بررسی کامل سیم ترموکوپل و سنسورهای حرارتی

بررسی سیم ترموکوپل و سنسورهای حرارتی موضوعی حیاتی برای هر مهندس، تکنسین و فعال در صنایع مختلف است. ترموکوپل نوعی سنسور دما است که از اتصال دو فلز غیر هم‌جنس ساخته شده و بر اساس اثر سیبک، اختلاف دمای بین دو نقطه را به یک ولتاژ الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سنسورها به دلیل سادگی، قیمت مناسب و محدوده دمایی وسیع، یکی از پرکاربردترین ابزارهای اندازه‌گیری دما در صنعت هستند.

برای تماس کلیک کنید

آشنایی با سنسورهای حرارتی

سنسور حرارتی وسیله‌ای است که تغییرات دما را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سنسورها از اجزای جدایی‌ناپذیر سیستم‌های کنترل، مانیتورینگ و اتوماسیون صنعتی به شمار می‌روند. نیاز به پایش دقیق دما در محیط‌های مختلف، از کوره‌های ذوب فلزات گرفته تا یخچال‌های نگهداری مواد غذایی، اهمیت این ابزارها را دوچندان می‌کند.

سنسورهای دما را می‌توان به دو دسته اصلی تماسی و غیرتماسی تقسیم کرد. سنسورهای تماسی مانند ترموکوپل، RTD (آشکارساز دمای مقاومتی)، ترمیستور و سنسورهای نیمه‌هادی، برای اندازه‌گیری دما نیاز به تماس مستقیم با محیط دارند. در مقابل، سنسورهای غیرتماسی مانند پیرومترهای مادون قرمز، از تشعشعات حرارتی برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند.

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل دستگاهی ساده اما قدرتمند برای اندازه‌گیری دماست که بر پایه یک پدیده فیزیکی به نام اثر سیبک عمل می‌کند. این اثر در سال 1821 توسط فیزیکدان آلمانی، توماس سیبک، کشف شد. او مشاهده کرد که وقتی دو فلز غیر هم‌جنس از یک سر به هم متصل شوند و این اتصال در معرض اختلاف دما قرار گیرد، یک ولتاژ الکتریکی کوچک در مدار بسته ایجاد می‌شود.

اصل کار ترموکوپل بر این پدیده استوار است: در اثر اختلاف دمای بین دو اتصال فلزات غیر هم‌جنس (که به آن اتصال سنجشگر یا “Hot Junction” و اتصال مرجع یا “Cold Junction” می‌گویند)، یک نیروی محرکه الکتریکی (EMF) یا ولتاژ ترموالکتریک تولید می‌شود. اندازه این ولتاژ مستقیماً با اختلاف دما متناسب است و توسط دستگاه‌های الکترونیکی قابل اندازه‌گیری است که سپس آن را به مقدار دما تبدیل می‌کنند. هر نوع ترموکوپل، منحنی ولتاژ-دمای خاص خود را دارد که رابطه بین ولتاژ خروجی و دمای اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد.

کالبدشکافی ترموکوپل

برای درک کامل نحوه عملکرد ترموکوپل‌ها، باید با اجزای اصلی و سیم‌های مرتبط با آن‌ها آشنا شویم.

اتصال سنجشگر (Measuring/Hot Junction)

اتصال سنجشگر، نقطه‌ای است که در آن دو فلز غیر هم‌جنس به یکدیگر جوش داده شده‌اند و مستقیماً با محیطی که قرار است دمای آن اندازه‌گیری شود، در تماس قرار می‌گیرد. این بخش از حساسیت بالایی برخوردار است و انواع مختلفی دارد:

• اتصال روباز (Exposed Junction)
• اتصال به غلاف (Grounded Junction)
• اتصال غیر به غلاف (Ungrounded Junction)

 

اتصال مرجع (Reference/Cold Junction)

همان‌طور که گفته شد، ترموکوپل ولتاژی متناسب با اختلاف دما بین اتصال سنجشگر و اتصال مرجع تولید می‌کند. برای اینکه بتوانیم دمای مطلق اتصال سنجشگر را به درستی اندازه‌گیری کنیم، باید دمای اتصال مرجع را بدانیم و آن را جبران‌سازی کنیم. روش‌های متعددی برای جبران‌سازی اتصال سرد (Cold Junction Compensation – CJC) وجود دارد:

• حمام یخ (Ice Bath)
• جبران‌سازی با ترمیستور یا آی‌سی‌های مخصوص
• جبران‌سازی نرم‌افزاری

 

سیم ترموکوپل (Thermocouple Wire)

سیم رابط ترموکوپل (Extension Wire)

سیم رابط ترموکوپل برای اتصال ترموکوپل (که معمولاً در نقطه اندازه‌گیری قرار دارد) به دستگاه اندازه‌گیری یا کنترل‌کننده (که ممکن است در فاصله دورتری باشد) استفاده می‌شود. این سیم‌ها از همان آلیاژهای ترموکوپل ساخته شده‌اند، اما تفاوت‌های کلیدی با سیم اصلی ترموکوپل دارند. مهمترین تفاوت در محدوده دمایی عایق و کالیبراسیون آن‌ها است. سیم‌های رابط معمولاً برای دماهای پایین‌تر طراحی شده‌اند (مثلاً تا 200 درجه سانتی‌گراد) و دارای عایق‌هایی با مقاومت حرارتی کمتر هستند.

استفاده از سیم رابط هم‌نوع با ترموکوپل اصلی (مانند KX برای ترموکوپل نوع K، JX برای نوع J و…) برای حفظ دقت اندازه‌گیری حیاتی است. استفاده از سیم‌های مسی معمولی می‌تواند خطای بزرگی در اندازه‌گیری دما ایجاد کند. کدهای رنگی استاندارد (ISA/ANSI) به کاربران کمک می‌کنند تا سیم رابط صحیح را با نوع ترموکوپل خود مطابقت دهند.

انتخاب صحیح سیم ترموکوپل و سیم رابط ترموکوپل متناسب با نوع ترموکوپل، برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری دما در سیستم‌های صنعتی ضروری است.

اطلس ترموکوپل‌ها

ترموکوپل‌ها در انواع مختلفی تولید می‌شوند که هر کدام برای محدوده دمایی و کاربردهای خاصی مناسب هستند. این انواع با حروف انگلیسی مشخص می‌شوند.

ترموکوپل‌های فلزات پایه (Base Metal Thermocouples)

این گروه از ترموکوپل‌ها از فلزات رایج‌تر و ارزان‌تر ساخته شده‌اند و برای محدوده دمایی متوسط تا بالا کاربرد دارند.

• نوع K (کرومل-آلومل)
• نوع J (آهن-کنستانتان)
• نوع T (مس-کنستانتان)
• نوع E (کرومل-کنستانتان)
• نوع N (نیکروسیل-نیسیل)

 

ترموکوپل‌های فلزات گران‌بها (Noble Metal Thermocouples)

این ترموکوپل‌ها از فلزات گران‌بها مانند پلاتین و رودیوم ساخته شده‌اند و برای اندازه‌گیری دماهای بسیار بالا و کاربردهایی که نیاز به دقت و پایداری فوق‌العاده دارند، استفاده می‌شوند.

• نوع R (پلاتین-رودیوم 13% / پلاتین)
• نوع S (پلاتین-رودیوم 10% / پلاتین)
• نوع B (پلاتین-رودیوم 30% / پلاتین-رودیوم 6%)

برای درک بهتر تفاوت‌ها، جدول زیر یک مقایسه جامع از انواع ترموکوپل‌ها ارائه می‌دهد:

نوع ترموکوپل	جنس آلیاژ (مثبت/منفی)	محدوده دمایی (تقریبی)	حساسیت (µV/°C)	کاربردهای کلیدی
K	کرومل/آلومل	-200 تا 1250°C	~41	کاربردهای عمومی، کوره‌ها، بویلرها
J	آهن/کنستانتان	0 تا 750°C	~50	صنایع پلاستیک، فرآیندهای شیمیایی، دماهای پایین
T	مس/کنستانتان	-200 تا 350°C	~43	صنایع غذایی، داروسازی، آزمایشگاهی، برودتی
E	کرومل/کنستانتان	-200 تا 900°C	~68	کاربردهای با نیاز به دقت بالا، آزمایشگاهی
N	نیکروسیل/نیسیل	-270 تا 1300°C	~39	جایگزین K در محیط‌های خشن، صنایع حرارتی
R	پلاتین-رودیوم 13%/پلاتین	0 تا 1600°C	~10	دماهای بسیار بالا، صنایع شیشه و سرامیک
S	پلاتین-رودیوم 10%/پلاتین	0 تا 1600°C	~10	مرجع کالیبراسیون، آزمایشگاهی، دماهای بسیار بالا
B	پلاتین-رودیوم 30%/پلاتین-رودیوم 6%	800 تا 1700°C	~8	بالاترین دماها، عدم نیاز به CJC در دماهای بالا

رقبا در اندازه‌گیری دما

ترموکوپل تنها سنسور حرارتی موجود نیست. آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) از جمله رقبای اصلی ترموکوپل‌ها محسوب می‌شوند که در برخی کاربردها عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)

RTD (Resistance Temperature Detector) یا آشکارساز دمای مقاومتی، سنسوری است که بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی یک فلز با دما کار می‌کند. رایج‌ترین نوع آن PT100 است که در دمای 0 درجه سانتی‌گراد، مقاومتی برابر با 100 اهم دارد. PT1000 نیز نوع دیگری است که مقاومت آن در 0 درجه سانتی‌گراد، 1000 اهم است.

اصل کار RTD بر این مبناست که مقاومت الکتریکی فلزات با افزایش دما، به صورت تقریباً خطی افزایش می‌یابد (ضریب دمایی مثبت). برای اندازه‌گیری دقیق، RTDها در پیکربندی‌های دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه موجود هستند. پیکربندی چهار سیمه بالاترین دقت را فراهم می‌کند، زیرا اثر مقاومت سیم‌های رابط را به طور کامل حذف می‌کند. کابل «آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)» معمولاً از سیم مسی استاندارد با عایق مناسب تشکیل شده و نیازی به آلیاژهای خاص ندارد.

مقایسه تحلیلی ترموکوپل و RTD

انتخاب بین ترموکوپل و RTD به عوامل متعددی بستگی دارد. جدول زیر به مقایسه این دو سنسور مهم می‌پردازد:

ویژگی	ترموکوپل	RTD
محدوده دمایی	بسیار وسیع (-270 تا 1700°C)	متوسط (-200 تا 650°C)
دقت	پایین‌تر (±0.5 تا ±5°C)	بالاتر (±0.05 تا ±0.5°C)
پایداری	رانش در طول زمان	پایداری عالی در طول زمان
زمان پاسخ‌دهی	سریع (به‌ویژه روباز)	کندتر از ترموکوپل روباز
مقاومت در برابر نویز	حساس به نویز الکتریکی	مقاومت بالاتر در برابر نویز
هزینه	نسبتاً پایین (به‌ویژه در دماهای بالا)	بالاتر از ترموکوپل
پیچیدگی مدار	نیاز به CJC و خطی‌سازی	نیاز به جریان ثابت و سیم‌بندی خاص (3 یا 4 سیمه)
نیاز به منبع تغذیه	عدم نیاز (خود-تولیدکننده ولتاژ)	نیاز به منبع تغذیه (برای اندازه‌گیری مقاومت)

به طور خلاصه، ترموکوپل‌ها برای دماهای بسیار بالا، پاسخ‌دهی سریع و بودجه‌های محدود انتخاب مناسبی هستند. در مقابل، RTDها برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالا، پایداری طولانی‌مدت و اندازه‌گیری در دماهای متوسط دارند، ارجحیت دارند. علاوه بر این‌ها، ترمیستورها (سنسورهای مقاومتی با حساسیت بسیار بالا در محدوده دمایی محدود) و سنسورهای نیمه‌هادی (دقیق در محدوده دمایی باریک) نیز وجود دارند که هر کدام در جایگاه خود کاربرد دارند.

مزایا و محدودیت‌های استفاده از ترموکوپل‌ها

ترموکوپل‌ها با وجود سادگی، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند که در انتخاب آن‌ها برای یک کاربرد مشخص باید مد نظر قرار گیرند.

مزایا

• گستره وسیع دما
• قیمت مناسب و اقتصادی
• استحکام مکانیکی
• سرعت پاسخ‌دهی بالا
• عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی

 

محدودیت‌ها

• دقت پایین‌تر
• نیاز به جبران‌سازی اتصال سرد (CJC)
• خروجی غیرخطی
• حساسیت به نویز الکتریکی
• پدیده‌های رانش (Drift) و پیری

 

راهنمای کاربردی

انتخاب، نصب و نگهداری صحیح سنسورهای حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است تا اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اطمینانی حاصل شود.

معیارهای انتخاب صحیح

برای انتخاب بهترین ترموکوپل یا سنسور حرارتی برای یک کاربرد خاص، باید موارد زیر را در نظر گرفت:

1. محدوده دمایی مورد نیاز
2. دقت مورد انتظار
3. محیط عملیاتی
4. بودجه و طول عمر مورد انتظار
5. زمان پاسخ‌دهی

 

نکات مهم در نصب

• محل بهینه قرارگیری
• غلاف محافظ (Thermowell)
• سیم‌کشی و اتصال صحیح
• اجتناب از نویز

 

نگهداری و کالیبراسیون

کالیبراسیون دوره‌ای ترموکوپل‌ها برای حفظ دقت اندازه‌گیری و اطمینان از عملکرد صحیح آن‌ها ضروری است. روش‌های کالیبراسیون شامل استفاده از نقاط ثابت (مانند نقطه یخ یا نقطه ذوب فلزات خالص)، حمام‌های کالیبراسیون مایع یا کوره‌های کالیبراسیون با دمای کنترل‌شده دقیق است. عیب‌یابی رایج شامل بررسی قطع شدن مدار، اتصال کوتاه و تأثیر نویز بر سیگنال است. محصولات شرکت هیتر هدف با کیفیت بالا و مطابق با استانداردهای بین‌المللی، نیازهای صنایع مختلف را در زمینه سنسورهای حرارتی برآورده می‌کنند.

ترموکوپل‌ها در عمل

ترموکوپل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• صنایع فولاد، سیمان و ذوب فلزات
• نیروگاه‌ها
• صنایع غذایی و داروسازی
• صنایع شیشه و سرامیک
• آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی
• صنایع خودروسازی و هوافضا

 

سوالات متداول

چگونه می‌توان از طریق مقاومت سیم، نوع یا سلامت یک سیم ترموکوپل را تشخیص داد؟

ترموکوپل‌ها با تولید ولتاژ کار می‌کنند، نه تغییر مقاومت؛ بنابراین، مقاومت سیم به تنهایی برای تشخیص نوع یا سلامت ترموکوپل کافی نیست. برای RTDها، اندازه‌گیری مقاومت می‌تواند سلامت آن را نشان دهد.

آیا امکان استفاده از سیم مسی معمولی به عنوان سیم رابط در فواصل طولانی برای ترموکوپل وجود دارد؟ چرا؟

خیر، استفاده از سیم مسی معمولی باعث ایجاد خطای بزرگ در اندازه‌گیری دما می‌شود، زیرا سیم مسی خواص ترموالکتریک متفاوتی دارد و یک اتصال مرجع کاذب در محل اتصال با سیم ترموکوپل ایجاد می‌کند.

چه عواملی باعث (رانش , Drift) در اندازه‌گیری ترموکوپل در طول زمان می‌شوند و چگونه می‌توان آن را مدیریت کرد؟

عواملی مانند اکسیداسیون، تغییر ساختار متالورژیکی فلزات در دماهای بالا و آلودگی‌های شیمیایی باعث رانش می‌شوند. مدیریت آن با کالیبراسیون دوره‌ای و استفاده از ترموکوپل‌های باکیفیت و مناسب برای محیط عملیاتی امکان‌پذیر است.

نتیجه‌گیری

سیم ترموکوپل و سنسورهای حرارتی، به ویژه انواع ترموکوپل و RTD، ابزارهایی حیاتی در صنایع گوناگون برای اندازه‌گیری دقیق دما به شمار می‌روند. انتخاب صحیح سنسور، درک اصول کار آن، نحوه صحیح اتصال سنجشگر و اتصال مرجع، و همچنین توجه به جزئیاتی مانند جبران‌سازی اتصال سرد و استفاده از سیم رابط ترموکوپل مناسب، همگی از فاکتورهای کلیدی در دستیابی به اندازه‌گیری‌های مطمئن و دقیق هستند. شرکت هیتر هدف با ارائه طیف وسیعی از محصولات با کیفیت و خدمات مشاوره تخصصی، آماده است تا در انتخاب و تامین نیازهای شما در زمینه سنسورهای حرارتی، شما را یاری کند. برای دریافت مشاوره تخصصی، مشاهده محصولات متنوع و درخواست ساخت ترموکوپل‌های سفارشی، با کارشناسان ما تماس بگیرید.