ترموكوپل چيست

آیا می‌خواهید دما را با دقت بالا اندازه‌گیری کنید اما نمی‌دانید از کدام ابزار استفاده کنید؟ ترموکوپل، یک سنسور دمای پرکاربرد و مقاوم، پاسخ این نیاز شماست. این سنسور از اتصال دو فلز ناهم‌جنس تشکیل می‌شود و با اختلاف دما بین اتصال گرم و سرد، ولتاژی تولید می‌کند که رابطه‌ای مستقیم با حرارت دارد؛ به زبان ساده، ترموکوپل گرما را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند!

در این مقاله به‌طور خلاصه با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• چیستی ترموکوپل: سنسوری مبتنی بر اثر سیبک (Seebeck Effect)
• انواع و محدوده دمایی: K، J، T، N و کاربرد صنعتی و خانگی هرکدام
• مکانیزم کاری: تبدیل مستقیم گرما به ولتاژ، و نقش اتصال گرم و سرد
• مزایا و محدودیت‌ها: دقت، دوام، پاسخ‌گویی سریع و محدوده عملیاتی
• کاربردهای عملی: از کوره‌ها و توربین‌ها تا آبگرمکن و بخاری

ترموكوپل چیست و چگونه کار می کند؟

ترموکوپل یک سنسور دمای الکتریکی است که از اتصال دو فلز ناهم‌جنس تشکیل می‌شود. محل اتصال این دو فلز که به آن «اتصال گرم» یا Hot Junction گفته می‌شود، در نقطه‌ای قرار می‌گیرد که هدف اندازه‌گیری دماست. نقطه‌ی دیگر که به عنوان «اتصال سرد» یا «مرجع» (Cold Junction) شناخته می‌شود، معمولاً در شرایط دمایی کنترل‌شده یا شناخته‌شده قرار دارد.

اساس عملکرد ترموکوپل مطابق تصویر زیر، بر اثر سیبک (Seebeck Effect) استوار است. این پدیده‌ که توسط توماس سیبک در سال ۱۸۲۱ گزارش شد، بیان می‌کند: اگر دو فلز متفاوت در یک مدار بسته در معرض اختلاف دما قرار گیرند، ولتاژی بسیار کوچک (در حد میلی‌ولت) در مدار القا می‌شود. مقدار این ولتاژ با اختلاف دما نسبت مستقیم و قابل‌پیش‌بینی دارد.

در عمل، ترموکوپل گرما را مستقیماً به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند. با اندازه‌گیری این ولتاژ توسط ابزارهای اندازه‌گیری (مانند ترمومتر ترموکوپلی، دیتالاگر، PLC یا ترنسمیتر دما) و مراجعه به جداول کالیبراسیون استاندارد هر نوع ترموکوپل (مانند ITS-90)، می‌توان مقدار دما را با دقت خوبی محاسبه کرد.

علاوه بر اثر سیبک، دو اثر دیگر یعنی اثر پلتیر (Peltier Effect) و اثر تامسون (Thomson Effect) نیز در رفتار ترموکوپل نقش دارند که بیشتر در طراحی و تحلیل سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق و جبران‌سازی اتصال سرد اهمیت پیدا می‌کنند. ترموکوپل‌ها به دلیل سادگی ساختار، پاسخ‌گویی سریع، بازه دمایی وسیع، و قیمت مناسب، از پرکاربردترین سنسورهای دما در حوزه‌های صنعتی و آزمایشگاهی شناخته می‌شوند.

شیوه کار ترموکوپل بسیار ساده است؛ به عنوان مثال فرض کنید می‌خواهیم دمای یک قطعه فلزی صنعتی را با ترموکوپل K اندازه‌گیری کنیم؛ ترموکوپل برای این کار مراحل زیر را دنبال می‌کند:

1. ترموکوپل نوع K دارای حساسیت تقریبی ۴۱ میکروولت بر درجه سلسیوس است. به این معنا که با هر درجه افزایش یا کاهش دما بین دو سر ترموکوپل، حدود ۰٫۰۰۰۰۴۱ ولت ولتاژ تولید می‌شود.
2. اختلاف دمای مرجع و قطعه مورد نظر محاسبه می‌شود

• دمای مرجع(Cold Junction) : ۲۵ درجه سلسیوس
• دمای قطعه مورد اندازه‌گیری: ۱۲۵ درجه سلسیوس
• اختلاف دما برابر است با: ℃100= 25 – 125

3. استفاده از فرمول V=Δθ×S

V = 100 × 41 µV = 4100 µV = 4.1 mV

ولتاژ تولیدشده (۴٫۱ میلی‌ولت) توسط مدار خوانش دما و نرم‌افزار مربوطه به دمای متناظر (۱۲۵ درجه سلسیوس) تبدیل می‌شود. این مقدار می‌تواند روی نمایشگر یا سیستم کنترل به‌صورت عددی نمایش داده شود.

ساختار و اجزای ترموکوپل

یک ترموکوپل صنعتی با وجود ظاهر ساده‌، برای عملکرد دقیق و قابل‌اطمینان از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است:

• دو سیم فلزی: این دو سیم که اساس ترموکوپل را تشکیل می‌دهند، از آلیاژهایی ویژه ساخته می‌شوند که نوع ترموکوپل را مشخص می‌کنند (برای نمونه: کرومل و آلومل در ترموکوپل نوع K).
• اتصال اندازه‌گیری (Hot Junction): نقطه اتصال دو سیم که در تماس مستقیم یا غیرمستقیم با محیط بوده و دما را اندازه‌گیری می‌کند.
• غلاف محافظ (Sheath): لوله‌ای فلزی (معمولاً از استنلس استیل یا اینکونل) که از سیم‌ها در برابر ضربه، خوردگی و اکسیداسیون محافظت می‌کند.
• عایق داخلی: پودر فشرده اکسید منیزیم (MgO) که مانع تماس سیم‌ها با یکدیگر و با غلاف شده و انتقال مؤثر حرارت را ممکن می‌سازد.
• اتصال سرد (Cold Junction): انتهای دیگر سیم‌ها که به دستگاه اندازه‌گیری یا کنترلر متصل می‌شود.
• کلگی یا کانکتور (Head/Connector): بخشی برای قرارگیری اتصالات الکتریکی و فراهم‌ کردن امکان اتصال آسان کابل رابط.

انواع ترموکوپل و دامنه دمایی آن ها

ترموکوپل‌ها با توجه به ترکیب فلزی سیم‌های به کار رفته در آن‌ها، به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند؛ هر کدام از این انواع برای محدوده دمایی و شرایط کاری مشخصی مناسب هستند. رایج‌ترین مدل‌ها در گروه ترموکوپل‌های فلز پایه (Base Metal) قرار می‌گیرند، که به دلیل قیمت مناسب و کاربرد گسترده، پرمصرف‌ترین نوع هستند:

• ترموکوپل نوع K (کرومل – آلومل): پرکاربردترین ترموکوپل عمومی با محدوده دمایی نسبتاً وسیع (از حدود ۲۰۰- تا ۱۲۵۰+ درجه سانتی‌گراد)، پاسخ خطی مناسب و قیمت اقتصادی.
• ترموکوپل نوع J (آهن – کنستانتان): مناسب برای دماهای پایین‌ تا متوسط (حدود ۴۰- تا ۷۵۰+ درجه سانتی‌گراد). وجود آهن در ساختار آن باعث می‌شود در محیط‌های مرطوب یا اکسیدی مستعد زنگ‌زدگی باشد.
• نوع N (نیکروسیل – نیسیل): دارای پایداری حرارتی بالا و مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون است. این نوع ترموکوپل برای کاربردهای صنعتی در دماهای متوسط تا بالا (حدود ۰ تا ۱۲۶۰ درجه سانتی‌گراد) مناسب بوده و عملکردی مشابه نوع K دارد، اما با دقت و دوام بیشتر در شرایط سخت محیطی.
• نوع T (مس – کنستانتان): دارای دقت و پایداری بالا در دماهای پایین (۲۰۰- تا ۳۵۰+ درجه سانتی‌گراد). انتخابی ایده‌آل برای کاربردهای آزمایشگاهی و صنایع غذایی.
• نوع E (کرومل – کنستانتان): بیشترین ولتاژ خروجی (حساسیت) را در میان انواع پایه دارد و برای دماهای پایین تا متوسط (حدود ۲۷۰- تا ۹۰۰+ درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شود.

دسته دیگر ترموکوپل‌های فلزات نجیب (Noble Metal) هستند؛ این دسته از ترموکوپل‌ها از فلزات گرانبهایی مانند پلاتین و رودیوم ساخته می‌شوند و برای اندازه‌گیری دماهای بسیار بالا در شرایطی که پایداری و دقت بلندمدت اهمیت دارد استفاده می‌گردند. انواع S ،R و B، هر سه بر پایه آلیاژهای پلاتین–رودیوم هستند و قادرند دماهایی تا ۱۷۰۰+ درجه سانتی‌گراد را با دقت و ثبات بسیار بالا اندازه‌گیری کنند. این ترموکوپل‌ها بیشتر در صنایع شیشه، فولاد، کوره‌های دما بالا و آزمایشگاه‌های کالیبراسیون به‌ کار می‌روند.

در جدول زیر انواع رایج ترموکوپل و محدوده دمایی آن‌ها بر اساس ترکیب فلزی نمایش داده شده است:

کاربردهای ترموکوپل

ترموکوپل‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری در طراحی، تحمل دمای بالا و قیمت مناسب، جایگاه ویژه‌ای در صنعت دارند. کاربردهای ترموکوپل عبارتند از:

• صنایع سنگین: کوره‌های ذوب، عملیات حرارتی، بویلرها، توربین‌های گازی و موتورهای دیزل
• صنایع فرآیندی: پتروشیمی، پلاستیک، نساجی و تولید سیمان
• تجهیزات HVAC: سیستم‌های گرمایشی و تهویه مطبوع
• لوازم خانگی: سنسور ایمنی در اجاق گاز، آبگرمکن و بخاری برای تشخیص شعله
• صنعت خودرو: اندازه‌گیری دمای اگزوز و موتور
• پزشکی و آزمایشگاهی: دستگاه‌های استریل‌سازی و تجهیزات تحقیقاتی

در جدول زیر با حوزه کاربردی و نوع ترموکوپل پیشنهادی برای هر کاربرد آشنا شوید:

سخن پایانی: چگونه بهترین ترموکوپل را انتخاب کنیم؟

با توجه به تنوع ترموکوپل‌ها، برای انتخاب دقیق و مطمئن یک ترموکوپل مناسب، در نظر گرفتن 4 پارامتر زیر ضروری است:

1. محدوده دما: مهم‌ترین عامل، بازه دمایی است که باید اندازه‌گیری شود.
2. شرایط محیطی: وجود رطوبت، خورندگی، فشار یا محیط شیمیایی در انتخاب جنس غلاف محافظ تأثیرگذار است.
3. سرعت پاسخ‌دهی: در فرآیندهایی با تغییرات سریع دما، ترموکوپل‌های با قطر کمتر و اتصال نمایان (Exposed) عملکرد بهتری دارند.
4. دقت اندازه‌گیری: برای کاربردهای حساس، ترموکوپل نوع T یا مدل‌های پلاتینی گزینه بهتری محسوب می‌شوند.

در کنار این چهار پارامتر کلیدی، توجه به نوع اتصال، طول کابل، استانداردهای کالیبراسیون و سازگاری با تجهیزات اندازه‌گیری نیز اهمیت دارد. انتخاب ترموکوپل مناسب نه‌تنها دقت فرآیند را تضمین می‌کند، بلکه از بروز خطاهای پرهزینه در سیستم‌های کنترل دما جلوگیری خواهد کرد.
اگر در مرحله انتخاب هستید، مشاوره با متخصصان هیترگستر و بررسی دیتاشیت‌های فنی هر مدل می‌تواند مسیر تصمیم‌گیری را ساده‌تر و مطمئن‌تر کند. ترموکوپل مناسب، ترکیبی از دانش فنی، شناخت نیاز و تجربه عملی است.