اساس کار ترموکوپل ها

از ترموکوپل همواره به عنوان عنصر حس کننده در سنسور حرارتی ویا سویئچ حرارتی استفاده می شود. اصول کاری ترموکوپل براساس دو فلز غیرمشابه است که بین آنها نقطه اتصال کوچکی ایجاد شده وبا تغییر دمای محیط اختلاف پتانسیل نقطه اتصال تغییر می کند. اختلاف پتانسیل نقطه اتصال برای یک نقطه اتصال قابل اندازه گیری نیست اما زمانی که دو نقطه اتصال در یک مدار قرار گیرند به طوری که هر یک از دو نقطه اتصال در دمای متفاوت با دیگری قرار داشته باشد آنگاه ولتاژی در حد چند میلی ولت بین آن دو نقطه ایجاد می شود. شکل زیر چگونگی اتصال و قرار گیری دو فلز غیر هم جنس و ایجاد ترموکوپل را نشان می دهد کهمیزان اختلاف پتانسیل ایجاد شده و چگونگی قر ائت آن بین دو نقطه گرم و سرد را نشان می دهد.

در صورتی که دو نقطه اتصال در محیطی با دمای یکسان قرار داشته باشد ولتاژ مزبور افزایش خواهد یافت تا اینکه به مقدار نهایی ولتاژ برسد.منحنی مشخصه نمونه نشاندهنده این است که ترموکوپل به دلیل رفتار غیرخطی مشخصه وحالت معکوسی که در دماهای بالاتر از دمای نقطه بازگشت برای مشخصه پیش می آید تنها در فاصله دمایی محدودی دارای کاربرد مفید است.

ترموکوپل از اثر سی بک استفاده می کنند که از نظر تئوری بیانگر معادله EMF زیر است: در این معادله c,b,a ثابتهایی هستند که به نوع فلزات به کار رفته در ترموکوپل بستگی دارند و اختلاف دمای بین آنهاست. اگر اتصال نقطه سرد در 0C نگهداشته شود آنگاه معادله EMFخواهد شد. که در آلفا و بتا ثابتهای اندازه گیری شده برای زوج فلزها هستند و T اختلاف دما می باشد. در دمای پایین تر ازدمای نقطه انتقالی مقدار a معمولا کوچک است به طوری که EMF تقریبا به طور مستقیم متناسب با اختلاف دماست. شکل زیر منحنی تغییرات EMF برای تعدادی از ترموکوپل های رایج در صنعت را نشان می دهد.

باید توجه داشت هر مدار عملی شامل یک ترموکوپل دارای بیش از دو نقطه اتصال از فلزات متفاوت خواهد بود و مدارات بایستی بگونه ای طراحی شوند که تنها اتصالات مورد نظر در دماهای متفاوت قرار گیرند. خروجی یک ترموکوپل دارای دامنه کوچکی است به طوری که برای اختلاف دمای 10C مقدار خروجی در محدوده چند میلی ولت می باشد جدول زیر نشان دهنده مقادیر نمونه نیروی محرکه الکتروموتوری (EMF) برای چند نمونه فلز و آلیاژ در حالتیکه فلز دوم ترموکوپل پلاتین باشد آورده شده است.

جدول زیر نشان دهنده مقادیر EMF اختلاف دما برای سه نوع ماده رایج ترموکوپل فهرست شده است. از انواع ترموکوپل های نوع مس کنستانتان عمدتا برای محدوده دماهای پایین تر ونوع پلاتین/ رادیم برای دماهای بالاتر مورد استفاده قرارمی گیرد و نشان دهنده محدوده مفید اختلاف دما و مقادیر EMF برحسب mV است، در شرایطی که انتهای سرد ترموکوپل در دمای صفر درجه قرار دارد.

همانطور که دیده می شود به دلیل اینکه ولتاژ خروجی ترموکوپل پایین است بایستی سیگنال خروجی ترموکوپل تقویت دامنه شود. مگر در مواردی که از ترموکوپل به همراه یک میلی ولت متر حساس برای اندازه گیری دما استفاده می شود.اگر نیاز به این باشد که از خروجی ترموکوپل برای راه اندازی چیزی بیشتر تراز حرکت عقربه استفاده شود در ان صورت لازم است با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی ویا تقویت کننده چاپر آن را تقویت DC کنیم.نوع تقویت کننده ای که لازم است بایستی بدقت انتخاب شود زیرا بایستی دارای پایداری جریان شنتی مطلوبی باشد مگر اینکه امکان تنظیم مجدد تقویت کننده به طور مکرر فراهم باشد. در چنین شرایطی تقویت کننده چاپر برای اغلب موارد ترجیح داده می شود. امتیاز خاص ترموکوپلها این است که قسمت حس کننده آن خودشان خیلی کوچک است وامکان این هست که ترموکوپلها در فضاهای خیلی کوچک جاسازی شوند و بتوان پاسخ مناسبی را نسبت به تغیرات سریع دما دریافت کرد. طبیعت الکترونیکی وروش کار به صورتی است که مدارات لازم برای خواندن خروجی ترموکوپل را می توان در فاصله دورا زخود سنسور نصب کرد. بایستی توجه داشتکه در هر جا که یک فلز هادی با یک فلزهادی دیگر تماس داشته باشد اثرات ترموکوپل ظاهر می شود به گونه ای که اختلاف دماهای موجود در مدار چاپی نیز میتوانند باعث تغییر در مقدار ولتاژ خروجی ترموکوپل هایی بشوند که ولتاژشان با آنها قابل مقایسه است. بنابراین شکل ساختمان تقویت کننده هایی که برای ترموکوپلها استفاده می شوند بسیار مهم است وبه نوعی تنظیم صفر نیاز دارند. کاربرد عملی ترموکوپلها در صنعت موارد استفاده زیادی دارند به طوری که به عنوان یکی از مهمترین سنسور های دما به کار می روند. از میان بسیاری از ترکیبات ممکن فلزات برای تشکیل ترموکوپل تنها تعداد کمی از آنها دارای رفتار خطی مناسب ومقاومت قابل توجه در مقابل دمای زیاد هستند. ذیلا تعدادی از این ترموکوپل ها که استفاده بسیار زیادی در صنایع دارند بهمراه آلیاژ تشکیل دهنده آنها آورده شده است. نوع S: استفاده از %90 پلاتین %10 آلیاژ رادیم و پلاتین خالص به عنوان فلز دوم. نوع R: با استفاده زا %87 پلاتین،%13 آلیاژ رادیم و پلاتین خالص به عنوان فلز دوم. نوع :K (کرمل-آلومل) با استفاده از آلیاژهای نیکل-کرم ونیکل- الومینیوم. نوع T: (مس-کنستانتان) با استفاده از آلیاژهای مس ومس- نیکل. نوع E: (کرم-کنستانتان) با استفاده از آلیاژهای نیکل-کرم ومس-نیکل نوع J: (آهن-کنستانتان) با استفاده از آلیاژهای آهن و مس-نیکل در جدول زیر رایج ترین انواع ترموکوپلها به همراه حروف و کد مربوط به آنها و همچنین رنج دمایی آنها آورده شده است.

این موارد شامل دو گروه هستند انواع فلز پایه مانند آهن-کنستانتان وانواع فلزات مرغوب مانند پلاتین رادیم-پلاتین. ترموکوپلهای ازجنس فلز مرغوب این نامگذاری به دلیل مقاومت آنها در مقابل همه اسیدها شناخته شده است در دماهای بالاتر کاربرد دارند اما ولتاژ خروجی آنها کم است وبه منظور جلوگیری از خرابی ناشی از اکسیدشدن بایستی آنها را روکش کرد. ترموکوپل هایی که از فلز آهن به عنوان یکی از دو جنس سیم استفاده می کنند بایستی در مقابل زنگ زدن وبه طور کلی هر نوع اکسیداسیون محافظت شوند. تفاوتهای بین اندازه گیری دما با ترموکوپل و دیگر وسایل اندازه گیری دما همواره مورد تایید قرار نمی گیرد. اندازه گیری توسط ترموکوپل همواره به صورت یک اندازه گیری تفاضلی است بدین صورت که اختلاف دمای بین اتصال سرد با همان اتصال مرجع یادمای اتصال گرم و یا اتصال اندازه گیری را محاسبه می کند. اگر هیچ کدام از فلزات مورد استفاده در ترموکوپل از همان جنس فلز کابلهای رابط نباشند دومجموعه اتصال جدید به وجود خواهد آمد. جهت اطلاعات بیشتر به مقاله کابل های رابط و جبران ساز ترموکوپل ها مراجعه شود. جداول مورد استفاده برای ترموکوپل با این فرض تهیه شده اند که اتصال مرجع همواره در دمای 0C قرار دارد. در عرصه صنعت این فرض بندرت واقعیت پیدا می کند و بنابراین برای اینکه داده های فوق کارایی داشته ب اشد بایستی جبران سازیهایی انجام شود به طوری که قرائت خروجی ترموکوپل براساس دمای حقیقی نقطه مرجع اتصال ترموکوپل صورت بگیرد. روش معمول جبران سازی اتصال سرد را میتوان در قسمت تقویت کننده/ خروجی ابزار به کاربرد برای تشخیص دما در اتصال ویا اتصالات مرجع از یک سیم پیچ فلزی و یا یک ترمیستور استفاده می شود وخروجی حاصل از این سنسور به منظور تصحیح اثر به یک طبقه جمع کننده داخل ابزار اعمال میشود. این روش براحتی در تجهیزات مجهز به میکروکنترلر توسط یک جدول تصحیح مقادیر که در یک حافظه ROM نگهداری می شود قابل انجام است اما در روشهای قدیمی آنالوگ عمل فوق با استفاده از یک طبقه جمع کننده انجام می شد. عموما قرارگیری نقطه گرم یا همان نقطه اندازه گیری ترموکوپل ها در غلاف محافظتی به سه نوع مختلف تقسیم می شوند. که بستگی به محل قرارگیری ترموکوپل و یا نیاز به فرمان پاسخ دهی کمتر متغییر است در شکل زیر این سه نوع نشان داده شده است.