ترموکوپل چیست؟ (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 8)

ترموکوپل (Thermocouple) یک سنسور دمایی است که بر اساس پدیده ترموالکتریک کار می‌کند. پدیده ترموالکتریک هنگامی رخ میدهد که دو فلز متفاوت در یک نقطه به هم متصل شوند و این نقطه حرارت ببیند، در این هنگام ولتاژی متناسب با اختلاف دما در دو سر آزاد سیم‌ها ایجاد می‌شود. این ولتاژ بسیار کوچک است اما با استفاده از مدارهای الکترونیکی قابل اندازه‌گیری و تبدیل به دمای دقیق می‌شود. در این مقاله میخواهیم روش های مختلف اندازه‌گیری این ولتاژ را شرح دهیم.

مبدل دما چیست؟ انواع آن کدامند؟

مبدل دما یا Temperature Transducers دستگاهی است که کمیت حرارتی را به هر کمیت فیزیکی مانند انرژی مکانیکی، فشار و سیگنال های الکتریکی و غیره تبدیل می کند. به عنوان مثال، در ترموکوپل اختلاف پتانسیل الکتریکی به دلیل اختلاف دما در پایانه های آن ایجاد می شود. بنابراین، ترموکوپل یک مبدل دما است.

مطالعات در زمينه سوخت، انرژی خورشيدی، موتورهای جديد و نيز صرفه جويی در انرژی، از بخش های بسيار مهم و فعال مراكز تحقيقاتی می­ باشد. در تمامی موارد ياد شده، اندازه گيری دقيق دما نيز از اهميت خاصی برخوردار است. در كليه كارخانجات توليدی، مستقل از نوع توليد، نوعی فرایند­های حرارتی نیز وجود دارد كه جهت اندازه گيری، نمايش و كنترل دما به مبدل ­های دما نياز دارند.

در اين قسمت، چهار نوع مبدل دما كه نسبت به ديگر مبدل­ ها رايج ­تر هستند، به ترتيب زير معرفی و مورد بحث قرار خواهند گرفت:

• ترموكوپل
• RTD
• سنسور ترميستور
• سنسور دمای مدار مجتمع

مزايا و معايب كلي اين چهار نوع سنسور (مبدل)، در جدول زير مقايسه شده است:

شکل (1). بررسی مزایا و معایب انواع مبدل (سنسور) دما

 

ترموکوپل چیست؟

ترموكوپل (Thermocouple) یک حسگر تشخیص دما است. وقتي دو سيم فلزي و غیر هم جنس، از دو انتها به يگديگر متصل شوند و انتهاي دیگر آن ها حرارت داده شود، جريانی پيوسته در مسير “ترموالكتريك” اين دو سيم به وجود مي­ آيد. اين سیستم توسط توماس سيبك (Thomas Seebeck) در سال 1821 ساخته شد و “ترموکوپل” نام گرفت:

شکل (2). طرحی ساده از سیستم “ترموکوپل” (Thermocouple)

 

اگر اين مدار از وسط قطع شود، ولتاژ اين مدار (ولتاژ سيبك)؛ تابعي از درجه حرارت نقطه تماس و اتصال دو سيم فلزي مي ­باشد. اما نمي­ توان اين ولتاژ را به صورت مستقيم اندازه گيري نمود، چون با اتصال یک ولت متر به ترموكوپل در محل اتصالات، يك مدار ترموالكتريك ايجاد مي­ شود.

شکل (2). طرح ساده ای از مدار”ترموالکتریک” (Thermoelectric)

 

اگر يك ولت متر(Voltmeter) به ترموكوپل مس-كنستانتان (نوع T) وصل شود، با مشاهده ولتاژ خروجي مشخص می شود كه ولتاژ قرائت شده تنها ولتاژ V₁ نیست. بلكه علاوه بر نقطه تماس J₁، دو نقطه تماس ديگر J₂ و J₃ ايجاد شده، اين دو اتصال اضافي در شكل زير نمایش داده شده است.

اتصال J₂، يك اتصال مس به كنستانتان است كه ولتاژ V₂ را در خلاف جهت ولتاژ، افزایش می دهد. در نتيجه ولتاژ قرائت شده توسط ولت متر، متناسب است با اختلاف دماي بين اتصالات J₁ و J₂. اين تناسب به اين معنا است كه تا دماي نقطه J₂ مشخص نباشد، نمي­ توان دماي اتصال J₁ را تعيين کرد.

شکل (3). ولت متر در ترموكوپل مس-كنستانتان

يك روش براي تعيين دماي اتصال J₂ اين است كه اين نقطه اتصال را به صورت فيزيكي در يك ظرف محتوي آب و يخ قرار دهيم. با این روش، دماي اتصال J₂ را به صورت غیرطبیعی، صفر قرار داده ايم كه اين خود به معنای نقطه مرجع می باشد.

شکل (4). تقطه اتصال ترموکوپل در یخ : نقطه مرجع

باید به این نکته نیز توجه داشت كه ولتاژ مربوط به اتصال در محلول يخ، صفر نيست بلكه تابعي از دماي مطلق مي­ باشد. حال با داشتن اتصال مرجع در محلول يخ، ولتاژ خروجي ولت متر V، نسبت به صفر درجه سانتي گراد خواهد بود.

اين روش بسیار دقيق است، به این علت که دماي محلول يخ را مي توان هميشه به آسانی و به صورت يكسان به دست آورد. نقطه مرجع محلول يخ، را سازمان ملي استاندارد (NBS) به عنوان نقطه مرجع پايه براي تمامي جداول ترموكوپل، اعلام کرده است. بنابراين با مراجعه به جداول اين سازمان، مي­ توان به سادگی، ولتاژ را به دماي اتصال مورد نظر T_j1 تبديل کرد.

با استفاده از يك ترميستور (Thermistor) كه مقاومت آن (R_T) تابعي از دما ­باشد، مي ­توان راهي براي اندازه گيري دماي اتصال ولت متر پيدا کرد. همان گونه که در شكل زير مشاهده می شود، ترميستور و اتصالات ولت متر به ترموكوپل، همگي در محفظه ای با دماي يكسان قرار داده شده ­اند و با استفاده از يك ولت متر ديجيتالي تحت كنترل كامپيوتر، مي توان به آسانی:

• R_T را اندازه گرفت و دماي مرجع T_ref را محاسبه نمود و سپس آن را به ولتاژ معادل نقطه مرجع V_ref تبديل کرد.
• ولتاژ V را اندازه گيري کرد و با كسر  V_ref از آن، V₁ را محاسبه نمود و سپس آن را به T_j1 تبديل کرد.

شکل (5). اتصال ترمیستور (Thermistor) و ولت متر (Voltmeter) به ترموکوپل

 

اين روش به عنوان “تصحيح نرم افزاري“ شناخته مي ­شود، زیرا بر اساس برنامه ای كامپيوتري كه اثر اتصال نقطه مرجع را جبران مي­ كند، استوار است. سنسور دماي به كار گرفته شده در محفظه ايزوترمال، مي ­تواند هر دستگاهی كه با دماي مطلق، نسبت مستقيم دارد، مانند RTD، ترميستور و يا سنسور مدار مجتمع باشد.

حال اين سئوال مطرح می شود كه اگر وسيله ­ای در دسترس باشد كه بتواند دمای مطلق را اندازه گيری كند، آیا باز هم نيازی به استفاده از ترموكوپل ایجاد می شود تا اتصال مرجع آن را جبران سازی نماید؟

جواب اين است كه هر سنسور دما، در يك محدوده دمايی خاص، كار می ­كند اما ترموكوپل و انواع آن برای دامنه های وسيعی از دما مناسب می­ باشند. از طرف ديگر، ترموکوپل ها براي شرايط محيطی سخت موجود در اغلب محيط­ های صنعتی مناسب بوده و نصب آن ها نيز با شرايط محيطی سازگار است. برای مثال، ترموكوپل را می ­توان با جوشكاری به يك قسمت فلزی يا اتصال به يك پيچ، مورد استفاده قرار داد. هم چنين می­ توان آن ها را در محل و با جوشكاری و يا لحيم­ كاری ساخت. به دلیل استفاده گوناگون از ترموكوپل و تكنيك ­های فراوان موجود جهت جبران نقطه مرجع، اين کار، بسيار ساده و عادی به نظر می­ رسد.

در ضمن، استفاده از ترموكوپل زمانی که اندازه­ گيری چندين نقطه مورد نظر باشد؛ مناسب به نظر می رسد. در چنين حالتی، تنها يك محفظه ايزوترمال، جهت جبران نقطه مرجع نياز می ­باشد. به گونه ای که در شكل زير مشاهد می شود، با استفاده از يك سوئيچ ترتيبی، در هر لحظه تنها يك ترموكوپل به ولت متر متصل شده و تمامی نقاط مرجع، درون يك محفظه ايزوترمال قرار می گیرند و تنها از يك سنسور دمای مطلق كه در وسط محفظه نصب می ­شود؛ استفاده شده است. در اين حالت نیز، مستقل از نوع ترموكوپل­ ها از روش جبران­ سازی حرارتی نرم افزاری استفاده مي ­شود.

شکل (6). روش جبران­ سازي حرارتي نرم افزاري در ترموكوپل

جبران سازی سخت افزاری، روشی متفاوت از روش جبران­ سازی نرم افزاری است که در آن، می ­توان از يك باطری، جهت خنثی نمودن ولتاژ آفست مربوط به نقطه مرجع استفاده نمود. ولتاژ جبراني e، تابعی است از مقاومت سنسور دمای مطلق R_T.

شکل (7). روش جبران­ سازی حرارتی سخت افزاری در ترموكوپل

نام ديگر برای اين روش، “نقطه انجماد مرجع الكترونيكی” می ­باشد. مدار الكترونيكی اين روش، براي ولت مترها و انواع ترموكوپل­ ها به صورت تجاری، موجود می­ باشد. از معایب اصلي اين روش اين است كه برای هر ترموكوپل، يك مدار واحد و منحصر به فرد، مورد نياز است. اما مزيت اصلي روش سخت افزاری، سرعت بيش تر آن است. زیرا در آن، دو مرحله از عمليات محاسبات كامپيوتری حذف می­ گردد.

شکل (8). روش جبران­ سازی حرارتي سخت افزاری (نقطه انجماد مرجع الكترونيكي) در ترموكوپل

برای نمونه مدار عملی، می توان AD594/AD595 از Analog Devices كه تقويت كننده ای عملياتی كامل و با مدار جبران كننده اتصال مرجع و به صورت مدار مجتمع می ­باشد؛ را معرفی نمود. اين مدار، شامل مرجع نقطه انجماد با تقويت كننده ای از قبل كاليبره شده است که براي توليد ولتاژ خروجی 10 ميلی ولت به ازاء هر درجه سانتی گراد به صورت مستقيم از ترموكوپل ساخته شده است. اين آی سی دارای آلارم اعلام خرابی ترموكوپل نیز می باشد كه با باز شدن يكی از اتصالات آن انجام می شود. اين آی سی را می توان با استفاده از يك ولتاژ معمولي 5+ ولتی و يا از يك ولتاژ دوبل 5-/+ ولتی تغذيه نمود.

AD594 برای ترموكوپل نوع J (آهن – كنستانتنان) و AD595 برای ترموكوپل نوع K (كرم – آلومل) كاليبره شده ­اند.

شکل (9). مدار AD594/AD595 در ترموكوپل

در اين مدار می ­توان با اضافه كردن دو يا سه مقاومت، ولتاژ مبدل دما و بهره (گين) را، برای انواع گوناگونی از ترموكوپل، دوباره كاليبره کرد. سه نكته را می­ بايد برای استفاده از اين مدار در نظر داشت:

• اول، اتصال سيم آهن يا كرم به پين شماره يك اين آی سی و در عين حال به پايه مشترك (Common) می­ باشد.
• دوم، اتصال خروجی است كه از پايه های شماره 8 و 9 گرفته می ­شود.
• سوم، چون خروجي ترموكوپل غير خطی است؛ اين آی سی، به نحوی، عمل تقويت سيگنال را انجام می­ دهد تا تقريباً  mV/˚C 10، حاصل شود. خروجی دقيق برای اين آی سی، در جدول زير نمایش داده شده است:

شکل (10). خروجی آی. سی. AD594/AD595 در ترموكوپل

به دليل غير خطی بودن سيگنال خروجی ترموكوپل، موسسه ملی استاندارد، جداولی را برای انواع گوناگون ترموكوپل ارائه نموده است كه برای مثال، جدول زير مربوط به ترموكوپلی از نوع J می­ باشد:

شکل (11). اتصالات خروجی ترموكوپل J

با قرار دادن مقادير اين جداول در كامپيوتر، می­ توان با قرائت ولتاژ خروجی و مراجعه به اين جداول، درجه حرارت اندازه گيری شده را تعيين نمود. اما در صورت كمبود فضاي حافظه می ­توان با استفاده از منحنی غير خطی دما، نسبت به ولتاژ يك تا چند جمله ای، به صورت زير تقريب زد:

که در آن:

T  =  دما

x = ولتاژ ترموكوپل

a = ضرايب چند جمله ­ای كه برای هر ترموكوپل منحصربه فرد می­ باشد.

n = توان حداکثری چند جمله­ ای

هر چه n افزايش پيدا کند، دقت چند جمله ای نیز افزايش می یابد. برای مثال، ضريب n=9، معادل دقت +/-1˚C می­ باشد.

جدول زير مثالی از ضرايب چند جمله ­ای برای خطی سازی نرم افزاری يك سيستم ثبت اطلاعات می ­باشد:

شکل (12). ضرايب چند جمله ­ای برای خطی سازی نرم افزاری يك سيستم

همان گونه كه بیان شد، جهت اندازه گيری سيگنال خروجی ترموكوپل، باید از ولت متر ديجيتالی استفاده کرد که در جدول زير، دقت مورد نياز برای اندازه گيری ترموكوپل­ های گوناگون، ارائه شده است:

شکل (13). دقت اندازه گيری ترموكوپل­ های گوناگون

به گونه ای که مشاهده می شود، حتي براي ترموكوپل نوع K كه بسیار رايج بوده نیز ولت متر باید قابليت اندازه گيري 4 ميكروولت را داشته باشد تا بتوان دما را با دقت 0.1 درجه سانتي گراد اندازه گيري نمود. اما بايستي توجه کرد كه اين ولتاژ با اين دامنه كم، می تواند به شدت تحت تاثير نويز باشد. بنابراین در طراحي سيستم­ هاي ابزاردقيق، تكنيك ­هاي حذف نويز از اهميت خاصي برخوردار هستند.

به صورت خلاصه، به نكات مهمی را که باید در رابطه با سيستم­ هاي داراي ترموكوپل رعايت نمود؛ اشاره می شود:

1. در محدوده اندازه گيری دما، بزرگ ترين سيمی که موجود است را به کار ببرید تا خطای كم تری ایجاد شود.
2. اگر سيم با طول کم، مورد نياز است، فقط آن را در محدوده اندازه ­گيری به کار ببرید و از سيم معمولی برای محيطی كه باید دمای آن اندازه ­گيری شود؛ استفاده نماييد.
3. از ايجاد تنش و لرزه مكانيكی كه باعث ایجاد كرنش در سيم می ­گردد، خودداري كنيد.
4. وقتي از سيم بلند برای ترموكوپل استفاده می­ كنيد، سيم شيلد را به ترمينال زمين ولت متر ديجيتالی وصل نموده و از زوج سيم به هم تابيده و جهت اتصال استفاده كنيد.
5. سعی كنيد از سيم ترموكوپل در دامنه مرتبط با فعالیت، استفاده كنيد.
6. از مبدل A/D ، حفاظت شده داخلی (Integrating) استفاده كنيد.
7. سيم معمولی ارتباطی را فقط در محيط با دماي پايين استفاده كنيد.

در  ویدئوی زیر،  توضیح ساده تری از “ترموکوپل” را مشاهده می کنید:

سخن پایانی

در این مقاله  مبدل ترموکوپل را که یک مبدل دماست را شرح دادیم، نحوه اتصال ولت متر به ترموکوپل را نشان دادیم، روش جبران سازی حرارتی نرم افزاری و سخت افزاری در ترموکوپل را در غالب تصاویری نشان دادیم. با آی سی AD594 و نحوه کارکرد آن برای انواع ترموکوپل آشنا شدیم و در انتها نکات اساسی که در رابطه با مبدل ترموکوپل باید رعایت کنیم را بصورت خلاصه بیان کردیم.