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 زمینه سوخت، انرژی خورشیدی، موتورهای جدید و نیز صرفه جویی در انرژی، از بخش های بسیار مهم و فعال مراكز تحقیقاتی می­ باشد. در تمامی موارد یاد شده، اندازه گیری دقیق دما نیز از اهمیت خاصی برخوردار است. در كلیه كارخانجات تولیدی، مستقل از نوع تولید، نوعی فرایند­های حرارتی نیز وجود دارد كه جهت اندازه گیری، نمایش و كنترل دما به مبدل ­های دما نیاز دارند.

در این قسمت، چهار نوع مبدل دما كه نسبت به دیگر مبدل­ ها رایج ­تر هستند، به ترتیب زیر معرفی و مورد بحث قرار خواهند گرفت:

• ترموكوپل
• RTD
• سنسور ترمیستور
• سنسور دمای مدار مجتمع

مزایا و معایب كلی این چهار نوع سنسور (مبدل)، در جدول زیر مقایسه شده است:

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

 

ترموکوپل چیست؟

ترموكوپل (Thermocouple) یک حسگر تشخیص دما است. وقتی دو سیم فلزی و غیر هم جنس، از دو انتها به یگدیگر متصل شوند و انتهای دیگر آن ها حرارت داده شود، جریانی پیوسته در مسیر “ترموالكتریك” این دو سیم به وجود می­ آید. این سیستم توسط توماس سیبك (Thomas Seebeck) در سال 1821 ساخته شد و “ترموکوپل” نام گرفت:

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

 

اگر این مدار از وسط قطع شود، ولتاژ این مدار (ولتاژ سیبك)؛ تابعی از درجه حرارت نقطه تماس و اتصال دو سیم فلزی می ­باشد. اما نمی­ توان این ولتاژ را به صورت مستقیم اندازه گیری نمود، چون با اتصال یک ولت متر به ترموكوپل در محل اتصالات، یك مدار ترموالكتریك ایجاد می­ شود.

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

 

اگر یك ولت متر(Voltmeter) به ترموكوپل مس-كنستانتان (نوع T) وصل شود، با مشاهده ولتاژ خروجی مشخص می شود كه ولتاژ قرائت شده تنها ولتاژ V₁ نیست. بلكه علاوه بر نقطه تماس J₁، دو نقطه تماس دیگر J₂ و J₃ ایجاد شده، این دو اتصال اضافی در شكل زیر نمایش داده شده است.

اتصال J₂، یك اتصال مس به كنستانتان است كه ولتاژ V₂ را در خلاف جهت ولتاژ، افزایش می دهد. در نتیجه ولتاژ قرائت شده توسط ولت متر، متناسب است با اختلاف دمای بین اتصالات J₁ و J₂. این تناسب به این معنا است كه تا دمای نقطه J₂ مشخص نباشد، نمی­ توان دمای اتصال J₁ را تعیین کرد.

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

یك روش برای تعیین دمای اتصال J₂ این است كه این نقطه اتصال را به صورت فیزیكی در یك ظرف محتوی آب و یخ قرار دهیم. با این روش، دمای اتصال J₂ را به صورت غیرطبیعی، صفر قرار داده ایم كه این 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 یخ، صفر نیست بلكه تابعی از دمای مطلق می­ باشد. حال با داشتن اتصال مرجع در محلول یخ، ولتاژ خروجی ولت متر V، نسبت به صفر درجه سانتی گراد خواهد بود.

این روش بسیار دقیق است، به این علت که دمای محلول یخ را می توان همیشه به آسانی و به صورت یكسان به دست آورد. نقطه مرجع محلول یخ، را سازمان ملی استاندارد (NBS) به عنوان نقطه مرجع پایه برای تمامی جداول ترموكوپل، اعلام کرده است. بنابراین با مراجعه به جداول این سازمان، می­ توان به سادگی، ولتاژ را به دمای اتصال مورد نظر T_j1 تبدیل کرد.

با استفاده از یك ترمیستور (Thermistor) كه مقاومت آن (R_T) تابعی از دما ­باشد، می ­توان راهی برای اندازه گیری دمای اتصال ولت متر پیدا کرد. همان گونه که در شكل زیر مشاهده می شود، ترمیستور و اتصالات ولت متر به ترموكوپل، همگی در محفظه ای با دمای یكسان قرار داده شده ­اند و با استفاده از یك ولت متر دیجیتالی تحت كنترل كامپیوتر، می توان به آسانی:

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

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

 

این روش به عنوان “تصحیح نرم افزاری“ شناخته می ­شود، زیرا بر اساس برنامه ای كامپیوتری كه اثر اتصال نقطه مرجع را جبران می­ كند، استوار است. سنسور دمای به كار گرفته شده در محفظه ایزوترمال، می ­تواند هر دستگاهی كه با دمای مطلق، نسبت مستقیم دارد، مانند RTD، ترمیستور و یا سنسور مدار مجتمع باشد.

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

جواب این است كه هر سنسور دما، در یك محدوده دمایی خاص، كار می ­كند اما ترموكوپل و انواع آن برای دامنه های وسیعی از دما مناسب می­ باشند. از طرف دیگر، ترموکوپل ها برای شرایط محیطی سخت موجود در اغلب محیط­ های صنعتی مناسب بوده و نصب آن ها نیز با شرایط محیطی سازگار است. برای مثال، ترموكوپل را می ­توان با جوشكاری به یك قسمت فلزی یا اتصال به یك پیچ، مورد استفاده قرار داد. هم چنین می­ توان آن ها را در محل و با جوشكاری و یا لحیم­ كاری ساخت. به دلیل استفاده گوناگون از ترموكوپل و تكنیك ­های فراوان موجود جهت جبران نقطه مرجع، این کار، بسیار ساده و عادی به نظر می­ رسد.

در ضمن، استفاده از ترموكوپل زمانی که اندازه­ گیری چندین نقطه مورد نظر باشد؛ مناسب به نظر می رسد. در چنین حالتی، تنها یك محفظه ایزوترمال، جهت جبران نقطه مرجع نیاز می ­باشد. به گونه ای که در شكل زیر مشاهد می شود، با استفاده از یك سوئیچ ترتیبی، در هر لحظه تنها یك ترموكوپل به ولت متر متصل شده و تمامی نقاط مرجع، درون یك محفظه ایزوترمال قرار می گیرند و تنها از یك سنسور دمای مطلق كه در وسط محفظه نصب می ­شود؛ استفاده شده است. در این حالت نیز، مستقل از نوع ترموكوپل­ ها از روش جبران­ سازی حرارتی نرم افزاری استفاده می ­شود.

شکل (6). روش جبران­ سازی حرارتی نرم افزاری در ترموكوپل

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

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

نام دیگر برای این روش، “نقطه انجماد مرجع الكترونیكی” می ­باشد. مدار الكترونیكی این روش، برای ولت مترها و انواع ترموكوپل­ ها به صورت تجاری، موجود می­ باشد. از معایب اصلی این روش این است كه برای هر ترموكوپل، یك مدار واحد و منحصر به فرد، مورد نیاز است. اما مزیت اصلی روش سخت افزاری، سرعت بیش تر آن است. زیرا در آن، دو مرحله از عملیات محاسبات كامپیوتری حذف می­ گردد.

شکل (8). روش جبران­ سازی حرارتی سخت افزاری (نقطه انجماد مرجع الكترونیكی) در ترموكوپل

برای نمونه مدار عملی، می توان AD594/AD595 از Analog Devices كه تقویت كننده ای عملیاتی كامل و با مدار جبران كننده اتصال مرجع و به صورت مدار مجتمع می ­باشد؛ را معرفی نمود. این مدار، شامل مرجع نقطه انجماد با تقویت كننده ای از قبل كالیبره شده است که برای تولید ولتاژ خروجی 10 میلی ولت به ازاء هر درجه سانتی گراد به صورت مستقیم از ترموكوپل ساخته شده است. این آی سی دارای آلارم اعلام خرابی ترموكوپل نیز می باشد كه با باز شدن یكی از اتصالات آن انجام می شود. این آی سی را می توان با استفاده از یك ولتاژ معمولی 5+ ولتی و یا از یك ولتاژ دوبل 5-/+ ولتی تغذیه نمود.

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

شکل (9). مدار AD594/AD595 در ترموكوپل

در این مدار می ­توان با اضافه كردن دو یا سه مقاومت، ولتاژ مبدل دما و بهره (گین) را، برای انواع گوناگونی از ترموكوپل، دوباره كالیبره کرد. سه نكته را می­ باید برای استفاده از این مدار در نظر داشت:

• اول، اتصال سیم آهن یا كرم به پین شماره یك این آی سی و در عین حال به پایه مشترك (Common) می­ باشد.
• دوم، اتصال خروجی است كه از پایه های شماره 8 و 9 گرفته می ­شود.
• سوم، چون خروجی ترموكوپل غیر خطی است؛ این آی سی، به نحوی، عمل تقویت سیگنال را انجام می­ دهد تا تقریباً  mV/˚C 10، حاصل شود. خروجی دقیق برای این آی سی، در جدول زیر نمایش داده شده است:

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

به دلیل غیر خطی بودن سیگنال خروجی ترموكوپل، موسسه ملی استاندارد، جداولی را برای انواع گوناگون ترموكوپل ارائه نموده است كه برای مثال، جدول زیر مربوط به ترموكوپلی از نوع J می­ باشد:

شکل (11). اتصالات خروجی ترموكوپل J

با قرار دادن مقادیر این جداول در كامپیوتر، می­ توان با قرائت ولتاژ خروجی و مراجعه به این جداول، درجه حرارت اندازه گیری شده را تعیین نمود. اما در صورت كمبود فضای حافظه می ­توان با استفاده از منحنی غیر خطی دما، نسبت به ولتاژ یك تا چند جمله ای، به صورت زیر تقریب زد:

که در آن:

T  =  دما

x = ولتاژ ترموكوپل

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

n = توان حداکثری چند جمله­ ای

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

جدول زیر مثالی از ضرایب چند جمله ­ای برای خطی سازی نرم افزاری یك سیستم ثبت اطلاعات می ­باشد:

شکل (12). ضرایب چند جمله ­ای برای خطی سازی نرم افزاری یك سیستم

همان گونه كه بیان شد، جهت اندازه گیری سیگنال خروجی ترموكوپل، باید از ولت متر دیجیتالی استفاده کرد که در جدول زیر، دقت مورد نیاز برای اندازه گیری ترموكوپل­ های گوناگون، ارائه شده است:

شکل (13). دقت اندازه گیری ترموكوپل­ های گوناگون

به گونه ای که مشاهده می شود، حتی برای ترموكوپل نوع K كه بسیار رایج بوده نیز ولت متر باید قابلیت اندازه گیری 4 میكروولت را داشته باشد تا بتوان دما را با دقت 0.1 درجه سانتی گراد اندازه گیری نمود. اما بایستی توجه کرد كه این ولتاژ با این دامنه كم، می تواند به شدت تحت تاثیر نویز باشد. بنابراین در طراحی سیستم­ های ابزاردقیق، تكنیك ­های حذف نویز از اهمیت خاصی برخوردار هستند.

به صورت خلاصه، به نكات مهمی را که باید در رابطه با سیستم­ های دارای ترموكوپل رعایت نمود؛ اشاره می شود:

1. در محدوده اندازه گیری دما، بزرگ ترین سیمی که موجود است را به کار ببرید تا خطای كم تری ایجاد شود.
2. اگر سیم با طول کم، مورد نیاز است، فقط آن را در محدوده اندازه ­گیری به کار ببرید و از سیم معمولی برای محیطی كه باید دمای آن اندازه ­گیری شود؛ استفاده نمایید.
3. از ایجاد تنش و لرزه مكانیكی كه باعث ایجاد كرنش در سیم می ­گردد، خودداری كنید.
4. وقتی از سیم بلند برای ترموكوپل استفاده می­ كنید، سیم شیلد را به ترمینال زمین ولت متر دیجیتالی وصل نموده و از زوج سیم به هم تابیده و جهت اتصال استفاده كنید.
5. سعی كنید از سیم ترموكوپل در دامنه مرتبط با فعالیت، استفاده كنید.
6. از مبدل A/D ، حفاظت شده داخلی (Integrating) استفاده كنید.
7. سیم معمولی ارتباطی را فقط در محیط با دمای پایین استفاده كنید.

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.