کار ترموکوپل

کار ترموکوپل چیست؟

یک ترموکوپل از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده است که در یک انتها به هم متصل شده اند و با تغییر دما ولتاژی (به میلی ولت) تولید می کنند.

محل اتصال این دو فلز که به آن محل اتصال حسگر می گویند به سیم های کششی متصل می شود. از هر دو فلز غیرمشابه ممکن است برای ساخت یک ترموکوپل استفاده شود.

پاصل عملیات

• وقتی دو فلز غیرمشابه به یکدیگر متصل می شوند، ولتاژ کوچکی به نام ولتاژ اتصال حرارتی در محل اتصال ایجاد می شود. این اثر پالتیر نامیده می شود.
• اگر دمای محل اتصال تغییر کند، باعث تغییر ولتاژ نیز می شود که با مدارهای ورودی یک کنترل کننده الکترونیکی قابل اندازه گیری است. خروجی یک ولتاژ متناسب با اختلاف دمای بین محل اتصال و انتهای آزاد است. این اثر تامپسون نامیده می شود.
• هر دوی این اثرات را می توان برای اندازه گیری دما ترکیب کرد. با نگه داشتن یک اتصال در یک دمای شناخته شده (اتصال مرجع) و اندازه گیری ولتاژ، می توان دمای محل اتصال حسگر را استنتاج کرد. ولتاژ تولید شده با اختلاف دما نسبت مستقیم دارد. اثر ترکیبی به عنوان اثر اتصال حرارتی یا اثر سیبک شناخته می‌شود.

شکل سمت راست یک مدار ترموکوپل ساده را نشان می دهد.

ولتاژ برای پی بردن به دما اندازه گیری می شود. در عملیات عملی، سیم های A و B به یک ولت متر دیجیتال (DVM)، مولتی متر دیجیتال (DMM)، سیستم جمع آوری داده های دیجیتال یا برخی از دستگاه های اندازه گیری ولتاژ دیگر متصل می شوند. اگر دستگاه اندازه گیری امپدانس ورودی بسیار بالایی داشته باشد، ولتاژ تولید شده توسط ترمو-اتصال را می توان با دقت اندازه گیری کرد.

اما مشکل اصلی اندازه گیری دمای ترموکوپل این است که سیم های A و B باید به سیم های ولت متر متصل شوند که عموماً از مس ساخته شده اند. اگر نه سیم A و نه سیم B خود مسی نیستند، اتصال به DVM دو اتصال حرارتی دیگر ایجاد می کند! (فلزات ترموکوپل معمولاً با سیم‌های DVM یکسان نیستند.) این اتصالات حرارتی اضافی همچنین یک ولتاژ اتصال حرارتی ایجاد می‌کند که می‌تواند هنگام تلاش برای اندازه‌گیری ولتاژ از محل اتصال حسگر خطا ایجاد کند.

 

چگونه می توان این مشکل را حل کرد؟

یک راه حل ساده این است که چهارمین اتصال حرارتی به نام اتصال مرجع را با وارد کردن طول اضافی از سیم فلزی A به مدار اضافه کنید. در زیر ترسیم شده است. محل اتصال مرجع از فلزات A و B تشکیل شده است که در طرح مشخص شده است.

کلاس

 

این مدار اصلاح شده به شرح زیر تجزیه و تحلیل می شود:

با این ترتیب، هنوز دو اتصال ترموکوپل اضافی در جایی که ترموکوپل جبران شده به ولت متر (DVM) متصل می شود، تشکیل می شود. دو اتصال به DVM اکنون هر دو بین فلز A و مس هستند. این دو اتصال نزدیک به هم و در یک دمای قرار می‌گیرند، به طوری که ولتاژهای پیوند حرارتی آنها یکسان بوده و یکدیگر را خنثی می‌کنند. . در همین حال، اتصال مرجع جدید در مکانی قرار می گیرد که دمای مرجع T_R به طور دقیق مشخص باشد، معمولاً در یک حمام آب یخ با دمای ثابت T R = 0°C. اگر نقطه اتصال حسگر نیز در دمای ۰ درجه سانتیگراد باشد (T_s = 0 ^oC)، ولتاژ تولید شده توسط اتصال حسگر برابر و مخالف ولتاژ تولید شده توسط اتصال مرجع خواهد بود. بنابراین، زمانی که T_s = 0 درجه سانتی گراد باشد، V_o = 0 است. با این حال، اگر دمای اتصال حسگر برابر با T_R نباشد، V_o غیر صفر خواهد بود.

به طور خلاصه، V_o یک تابع منحصر به فرد از دمای سنسور است. T_s و دو فلز مورد استفاده برای ترموکوپل. بنابراین، برای دمای مرجع شناخته شده و مواد سیم ترموکوپل شناخته شده، می توان از ولتاژ خروجی V_o برای اندازه گیری دما استفاده کرد. این مفهوم اساسی استفاده از ترموکوپل است.

مواد ترموکوپل

ترموکوپل ها ممکن است از چندین ترکیب مختلف از مواد ساخته شوند. عملکرد یک ماده ترموکوپل به طور کلی با استفاده از آن ماده با پلاتین تعیین می شود. مهمترین عاملی که در انتخاب یک جفت مواد باید در نظر گرفته شود «تفاوت ترموالکتریک» بین این دو ماده است. تفاوت قابل توجه بین این دو ماده باعث عملکرد بهتر ترموکوپل می شود.

شکل زیر ویژگی‌های مواد متداول‌تر را هنگام استفاده با پلاتین نشان می‌دهد. به عنوان مثال: Chromel-Constantan برای دماهای تا ۲۰۰۰ درجه فارنهایت عالی است. نیکل/نیکل-مولیبدن گاهی اوقات جایگزین کروم آلومل می شود. و تنگستن رنیم برای دماهای تا ۵۰۰۰ درجه فارنهایت استفاده می شود. برخی از ترکیبات مورد استفاده برای کاربردهای تخصصی عبارتند از: کروم-طلای سفید، مولیبدن- تنگستن، تنگستن-ایریدیم و ایریدیوم/ایریدیم-رودیوم.

شکل زیر مشخصات مواد ترموکوپل را هنگام استفاده با پلاتین نشان می دهد.

 

ویژگی های انواع ترموکوپل

از بین تعداد نامتناهی ترکیب ترموکوپل، انجمن ابزار آمریکا (ISA) 12 مورد را شناسایی می کند. رایج ترین آنها J، K، T و E هستند. ترکیبات ترموکوپل ها استانداردهای بین المللی است، اما کد رنگ سیم های آنها متفاوت است. به عنوان مثال، در ایالات متحده سرب منفی همیشه قرمز است، در حالی که بقیه جهان از قرمز برای تعیین سرب مثبت استفاده می کنند. اغلب، انواع ترموکوپل استاندارد با نام تجاری آنها شناخته می شود. به عنوان مثال،

• ترموکوپل نوع K دارای رنگ زرد است و از chromel – alumel،< استفاده می‌کند. /em> که نام تجاری آلیاژهای سیم Ni-Cr و Ni-Al است.
• ترموکوپل نوع J دارای رنگ سیاه است و از آهن و constantan استفاده می‌کند. em> به عنوان فلزات سازنده آن. (کنستانتان آلیاژی از نیکل و مس است.)
• نوع T دارای رنگ آبی است و از مس و constantan استفاده می‌کند. em> به عنوان فلزات جزء آن.
• نوع S از Pt/Rh-Pt استفاده می کند
• ترموکوپل نوع E از Ni/Cr-Con استفاده می کند

ترموکوپل

• A نوع N از Ni/Cr/Si-Ni/Si

استفاده می کند

هر کالیبراسیون دارای محدوده دمایی و محیط متفاوتی است، اگرچه حداکثر دما با قطر سیم مورد استفاده در

ترموکوپل تغییرات در ترکیب آلیاژ و شرایط اتصال بین سیم ها منبع خطا در اندازه گیری دما هستند. خطای استاندارد سیم ترموکوپل از ± ۰٫۸ درجه سانتیگراد تا ۴٫۴ ± درجه سانتیگراد متغیر است. بسته به نوع ترموکوپل مورد استفاده ترموکوپل نوع K برای اکثر کاربردهای عمومی توصیه می شود. محدوده دمایی وسیع، خطای استاندارد پایین و مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارد. در واقع، بسیاری از مولتی مترهای دیجیتال (DMM) می توانند دما را با اتصال ترموکوپل نوع K با اتصالات استاندارد اندازه گیری کنند.

ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل تقریبا متفاوت است، اما نه دقیقاً، به صورت خطی با دما. بنابراین، هیچ معادله ساده ای برای ارتباط ولتاژ ترموکوپل با دما وجود ندارد. در عوض، ولتاژ به عنوان تابعی از دما برای ترموکوپل های استاندارد مختلف جدول بندی می شود. برای تبدیل قرائت میلی ولت به دمای متناظر خود، باید به جداولی مانند شکل زیر مراجعه کنید. این جداول را می توان از سازنده ترموکوپل تهیه کرد و دمای خاص مربوط به یک سری از خوانش های میلی ولت را فهرست می کند. طبق قرارداد، دمای مرجع برای جداول ترموکوپل ۰ºC است.

انتخاب نوع ترموکوپل

از آنجایی که ترموکوپل ها در محدوده دمایی وسیع اندازه گیری می شوند و می توانند نسبتاً ناهموار باشند، اغلب در صنعت استفاده می شوند.

از معیارهای زیر برای انتخاب ترموکوپل استفاده می شود:

1. محدوده دما.
2. مقاومت شیمیایی ترموکوپل یا مواد غلاف.
3. مقاومت در برابر سایش و لرزش.
4. الزامات نصب (ممکن است لازم باشد با تجهیزات موجود سازگار باشد؛ سوراخ های موجود ممکن است قطر پروب را تعیین کنند).

مشخصات استاندارد

قطرها: قطرهای استاندارد: ۰٫۰۱۰ اینچ، ۰٫۰۲۰ اینچ، ۰٫۰۳۲ اینچ، ۰٫۰۴۰ اینچ، ۱/۱۶ اینچ، ۱/۸ اینچ، ۳/۱۶ ″، و ۱/۴ اینچ با دو سیم.

طول: ترموکوپل های استاندارد دارای طول غوطه وری ۱۲ اینچی هستند. طول های دیگر سفارشی ساخته شده اند.

غلاف: استیل ضد زنگ ۳۰۴ و Inconel استاندارد هستند.

عایق: اکسید منیزیم استاندارد است. حداقل مقاومت عایق سیم به سیم یا سیم به غلاف ۱٫۵ مگا اهم در ۵۰۰ ولت dc در تمام قطرها است.

کالیبراسیون: Iron-Constantan (J)، chromel – alumel (K)، Copper-Constantan (T) و Chromel-Constantan (E) کالیبراسیون های استاندارد هستند.

خم شدن: به راحتی خم می شود و شکل می گیرد. شعاع خمش نباید کمتر از دو برابر قطر غلاف باشد.

قطبیت: در صنعت ترموکوپل، روش استاندارد این است که سرب منفی را قرمز رنگ کنید.

اتصالات ترموکوپل:

کاوشگرهای ترموکوپل روکش دار با یکی از سه نوع اتصال در دسترس هستند: زمینی، بدون زمین یا در معرض.

اتصال زمینی- در این نوع، سیم های ترموکوپل به طور فیزیکی به داخل دیواره پروب متصل می شوند. این منجر به انتقال حرارت خوب از خارج، از طریق دیواره پروب به محل اتصال ترموکوپل می شود. اتصال زمینی برای اندازه گیری دمای گاز و مایع خورنده ساکن یا جاری و برای کاربردهای فشار بالا توصیه می شود. محل اتصال یک ترموکوپل زمین شده به غلاف محافظ جوش داده می شود و نسبت به نوع اتصال زمین نشده پاسخ سریع تری می دهد.

اتصال بدون زمین- در یک کاوشگر زیرزمینی، محل اتصال ترموکوپل از دیواره پروب جدا می شود. زمان پاسخگویی نسبت به سبک زمینی کاهش می یابد، اما غیرزمینی ایزولاسیون الکتریکی ۱٫۵ M1/2 در ۵۰۰ Vdc در تمام قطرها را ارائه می دهد. یک اتصال زمین نشده برای اندازه گیری در محیط های خورنده توصیه می شود که در آن مطلوب است که ترموکوپل به صورت الکترونیکی از غلاف جدا شده و توسط آن محافظت شود. ترموکوپل سیم جوش داده شده به طور فیزیکی از غلاف ترموکوپل توسط پودر MgO (نرم) عایق بندی شده است.

Exposed Junction- در سبک اتصال آشکار، ترموکوپل از نوک غلاف بیرون زده و در معرض محیط اطراف این نوع بهترین زمان پاسخگویی را ارائه می دهد، اما برای کاربردهای غیر خورنده و بدون فشار محدود می شود. محل اتصال فراتر از غلاف فلزی محافظ گسترش می یابد تا پاسخ سریع و دقیق را ارائه دهد. عایق غلاف در جایی که محل اتصال گسترش می یابد آب بندی می شود تا از نفوذ رطوبت یا گاز که می تواند باعث خطا شود جلوگیری شود.

 

به طور خلاصه، اتصال در معرض سریعترین زمان پاسخ و سپس اتصال زمین را ارائه می دهد. تصمیمات اندازه‌گیری دما می‌تواند نتایج مورد انتظار فرآیند را ایجاد یا شکست دهد. انتخاب حسگر مناسب برای برنامه ممکن است کار دشواری باشد، اما پردازش سیگنال اندازه‌گیری شده نیز بسیار حیاتی است.

تقوانین هرموکوپل

ابتدا مقداری نشان:

اجازه دهید T₁ دمای حمام ۱ باشد و T₂ دمای حمام ۲ باشد.

اجازه دهید V_1-R به عنوان ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل در دمای T₁ در هنگام اتصال مرجع مناسب تعریف شود. در دمای T_R استفاده می شود (T _R = دمای مرجع = ۰ ^oC). V_1-R ولتاژ ذکر شده در جداول ترموکوپل در دمای T₁ است.

اجازه دهید V_1-2 به عنوان تفاوت ولتاژ بین V_1-R و V_{2 تعریف شود. -R}،

V1-2 = V1-R – V2-R

کنوانسیون امضا:

خطاهای علامت منفی می تواند هنگام کار با این معادلات مشکل ساز باشد، اگر یکی از آنها سازگار نباشد.

طبق قرارداد، جداول ترموکوپل به گونه ای ساخته می شوند که دمای بالا ولتاژ اتصال حرارتی بالاتر

را ایجاد کند.

به عبارت دیگر، همیشه فرض بر این است که دو سیم ترموکوپل (بیایید آنها را سیم A و سیم B بنامیم) به گونه ای به ولت متر وصل شده اند که ولتاژ زمانی که دمای اندازه گیری شده بیشتر از دمای مرجع باشد، مثبت است. به همین ترتیب، زمانی که دمای اندازه گیری شده کمتر از دمای مرجع باشد، ولتاژ منفی است.

از آنجایی که دمای مرجع استاندارد برای جداول ترموکوپل ۰ درجه سانتیگراد است، دماهای مثبت بر حسب واحد درجه سانتیگراد ولتاژهای حرارتی پیوند مثبت و دماهای منفی در واحدهای ^oC ولتاژهای حرارتی اتصال منفی می دهد.

توجه داشته باشید که اگر سیم‌ها از جهت برعکس به ولت متر متصل شوند، ولتاژها البته علامت مخالف خواهند داشت.

سه قانون یا قانون برای ترموکوپل ها اعمال می شود:

• قانون فلزات واسطه

«سیم فلزی سوم (واسطه) را می توان به صورت سری با یکی از سیم ها بدون تغییر ولتاژ وارد کرد (به شرطی که دو اتصال جدید در همان دما هستند).

تنظیمات زیر را در نظر بگیرید، جایی که یک مستطیل در اطراف یک اتصال حرارتی یک حمام دمای ثابت را نشان می دهد (به عنوان مثال یک دیگ آب جوش یا یک حمام آب یخ).

قانون فلزات میانی بیان می کند که ولتاژ قرائت V_1-2 تغییر نمی کند اگر سیم سوم (واسطه) در راستای آن اضافه شود. هر یک از سیم‌های مدار، همانطور که در زیر نشان داده شده است:

در نمودار بالا، فرض بر این است که هر دو اتصال جدید (بین فلز B و فلز C) در یک دما هستند، یعنی دمای محیط، T_a .

به راحتی می توان دریافت که قانون فلزات میانی باید در اینجا برقرار باشد، زیرا هر ولتاژی که در یکی از اتصالات جدید ایجاد می شود دقیقاً توسط یک ولتاژ مساوی و مخالف تولید شده در نقطه خنثی می شود. اتصال جدید دیگر.

به همین ترتیب، فلز C را می توان در هر جای دیگری از مدار بدون هیچ تاثیری بر ولتاژ خروجی وارد کرد، مشروط بر اینکه دو اتصال جدید در یک دما باشند. به عنوان مثال، مدار اصلاح شده زیر را در نظر بگیرید:

 

دوباره، اگر دو اتصال جدید (این بار بین فلزات A و C) در یک دما باشند، هیچ اثر خالصی روی ولتاژ خروجی وجود ندارد.

• قانون دماهای میانی

“اگر ترموکوپل های یکسان اختلاف دمای بین T₁ و T را اندازه گیری کنند. _۲ و تفاوت دما بین T₂ > و T₃، سپس مجموع ولتاژهای مربوطه V_1-2 + V_2-3 باید برابر با ولتاژ V_{1 باشد. -۳} تولید شده توسط یک ترموکوپل یکسان که اختلاف دما بین T₁ را اندازه‌گیری می‌کند.و T₃.

گزاره ریاضی قانون دماهای میانی:

V_1-3 = V_1-2 + V_2-3 برای هر سه دما، T₁، T₂، و T₃.

تنظیم زیر را در نظر بگیرید، که در آن شش اتصال حرارتی نشان داده شده است، دو تا در هر حمام دمای ثابت. توجه: برای جلوگیری از به هم ریختگی در نمودار، سرنخ های مسی DVM دیگر نشان داده نمی شوند. همچنین، برای اختصار، حروف A و B نشان دهنده فلز A و فلز B، دو نوع مختلف سیم ترموکوپل هستند.

براساس قرارداد نمادگذاری که در اینجا اتخاذ شده است،

V1-3 = V1-R – V3-R،

که می تواند به صورت

نوشته شود

V1-3 = (V1-R – V2-R) + (V2-R – V3-R)

اما از آنجا که (همچنین طبق تعریف)

V1-2 = V1-R – V2-R، و

V2-3 = V2-R – V3-R،

مستقیماً به دنبال آن است

V1-3 = V1-2 + V2-3.

• قانون ولتاژهای افزایشی

“برای یک مجموعه معین از ۳ سیم ترموکوپل، A، B، و C، که همگی اختلاف دمای یکسانی را اندازه گیری می کنند T ₁ – T₂، ولتاژ اندازه گیری شده توسط سیم های A و C باید برابر با مجموع ولتاژ اندازه گیری شده توسط سیم های A و B و ولتاژ اندازه گیری شده توسط سیم های B و C”.

تنظیم زیر را در نظر بگیرید، که در آن شش اتصال حرارتی نشان داده شده است، سه در حمام دمای ثابت T₁، و سه در حمام دمای ثابت T₂. همانطور که در بالا، حروف A، B، و C نشان دهنده انواع مختلف سیم های ترموکوپل هستند.

 

قانون ولتاژهای افزایشی را می توان به صورت ریاضی بیان کرد:

V1-2 (سیم A و C) = V1-2 (سیم A و B) + V1-2 (سیم B و C)

یا، تنظیم مجدد از نظر تفاوت ولتاژ،

V1-2 (سیم A و B) = V1-2 (سیم A و C) – V1-2 (سیم B و C).

ترموپیل

یک thermopile به عنوان چندین ترموکوپل متصل به صورت سری تعریف می شود. برای مثال، یک ترموپیل با سه اتصال حسگر در زیر است:

 

با افزایش T₂، ولتاژ خروجی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. مزیت ترموپیل (در مقایسه با تنها یک اتصال حسگر) افزایش حساسیت است.

در اینجا، ولتاژ خروجی سه برابر ولتاژی است که تنها توسط یک ترموکوپل در شرایط مشابه تولید می شود، همانطور که در زیر به تصویر کشیده شده است:

 

با اتصالات حسگر کافی، ترموپیل در واقع می تواند ولتاژ مفیدی تولید کند. به عنوان مثال، ترموپیل ها اغلب برای کنترل دریچه های قطع کننده در کوره ها استفاده می شوند.

همچنین بخوانید: اصول ترموکوپل & سنسورهای RTD

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.