ترموکوپل چیست؟ انواع و طرز کار آن کدام است؟

ترموکوپل یکی از مهم ترین سنسور های اندازه گیری دما در محیط های صنعتی است. در سال 1821 یک فیزیک دان آمریکایی اثر ترموالکتریک و Seebeck effect را کشف کرد که این پدیده اساس کار ترموکوپل است. طبق پدیده ی سیبک، اختلاف دما میان دو رسانای الکتریکی یا نیمه هادی متفاوت باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین این دو ماده می شود. به عبارت دیگر اگر دو فلز متفاوت از یک سر به یکدیگر متصل شده باشند، اختلاف دما بین دو سر آن یک نیروی الکتروموتیو یا Electromotive force (EMF) ایجاد می کند. به صورت کلی ساختمان 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. نقطه ی اتصال دو فلز Hot junction نام داشته و در محیط مورد نظر جهت اندازه گیری دما قرار می گیرد. انتهای سیم های ترموکوپل که به منظور اندازه گیری ولتاژ تولید شده به کنترلر یا اندازه گیر متصل می شود اصطلاحا Cold junction نام دارد. در این مقاله موضاعت زیر را بررسی می کنیم:

نحوه عملکرد و طرز کار ترموکوپل

به منظور درک بهتر از نحوه عملکرد این سنسور به تصویر زیر توجه کنید.

در تصویر بالا تغییرات دما موجب تولید ولتاژ در قسمت Cold junction می شود. مقدار این EMF تولیدی به نوع فلزات مورد استفاده و دما بستگی دارد. با توجه به نوع ترموکوپل و اندازه گیری ولتاژ تولید شده می توان تغییرات دما را محاسبه کرد. به منظور برقراری ارتباط میان ولتاژ تولیدی و تغییرات دما از جدول ترموکوپل یا در thermocouple reference table استفاده می کنیم. به دلیل تفاوت جدول های مرجع در تیپ های مختلف ترموکوپل، هنگام استفاده از آن باید به تیپ و نوع سنسور توجه کرد. به عنوان مثال در تصویر زیر سنسور ترموکوپل نوع K را مشاهده می کنید.

انواع ترموکوپل

این سنسور های دما دارای نوع و تیپ های متفاوتی هستند. به منظور شناسایی انواع ترموکوپل می توان از رنگ آن ها استفاده کرد. قابل ذکر است که این رنگ ها در کشور ها و استاندارد های مختلف متفاوت است. متناسب با نوع سنسور مورد استفاده، رنج دمای قابل اندازه گیری سنسور نیز تغییر می کند. در تصویر زیر رنگ بندی تیپ ها و انواع مختلف ترموکوپل یا Thermocouple color codes مطابق استاندارد ANSI و IEC آورده شده است. در هر ردیف از این جدول، مشخصات یک نوع از این سنسور دما بررسی شده است. به عنوان مثال در ردیف دوم این جدول، ترموکوپل تیپ J معرفی شده است. ستون های مهم این جدول عبارت اند از:

• ANSI MC 96.1 Color Coding: جهت انتقال سیگنال حسگر و گسترش سیم های آن از کابل های thermocouple Extension cable و Thermocouple compensation cable استفاده می شود. در مقاله ی بعدی بیشتر به بررسی این کابل ها می پردازیم. منظور از عبارت Extension Grade در این قسمت همان رنگ استاندارد برای کابل های توسعه ی ترموکوپل است. Thermocouple Grade مشخص کننده ی رنگ استاندارد برای ترموکوپل است. طبق جدول زیر، رنگ سیم های تیپ J در استاندارد ANSI برای سر های + و – به ترتیب سفید و قرمز هستند.
• Alloy Combination: در این قسمت، جنس سیم های + و – در تیپ مورد نظر مشخص شده است. به عنوان مثال در ساختمان ترموکوپل نوع K از nickel-chromium و nickel-aluminum به عنوان سیم های سر + و – استفاده شده است.
• Maximum T/C Grade Temp Range: در این ستون رنج دمای قابل اندازه گیری با سنسور دما مشخص شده است. به عنوان مثال در تیپ K رنج اندازه گیری از منفی 270 تا 1372 درجه سلسیوس و از منفی 454 تا 2501 درجه F است.
• EMF (mV) over max temp range: رنج ولتاژ تولیدی توسط سنسور مورد نظر در این قسمت تعریف شده است. قابل ذکر است که این ولتاژ در حد میلی ولت می باشد. به عنوان مثال رنج ولتاژ در ترموکوپل نوع K از منفی 6.458 تا 54.886 میلی ولت است.
• IEC 584-3 Color Coding: در این قسمت کد های رنگی سیم و کابل ترموکوپل و هم چنین کابل توسعه ی آن مطابق استاندارد IEC ذکر شده است. به عنوان مثال طبق استاندارد IEC رنگ سیم های + و – در ترموکوپل نوع J به ترتیب مشکی و سفید است.

طبف جدول بالا سنسور ترموکوپل دارای تیپ های مختلفی از جمله تیپ K، J، T و غیره است. نوع K یکی از رایج ترین و پرکاربرد ترین تیپ ترموکوپل می باشد. در جدول زیر کد های رنگی یا Color codes های تیپ K در استاندارد های ANSI، BS و IEC نمایش داده است.

ANSI color code	BS color code	IEC color code

به منظور آشنایی با کد های رنگی تیپ J از جدول زیر استفاده می شود.

ANSI color code	BS color code	IEC color code

جهت بررسی color code سایر تیپ ها می توانید به سایت Peak sensors مراجعه کنید.

نحوه ی استفاده از ترموکوپل و اندازه گیری دما

ترموکوپل ها در صنعت کاربرد زیادی دارند. به عنوان مثال از این سنسور در بازار های صنعتی از جمله تولید برق، معدن، نفت و گاز، داروسازی و غیره استفاده می شود. ترموکوپل ها هم چنین در اجاق گاز و کوره ها نیز کاربرد دارند. فرض کنید می خواهیم با اتصال سنسور ترموکوپل به یک ترمومتر Thermometer یا مولتی متر Multimeter میزان ولتاژ تولید شده توسط آن را اندازه گیری کنیم. به عبارت ساده تر با توجه به ولتاژ تولید شده و با استفاده از جدول ترموکوپل می توان دمای محیط Hot junction را بدست آورد.

با اتصال این سنسور به یک ولت متر طبق پدیده ی سیبک یک ترموکوپل جدید یا ثانویه ایجاد می شود. ولتاژ تولید شده توسط این ترموکوپل ثانویه روی ولتاژ اصلی سنسور تاثیر می گذارد. به بیان دیگر دمای محیط یا ambient temperature در نقطه ی اتصال سرد یا Cold junction روی نتیجه ی اندازه گیری تاثیر گذار خواهد بود. نکته ی مهم هنگام اتصال ترموکوپل به دستگاه های اندازه گیری، توجه به Cold junction ایجاد شده است. به منظور دسترسی به دمای نقطه ی Hot junction و از بین بردن تاثیر دمای Cold junction از روش جبران سازی نقطه ی اتصال سرد یا Cold junction compensation استفاده می شود. این روش در اصطلاح روش CJC نام دارد.

نقطه ی اتصال سرد یا CJC در ترموکوپل و نحوه جبران سازی آن

در تصویر زیر نحوه ی جبران سازی اتصال سرد نمایش داده شده است. فرض کنید سیم های Copper یا مسی، قسمت اتصال ترموکوپل به ولت متر هستند. به منظور دست یابی به ولتاژ سنسور یا Vtc باید مقدار ولتاژ نقطه ی اتصال سرد را بدست آورده و با مقدار ولتاژ اندازه گیری شده توسط ولت متر جمع کنیم. جهت جبران سازی ولتاژ اتصال سرد از روش های مختلفی استفاده می شود. یکی از این روش ها به شرح زیر است:
1) ابتدا دمای نقطه ی اتصال سرد یا Tcj را با استفاده از یک سنسور دمای دیگر اندازه می گیریم. این سنسور می تواند انواع مختلفی از سنسور های دما مانند ترمیستور یا ADT7320 باشد.
2) با استفاده از جدول سنسور، مقدار ولتاژ متناسب با دمای اندازه گیری شده در مرحله ی 1 را بدست می آوریم. این ولتاژ همان ولتاژ نقطه ی اتصال سرد یا Vcj است.
3) از حاصل جمع ولتاژ بدست آمده در مرحله ی دوم یا Vcj با ولتاژ قرائت شده از ولت متر مقدار ولتاژ ترموکوپل یا V(TC) را بدست می آوریم.
4) در مرحله ی آخر می توان با استفاده از جدول ترموکوپل یا همان thermocouple reference table مقدار دمای متناسب با ولتاژ V(TC) را محاسبه کرد.

همانطور که اشاره شد دمای نقطه ی اتصال سرد با استفاده از یک سنسور دما اندازه گیری می شود. اکنون این سوال مطرح می شود که چرا به منظور اندازه گیری دمای اتصال گرم نیز از همین سنسور دما استفاده نمیکنیم؟ مزیت اصلی ترموکوپل نسبت به سایر سنسورها، رنج دمای اندازه گیری بسیار بالا است. در ترموکوپل تنها با اتصال دو فلز غیر مشابه می توان تا هزار درجه سلسیوس را اندازه گیری کرد.
به منظور خواندن ولتاژ این سنسور می توان از ترمومتر یا مولتی متر استفاده کرد. امکان اتصال ترموکوپل تیپ K به برخی از ترمومتر ها وجود دارد. همانطور که در بالا اشاره شد با اتصال ترموکوپل به ولت متر طبق پدیده ی سیبک یک ترموکوپل جدید ایجاد می شود. تصویر زیر نحوه ی ایجاد ولتاژ های متفاوت هنگام اتصال این سنسور به ترمومتر را نمایش می دهد.

سیم های نارنجی و قرمز رنگ در تصویر بالا همان فلز های متفاوت ترموکوپل هستند. سیم های مشکی رنگ نیز اتصالات یا پارپ های مولتی متر را نشان می دهند. از اتصال سیم قرمز رنگ به یک ترمینال ترمومتر و سیم نارنجی رنگ به ترمینال دیگر مولتی متر و سیم های قرمز و نارنجی به هم، طبق پدیده ی سیبک سه ولتاژ V1، V2 و V3 تولید می شوند. همانطور که مشاهده می کنید ولتاژ های V1 و V2 ناشی از اتصال ترموکوپل به مولتی متر هستند. طبق قانون KVL در مدار بالا، وجود ولتاژ های V1 و V2 موجب اندازه گیری اختلاف ولتاژ توسط مولتی متر می شود. به بیان دیگر ولتاژ اندازه گیری شده در ولت متر عبارت است از:

\({V_{vm}} = {V_j} + {V_2}\; – \;{V_1} = {V_{TC}}\; – \;{V_{CJ}}\)

در فرمول بالا V(TC) و V(CJ) به ترتیب ولتاژ های ترموکوپل و نقطه اتصال سرد هستند. با استفاده از این اختلاف ولتاژ امکان محاسبه ی اختلاف دما بین نقطه ی اتصال سرد و نقطه ی اتصال گرم وجود دارد. به بیان دیگر با خواندن ولتاژ مولتی متر مقدار دمای دقیق نقطه ی اتصال گرم محاسبه نمی شود. از سوی دیگر هدف اصلی ما اندازه گیری دمای مطلق یا absolute temperature در نقطه ی اتصال گرم است. جهت محاسبه ی دمای دقیق Hot junction باید دمای مولتی متر اندازه گیری شود. به این منظور از یک سنسور دما در مولتی متر استفاده می شود. با این کار عملیات جبران سازی اتصال سرد یا CJC قابل اجرا است.

در تصویر زیر محل قرار گیری سنسور دما در داخل مولتی متر DMM Aneng AN8009 نمایش داده شده است. در این مولتی متر میان ورودی های ترموکوپل و سنسور دما فاصله وجود دارد.

در تصویر زیر مولتی متر ANENG AN8009 با اتصال ترموکوپل آورده شده است.

انتقال سنسور دمای مولتی متر به قسمتی نزدیک پایانه های ورودی موجب بهبود اندازه گیری دما شده و خطای ناشی از تغییرات سریع دما را کاهش می دهد. به عنوان مثال در تصویر زیر محل قرار گیری سنسور دما در یک مولتی متر را مشاهده می کنید. طبق تصویر فاصله ی سنسور دما و پایانه های ورودی در این مدل کمتر  از نمونه ی قبلی است.

تصویر زیر یک نوع ترموکوپل صنعتی یا Typical Industrial Thermocouple را نشان می دهد.

در تصویر زیر نحوه ی اتصال یک ترموکوپل صنعتی به دستگاه اندازه گیری دما را مشاهده می کنید.

ساختمان ترموکوپل

همانطور که اشاره شد ترموکوپل ها از اتصال دو فلز غیر هم جنس به یکدیگر ساخته می شوند. سیم های این سنسور دما توسط یک لایه عایق یا Insulation پوشیده شده اند. معمولا با استفاده از یک غلاف محافظ یا Protective sheath نیز از سنسور محافظت می شود. محل اتصال این دو فلز یا Junction در ترموکوپل ها به سه گروه زیر تقسیم می گردد:

1. Ungrounded Thermocouple
در این مدل سنسور ها قسمت Junction یا نقطه ی اتصال، از غلاف جدا شده است. این نوع حسگر ها به دلیل وجود یک لایه ی عایق دارای کند ترین پاسخ دمایی از میان هر 3 ساختار هستند. تصویر زیر شماتیک یک Ungrounded Thermocouple را نشان می دهد.

2. Grounded Thermocouple
در این مدل، نقطه ی اتصال یا Junction به غلاف جوش داده می شود. جنس غلاف عمدتا از فلزی است که حرارت را به خوبی انتقال می دهد. این غلاف از سنسور در محیط های سخت محافظت می کند. در تصویر زیر ساختار کلی Grounded Thermocouple ها را مشاهده می کنید.

3. Exposed Thermocouple
مدل های بدون غلاف محافظ یا Protective sheath به عنوان Exposed thermocouple شناخته می شوند. در این سنسور های دما، امکان انتقال مستقیم گرما به حسگر وجود دارد. در صورت نیاز به پاسخ سریع می توان از ترموکوپل های بدون غلاف محافظ استفاده کرد. در تصویر زیر ساختار کلی این مدل آورده شده است.