در این مقاله قصد داریم درباره موضوع بسیار مهم ساختمان ترموکوپل (Thermocouple Construction) صحبت کنیم. اصل کار ترموکوپل بسیار ساده و اساسی است. هنگامی که اتصال دو فلز غیرمشابه مانند مس و کنستانتان انجام می شوند، یک اثر “ترمو الکتریک” ایجاد می کند که یک اختلاف پتانسیل ثابت تنها چند میلی ولت (mV) بین آنها ایجاد می کند. تفاوت ولتاژ بین دو اتصال “اثر سیبک” نامیده می شود زیرا یک گرادیان دما در امتداد سیم های رسانا تولید می شود. سپس ولتاژ خروجی از ترموکوپل تابعی از تغییرات دما است.
ساختار ترموکوپل ها از ماژول های ترموالکتریک ساخته شده اند که مدارهای مجتمع حالت جامد هستند و از سه اثر ترموالکتریک ثابت معروف به اثرات Peltier، Seebeck و Thomson استفاده می کنند. این اثر Seebeck است که مسئول تولید برق است. ساختار آنها از جفت مواد نیمه هادی نوع p و نوع n تشکیل شده است که یک ترموکوپل را تشکیل می دهند. سپس این ترموکوپل ها به صورت الکتریکی به هم متصل می شوند و آرایه ای از سنسورهای متعدد (ترموپایل) را تشکیل می دهند. سپس بین دو ویفر سرامیکی نازک قرار می گیرند.
اگر هر دو اتصال در یک دما باشند، اختلاف پتانسیل بین دو اتصال صفر است به عبارت دیگر، خروجی ولتاژ V1 = V2 وجود ندارد. با این حال، هنگامی که اتصالات در یک مدار متصل می شوند و هر دو در دماهای مختلف هستند، یک ولتاژ خروجی نسبت به تفاوت دما بین دو اتصال V1 – V2 تشخیص داده می شود. این اختلاف ولتاژ با دما افزایش می یابد تا زمانی که سطح ولتاژ اوج اتصالات به دست آید و این با ویژگی های دو فلز غیر مشابه مورد استفاده تعیین می شود. ترموکوپل ها را می توان از انواع مختلفی از مواد مختلف ساخت که امکان اندازه گیری دمای شدید بین -200 درجه سانتی گراد تا بیش از 2000 + درجه سانتی گراد را فراهم می کند. با چنین انتخاب گسترده ای از مواد و محدوده دما، استانداردهای شناخته شده بین المللی کامل با کدهای رنگ ترموکوپل ایجاد شده اند تا به کاربر اجازه دهند جفت حرارتی مناسب را برای یک کاربرد خاص انتخاب کنند.
درباره ترموکوپل بیشتر بدانید
به عبارت دیگر:
اگر اختلاف دما در طول یک سیم وجود داشته باشد، این باعث جابجایی شارژ الکتریکی می شود. مقدار جابجایی بار به ویژگی های الکتریکی ماده انتخابی بستگی دارد. اگر دو سیم از مواد مختلف در یک نقطه به هم متصل شوند و سپس در معرض دما قرار گیرند، آنگاه یک اختلاف ولتاژ بین انتهای باز دو سیم ایجاد می شود. این ولتاژ به اختلاف دما در طول دو سیم بستگی دارد. برای اینکه بتوان دما را در محل اتصال اندازه گیری کرد، دما در انتهای باز باید مشخص باشد. اگر دمای انتهای باز مشخص نباشد، باید آن را (توسط یک کابل جبران کننده) به ناحیه دمای شناخته شده (اتصال مرجع، که معمولاً به آن “اتصال سرد” می گویند) کشیده شود.
بررسی ساختار داخلی و بیرونی ترموکوپل
در ادامه به بررسی ساختار داخلی و بیرونی ترموکوپل می پردازیم:
متریال سیم داخلی
ترموکوپل ها معمولاً با استفاده از جفت سیم های فلزی غیر مشابه با خواص ترموالکتریک مخالف ساخته می شوند. انتخاب مواد سیم به محدوده دمایی مورد نظر، دقت و الزامات کاربرد بستگی دارد. مواد متداول سیم ترموالکتریک شامل ترکیباتی مانند آهن-کنستانتان (نوع J)، کرومل-آلومل (نوع K) و مس-کنستانتان (نوع T) است. هر ترکیب خواص ترموالکتریک خاصی را نشان می‌دهد که برای محدوده‌های دمایی مختلف مناسب است.
انواع اتصال سنسور
ترموکوپل ها اتصالات مختلفی دارند که در آن دو سیم به یکدیگر متصل می شوند. دو نوع اتصال اصلی وجود دارد: grounded و ungrounded. در اتصال grounded، سیم های ترموکوپل مستقیماً با نقطه اندازه گیری یا جسم اندازه گیری شده تماس دارند. در اتصالات ungrounded، سیم ها از نقطه اندازه گیری به صورت الکتریکی ایزوله می شوند، که عایق الکتریکی بهتری را فراهم می کند و اثرات بالقوه حلقه زمین را به حداقل می رساند.
غلاف محافظ
در بسیاری از کاربردهای صنعتی، ترموکوپل ها درون یک غلاف محافظ قرار می گیرند. این غلاف، اهداف مختلفی از جمله حفاظت مکانیکی، عایق بندی و محافظت در برابر عوامل ناپایدار مختلف را انجام می دهد. متریال غلاف محافظ ممکن است بسته به نیازهای کاربرد متفاوت باشد، مانند فولاد ضد زنگ، اینکونل، سرامیک یا سایر آلیاژهای خاص.
جبران گره مرجع
برای اندازه گیری دقیق دما با استفاده از جفت حرارتی، دمای محل اتصال مرجع باید مشخص باشد. محل اتصال مرجع، نقطه ای است که سیم های ترموکوبل به دستگاه اندازه گیری یا مرجع دما متصل می شوند. در برخی موارد، اتصال مرجع با استفاده از یک بلوک مرجع کنترل شده با دما یا یک دستگاه جبران کننده اتصال مرجع در یک دمای ثابت نگهداری می شود.
جبران اتصال سرد
ترموکوپل ها برای ایجاد ولتاژ به اختلاف دما بین نقطه اندازه گیری و محل اتصال مرجع تکیه می کنند. با این حال، اگر نقطه اتصال مرجع در دمای مرجع مورد نظر (معمولاً 0 درجه سانتیگراد یا 25 درجه سانتیگراد) نباشد، از یک تکنیک جبرانی به نام جبران اتصال سرد استفاده می شود. این تفاوت دما را در محل اتصال مرجع جبران می کند تا از اندازه گیری دقیق دما اطمینان حاصل شود.
کلگی یا هد
کلگی (Connection Head) نقطه پایانی است که سیم های Thermocouple به دستگاه یا سیستم کنترل متصل می شوند. این یک نقطه اتصال امن و در دسترس را فراهم می کند و در عین حال از گرد و غبار، رطوبت و سایر عوامل محیطی محافظت می کند. سرهای اتصال معمولاً از موادی مانند آلومینیوم، فولاد ضد زنگ یا پلاستیک بسته به نیازهای کاربردی ساخته می شوند.
نتیجه گیری
در این مقاله به بررسی کامل ساختمان ترموکوپل و ساختار داخلی و بیرونی آن پرداختیم. چنانچه پرسشی درباره این موضوع داشتید، در بخش دیدگاه های این مقاله آن را مطرح نمایید.
