ترموکوپل یک حسگر دماست که بر پایه پدیده ترموالکتریک یا اثر سیبک (Seebeck Effect) کار میکند. این حسگر از اتصال دو فلز ناهمجنس در یک نقطه ساخته میشود که در صورت وجود اختلاف دما بین محل اتصال و محل مرجع ولتاژی تولید میکند که متناسب با دماست. این ولتاژ معمولاً در حد میلیولت است و با استفاده از مبدلها یا کنترلرها به مقدار دما تبدیل میشود.
ترموکوپلها به دلیل مقاومت بالا در برابر دما، پاسخ سریع و ساختار ساده در صنایع مختلف از جمله نفت، فولاد، خودروسازی و حتی تجهیزات خانگی کاربرد دارند. این سنسورها میتوانند دماهایی از چند ده تا بیش از ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد را اندازهگیری کنند.
ترموکوپل چگونه کار می کند؟
ترموکوپل یکی از پرکاربردترین سنسورهای دما در صنایع مختلف است که بر اساس اصل فیزیکی موسوم به «اثر سیبک» (Seebeck Effect) کار میکند. این اثر بیان میکند که وقتی دو فلز متفاوت در دو نقطه به یکدیگر متصل شوند و بین آن دو نقطه اختلاف دما وجود داشته باشد، در مدار بستهای که از این دو فلز تشکیل شده است، ولتاژی الکتریکی ایجاد میشود. مقدار این ولتاژ بسیار کوچک است، اما مستقیماً با اختلاف دما بین محل اتصال گرم (Hot Junction) و محل اتصال سرد (Cold Junction) ارتباط دارد. این ولتاژ پس از اندازهگیری توسط مبدل یا کنترلر به دما تبدیل میشود و به صورت عددی نمایش داده میشود.
در واقع ترموکوپل از دو سیم فلزی غیرهمجنس تشکیل شده که در یک سر به هم متصل میشوند. نقطه اتصال این دو سیم همان «محل اندازهگیری دما» یا Junction است. زمانی که این نقطه در معرض حرارت قرار میگیرد، انرژی گرمایی باعث جابجایی الکترونها در فلزات میشود. چون هر فلز ضریب سیبک مخصوص به خود را دارد، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آنها به وجود میآید. این اختلاف پتانسیل که معمولاً در حد چند میلیولت است، از طریق مدار اندازهگیری به دستگاه ثبتکننده یا نمایشگر منتقل شده و مقدار دقیق دما را مشخص میکند.
یکی از بخشهای مهم در عملکرد ترموکوپل جبران اتصال سرد (Cold Junction Compensation) است. چون ولتاژ تولیدی تنها تابع اختلاف دمای بین دو اتصال است، دمای محل اتصال سرد نیز باید بهصورت دقیق اندازهگیری یا جبران شود تا دمای واقعی محل اندازهگیری بهدرستی محاسبه گردد. این کار معمولاً بهوسیله مدارهای الکترونیکی یا سنسورهای داخلی دستگاه اندازهگیر انجام میشود.
معرفی اجزای ترموکوپل
یک ترموکوپل از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هرکدام نقش مهمی در عملکرد دقیق و پایدار آن دارند. این اجزا عبارتند از:
۱. سیمهای فلزی (Thermocouple Wires)
اصلیترین بخش ترموکوپل دو سیم از فلزات غیرهمجنس هستند که در یک سر به هم متصل میشوند. این دو فلز میتوانند از ترکیبهایی مانند نیکل–کروم (در نوع K)، آهن–کنستانتان (در نوع J) یا مس–کنستانتان (در نوع T) باشند. انتخاب جنس فلز بستگی به محدوده دمایی و نوع محیط کاری دارد.
۲. نقطه اتصال یا جوینت (Junction)
جایی است که دو سیم فلزی به هم متصل میشوند. این نقطه معمولاً با جوش یا لحیم مخصوص ایجاد میشود و همان محل اندازهگیری دما است. دو نوع اتصال وجود دارد: اتصال زمینشده (Grounded) که سریعتر به تغییرات دما واکنش نشان میدهد و اتصال زمیننشده (Ungrounded) که نویز کمتری دارد.
۳. غلاف محافظ (Sheath)
غلاف پوششی فلزی یا سرامیکی است که از سیمها در برابر رطوبت، ضربه، خوردگی و دمای بالا محافظت میکند. جنس غلاف معمولاً از استیل ضدزنگ یا اینکونل است تا دوام بالایی در شرایط صنعتی داشته باشد.
۴. عایق داخلی (Insulation)
درون غلاف، بین دو سیم ترموکوپل، مواد عایق حرارتی و الکتریکی مانند اکسید منیزیم (MgO) قرار میگیرد تا از تماس مستقیم سیمها جلوگیری و دقت اندازهگیری حفظ شود.
۵. ترمینال و کانکتور
انتهای دیگر سیمها به ترمینال یا کانکتور مخصوص متصل میشود تا سیگنال الکتریکی به دستگاه اندازهگیر یا کنترلر منتقل شود. این بخش معمولاً از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته میشود.
۶. غلاف اتصال سرد (Reference Junction)
این بخش وظیفه دارد دمای محل مرجع را ثابت نگه دارد یا بهصورت الکترونیکی جبران کند تا اختلاف دمای دقیق به دست آید.
انواع ترموکوپل کدامند؟
ترموکوپلها بر اساس نوع فلزات تشکیلدهنده و محدوده دمایی خود دستهبندی میشوند. رایجترین انواع آنها عبارتند از:
- نوع K
- نوع J
- نوع T
- نوع E
- نوع N
- نوع S
- نوع R
- نوع B
- نوع C
- نوع M
جدول مقایسه انواع ترموکوپل
| نوع ترموکوپل | محدوده دمایی (°C) | دقت اندازهگیری | جنس فلزها | مقاومت در برابر اکسیداسیون | کاربردهای متداول |
| K | -200 تا 1260 | خوب | نیکل-کروم/نیکل-آلومینیوم | بالا | صنایع عمومی، کورهها |
| J | -40 تا 750 | متوسط | آهن/کنستانتان | متوسط | صنایع پلاستیک، کنترل دمای فرآیند |
| T | -200 تا 400 | بسیار خوب | مس/کنستانتان | بالا | صنایع غذایی، آزمایشگاهها |
| E | -200 تا 900 | عالی | نیکل-کروم/کنستانتان | بالا | تجهیزات دقیق، محیطهای خلأ |
| N | -200 تا 1300 | بسیار خوب | نیکل-سیلیسیم/نیکل-کروم | بسیار بالا | صنایع فولاد، پتروشیمی |
| S | 0 تا 1600 | بسیار دقیق | پلاتین-رودیوم/پلاتین | بسیار بالا | صنایع شیشه، آزمایشگاهها |
| R | 0 تا 1600 | بسیار دقیق | پلاتین-رودیوم/پلاتین | بسیار بالا | صنایع ذوب فلزات گرانبها |
| B | 600 تا 1700 | دقیق | پلاتین-رودیوم | بسیار بالا | کورههای دمای بسیار بالا |
| C | 0 تا 2300 | خوب | تنگستن/رنیوم | پایین | محیطهای خلأ، صنایع فضایی |
| M | 0 تا 1400 | خوب | نیکل-مولیبدن | متوسط | کاربردهای خاص صنعتی |
مزایای ترموکوپل
ترموکوپلها به دلیل ویژگیهای خاص خود در بسیاری از صنایع جایگاه ویژهای دارند. از جمله مهمترین مزایای آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
دامنه دمایی وسیع
ترموکوپلها قادرند از دماهای بسیار پایین تا دماهای بالای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد را اندازهگیری کنند.
پاسخ سریع
این سنسورها در تغییرات لحظهای دما واکنش نشان میدهند و برای فرآیندهای حساس ایدهآلاند.
ساختار ساده و مقاوم
طراحی ساده، هزینه تولید پایین و مقاومت در برابر فشار و ارتعاش از ویژگیهای مهم آنهاست.
قابل استفاده در محیطهای خشن
ترموکوپلها در برابر رطوبت، شوک حرارتی و مواد شیمیایی مقاوماند.
هزینه نگهداری پایین
عمر مفید بالا و عدم نیاز به تنظیم مکرر باعث صرفهجویی در هزینهها میشود.
معایب ترموکوپل
با وجود کاربرد گسترده، ترموکوپلها خالی از نقص نیستند. از جمله معایب آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
دقت کمتر نسبت به RTD
در کاربردهای آزمایشگاهی، ترموکوپل دقت کمتری نسبت به سنسورهای مقاومتی دارد.
نیاز به جبران اتصال سرد
برای اندازهگیری دقیق، باید دمای مرجع را با دقت تنظیم کرد که نیازمند مدار جبرانساز است.
خطای ناشی از نویز الکتریکی
در محیطهای صنعتی با تجهیزات قدرت، سیگنال میلیولتی ترموکوپل ممکن است تحت تأثیر نویز قرار گیرد.
فرسایش در دماهای بالا
برخی انواع در دماهای زیاد اکسید میشوند و طول عمرشان کاهش مییابد.
کاربردهای ترموکوپل
ترموکوپلها تقریباً در هر صنعتی که نیاز به اندازهگیری یا کنترل دما دارد حضور دارند. در صنایع فولاد و ریختهگری برای نظارت بر دمای ذوب فلزات استفاده میشوند. در پتروشیمی و پالایشگاهها، ترموکوپلها وظیفه کنترل دمای واکنشها را دارند.
همچنین در صنایع غذایی برای کنترل دمای پخت، در سیستمهای HVAC برای تنظیم دمای محیط و در تجهیزات آزمایشگاهی برای اندازهگیری دقیق دما به کار میروند. حتی در خودروها، ترموکوپل در سیستم اگزوز و موتور برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دما نقش حیاتی دارد.
قیمت ترموکوپل
قیمت و خرید ترموکوپل به عواملی مانند نوع (K، J، S و غیره)، محدوده دمایی، طول، جنس غلاف محافظ و برند سازنده بستگی دارد. به طور کلی مدلهای صنعتی نوع K و J قیمت اقتصادیتری دارند، در حالیکه ترموکوپلهای پلاتینیومی مانند S، R و B به دلیل استفاده از فلزات گرانبها قیمت بالاتری دارند. محدوده قیمت این حسگرها از چند صد هزار تومان تا چند میلیون تومان متغیر است.
خلاصه
ترموکوپل یکی از پرکاربردترین و قابلاعتمادترین حسگرهای دما در صنایع مختلف است که با تکیه بر پدیده ترموالکتریک کار میکند. انواع مختلف آن پاسخگوی نیازهای متنوع صنعتی هستند. دوام بالا، سادگی طراحی و واکنش سریع از ویژگیهای بارز این سنسور است. هرچند محدودیتهایی مانند دقت کمتر و نیاز به جبران دمای مرجع وجود دارد، اما در مجموع ترموکوپل همچنان یکی از بهترین انتخابها برای اندازهگیری دما در محیطهای صنعتی و علمی محسوب میشود.
