المان های ترموکوپل

المان های ترموکوپل عناصر غیرفعال سنجش دما هستند که در طیف وسیعی از دماها مفید هستند. عنصر حسگر شامل اتصال دو فلز غیرمشابه است. اتصال دو فلزی بر پایه آلیاژهای خاصی است که یک رابطه قابل پیش بینی و تکرارپذیر بین دما و ولتاژ دارند. آنها به نوسانات دمایی کوچک بسیار حساس هستند و به سرعت به تغییرات دما پاسخ می دهند. از آنجایی که ترموکوپل‌ها تفاوت دما و نه دمای مطلق را حس می‌کنند، شناخته شده‌اند که از تغییر دما رنج می‌برند و برای حفظ دقیق دما، نیاز به کالیبراسیون مجدد دارند.

نمایش تمام سازندگان المان های ترموکوپل

اصل کار

یک مدار ترموالکتریک با جریان پیوسته با اتصال انتهای دو سیم غیرمشابه و گرم کردن یکی از اتصالات ایجاد می شود. یک ولتاژ مدار باز که به آن ولتاژ Seebeck گفته می شود، در صورت شکسته شدن مدار در مرکز مشاهده می شود. ولتاژ Seebeck سیگنال سنسور ترموکوپل است که با اختلاف دما مرتبط است.

اثر Seebeck

اثر ترموالکتریکی که برای تولید ترموکوپل استفاده می شود به عنوان اثر Seebeck شناخته می شود. اثر Seebeck که توسط توماس یوهان سیبک در سال 1821 کشف شد، تولید نیروی محرکه الکتریکی (emf) یا ولتاژ Seebeck هنگامی است که یک هادی تحت یک گرادیان دما قرار می‌گیرد. ترموکوپل ها با به هم پیوستن دو ماده که ولتاژهای متفاوتی را تحت گرادیان دمایی یکسان تولید می کنند، عمل می کنند. اندازه گیری ولتاژ مدار باز در سراسر اتصال دو فلزی ولتاژی را به دست می دهد که مطابق با گرادیان دمای مشاهده شده است. دمای نسبی اندازه گیری شده توسط عنصر ترموکوپل، تفاوت بین دمای مطلق در محل اتصال دو فلزی و انتهای دیگر سیم ترموکوپل است. یک منبع مرجع در ارتباط با عناصر ترموکوپل برای تولید یک خوانش دما استفاده می شود.

ضریب Seebeck

ضریب Seebeck که به عنوان حساسیت ترموالکتریک نیز شناخته می شود، اندازه گیری بزرگی پتانسیل الکتریکی القایی در پاسخ به گرادیان حرارتی است. ضریب Seebeck با ولتاژ واحدهای SI در هر کلوین، (V/K) نشان داده می‌شود، که معمولاً به صورت میکروولت بر کلوین، (µV/K) نشان داده می‌شود. برای ایجاد و باز کردن هادی های ولتاژ با ضرایب Seebeck متضاد جفت می شوند، یکی با ضریب Seebeck مثبت و دیگری یک ضریب Seebeck منفی که به عنوان کاتد و آند عمل می کند.

نوع فلزی

در انتخاب عناصر ترموکوپل، نوع فلز یک نکته مهم است. هر نوع ترموکوپل نشان دهنده یک جفت رسانا است که به صورت خطی در محدوده دمایی شناخته شده عمل می کنند. انتخاب انواع ترموکوپل به محدوده دمایی، دقت و سازگاری محیطی آنها بستگی دارد.

انواع ترموکوپل ها شامل ترموکوپل های فلزی پایه، ترموکوپل های فلزی نجیب و ترموکوپل های فلزی نسوز می باشد.

• ترموکوپل های فلزی پایه آنهایی هستند که از فلزات معمولی و آلیاژهای فلزی تشکیل شده اند و ممکن است به عنوان ترموکوپل های عمومی نیز توصیف شوند. آنها فراوان ترین نوع ترموکوپل هستند و شامل انواع E، J، K، N و T می شوند.

• ترموکوپل های فلزی نجیب با استفاده از آلیاژهای پلاتین و رودیوم تولید می شوند. آنها برای استفاده در کاربردهای دمای بالاتر طراحی شده اند و شامل انواع B، R و S می باشند.

• ترموکوپل های فلزی نسوز که به ترموکوپل های نوع W نیز معروف هستند از فلزات عجیب تنگستن و رنیم تولید می شوند. آنها گران، شکننده هستند و مقاومت کمی در برابر اکسیداسیون دارند. آنها بالاترین دمای عملیاتی را دارند و معمولاً در کوره های خلاء استفاده می شوند. آنها شامل انواع G، D و C هستند. 

نمودار زیر هادی های مورد استفاده، ضریب Seebeck و محدوده دمای عملیاتی رایج ترین انواع ترموکوپل را نشان می دهد:

سیم سنج

گیج سیم یکی دیگر از موارد مهم در هنگام انتخاب عناصر ترموکوپل است. گیج سیم نشان دهنده قطر اسمی سیم ترموکوپل است. ترموکوپل ها ممکن است در گیج های متعدد یا اختیاری موجود باشند. انتخاب گیج شامل موارد زیر است:

• 8 (قطر اسمی 0.16 اینچ)

• 14 (قطر اسمی 0.08 اینچ)

• 16 (قطر اسمی 0.064 اینچ)

• 18 (قطر اسمی 0.048 اینچ)

• 20 (قطر اسمی 0.036 اینچ)

• 24 (قطر اسمی 0.022 اینچ) 

گیج سیم برای محدود کردن حداکثر محدوده دما شناخته شده است. انتخاب عناصر ترموکوپل با سیم‌های قطر اسمی بزرگ‌تر، پاسخ آن را در محدوده دمای کامل افزایش می‌دهد.

عایق / مواد غلاف

عایق یا مواد غلاف اغلب سازگاری با محیط، زمان پاسخ و حداکثر دمای عملیاتی را دیکته می کند. مواد غلاف باید بر اساس این معیارها انتخاب شود. مواد غلاف موجود عبارتند از:

• برهنه / بدون عایق

• آلومینا

• سرامیک

• فایبرگلاس

• مولایت

• پی وی سی

• تفلون 

اتصال ترموکوپل

عناصر ترموکوپل روکش دار با یکی از سه نوع اتصال در دسترس هستند که هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند.

عناصر زمینی جوش داده شده یا به روکش متصل می شوند. اتصال زمینی زمان پاسخ را کاهش می دهد و برای کاربردهای پرفشار، محیط های اکسید کننده و بیشتر کاربردهای عمومی توصیه می شود.

عناصر غیر زمینی دارای یک اتصال جوشی هستند که از نظر الکتریکی از مواد غلاف جدا شده است. عناصر غیر زمینی زمان پاسخگویی طولانی تری دارند، اگرچه زمانی که EMF سرگردان خوانش دما را به خطر می اندازد، امکان افزایش دقت را فراهم می کند.

عناصر در معرض سریعترین زمان پاسخ را دارند و از مواد غلاف جدا می مانند، زیرا اتصال در معرض فراتر از غلاف گسترش می یابد. اتصالات در معرض شرایط محیطی حساس هستند و ممکن است به دلیل تماس با مایعات، آلاینده ها یا سایر عوامل اکسید کننده از کار بیفتند.

سبک ها

ترموکوپل ها در چندین سبک مختلف از جمله سیم لخت، 2 سوراخ تمام قد، ​​1 سوراخ تمام قد و انعطاف پذیر موجود هستند.

• دستگاه سیم لخت از یک عنصر سیم لخت بدون عایق محافظ تشکیل شده است.

• عایق های 2 سوراخ تمام طول هر دو سیم را در یک عایق قرار می دهند.

• عایق های 1 سوراخ تمام طول هر سیم عایق مخصوص به خود را فراهم می کند.

• ترموکوپل های انعطاف پذیر دارای یک روکش انعطاف پذیر یا شامل بخش های انعطاف پذیر هستند. 

مشخصات عملکرد

معیارهای عملکرد مورد استفاده برای انتخاب عنصر ترموکوپل شامل موارد زیر است:

دمای عملیاتی محدوده دمای کامل محیط است که در آن خروجی خطی بدون به خطر انداختن مصالح ساختمانی وجود دارد.

زمان پاسخگویی زمان مورد نیاز برای رسیدن سنسور به 63.2 درصد از تغییر درجه حرارت در شرایط عملیاتی عادی است. نرخ جریان رسانه، نصب، و منطقه تماس همگی می توانند بر زمان پاسخ عنصر ترموکوپل تأثیر بگذارند.

دقت تفاوت بین اندازه گیری سنسورها و مقدار مطلق پارامتر اندازه گیری شده است که معمولاً به صورت ± درجه سانتیگراد بیان می شود.

استانداردها

IEC 61515 - این استاندارد بین‌المللی الزامات کابل‌های ترموکوپل عایق‌شده معدنی و ترموکوپل‌های عایق‌شده معدنی را تعیین می‌کند، اما مهر و موم انتهای سرد، پایانه‌ها، اتصالات و سایر لوازم جانبی را مشخص نمی‌کند. این استاندارد فقط به کابل ها و ترموکوپل هایی می پردازد که دارای یک جفت هادی فلزی پایه هستند و برای کاربردهای صنعتی عمومی در نظر گرفته شده است.

ASTM E2846 - این راهنما آزمایش هایی را توصیف می کند که ممکن است برای ترموکوپل های جدید یا استفاده شده قبلی به منظور تأیید اعمال شوند. برخی از تست‌ها به تنهایی تایید مناسبی را انجام می‌دهند، اما بسیاری از تست‌ها در صورت عدم موفقیت ترموکوپل در تست، فقط کاربر را از مشکلات جدی آگاه می‌کنند. برخی از تست ها ناهمگنی را بررسی می کنند و برخی دیگر شکستگی سیم یا اتصالات اندازه گیری را تشخیص می دهند. برای ترموکوپل های MIMS (MIMS) با غلاف فلزی عایق شده با مواد معدنی با اتصالات اندازه گیری زمین نشده، این راهنما شامل تست هایی است که جداسازی الکتریکی غلاف و همچنین خرابی غلاف را بررسی می کند.

ESDU 06018 - این یکی از مجموعه ای از داده های مربوط به اندازه گیری دما است که اطلاعات پس زمینه و راهنمایی عملی در مورد طراحی سیستم های اندازه گیری دما با استفاده از ترموکوپل ارائه می دهد.

منبع

globalspec