ترموکوپل چیست؟ انواع، اصول کار و تفاوت با Pt100

ترموکوپل (Thermocouple) سنسور دمایی ساده و مقاومی است که از اتصال دو فلز غیرهم‌جنس ساخته می‌شود و با تغییر دما، ولتاژ بسیار کوچکی (در حد میلی‌ولت) تولید می‌کند. ترموکوپل‌ها به دلیل دامنه‌ی دمایی وسیع، سرعت پاسخ بالا و قیمت مناسب، رایج‌ترین سنسور دما در کوره‌ها، قالب‌ها و فرایندهای حرارتی صنعتی هستند. در این مقاله اصول کار، انواع ترموکوپل، تفاوت آن با سنسور Pt100 و نکات انتخاب را مرور می‌کنیم.

ترموکوپل چیست و چگونه کار می‌کند؟

وقتی دو سیم از دو فلز مختلف در یک نقطه به هم جوش داده شوند و این نقطه با نقطه‌ی دیگر مدار اختلاف دما داشته باشد، بین دو سیم یک اختلاف ولتاژ ایجاد می‌شود. این پدیده «اثر سیبک (Seebeck)» نام دارد. نقطه‌ی جوش‌شده را اتصال گرم (Hot Junction) می‌نامند که داخل محیط اندازه‌گیری قرار می‌گیرد، و سر دیگر سیم‌ها که به دستگاه می‌رسد اتصال سرد (Cold Junction) است.

ولتاژ تولیدشده فقط به اختلاف دمای دو نقطه بستگی دارد. به همین دلیل دستگاه خواننده (کنترلر یا ترانسمیتر) دمای اتصال سرد را هم اندازه می‌گیرد و آن را جبران می‌کند. این کار «جبران اتصال سرد (CJC)» نام دارد و اگر درست انجام نشود، عدد نمایش‌داده‌شده خطا خواهد داشت.

انواع ترموکوپل

ترموکوپل‌ها با حرف نام‌گذاری می‌شوند و هر نوع از ترکیب فلز مشخصی ساخته می‌شود. محدوده‌های زیر مقادیر تقریبی رایج هستند و محدوده‌ی دقیق به جنس غلاف و قطر سیم هم بستگی دارد:

رنگ روکش و سیم هر نوع در استانداردهای مختلف (IEC و ANSI) متفاوت است؛ بنابراین هنگام سیم‌کشی همیشه نوع ترموکوپل را از پلاک یا برگه‌ی فنی بخوانید و فقط به رنگ سیم اکتفا نکنید.

ترموکوپل یا Pt100؟ تفاوت‌ها

انتخاب بین ترموکوپل و سنسور مقاومتی Pt100 (RTD) یکی از رایج‌ترین سوال‌ها در پروژه‌های دما است:

به طور خلاصه: برای دمای بسیار بالا یا پاسخ سریع به ترموکوپل و برای دقت و پایداری در دمای متوسط به Pt100 نگاه کنید. برای سیم‌کشی و عیب‌یابی Pt100 به مقاله‌های نحوه‌ی اتصال سنسور Pt100 و روش تست سنسور Pt100 مراجعه کنید.

دقت ترموکوپل و کلاس‌های استاندارد

در استاندارد IEC 60584 ترموکوپل‌ها در کلاس‌های دقت دسته‌بندی می‌شوند. برای مثال برای نوع K، کلاس ۱ خطای حدود ±۱٫۵ درجه یا ۰٫۴٪ و کلاس ۲ خطای حدود ±۲٫۵ درجه یا ۰٫۷۵٪ (هرکدام بزرگ‌تر باشد) دارد. در فرایندهای معمول صنعتی کلاس ۲ کافی است و کلاس ۱ برای دقت بیشتر انتخاب می‌شود.

ساختار ظاهری و نوع اتصال گرم

• اتصال زمینی (Grounded): سر ترموکوپل به غلاف جوش خورده است؛ پاسخ سریع‌تر ولی حساس به نویز الکتریکی.
• اتصال ایزوله (Ungrounded): سر ترموکوپل از غلاف جدا است؛ مقاوم در برابر نویز و حلقه‌ی زمین، کمی کندتر.
• اتصال باز (Exposed): سیم‌ها بدون محافظ در تماس با محیط‌اند؛ خیلی سریع ولی فقط برای گازهای تمیز و غیر خورنده.
• جنس غلاف: استیل ضدزنگ، اینکونل یا سرامیک بسته به دما و خوردگی انتخاب می‌شود.

خطاهای رایج در استفاده از ترموکوپل

• استفاده از سیم معمولی به جای کابل جبرانی (Compensating Cable) یا کابل هم‌نوع ترموکوپل؛ خطای اندازه‌گیری ایجاد می‌کند.
• معکوس بودن قطبیت سیم‌ها که باعث نمایش دمای کاهشی یا اشتباه می‌شود.
• نصب نادرست؛ نوک سنسور باید در تماس خوب با محیط یا قطعه باشد و عمق نصب کافی داشته باشد.
• پیر شدن و رانش با گذشت زمان در دمای بالا؛ باید در بازه‌های مشخص با دماسنج مرجع چک شود.
• نویز در کابل‌های بلند؛ در این حالت استفاده از ترانسمیتر دما نزدیک سنسور بهتر است.

وقتی فاصله‌ی سنسور تا تابلو زیاد است، ترانسمیتر دما سیگنال ترموکوپل را به ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر تبدیل می‌کند تا از خطای مسیر و نویز کاسته شود. برای آشنایی با نقش کنترلر در حلقه‌ی دما هم کنترلر دما چیست را ببینید.

نکات انتخاب ترموکوپل

• بیشینه‌ی دمای کاری: نوع ترموکوپل و جنس غلاف را بر اساس بالاترین دمای فرایند انتخاب کنید.
• محیط: اکسیدکننده، احیاکننده، خورنده یا خلأ؛ هرکدام محدودیت جنس دارند.
• سرعت پاسخ: قطر کمتر یا اتصال باز، پاسخ سریع‌تری می‌دهد.
• کلاس دقت: ۱ یا ۲ بر اساس نیاز فرایند.
• طول و نوع اتصال: طول غلاف، رزوه یا فلنج، و سر اتصال (Head).
• سازگاری با دستگاه: کنترلر یا ترانسمیتر باید از همان نوع ترموکوپل پشتیبانی کند.

سوالات متداول درباره‌ی ترموکوپل

ترموکوپل چیست؟

سنسور دمایی متشکل از دو فلز غیرهم‌جنس که بر اساس اثر سیبک با تغییر دما ولتاژ تولید می‌کند.

رایج‌ترین نوع ترموکوپل کدام است؟

نوع K؛ به دلیل دامنه‌ی دمایی وسیع و قیمت مناسب.

ترموکوپل بهتر است یا Pt100؟

بستگی به کاربرد دارد: ترموکوپل برای دماهای بالا و پاسخ سریع و Pt100 برای دقت و پایداری در دمای متوسط.

چرا ترموکوپل به کابل مخصوص نیاز دارد؟

چون خود سیم ترموکوپل ولتاژ تولید می‌کند؛ اگر سیم هم‌نوع یا جبرانی نباشد، اتصال‌های جدید خطا ایجاد می‌کنند.

جبران اتصال سرد چیست؟

اندازه‌گیری دمای انتهای سیم‌ها در دستگاه و اضافه‌کردن اثر آن به مقدار نهایی تا عدد درست نمایش داده شود.

جمع‌بندی

ترموکوپل با تکیه بر اثر سیبک، ساده‌ترین راه اندازه‌گیری دماهای بالا و سریع است. انتخاب نوع مناسب، کابل صحیح و جبران اتصال سرد، سه نکته‌ی کلیدی برای اندازه‌گیری دقیق است.

اسپیداد نماینده‌ی رسمی برند آلمانی جومو (JUMO) در ایران است. جومو در گروه سنسور و ترانسمیتر دما، سنسورهای مقاومتی و ترموکوپل و ترانسمیترهای دما را ارائه می‌دهد. برای مشاوره فنی و استعلام قیمت، درخواست خود را برای کارشناسان اسپیداد ارسال کنید.