ترموکوبل چیست و چه کاربردی دارد؟
در دنیای مدرن، ابزارهای اندازه‌گیری دقیق مانند ترموکوبل‌ها نقش مهمی در صنعت، پژوهش و تکنولوژی ایفا می‌کنند. در این متن، ما به بررسی دقیق‌تر و جامع‌تری از ترموکوبل‌ها و کاربردهای آنها خواهیم پرداخت.
تعریف و اصول کاری ترموکوبل: ترموکوبل یا همان Thermocouple، نوعی سنسور تشخیص دما است که بر اساس اصول ترمو-الکتریکی عمل می‌کند. این سنسور از دو فلز یا آلیاژ غیر هم‌جنس ساخته شده که در یکی از انتهاهای خود به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال به عنوان اتصال داغ یا گرم شناخته می‌شود. در سمت مقابل، جایی که این دو فلز جدا هستند، اتصال سرد یا خنک وجود دارد.
زمانی که دمای اتصال داغ با دمای اتصال سرد تفاوت پیدا کند، یک جریان الکتریکی در میان این دو فلز به جریان می‌افتد. این پدیده که اثر سیبک (Seebeck Effect) نامیده می‌شود، اساس کار ترموکوبل‌ها را تشکیل می‌دهد. در واقع، وقتی دما در اتصال گرم افزایش می‌یابد، اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در اتصال سرد به وجود می‌آید. این ولتاژ مستقیماً تابعی از تفاوت دمای بین دو اتصال است و می‌توان با اندازه‌گیری آن، دمای مورد نظر را به دست آورد.
کاربردهای ترموکوبل: ترموکوبل‌ها به دلیل دقت بالا، پاسخ سریع و قابلیت اطمینان بالا در اندازه‌گیری دما، در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد دارند. از جمله این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- صنعت: استفاده گسترده در کنترل فرایندهای صنعتی، مانند کنترل دمای کوره‌ها، بویلرها و دیگر تجهیزات صنعتی.
- پژوهش علمی: کاربرد در آزمایشگاه‌ها برای اندازه‌گیری دماهای دقیق در تحقیقات علمی.
- صنایع غذایی: نظارت بر دمای محصولات در فرایندهای پخت و نگهداری مواد غذایی.
- پزشکی: استفاده در تجهیزات پزشکی برای نظارت بر دمای بیماران و تجهیزات پزشکی.
- هوافضا: اندازه‌گیری دمای قطعات و سیستم‌ها در هواپیماها و فضاپیماها.
ترموکوبل‌ها به عنوان ابزارهای اساسی در اندازه‌گیری دما، از جایگاه ویژه‌ای در دنیای صنعت و تکنولوژی برخوردار هستند. در این بخش، به بررسی ساختار، انواع و کاربردهای متفاوت ترموکوبل‌ها می‌پردازیم.
ساختار اصلی ترموکوبل: ترموکوبل‌ها را بر اساس نوع فلزات به‌کار رفته در آنها به دو دسته تقسیم می‌کنند: ۱) ترموکوبل‌های فلز پایه و ۲) ترموکوبل‌های فلزات قیمتی. این سنسورها در دسته‌بندی سنسورهای تماسی دمایی قرار می‌گیرند و در مقابل، سنسورهای غیر تماسی نیز وجود دارند که بدون نیاز به تماس مستقیم با محیط، دما را اندازه‌گیری می‌کنند. مثال‌هایی از این نوع سنسورها شامل سنسورهای لیزری کار کننده با IR (مادون قرمز) و دوربین‌های حرارتی یا ترمال ویژن‌ها هستند.
علت اصلی محبوبیت و کاربرد گسترده‌ی ترموکوبل‌ها در قابلیت آنها برای اندازه‌گیری دمایی در یک رنج وسیع (مانند تا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد)، قیمت مناسب، دقت بالا و سرعت پاسخ‌دهی بالا در شرایطی که سرعت تغییرات دمایی مهم است، نهفته است.
غلاف ترموکوبل: سنسور ترموکوبل خود بسیار کوچک است و دقیقاً در نقطه کوپل شدن دو فلز ناهم‌جنس قرار دارد. اما به دلیل تماسی بودن این نوع سنسور، نیاز به ساختار مناسبی برای نصب آن وجود دارد که به آن غلاف گفته می‌شود. این غلاف‌ها در اندازه‌ها و سازه‌های متفاوت موجود هستند و نقش مهمی در محافظت از نقطه کوپل در برابر تنش‌ها و شوک‌های مکانیکی دارند. استفاده از غلاف‌ها ممکن است به کاهش اندک سرعت پاسخ‌دهی ترموکوبل منجر شود.
انواع ترموکوبل: ترموکوبل‌ها در Typeهای مختلفی موجود هستند که بر اساس جنس فلزات بکار رفته در آنها تقسیم‌بندی می‌شوند. این Typeها شامل ترموکوبل‌های نوع K, J, T, E, N, S, R, B هستند که هر کدام رنج دمایی خاصی را پوشش می‌دهند.
میزان تغییرات ولتاژ در سر آزاد سیم‌ها به میزان حرارت در کل آلیاژها و حرارت در نقطه کوپل شدن دو آلیاژ ناهم‌جنس بستگی دارد. انتهای آزاد این سیم‌ها در محلی قرار می‌گیرد که دمای آن معلوم است، معمولاً به این نقطه اتصال سرد یا نقطه مرجع گفته می‌شود و در تجهیزات اندازه‌گیری به عنوان CJC شناخته می‌شود. برای دقت بیشتر در اندازه‌گیری، دمای این نقطه باید همیشه ثابت و معلوم باشد.
اهمیت انتخاب طول سیم در ترموکوبل‌ها
یکی از موارد حیاتی در استفاده از ترموکوبل‌ها، توجه به طول سیم‌های جبران‌کننده است. هنگام خرید ترموکوبل، باید فاصله بین نقطه اندازه‌گیری دما و تجهیز موردنظر برای خواندن و قرائت دما در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، اگر نیاز به ترموکوبل نوع K با طول سیم ۲ متر و طول غلاف ۵ سانتی‌متر است، باید این مشخصات را به فروشنده اعلام نمایید. اگر طول سیم‌های جبران‌کننده کافی نباشد، نباید به آن سیم دیگری اضافه کرد، چرا که این کار موجب ایجاد یک نقطه کوپل دیگر شده و می‌تواند باعث خطا در اندازه‌گیری دما شود.
تبدیل اختلاف ولتاژ به جریان استاندارد صنعتی
با اعمال حرارت به نقطه کوپل، اختلاف ولتاژی در حد میلی‌ولت ایجاد می‌شود. برای اتصال این ولتاژ به سیستم‌های اندازه‌گیری معمول و تبدیل آن به جریان استاندارد صنعتی (۰ تا ۱۰ ولت یا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر)، نیاز به ترانسمیتر مخصوصی است. این ترانسمیتر باید متناسب با نوع ترموکوبل و رنج دمایی موردنظر انتخاب شود. به عنوان مثال، برای ترموکوبل نوع J که قصد اندازه‌گیری رنج ۰ تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد را دارد، باید ترانسمیتری با خروجی ۰ تا ۱۰ ولت یا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر انتخاب شود.
تجهیزات لازم برای خواندن دما از ترموکوبل
برای خواندن دمای ترموکوبل، استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری مانند کارت‌های DAQ، میکروکنترلرها و PLCها ضروری است. امروزه با استفاده از ماژول‌های مدرن و دقیق، خواندن مقدار دما از ترموکوبل‌ها به راحتی امکان‌پذیر است.
علل خرابی ترموکوپل‌ها
ترموکوپل‌ها به عنوان قطعات مصرفی، با گذشت زمان خاصیت مبدل بودن خود را از دست می‌دهند. خرابی این قطعات می‌تواند ناشی از شکستگی، قرارگیری نادرست بر روی زمین، ضربه‌های مکانیکی و قطعی‌های پی‌در‌پی جریان گاز باشد. اگر ترموکوپل دچار آسیب شده و امکان تعمیر آن وجود دارد، باید در اسرع وقت اقدام به تعمیر یا تعویض آن نمود. در صورت خرابی ترموکوپل، دستگاه قادر به عملکرد صحیح نخواهد بود.