سنسور ترموکوپل چیست؟

باسلام در این مقاله دروبسایت دیاکو قصدداریم به توضیح سنسور ترموکوپل و کاربردآن ونحوه اندازه‌گیری دما باترموکوپل‌ های امروزی را با جزئیات کافی بپردازیم تا بتوانید:

• ببینید سنسور ترموکوپل چیست و چگونه کار می کنند؟
• انواع اصلی ترموکوپل های موجود و نحوه استفاده از آنها را بیاموزید.
• درک کنید که چگونه ترموکوپل ها می توانند با سیستم DAQ شما ارتباط برقرار کنند.

دما با یک یا چند نوع سنسور دما اندازه گیری می شود. امروزه چندین مورد در بازار موجود است:

• سنسور ترموکوپل
• سنسورهای RTD
•  ترمیستور
• دمای مادون قرمز

ترموکوپل چیست؟

سنسور ترموکوپل  برای اندازه گیری دما استفاده می شود. ترموکوپل به دلیل هزینه نسبتا کم قابلیت تعویض محدوده اندازه گیری گسترده و قابلیت اطمینان سنسور بسیار محبوبی است.

ترموکوپل ها به طور گسترده در هر صنعتی استفاده می شوند. از اتوماسیون کارخانه و کنترل فرآیند گرفته تا خودروسازی هوافضا ارتش تولید انرژی تولید فلزات علوم پزشکی و تعداد بیشماری دیگر.

آنها انواع اتصال دهنده استاندارد دارند که آنها را قابل تعویض و منبع آسان می کند. در انتهای اندازه گیری سنسور آنها می توانند به سادگی دو فلز به هم پیچیده باشند. یا می توانند برای استفاده در محیط های صنعتی ناهموار در یک کاوشگر ناهموار محصور شوند.

اگرچه ترموکوپل ها بسیار محبوب هستند اما دقت بسیار بهتر از 1 درجه سانتیگراد را نمی توان به راحتی با آنها به دست آورد. اما صرف نظر از مزایای بسیاری که دارند، امروزه محبوب ترین نوع سنسور مورد استفاده برای اندازه گیری های صنعتی هستند.

انواع ترموکوپل

جفت شدن انواع مختلف فلزات طیف وسیعی از اندازه گیری را به ما می دهد. اینها “انواع ترموکوپل” نامیده می شوند و ما چندین مورد از آنها را می شناسیم:

انواع ترموکوپل های J، K، T و E به ترموکوپل های فلزی پایه نیز معروف هستند. انواع ترموکوپل های R، S و B به ترموکوپل های Noble Metal معروف هستند که در کاربردهای با دمای بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

ترموکوپل چگونه کار می کند؟

ترموکوپل ها بر اساس اثر Seebeck ساخته شده اند. که می گوید وقتی یک جفت فلز غیر مشابه در تماس با یکدیگر در هر انتها در معرض تغییرات دما قرار می گیرند پتانسیل ولتاژ کمی ایجاد می کنند. و آنها این کار را به صورت غیرفعال انجام می دهند یعنی نیازی به تغذیه با تهویه کننده سیگنال ندارند.

چه طور ممکنه؟ آیا ما از هیچ انرژی مجانی ایجاد می کنیم؟ نه – این فقط فیزیک است!

در نظر بگیرید که الکترون ها هم الکتریسیته و هم گرما را حمل می کنند. یک تکه سیم مسی خالی بردارید و دست خود را از یک طرف دور آن ببندید. الکترون‌ها که با گرمای پوست شما انرژی می‌گیرند از ناحیه‌ای که آن را لمس می‌کنید به سمت خنک‌تر دورتر از شما منتشر می‌شوند. و یک گرادیان دما در طول سیم ایجاد می‌کنند گرما به انرژی تبدیل شده است.

این پدیده در اصل توسط دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا (که ما او را “ولت” نامیدیم) در سال 1794 کشف شد. اما فیزیکدان آلمانی توماس یوهان سیبک آن را در سال 1821 دوباره کشف کرد.او مشاهده کرد که وقتی سیم های ساخته شده از دو فلز مختلف در هر انتها به هم متصل می شوند. و اختلاف دما بین این انتها وجود داشت پتانسیل ولتاژ کمی در اتصالات ایجاد شد.

ما این پتانسیل را ولتاژ Seebeck و ایجاد این پتانسیل از انرژی حرارتی را “اثر Seebeck” می نامیم. بر اساس مشاهدات Seebeck در 200 سال پیش فیزیکدانان می توانند ضریب Seebeck را تعیین کنند. یعنی مقدار ولتاژ ترموالکتریکی که توسط اختلاف دما در یک ماده مشخص القا می شود.

در ادامه

ترموکوپل تغییرات دما را با یک جفت فلز غیرمشابه در تماس با یکدیگر تشخیص می دهد.
دهه‌ها تحقیق آزمایش و خطا منجر به درک امروزی شده است که وقتی آنها را برای ایجاد یک ترموکوپل جفت می‌کنیم بهترین نتایج را به ما می‌دهند. ترکیب های مختلف محدوده های اندازه گیری موثر متفاوتی را ارائه می دهند. و البته هر فلز دارای خواص محیطی است که بیشتر تعیین می کند که کجا و چگونه می توان از آنها استفاده کرد.

علم پشت ترموکوپل‌ها در حال حاضر کاملاً بالغ است، و ما امروزه «انواع» استاندارد صنعتی را در بازار داریم، مانند نوع K که فلزات کروم و آلومل را جفت می‌کند و محدوده اندازه‌گیری بسیار وسیعی را ارائه می‌دهد.

خیلی ساده به نظر می رسد – یک جفت سیم ترموکوپل را بردارید و یک سر آن را به سیستم DAQ یا یک ولت متر وصل کنید و شروع به اندازه گیری دما کنید، درست است؟ خوب کمی بیشتر از آن وجود دارد.

برای تبدیل خروجی سنسور ترموکوپل به دمای قابل استفاده دو مرحله دیگر باید انجام شود:

• جبران سرمای اتصال 
• خطی سازی

جبران خسارت اتصال سرد (CJC)

برای انجام یک اندازه گیری مطلق ترموکوپل باید به دمای شناخته شده در انتهای دیگر کابل های سنسور “ارجاع” شود. در قدیم این مرجع یک حمام یخی از آب مقطر تقریبا منجمد بود که دمای آن 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) است. اما از آنجایی که حمل آن راحت نیست روش دیگری با استفاده از یک ترمیستور کوچک یا RTD محافظت شده از محیط برای اندازه‌گیری دمای محیط ایجاد شد. به این “جبران اتصال سرد” یا CJC می گویند.

“اتصال گرم” انتهای اندازه گیری مجموعه ترموکوپل است و انتهای دیگر “اتصال سرد” با نام اتصال ترموکوپل مرجع است که تراشه CJC در آن قرار دارد. بنابراین اگرچه دمای اتصال سرد می تواند متفاوت باشد اما مرجع شناخته شده ای را ارائه می دهد. که توسط آن سیستم اندازه گیری می تواند دما را در انتهای اندازه گیری سنسور با دقت بسیار خوب و قابل تکرار بدست آورد.

خطی سازی

خروجی ولتاژ کوچک سنسور ترموکوپل خطی نیست یعنی با تغییرات دما به صورت خطی تغییر نمی کند. خطی سازی را می توان توسط خود تهویه کننده سیگنال یا با استفاده از نرم افزارهای در حال اجرا در داخل سیستم DAQ انجام داد.

چالش ها و راه حل های اندازه گیری ترموکوپل

با توجه به خروجی بسیار کوچک میکروولت و میلی ولت این سنسورها نویز الکتریکی و تداخل زمانی که سیستم اندازه گیری ایزوله نباشد ممکن است رخ دهد. دستگاه‌های Dewesoft DAQ این مشکل را با استفاده از تهویه سیگنال دیفرانسیل برطرف می‌کنند. تقریباً تمام ماژول‌های تهویه سیگنال Dewesoft علاوه بر دیفرانسیل بودن از نظر گالوانیکی ایزوله می‌شوند. اینها بهترین راه‌ها برای رد ولتاژهای معمولی هستند که وارد زنجیره سیگنال می‌شوند.

راه دیگر برای کاهش نویز این است که دیجیتایزر را تا حد امکان نزدیک به سنسور قرار دهید. اجتناب از خطوط سیگنال طولانی یک استراتژی اثبات شده برای به حداکثر رساندن وفاداری سیگنال و کاهش هزینه ها است. 

CJC ناکافی منجر به خوانش اشتباه می شود. این مجموعه باید از تغییرات دمای محیط محافظت شود تا یک مرجع جامد ارائه شود. Dewesoft از یک تراشه CJC مجزا برای هر کانال در CJCهای پیشرفته خود استفاده می کند .که از یک بلوک جامد آلومینیومی آسیاب شده و برای رسیدن به بهترین مرجع ممکن دقیقاً مونتاژ شده اند.

سیم‌های ترموکوپل گران‌تر از سیم‌های مسی ساده هستند. و دلیل دیگری برای قرار گرفتن محل اتصال سرد تا حد امکان به منبع سیگنال ارائه می‌کند (در حالی که هنوز از نوسانات شدید دمای محیط جلوگیری می‌شود).

کاربردهای ترموکوپل

دما اندازه گیری شده ترین ویژگی فیزیکی در جهان است. و ترموکوپل ها محبوب ترین سنسور برای اندازه گیری دما هستند. بنابراین میلیون ها و میلیون ها برنامه کاربردی برای ترموکوپل ها در هر صنعت و بخش وجود دارد. اینجا تنها تعداد کمی از آنها هستند:

• نیروگاه های برق (دما نشانگر گرمای بیش از حد قطعات است)
• لوازم خانگی که در آن ترمیستورها کافی نیستند.
• کنترل فرآیندهای صنعتی و اتوماسیون کارخانه
• تولید مواد غذایی و آشامیدنی
• کارخانه های پردازش فلزات و خمیر و کاغذ
• پایش و مطالعات محیطی
• تحقیق و توسعه علمی (R&D)
• تولید و آزمایش لوازم دارویی و پزشکی
• سیستم‌های خودرو و برنامه‌های آزمایش آزمایش هوای سرد و گرم تست ترمز تست ADAS تجزیه و تحلیل احتراق و غیره
• سیستم های موتور هواپیما و موشک و آزمایش
• ساخت و آزمایش ماهواره و فضاپیما

مزایا و معایب سنسور ترموکوپل

مزایای  سنسور ترموکوپل

• خود نیرو (منفعل)
• ساده برای استفاده
• قابل تعویض و اتصال آسان
• نسبتا ارزان

طیف گسترده ای از پروب های ترموکوپل موجود است:

• محدوده دمایی گسترده در انواع مختلف
• قابلیت دمای بالاتر نسبت به سایر سنسورها
• تحت تأثیر مقاومت کاهش یا افزایش نمی یابد.

معایب سنسور ترموکوپل

• خروجی نیاز به خطی سازی دارد.
• یک اتصال “مرجع سرد” CJC مورد نیاز است.
• خروجی های ولتاژ پایین مستعد نویز هستند.
• به اندازه RTD ها پایدار نیست.
• به اندازه RTD ها دقیق نیست.

انتخاب سنسور ترموکوپل مناسب برای برنامه شما

برای انتخاب سنسور مناسب برای اندازه گیری خود مهم است که به تعدادی از عوامل مختلف توجه کنید:

حداکثر و حداقل دمایی که باید اندازه گیری کنید چقدر است؟

بودجه چقدر است؟

چه محدوده دقت مورد نیاز است؟

در چه فضایی استفاده خواهد شد؟ (اکسید کننده، بی اثر و غیره)

طول عمر سنسور قابل استفاده مورد نیاز چقدر است؟

پاسخ مورد نیاز چیست (با چه سرعتی باید به تغییرات دما واکنش نشان دهد)؟

استفاده از ترموکوپل دوره ای خواهد بود یا پیوسته؟

آیا ترموکوپل در طول عمر خود در معرض خم شدن یا خم شدن قرار می گیرد؟

 در آب غوطه ور می شود و تا چه عمقی؟

بر اساس پاسخ به این سوالات و ارجاع به جدول انواع ترموکوپل در بالا، باید بهترین سنسور(های) کلی را برای برنامه خود انتخاب کنید.

 

دیگر مقاله های ما: دتکتور گاز/پرکاربرد ترین سنسورها

اینستاگرام ما

راسا الکترونیک دیاکو