محاسبات ترموکوپل

در ادامه ی مقاله ی قبل به بررسی محاسبات ترموکوپل و نحوه ی اندازه گیری دما با استفاده از ولتاژ می پردازیم. ترموکوپل از دو سیم فلزی غیر هم جنس تشکیل شده که از یک سر به یکدیگر متصل هستند. افزایش دما در نقطه ی اتصال موجب تولید ولتاژی متناسب با دما در دو سر آزاد سیم ها می شود. با اندازه گیری این ولتاژ می توان به دمای نقطه ی اتصال دسترسی یافت. به منظور خواندن ولتاژ تولیدی در انتهای آزاد سیم ها در ترموکوپل می توان از ابزار های اندازه گیری ولتاژ یا کنترلر هایی مانند PLC، ترموستات و غیره استفاده کرد. ترموکوپل ها دارای انواع و در نتیجه رنج دمای متفاوتی هستند. به منظور دسترسی به رابطه ی دما و ولتاژ هر نوع ترموکوپل از جدول مرجع ترموکوپل یا Thermocouple Reference Tables استفاده می کنیم. در این مقاله به بررسی موارد زیر می پردازیم:

• نحوه ی خواندن ولتاژ خروجی و دما از جدول ترموکوپل
• اندازه گیری دما با ترموکوپل و مولتی متر
• کانکتور ها ی ترموکوپل
• مزایای ترموکوپل و غیره

نحوه ی خواندن ولتاژ خروجی و دما از جدول استاندارد ترموکوپل

N.I.S.T یا National Institute of Standards and Technology آژانس تنظیم استاندارد های ایالات متحده است. این موسسه مقدار ولتاژ خروجی در تیپ های مختلف ترموکوپل را به ازای هر درجه از بازه ی دمایی آن ها تعیین کرده است. ولتاژ های بدست آمده و دمای متناظر با آن ها در یک جدول نوشته می شوند. این جدول ها مرجع ترموکوپل یا Thermocouple Reference Tables نامیده می شود. با استفاده از جدول مرجع هر ترموکوپل می توان مقدار ولتاژ خروجی ترموکوپل به ازای هر درجه از بازه ی دمایی آن را مشاهده کرد. به منظور دانلود این جدول ها می توانید از وب سایت Delta Control استفاده کنید. در تصویر زیر منحنی تغییرات ولتاژ نسبت به تغییرات دما در تیپ های مختلف ترموکوپل، نمایش داده شده است.

به منظور انجام محاسبات ترموکوپل ابتدا جدول مرجع تیپ مورد نظر را دانلود می کنیم. فرض کنید می خواهیم ولتاژ متناسب با دمای 1324 درجه را با استفاده از ترموکوپل نوع K مشخص کنیم. در آخرین ستون از سمت چپ این جدول، اعداد با فاصله ی 10 واحد از منفی 270 تا 1370 نوشته شده اند. از این ستون به منظور خواندن مقدار دما به جز قسمت یکان آن، استفاده می کنیم. به بیان دیگر از این ستون به منظور یافتن قسمت دهگان به بعد هر عدد استفاده می شود. در ردیف های افقی، اعداد از 0 تا 10 شماره گذاری شده اند. این ردیف نیز جهت یافتن قسمت یکان هر دما کاربرد دارد. در تصویر زیر بخشی از جدول مرجع ترموکوپل تیپ K از سایت Delta control نمایش داده شده است. این جدول طبق استاندارد ANSI شامل دماهای -270 تا 1372 درجه سلسیوس است.

طبق تصویر زیر، برای مشخص کردن خروجی در 1324 درجه ابتدا از ستون عمودی سمت چپ عدد 1320 را انتخاب می کنیم.

همانطور که اشاره شد به منظور پیدا کردن شماره یکان دمای مورد نظر باید از ردیف های افقی استفاده شود. در این ردیف ها اعداد یکان از 0 تا 10 نوشته شده اند. در انتهای سمت راست هر ردیف عدد یکان 10 قرار دارد. به عنوان مثال در ردیف 1320،  آخرین ستون شامل عدد 1320+10 یعنی 1330 می باشد. به این ترتیب مقدار ولتاژ متناظر با دمای 1330 در دو خانه ی زیر از جدول ترموکوپل قابل مشاهده است:

• در آخرین خانه در ردیف مقابل عدد 1320
• در اولین خانه ی مقابل عدد 1330

از آن جا که در ردیف های افقی اعداد از 0 تا 10 شماره گذاری شده اند؛ به منظور مشاهده ی یکای دمای 1324 باید ردیف پنجم از ردیف 1320 را مشخص کنیم. همانطور که مشاهده می کنید این ردیف با عدد 4 مشخص شده است. به این ترتیب پنجمین عدد از ردیف مقابل عدد 1320 همان ولتاژ متناظر با دمای 1324 را نشان می دهد. قابل ذکر است که ولتاژ های ذکر شده در تصویر زیر بر حسب میلی ولت هستند.

در مثال دیگری فرض کنید می خواهیم دمای متناظر با ولتاژ 3.474 میلی ولت را مشخص کنیم. به این منظور در جدول ترموکوپل ولتاژ مورد نظر را پیدا می کنیم. پس از مشاهده ی این ولتاژ خواهیم دید که عدد متناظر با ردیف افقی این ولتاژ برابر با 80 و عدد متناظر با ستون عمودی آن برابر با 5 درجه است. در نتیجه دمای متناسب با ولتاژ 3.474 برابر با 80+5 یا 85 درجه سلسیوس می باشد.

اندازه گیری دما با ترموکوپل و مولتی متر

جهت اندازه گیری دمای ترموکوپل از طریق مولتی متر باید از روش جبران سازی نقطه اتصال سرد استفاده کنیم. به این منظور در برخی از مولتی متر ها سنسور دما وجود دارد. در ادامه ی مقاله نحوه ی بدست آوردن دمای محیط با استفاده از یک مولتی متر و جدول ترموکوپل یا Thermocouple reference table شرح داده شده است. در این روش ابتدا باید نوع ترموکوپل و جدول مرجع آن را مشخص کنیم.
فرض کنید می خواهیم با استفاده از ترموکوپل نوع K و یک مولتی متر، دمای محیط را اندازه گیری کنیم. به این منظور ابتدا ترموکوپل را به مولتی متر متصل می کنیم. معمولا از کانکتورهای مختلف ترموکوپل جهت اتصال به مولتی متر استفاده می شود. به عنوان مثال ترموکوپل نمایش داده شده در تصویر زیر دارای یک پلاگین دوگانه بوده و در اکثر مولتی متر ها قابل استفاده است.

در تصویر زیر نحوه ی اتصال ترموکوپل به مولتی متر نمایش داده شده است.

در تصویر زیر نمونه ی دیگری از نحوه ی اتصال ترموکوپل نوع K به یک Thermometer را مشاهده می کنید.

در برخی موارد به منظور اتصال ترموکوپل به مولتی متر و انجام محاسبات آن، باید از آداپتور ترموکوپل استفاده کنیم. در تصویر زیر نمونه ایی از آداپتور ترموکوپل نوع K آورده شده است.

با استفاده از آداپتور بالا می توان کانکتور مینیاتوری ترموکوپل یا miniature thermocouple connector را به مولتی متر متصل کرد. معمولا به منظور اتصال ترموکوپل های جدید به ترمومتر های قدیمی از این آداپتور ها استفاده می شود. تصویر زیر نحوه ی اتصال این آداپتور به کانکتور ترموکوپل را نشان می دهد.

در این مثال فرض کنید سنسور دمای مولتی متر میزان دمای محیط یا ambient temperature را برابر با 24 درجه سلسیوس اندازه گرفته است. در واقع این دما مربوط به نقطه ی اتصال سرد یا Cold junction است. با استفاده از جدول ترموکوپل می توان میزان ولتاژ متناظر با دمای 24 درجه را مشخص کرد. در جدول ترموکوپل K این ولتاژ برابر با 0.960 میلی ولت است.

ولتاژ اندازه گیری شده در ولت متر برابر با 4.409 میلی ولت است. حاصل جمع این ولتاژ با ولتاژ نقطه ی اتصال سرد برابر با 0.960+4.409=5.369 میلی ولت می شود. این ولتاژ همان خروجی نقطه ی hot junction است. در مرحله ی آخر با استفاده از جدول ترموکوپل، دمای متناسب با این ولتاژ ممشخص می شود. مطابق جدول ترموکوپل K دمای 131 درجه سلسیوس متناظر با ولتاژ 5.369 میلی ولت است. به این ترتیب دمای محیط مورد نظر برابر با 131 درجه محاسبه می شود.

در برخی موارد مقدار ولتاژ اندازه گیری شده با هیچ یک از اعداد جدول یکسان نیست. در این شرایط با استفاده از روش درون یابی میزان دمای متناطر با آن ولتاژ را محاسبه می کنیم. به عنوان مثال فرض کنید با استفاده از یک ترموکوپل تیپ T و یک ولت متر باید دمای محیط را اندازه گیری کنیم. در این مثال دمای نقطه ی اتصال سرد برابر با 18 درجه سانتی گراد اندازه گیری شده است. با استفاده از جدول ترموکوپل تیپ T میزان ولتاژ متناطر با دمای 18 درجه برابر با 0.709 میلی ولت خواهد بود. جدول مرجع ترموکوپل نوع T از سایت Delta control را در این قسمت مشاهده می کنید.

میزان ولتاژ اندازه گیری شده توسط ولت متر برابر با 2.759 میلی ولت است. حاصل جمع ولتاژ نقطه ی اتصال سرد و ولتاژ ولت متر برابر با 2.759+0.709=3.468 میلی ولت می شود. این ولتاژ در جدول ترموکوپل تیپ T وجود ندارد. به همین دلیل با استفاده از فرمول زیر از روش درون یابی استفاده می کنیم:

\[{T_m} = {T_l} + \frac{{\left( {{T_h} – {T_l}} \right)}}{{\left( {{V_h} – {V_l}} \right)}}\left( {{V_m} – {V_l}\;} \right)\]

موارد مورد نیاز در فرمول بالا به ترتیب عبارت اند از:
Tm: دمای اندازه گیری شده توسط ترموکوپل
Vm: ولتاژ ترموکوپل
Tl: دمای پایین تر در جدول مرجع ترموکوپل
Th: دمای بالاتر در جدول مرجع ترموکوپل
Vl: ولتاژ متناطر با دمای Tl
Vh: ولتاژ متناظر با دمای Th

ابتدا باید دو ولتاژی که عدد 3.468 در بین آن ها قرار دارد را مشخص کنیم. به عنوان مثال طبق جدول ترموکوپل نوع T عدد 3.468 بین دو ولتاژ متوالی 3.494 و 3.448 قرار دارد. ولتاژ های 3.448 و 3.494 به ترتیب برابر با Vl و Vh هستند. دمای متناظر با ولتاژ های Vl و Vh به ترتیب برابر با 82 و 83 درجه سلسیوس است. از آن جا که ولتاژ مورد نظر یعنی 3.468 بین دو ولتاژ Vl و قرار دارد، دمای مورد نظر نیز بین 82 و 83 درجه قرار می گیرد. با استفاده از فرمول درون یابی مقدار دمای مورد نظر برابر با 82.43 درجه محاسبه می شود.

\[{T_m} = 82 + \frac{{\left( {83 – 82} \right)}}{{\left( {3.494 – 3.448} \right)}}\left( {3.468 – 3.448} \right) = 82.43\]

توسعه ی سیم ها ی ترموکوپل یا Extending thermocouple wires

سیگنال اندازه گیری شده توسط ترموکوپل به دستگاه های کنترلی یا اندازه گیر منتقل می شود. گاهی میان ترموکوپل و ابزار های اندازه گیری در مرکز کنترل فاصله ی زیادی وجود دارد. در این شرایط به منظور رسیدن سیگنال ترموکوپل به مرکز کنترل ممکن است طول یک کارخانه طی شود. به صورت کلی جهت انتقال سیگنال ترموکوپل و گسترش سیم های آن از کابل های thermocouple Extension cable و کابل های Thermocouple compensation cable استفاده می شود. دلایل انتخاب کابل های افزایشی یا جبران ساز عبارت اند از:
• کابل اصلی ترموکوپل در محل اندازه گیری دما یا همان hot junction قرار می گیرد. دمای نقطه ی hot junction معمولا از دمای Cold junction بالاتر است. در نتیجه کابل های توسعه یا جبران ساز ترموکوپل در مقایسه با کابل مورد استفاده در انتهای hot junction نیاز به تحمل دمای پایین تری دارند. به این ترتیب مواد سازنده ی کابل های جبران ساز یا توسعه ی ترموکوپل قیمت پایین تری نسبت به کابل ترموکوپل دارند.
• کابل های Extension و Compensation ترموکوپل معمولا دارای مواد عایق انعطاف پذیر هستند. در نتیجه از این کابل ها می توان در مکان هایی با خم زیاد استفاده کرد.

کابل توسعه یا Extension

معمولا متریال سازنده ی کابل های Extension شبیه به متریال سازنده ی سیم ترموکوپل است. به عبارت دیگر این کابل ها از آلیاژ های شبیه به سیم های ترموکوپل ساخته می شوند. به صورت کلی آلیاژ های مختلف با یکدیگر جفت شده و انواع تیپ های ترموکوپل استاندارد را ایجاد می کنند. هر یک از این ترموکوپل ها دارای رنج دمایی و حساسیت های متفاوتی بوده و برای کاربرد های مختلف مناسب اند. کابل های Extension ترموکوپل نیز متناسب با تیپ ترموکوپل ها ساخته شده اند. این کابل ها با حرف X مشخص می شوند. به عنوان مثال کابل Extension تیپ K به صورت Kx مشخص می شود. از این کابل ها بین سیم های ترموکوپل یا Thermocouple wire و ابزار دقیق استفاده می گردد. مزیت استفاده از این کابل ها نسبت به استفاده از سیم های ترموکوپل، قیمت نسبتا ارزان تر آن هاست. به بیان دیگر کابل های Extension قیمت نسبتا کم تری نسبت به سیم های Thermocouple grade دارند.

در تصویر زیر از یک کابل Extension به منظور انتقال سیگنال ترموکوپل به یک Temperature indicator استفاده شده است. ترموکوپل مورد استفاده تیپ K و کابل توسعه تیپ KX است. همانطور که در جدول انواع تیپ های ترموکوپل مشاهده کردید رنگ بندی پوشش خروجی کابل Extension با پوشش کابل ترموکوپل متفاوت است. پوشش Extension grade برای تیپ K زرد رنگ می باشد. طبق همان جدول سیم مثبت ترموکوپل زرد و سیم قرمز ترموکوپل قرمز رنگ است. نکات ذکر شده را در تصویر زیر مشاهده می کنید:

کابل های جبران ساز یا Compensation

کابل های جبران کننده یا compensation cable نوع دیگری از کابل های ترموکوپل هستند. از این کابل ها به منظور گسترش سیگنال ترموکوپل از سنسور به سمت ابزار دقیق استفاده می شود. معمولا این کابل ها از آلیاژ های ارزان تری نسبت به کابل های Extension ساخته می شوند. کابل های جبران ساز فقط در دمای محیط یا ambient temperature قابل استفاده بوده و دقت کمتری نسبت به کابل های Extension دارند. مزیت این کابل ها مقرون به صرفه تر بودن آن ها نسبت به کابل های Extension است.

کانکتور های ترموکوپل

به منظور اتصال پروب ها یا پایانه های سیم ترموکوپل به کابل های Extension یا Compensation از کانکتور های ترموکوپل استفاده می شود. این تجهیزات ابزار مناسبی جهت اتصال سنسور ترموکوپل و کابل extension به یکدیگر در دمای بالا هستند. گاهی اوقات از کانکتور ها جهت اتصال سنسور دما به ابزار دقیق نیز استفاده می شود. به صورت کلی کانکتور های ترموکوپل شامل Plug ها و Socket ها می شوند. Plug ها به سنسور ترموکوپل متصل می شوند. در طرف مقابل Socket ها بخشی از ابزار دقیق بوده یا به آن ها متصل می شوند. به صورت کلی دو نوع نوع متداول از Plug و Socket ها در استاندارد صنعتی وجود دارد:
• کانکتور های استاندارد یا Standard thermocouple plug and socket:
این مدل کانکتور ها دارای پین های گرد هستند. در تصویر زیر یک کانکتور Plug استاندارد را مشاهده می کنید:

در تصویر زیر یک ترموکوپل مدل Mineral insulated thermocouple همراه با یک Standard Plug تیپ K آورده شده است.

در تصویر زیر یک کانکتور Socket استاندارد را مشاهده می کنید.

• کانکتور های کوچک یا miniature connector
کانکتورهای کوچک یا miniature connector ها دارای پین های صاف هستند. طراحی این کانکتور ها به نحوی است که تنها در صورت اتصال صحیح پین های + و – به هم چفت می شوند. به بیان دیگر Miniature connector ها تنها زمانی به هم متصل می شوند که قطب بندی در آن ها رعایت شده باشد. در تصویر زیر یک miniature thermocouple connector Plug تیپ K را مشاهده می کنید.

تصویر زیر مربوط به یک Miniature thermocouple connector socket تیپ K است.

در تصویر زیر یک ترموکوپل صنعتی فولادی ضد زنگ OMEGA از تیپ K نمایش داده شده است.

در کانکتور های ترموکوپل به منظور پیش گیری از ایجاد خطا در اتصالات، از آلیاژ های ترموکوپل استفاده می شود. به این ترتیب هرکانکتور ترموکوپل فقط با نوع ترموکوپل خاصی کار می کند.

مزایا و نکات طلایی ترموکوپل

• در ساخت ترموکوپل به منظور پیشگیری از تاثیرات دمایی روی سیم ها باید تا حد امکان آن ها را نزدیک به هم نگه داریم. به این منظور معمولا سیم ها به هم پیچیده می شوند.
• ترموکپل ها متداول ترین سنسور های صنعتی هستند.
• ساختار این سنسور های دما بسیار ساده و در نتیجه نسبتا ارزان است.
• صحت ترموکوپل از یک درجه سلسیوس پایین تر نمی رود. به همین دلیل از ترموکوپل جهت اندازه گیری های دقیق استفاده نمی شود.
• محدوده ی دمای اندازه گیری در این سنسور دما بسیار گسترده است.

عوامل موثر در انتخاب ترموکوپل

1. رنج دمای اندازه گیری: یکی از مهم ترین نکات در استفاده از این سنسور، رنج دمای اندازه گیری است. به عنوان مثال فرض کنید سنسور تیپ X قادر به اندازه گیری دما در بازه ی 0 تا 400 درجه است. استفاده از این سنسور در یک کوره با دمای 1000 درجه موجب ذوب شدن آن و بروز خطا خواهد شد.
2. حساسیت و دقت
3. خوردگی و دوام
4. طول سیم و تیپ ترموکوپل

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.