یک ترموکوپل چطور کار میکند

ترموکوپل (Thermocouple) یا «دماپا» ابزارهای کنترل و اندازه‌گیری دقیق دما هستند. از ترموکوپل‌ها در صنایع مختلفی استفاده می‌شوند و شما می‌توانید انواع ترموکوپل‌ها را در کوره‌ها، دیگ‌های بخار، مشعل‌ها، خطوط انتقال مایع، هواسازها، فریزر و یخچال و سایر مواردی که دما نقش مهم و حیاتی دارند مشاهده کنید.

در این جا ما می‌خواهیم ببینیم که یک ترموکوپل چطور کار می‌کند و به چه شکلی از آن در صنایع استفاده می‌شود. همچنین در ادامه به بررسی انواع ترموکوپل می‌پردازیم و خواهیم دید که انواع مختلف ترموکوپل‌ها در چه دماها و شرایطی به ما کار می‌دهند.

ترموکوپل چیست و چطور کار می‌کند؟
ترموکوپل‌ها برای اندازه‌گیری دما از یک راهکار بسیار ساده و ابتدایی استفاده می‌کنند.  این راهکار در سال ۱۸۲۲ توسط توماس جان سیبک (Thomas Johann Seebeck) کشف شد.

ترموکوپل‌ها از اختلاف بار یا ولتاژ ایجاد شده در زمان عبور جریان برق در یک مدار استفاده می‌کنند. به صورت کلی در زمانی که یک فلز تحت حرارت قرار گیرد، جریان الکترون در آن دچار ناتوازنی می‌شود. این عدم توازن سبب می‌شود که الکترون‌ها از سمت گرمتر به سمت سردتر حرکت کنند. این کار تا زمانی که تمام سطح یک فلز به دمای یکسان برسد ادامه پیدا می‌کند. این همان چیزی است که در ساخت ترموکوپل‌های الکتریکی از آن استفاده می‌شود.

برای آنکه ما بتوانیم دمای درستی را با استفاده از ترموکوپل الکتریکی اندازه‌گیری کنیم باید در ابتدا کار کنیم که تمامی الکترون‌ها در یک جهت مشخص شروع به حرکت کنند. برای همین نمی‌توانیم از یک فلز در هر دو شاخ (یا سمت) ترموکوپل استفاده کنیم. در اینجا اغلب از یک فلز با عدد اتمی پایین و یک فلز با عدد اتمی بالا استفاده می‌شود. اختلاف در عدد اتمی سبب می‌شود که الکترون‌ها از سمت فلز با عدد اتمی پایین به سمت فلز با عدد اتمی بالا حرکت کنند و جریان چرخش الکترون‌ها به صورت درستی روی دهد.

در اغلب ترموکوپل‌ها از ترکیب فلز مس و آهن استفاده می‌کنند. اما بهره‌گیری از فلزهایی مانند کرم، وانادیوم، فولادهای آلیاژی و تنگستن هم رایج است. اما دقت کنید که هر چه فلز به کار رفته در یک ترموکوپل دارای عدد اتمی بالاتری باشد، مقدار عدد اندازه‌گیری یا تحریک دمایی نیز بالاتر می‌رود و بر عکس هرچه فلز به کار رفته دارای عدد اتمی پایین‌تری باشد تحریک گرمایی سریعتر اتفاق می‌افتد و می‌توان از آن برای سنجش اختلاف حرارت‌های پایین تر استفاده کرد.

بعد از آن که دو شاخت ترموکوپل توسط گرما تحریک شود، جریان عبور داده شده از میان دو سر ترموکوپل دچار اختلاف فاز می‌شود. با استفاده از یک جدول یا الگوریتم (که بر گرفته از رفتار فلزات انتخابی در برابر دما است) ما می‌توانیم اختلاف فاز (یا ولتاژ) را محاسبه کرده و مقدار دما (بر حسب درجه سانتیگراد یا فارنهایت) را به دست بیاوریم.

آشنایی با انواع ترموکوپل‌ها

در بازار شما می‌توانید انواع گوناگونی از ترموکوپل‌ها را مشاهده کنید. این ترموکوپل‌ها هر کدام از نظر قدرت تحمل دما یا تحریک دمایی دارای آستانه‌های مختلفی هستند که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم.

ترموکوپل نوع J: این دسته از ترموکوپل‌ها از ترکیب شاخک‌های اهنی و یک فلز سنگین تر (تنگستن) ساخته می‌شوند. آن‌ها کاربرهای متنوعی دارند و می‌توانند از صفر تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند. درجه تلرانس آن‌ها بسیار پایین است.

ترموکوپل نوع K: این دسته از ترموکوپل‌ها از ترکیب شاخک‌های از آلیاژ نیکل-کروم و نیکل آلومینیوم ساخته می‌شوند. آن‌ها بسیار قابل اعتماد هستند و می‌توانند دمایی را از منهای ۲۰۰ درجه تا مثبت ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد نشان دهند. در بسیاری از کاربردهای مانند ذوب فلز یا سنجش دمای مشعل‌ها از این نوع ترموکوپل استفاده می‌شود.

ترموکوپل نوع N: این دسته از ترموکوپل‌ها نیز از آلیاژهای پیچیده‌تری ساخته شده‌اند و می‌توانند اختلاف دمایی بین ۶۵۰ تا ۱۲۶۰ درجه را به ما نشان دهند.

ترموکوپل نوع R: این دسته از ترموکوپل‌ها می‌توانند در دماهای بالا به کار گرفته شوند و اختلاف درجه‌ای بین ۸۷۰ تا ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد را به ما نشان می‌دهند.

ترموکوپل نوع S: این دسته از ترموکوپل‌ها بیشترین توان تحمل حرارت را دارند و اختلاف حرارتی بین ۹۸۰ تا ۱۴۵۰ درجه حرارت را برای مدت زمان طولانی به ما نشان می‌دهند. آن‌ها اغلب در کنار مشعل‌ها و یا در زمان ذوب فلزات به کار گرفته می‌شوند.

ترموکوپل نوع T:این نوع از ترموکوپل‌ها برای اندازه‌گیری دماهایی بسیار کم و با پایداری زیاد (مانند فریزرها و یخچال‌ها) مورد استفاده می‌گیرند. آن‌ها می‌توانند برای مدت زمان زیادی در سرما قرار داشته باشند و به درستی دما را به ما نشان دهند. بازه دمایی این دسته از ترموکوپل‌ها بین منهای ۲۰۰ تا مثبت ۳۷۰ درجه سانتیگراد است.

نکات مهم برای کار با ترموکوپل

کرچه ترموکوپل‌ها می‌توانند دمای نقطه تحریک را به درست نمایش دهند، اما برای سنجش درست، ابزارهای کنترل جریان نباید در معرض حرارت یا سرما قرار گرفته باشند. اختلاف حرارتی بین المنت (شاخک) سنجش دما و ترمومتر باید به گونه‌ای باشد که ترمومتر در دمای محیط (۲۰ درجه سانتیگراد) قرار گرفته باشد. به همین خاطر عایق بندی درست در اطراف ترمومتر و همچنین کابل ترموکوپل مهم است.

هر ترموکوپل توان سنجش دمایی خاصی را دارد که در پایین تر و یا بالاتر از آن اختلاف فاز اشتباهی را نشان می‌دهد و نباید از آن استفاده شود. به همین خاطر قبل از بهره‌گیری از یک ترموکوپل باید به استانداردهای مرتبط مراجعه کرده و از انجام درست آن مطمئن شویم.

ماندگاری ترموکوپل به شرایط کاری آن وابسته است. در صورت سختی شرایط (کار در کنار مشعل‌ها، فریزرها یا ذوب فلزات) ترموکوپل‌ها باید سریعتر عوض شوند وگرنه به خاطر مسئله خستگی فلزات بار الکتریکی اشتباهی را ایجاد می‌کنند که سبب اندازه‌گیری نادرست دما می‌شود.

استفاده از دو ترموکوپل به صورت همزمان (اصل افزونگی) برای اطمینان از سنجش دمای درست در سیستم‌ها توصیه می‌شود. این کار سبب جلوگیری از درک خطای احتمالی در صورت عدم کارکرد درست یک ترموکوپل می‌شود.

سخن آخر

ممنون که تا اینجا با ما بودید. در مقالات بعدی ما به بررسی انواع ترموکوپل‌ها از نظر ساختار و توانایی‌ها و استانداردها می‌پردازیم.  در وب سایت کوپل شما می‌توانید منابع غنی درباره ابزارهای سنجش دما و ابزارهای دقیق دیگر را بیابید. برای خرید و دریافت مشاوره در رابطه با ترموکوپل تیپ k و دیگر تایپ ها، می‌توانید از شماره‌های درج شده در وب سایت استفاده کنید.