ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یک سنسور تشخیص دمای ترمو-الکتریکی مدار-بسته شامل دو سیم غیر هم جنس می باشد که در یک انتها به هم متصل شده‌ اند .

زمانی که دما در یک سمت با دما در سمت دیگر تفاوت داشته باشد یک جریان الکتریکی در مسیر برقرار می‌ شود .

به این پدیده اثر سیبک گفته می‌شود که اساس کار ترموکوپل‌ها می‌ باشد .

ترموکوپل یکی از ابزارهایی است که بسیار پرکاربرد می باشد و در انجام بیشتر پروژه ها از آن استفاده می شود .

نحوه کار ترموکوپل با رسیدن حرارت به محلی که این دو فلز متصل می شوند ، جریان بسیار ضعیفی از محل اتصال تولید می شود و به سمت سیم ها ، جریان می یابد .

با بالا رفتن دمای محلی که دو فلز اتصال یافته اند ، ولتاژ تولید شده افزایش یافته و ترموکوپل در هر دمایی ولتاژ مشخصی را تولید می نماید و در صورتی که بتوانیم این ولتاژ را به صورت دقیق اندازه گیری کنیم ، قادر خواهیم بود که دمای محل اتصال را به طور دقیق اندازه گیری کرده .

ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل توسط ترمومتر به دما تبدیل می شود .

از مزایای ترموکوبل می توان به دقت بالای آن و وسیع بودن محدوده کاری آن اشاره نمود به طوری که ترموکوپل ها قادرند دماهایی بین ۱۸۰- تا ۱۸۰۰ سانتی گراد را اندازه گیری نمایند.

ترموکوپل ها انواع مختلفی دارند که تفاوت آن ها در نوع آلیاژهای به کار رفته در آن ها و محدوده دمایی عملکرد آن ها می باشد.

برای مثال ترمو کوپل در تیپ های B، J، K، S و… موجود می باشند که با توجه به نوع ترموکوپل، برای اندازه گیری دما باید از ترمومتر مناسب آن استفاده نمود.

ترموکوپل ها برای مدت زمان زیادی است که جزء بهترین روش های اندازه گیری دما به حساب می آیند.

ترموکوپل ها در صنعت نیز کاربرد فراوان دارند مانند اندازه گیری کردن دمای کوره ها، دمای دودکش، قطع کن گاز شومینه و اجاق گازها، اندازه گیری دمای سیستم های تولید کننده دارو و مواد غذایی و…

چند نمومه از مزایای ترموکوپل :

ترموکوپل ها دارای بسیار زیادی هستند .

از جمله مهمترین کاربردهای آن ها در صنایع را می توان در صنایع تولید لوزام گازسوز نام برد .

از ترموکوپل برای ایمن سازی تجهیزات گاز سوز آن هم در مواردی که شعله گاز به دلایلی خاموش می شود ، جهت قطع نمودن گاز و جلوگیری از انتشار یافتن آن استفاده می شود .

به علت ایجاد شدن ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافتن حرارت ، وسیله بسیار مفیدی در کنترل حرارت یا استفاده به عنوان کنترلر است .

از جمله کاربردهای دیگر مهم آن ، به عنوان انواع قطع کننده جریان گاز می باشد .

المنت صنعتی چیست؟
المنت صنعتی که بسیاری از ما آن را با نام المنت حرارتی می شناسیم ، از یک رشته سیم نیمه هادی نازک تشکیل شده است که این المنت از مقاومت بسیار زیادی نیز برخوردار می باشد .

این سیم به دور یک هسته سرامیکی نسوز پیچیده می شود که ترکیب آن ها موجب گرمایش و سرامیک تحمل دمایی بسیار زیادی می شود .
به علت عبور جریان از سیم نیمه رسانا و همین طور مقاومت الکتریکی بالا ، المنت صنعتی گرمای بسیار زیادی را می تواند تولید کند .

از مزیت های بسیار مهم المنت صنعتی که آن را از سیم های رسانا ی معمولی متمایز می کند این است که اگر جریانی قوی از سیم رسانایی معمولی عبور کند اتصال کوتاه ایجاد شده و به اثر حرارت بسیار زیاد موجب ذوب سیم می گردد اما چنین اتفاقی هرگز در المنت صنعتی رخ نخواهد داد .

انواع المنت

المنت حلقه ای :
از المنت حلقه ای اغلب برای انتقال حرارت از طریق تماس ، به خصوص برای سیلندر های تزریق مورد استفاده قرار می گیرد .

المنت حلقه ای به صورت سرامیکی ، میکایی ، قابدار ، سیم دار ، پیچ دار و … به همراه روکش استیل و الکترو گالوانیزه قابل ساخت هستند .
کاربرد المنت حلقه ای بیشتر در بسته انجام بندی ها ، تزریق پلاستیک ، تزریق و ذوب آلومینیوم ، تولید کاشی و …
المنت سرامیکی :
المنت سرامیکی را در حال حاضر می توان در کنار کاربرد بسیار زیادی که دارد آن را از متنوع ترین و فراوان ترین نوع المنت ها دانست که هیتر حلقه ای ، مادون قرمز و ضد اسید چند نمونه پر استفاده از المنت های برقی هستند .
المنت ضد اسید :
این نوع هیتر ها دارای غلاف هایی می باشندکه که در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند .

تیتانیوم شناخته شد ترین نوع جنس آن ها می باشد . انواع های دیگر این غلاف ها استینلس استیل ، شیشه کوارتز و…
المنت سرامیکی مادون قرمز
سیمی که درون این المنت ها است دارای مقاومت الکتریکی می باشد و تابشی گرمایی توسط یک لایه سرامیک به صورت لعابدار پوشانده شده .

هیتر های تابشی طول موج هایی از خود انتشار می دهند که برآمده از انرژی درونی آن هاست .

مبدل های حرارتی مادون قرمز گرما را به طور امواج مادون قرمز انتشار می دهند .

این موج ها نوعی از تابش الکترومغناطیسی هستند که برای انتقال گرما با کارآمدی بالا می باشد .

بررسی ترموکوپل نوع j

ترموکوپل نوع  jازجنس فلز آهن و آلیژهای مس – نیکل ساخته شده است. محدوده دمایی این مدل ترموکوپل از −۱۸۰ °c تا +۷۵۰ °c است.

 به دلیل جنس آهن استفاده شده درترموکوپل نوع J  احتمال اکسیداسیون آن بالاست، که همین امر باعث محدویت در بکارگیری در این مدل است، بیشتر مورد استفاده  این مدل در صنایع قالب ریزی پلاستیک است.

حساسیت ترموکوپل j ، به اندازه ی ۵۵ µv/°cاست . ازترموکوپل نوع j در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد استفاده نمی شود.

سر مثبت این ترموکوپل از آهن و سر منفی آن از ترکیب ۴۵ درصد نیکل و ۵۵ درصد مس ساخته شده است.

درترموکوپل تیپ j  به دلیل تولید ولتاژ بالا و دقت خوب ازپر کاربرد ترین ترموکوپل ها محسوب می شود، این مدل بیشتر در محیط های  خلا و بدون رطوبت تا حداکثر دمای  c 750 کاربرد دارد.                                                                                            

بیشترین مورد مصرف این ترموکوپل در صنایع قالب ریزی پلاستیک است.

ترموکوپل نوع j  مزایا و معایب :

مزایا:

پایداری بالا در دماهای متوسط

توانایی بالا دراندازه‌گیری دماهای منفی

حساسیت بالا در دماهای متوسط

معایب:

عدم استفاده در دماهای بالا

رنج دمایی پایین‌تر نسبت دیگر ترموکوپل‌ها

ترموکوپل‌های نوع j حساسیت بالای برخورداراست و برای کارهایی با دقت بالاتر پیشنهاد می‌شوند.

ترموکوپل نوع j یکی از ترموکوپل‌های است که با آن می‌توان دما را غیر مستفیم اندازه‌گیری کرده و بطور پیوسته مانیتورینگ کرد .

ترموکوپل نوع j ازخطا کمی نسبت  به ترموکوپل‌های هم رده خود برخوردار است.

خطا در ترموکوپل‌ها از دو ناحیه ایجاد می‌گیرد:

1. ناخالصی جنس مورد استفاده در ترموکوپل
2.  خطی سازی صورت گرفته برای دماه

این مدل ترموکوپل دارای  خطای حدودا  2 درجه  می‌باشد ، که درمقام مقایسه از نوع k بهتر ولی نسبت به ترموکوپل‌های نوع s , r خطای بالاتری دارد.

مزایا و معایب ترموکوپل:

در میان انواع ترموکوپل های موجود در بازار ترموکوپل نوع K یکی از پر مصرف ترین ها می باشد، ازعلت های اینکه این مدل بسیار پر مصرف است، داشتن مقاومت زیاد در مقابل خوردگی و محدوده دمایی گسترده آن می باشد. محدوده دمایی آن ازحداقل دمای ۲۰۰- درجه سانتی‌گراد تا حداکثر دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد می باشد.

مواد تشکیل دنده  ترموکوپل مدل K عبارت انداز نیکل ۹۰ درصد و کرومیوم ۱۰ درصد که سرمثبت آن را تشکیل داده است و نیکل ۹۵ درصد ،آلومینیوم ۲درصد، منگنز۲ درصد، سیلیکون ۱ درصد که سرمنفی آنرا تشکیل داده است.

مقدارحساسیت مدلK  تقریبا معادل ۴۱  µv/°c می باشد.

در استانداردهای کشورهای مختلف، سیم‌های مثبت و منفی در ترموکوپل نوع k رنگ‌های متفاوتی را به خود اختصاص می دهند.

ترموکوپل نوع k مزایا و معایب

ازمزایای این مدل می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا ترموکوپل:

قیمت پایین نسبت دیگرمدل های موجود در بازار

به دلیل آلیاژ استفاده شده دراین مدل امکان پایداری تا دمای بالا وشرایط خودرودگی زیاد را به این مدل می دهد، لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب تر می باشد..

خطی سازی مناسب برای تبدیل emf به دما

این مدل مقاومت بسیار خوبی در برابر اکسید شدن تا دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد دارا می باشد.

معایب ترموکوپل:

ترموکوپل نوع k دارای گستره خطایی بیشتری به نسبت دیگر ترموکوپل‌ها است.

ضعف در محیط‌هایی که ریسک اکسید شدن وجود دارد

 دراین مدل  مشخصه‌های emf در مقایسه با ترموکوپل ‌تیپ های مدل   ( B,R,S) قدیمی میباشد.

از ترموکوپل در صنعت به خاطر محدوده زیاد اندازه گیری دما ،دقت بالا بسیار مورد استفاده می باشد. از دیگر مزایا و کاربرد ترموکوپل می توان به استفاده  از آن در هر شرایطی حتی شرایط سخت نام برد.

شاید بزرگ ترین مزیت و کاربرد ترموکوپل  قیمت مناسب آن در مقایسه با دقت بالای آن است.

محدوده کاری ترموکوپل ها دماهایی بین ۱۸۰- تا ۱۸۰۰ سانتی گراد می باشد، که محدوده دمای بسیار گسترده ای میباشد.

ترموکوپل ها انواع مختلفی دارند که تفاوت عمده آن ها در نوع آلیاژهای به کار رفته در غلاف آن ها است ،جنس به کار رفته درغلاف ترموکوپل محدوده دمایی آنرا مشخص می کند.

شاید بتوان گفت که ترموکوپل ها برای مدت هاست  که جزء بهترین روش های اندازه گیری دما در بخش صنعت به حساب می آیند.

بیشترین استفاده و کاربرد ترموکوپل ها در صنعت عبارت اند از اندازه گیری کردن دمای کوره ها، دمای دودکش، قطع کنهای گاز صنعتی و اجاق گازها.

بیشترین استفاده  ترموکوپل در صنایع تولید لوزام  گازسوز خانگی می باشد.

از ترموکوپل جهت ایمن سازی لوازم گاز سوز در مواردی استفاده می شود که، شعله دروسیله گازسوز به دلایلی خاموش می گردد، حال به جهت قطع کردن جریان گاز ازآن بهره گرفته می شود.

از دیگر کاربردهای ترموکوپل به دلیل ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافت حرارت استفاده ازآن به عنوان  کنترلر کورها می باشد.

Resistance temperature detectors

(RTD)

سنسورهای اهمی (ترمومتر های اهمی) که (Resistance temperature detectors (RTD نیز خوانده می شوند جز سنسورهایی می باشند که در اندازه گیری دما به کار میروند.

بیشتر RTD ها معمولا از یک هسته میباشد که اطراف آن توسط سیم پیچیده شده و روکشش از سرامیک یا شیشه میباشند که البته روشهای دیگری نیز در ساخت آن ها می باشد.

سیم RTD معمولا از مواد خالص طبیعی مخصوصا پلاتینیوم، نیکل یا مس ساخته شده اند.دقت RTD ها بسته به نوع مواد تشکیل دهنده آن ها متفاوت می باشد.

ترموول یا غلاف فلزی

یکی از رایج ترین ترموول های ترموکوپل تیوپ یا غلاف فلزی می باشد که بسته به نوع کاربرد،محدوده دما،محل قرارگیری تفاوت هایی با هم دارند که در این جا ما خصوصیات هریک از آلیاژ های پرکابرد را اشاره میکنیم تا بتوانید در انتخاب آنها دقت کافی برخوردار باشید:

۳۱۶ Stainless Steel

یکی از پرکاربردترین غلاف های فلزی استنلس استیل ۳۱۶ می باشد

Maximum temperature: 1650. Best corrosion resistance of the austenitic stainless steel grades. Widely used in the food and chemical

industry. Subject to damaging carbide precipitation in 900F to 1600F (482C to 870C

۳۱۶L Stainless Steel

Maximum temperature: 1650°F (900°C). Same as 316 SST (04) except Iow carbon version allows for better welding and fabrication

۳۰۴ Stainless Steel 

Maximum temperature: 1650°F (900°C). Most widely used low temperature sheath material. Extensively used in food, beverage, chemical and other industries where corrosion resistance is required

Industry: Subject to damaging carbide precipitation in 900 to 1600°F (480 to 870°C) range. Lowest cost corrosion resistant sheath material available

۳۰۴L Stainless Steel 

Maximum temperature: 1650°F (900°C). Low carbon version of 304 SST (02). Low carbon content allows this material to be welded and heated in the 900 to 1600°F (480 to 870°C) range without damage to corrosion resistance

۳۱۰ Stainless Steel

Maximum temperature: 2100°F (1150°C). Mechanical and corrosion resistance, similar to but better than 304 SS. Very good heat resistance

This alloy contains 25% chromium, 20% nickel. Not as ductile as 304 SS

۳۲۱ Stainless Steel

Maximum temperature: 1600°F (870°C). Similar to 304 SS except titanium stabilized for intergranular corrosion

This alloy is designed to overcome susceptibility to carbon precipitation in the 900 to 1600°F (480 to 870°C) range. Used in aerospace and chemical applications

۴۴۶ Stainless Steel

Maximum temperature: 2100°F (1150°C). Ferritic stainless steel which has good resistance to sulfurous atmospheres at high temperatures

Good corrosion resistance to nitric acid, sulfuric acid and most alkalies. 27% chromium content gives this alloy the highest heat 
resistance of any ferritic stainless steel

Inconel 600 

Maximum temperature: 2150°F (1175°C). Most widely used thermocouple sheath material. Good high temperature strength, corrosion resistance, resistance to chloride-ion stress corrosion cracking and oxidation resistance to high temperatures

Do not use in sulfur bearing environments. Good in nitriding environments

Inconel 601 

Maximum temperature: 2150°F (1175°C) continuous, 2300°F (1260°C) intermittent. Similar to Alloy 600 with the addition of aluminum for outstanding oxidation resistance. Designed for high temperature corrosion resistance

This material is good in carburizing environments, and has good creep rupture strength. Do not use in vacuum furnaces! Susceptible to intergranular attack by prolonged heating in 1000 to 1400°F (540 to 760°C) temperature range

Incoloy 800 

Maximum temperature: 2000°F (1095°C). Widely used as heater sheath material. Minimal use in thermocouples. Superior to Alloy 600 in sulfur, cyanide salts and fused neutral salts

Susceptible to intergranular attack in some applications by exposure to the temperature range of 1000 to 1400°F (540 to 760°C)

[heading tag=”h2″ align=”center” color=”#000″ style=”lines” color2=”#000″]مشخصات محدوده دما[/heading]

• 

ترموکوپل(Thermocouple)، که به آن زوج حرارتی نیز گفته می‌شود، به پدیده ای در فیزیک گفته می‌شود که در آن با اتصال دو فلز الکتریکی ناهمگون با همدیگر بعد از گرم شدن محل اتصال تولید الکتریسیته می‌شود. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند (اصطلاحا سر سرد) برق تولید می‌شود. البته برقی که به این صورت تهیه می‌شود بسیار کم است. به این صورت که وقتی به محل اتصال این دو فلز حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر این فلزها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل متناسب با میزان حرارت اعمال شده‌است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

برتری عمده ترموکوپلها محدوده وسیع اندازه‌گیری آنهاست که به طور معمول از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد.

دیگر امتیاز ترموکوپلها، عملکرد خطی آن‌ها در محدوده اندازه‌گیری است.

ترموکوپل‌ها دارای تیپ‌های متنوع برای اندازه‌گیری دما می‌باشند بطور مثال تیپ‌های R,S,B با قابلیت اندازه‌گیری دما در محدوه ۲۰۰- درجه الی ۱۸۰۰درجه و تیپهای L,J,K با قابلیت اندازه‌گیری دما در محدوده ۱۸۰- درجه الی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بکار می‌روند. ولتاژ بوجود آمده در دوسر انتهایی ترموکوپل در هر صورت mv ورفتار الکتریکی هر ترموکوپل بسته به نوع آلیاژ سیم‌های آن تابع جداول استانداردی است که معمولاً در استانداردهای کشورهای مختلف تعریف و تقریباً در هر تیپ منبطق بر یکدیگر است. یکی از انواع معمول آن ترکیب آلیاژکروم و نیکل می‌باشد. معمولاً جهت جلوگیری از آسیب دیدن ترموکوپل آن را درون غلاف فلزی یا سرامیکی(تیوپ محافظ) قرار می‌دهند. روش جوشکاری دوسر ترموکوپل تابع ضوابط خاصی است بطوری که نباید در حین عملیات جوشکاری فلز یا احیاناً نیمه‌هادی دیگری در فرایند جوش دخالت نماید در غیر اینصورت رفتار ترموکوپل هرگز رفتار استاندارد تعریف شده تابع جداول مربوطه نخواهد بود

در ادامه انواع ترموکوپل به همراه آلیاژ به کاربرده شده همچنین محدوده اندازه گیری و دقت ترموکوپل ها ارایه میگردد:

Type K Thermocouple (Nickel-Chromium / Nickel-Alumel): The type K is the most common type of thermocouple. It’s inexpensive, accurate, reliable, and has a wide temperature range

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire,-454 to 2,300F (-270to 1260C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 2.2C or +/- .75%

Special Limits of Error: +/- 1.1C or 0.4%

Type J Thermocouple (Iron/Constantan): The type J is also very common. It has a smaller temperature range and a shorter lifespan at higher temperatures than the Type K. It is equivalent to the Type K in terms of expense and reliability

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire, -346 to 1,400F (-210 to 760C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 2.2C or +/- .75%

Special Limits of Error: +/- 1.1C or 0.4%

Type T Thermocouple (Copper/Constantan): The Type T is a very stable thermocouple and is often used in extremely low temperature applications such as cryogenics or ultra low freezers

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire, -454 to 700F (-270 to 370C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 1.0C or +/- .75%

Special Limits of Error: +/- 0.5C or 0.4%

Type E Thermocouple (Nickel-Chromium/Constantan): The Type E has a stronger signal & higher accuracy than the Type K or Type J at moderate temperature ranges of 1,000F and lower. See temperature chart (linked) for details

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire, -454 to 1600F (-270 to 870C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 1.7C or +/- 0.5%

Special Limits of Error: +/- 1.0C or 0.4%

Type N Thermocouple (Nicrosil / Nisil): The Type N shares the same accuracy and temperature limits as the Type K. The type N is slightly more expensive

:Temperature Range

( Thermocouple grade wire, -454 to 2300F (-270 to 392C

Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 2.2C or +/- .75%

Special Limits of Error: +/- 1.1C or 0.4%

:(NOBLE METAL THERMOCOUPLES (Type S,R, & B

Noble Metal Thermocouples are selected for their ability to withstand extremely high temperatures while maintaining their accuracy and lifespan. They are considerably more expensive than Base Metal Thermocouples

Type S Thermocouple (Platinum Rhodium – 10% / Platinum): The Type S is used in very high temperature applications. It is commonly found in the BioTech and Pharmaceutical industries. It is sometimes used in lower temperature applications because of its high accuracy and stability

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire, -58 to 2700F (-50 to 1480C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 1.5C or +/- .25%

Special Limits of Error: +/- 0.6C or 0.1%

Type R Thermocouple (Platinum Rhodium -13% / Platinum): The Type R is used in very high temperature applications. It has a higher percentage of Rhodium than the Type S, which makes it more expensive. The Type R is very similar to the Type S in terms of performance. It is sometimes used in lower temperature applications because of its high accuracy and stability

:Temperature Range

(Thermocouple grade wire, -58 to 2700F (-50 to 1480C

(Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C

:(Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 1.5C or +/- .25%

Special Limits of Error: +/- 0.6C or 0.1%

Type B Thermocouple (Platinum Rhodium – ۳۰% / Platinum Rhodium – ۶%): The Type B thermocouple is used in extremely high temperature applications. It has the highest temperature limit of all of the thermocouples listed above. It maintains a high level of accuracy and stability at very high temperatures

Temperature Range

Thermocouple grade wire, 32 to 3100F (0 to 1700C

Extension wire, 32 to 212F (0 to 100C

Accuracy (whichever is greater

Standard: +/- 0.5%

Special Limits of Error: +/- 0.25%