/-
نوع اتصال در سرعت عملکرد ترموکوپل‌ها نقش مستقیم دارد. اتصالات ترموکوپل‌ها را میتوان به سه دسته‌ی اتصال آشکار(Exposed Thermocouple Junction)، اتصال ترموکوپل زمین شده (Grounded Thermocouple Junction) و اتصال ترموکوپل زمین نشده (Ungrounded Thermocouple Junction) تقسیم کرد.
ترموکوپل با اتصال آشکار
همانطور که در تصویر نشان داده شده است ، اتصال آشکار از دو سیم تشکیل شده است که خارج از یک پراب فلزی محافظ به هم متصل شده‌اند. از این اتصال معمولا برای اندازه‌گیری دمای گاز استفاده میشود. از آنجا که پوشش محافظی وجود ندارد، محل اتصال بسیار شکننده است و رطوبت یا آلاینده‌های مایع یا جامد نباید در گاز وجود داشته باشند. اتصال آشکار زمان پاسخگویی سریع‌تری را ارائه می دهد، زیرا انرژی حرارتی برای انتقال به محل اتصال نیازی به عبور از یک غلاف فلزی و یا عایق فشرده را ندارد.
ترموکوپل با اتصال زمین‌شده
ترموکوپل با اتصال زمین‌شده متداول‌ترین نوع ترموکوپل هستند. این اتصالات زمان پاسخ نسبتاً سریعی را فراهم می‌کنند زیرا گرما فقط باید از یک غلاف فلزی که رسانایی حرارتی بالایی دارد، عبور کند.
ترموکوپل با اتصال زمین نشده
اتصال زمین‌نشده برای محافظت از وسایل الکترونیکی حساس در برابر ولتاژهای بازخورد کوچک استفاده می شود. ترموکوپل با اتصال زمین نشده مشابه ترموکوپل با اتصال زمین شده داخل یک محافظ فلزی قرار دارد. با این تفاوت که ، ترموکوپل با اتصال زمین نشده علاوه بر محافظ فلزی توسط یک عایق (معمولاً اکسید منیزیم) هم احاطه شده‌اند. ترموکوپل با اتصال زمین نشده زمان پاسخگویی کندتری دارند، زیرا گرما باید قبل از رسیدن به محل اتصال، از طریق محافظ و سپس از طریق اکسید منیزیم (که رسانایی حرارتی کمتری نسبت به فلز دارد) عبور کند. منبع
همانطور که گفته شد، تغییرات دما در محل اتصال دو سیم ترموکوپل، باعث ایجاد یک اختلاف ولتاژ در حد میلی‌ولت (mV) درون سیم‌ها میشود. درنتیجه زمانی که با ترموکوپل سروکار داریم، یا به سیستم‌های داده‌برداری با قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ در حد میلی‌ولت نیازمند هستیم، یا به تجهیزات تقویت‌کننده ولتاژ به اندازه‌ی که در محدوده ولتاژ قابل اندازه‌گیری توسط DAQ قرار بگیرند.
هر کارت داده‌برداری پارامتری به نام رزولوشن دارد. رزولوشن، بیانگر کوچکترین افزایش سیگنالی است که می‌تواند توسط یک سیستم جمع آوری داده شناسایی شود. رزولوشن را میتوان بر حسب بیت، نسبت یا درصد از مقیاس کامل بیان کرد. به عنوان مثال، یک سیستم با رزولوشن 12 بیت و محدوده اندازه‌گیری 10V+/- می‌تواند تغییرات سیگنالی به اندازه 0.0049 ولت را اندازه‌گیری نماید.
بنابراین در هنگام انتخاب یک کارت داده برداری مناسب، برای ارتباط با ترموکوپل، یا باید کارت داده‌برداری با محدوده ولتاژ بسیار پایین انتخاب نماییم. یا بایستی کارت داده برداری با رزولوشن بالا (ترجیحا 24 بیتی) انتخاب کنیم. شرکت نشنال اینسترومنتز (NI) مدل‌هایی مخصوص ارتباط با ترموکوپل در سبد محصولات خود دارد که در این بین میتوان به دو مدل
اشاره نمود.
