ترموکوپل از دو سیم فلزی غیر همجنس ساخته می‌شود که در یک نقطه به هم متصل می‌گردند. این نقطه اتصال گرم نام دارد و در معرض دمای مورد نظر قرار می‌گیرد. سر دیگر سیم‌ها، اتصال سرد یا مرجع است که معمولا در شرایط کنترل‌شده قرار داده می‌شود. زمانی که بین این دو اتصال اختلاف دما وجود داشته باشد، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود. همین اختلاف پتانسیل یا ولتاژ خروجی مبنای محاسبات دما قرار می‌گیرد.

چگونه ولتاژ خروجی ترموکوپل شکل می‌گیرد؟

زمانی که دو فلز متفاوت در دماهای مختلف قرار می‌گیرند اثر سیبک پدیدار می‌شود. این اثر نشان می‌دهد که اختلاف دمای میان اتصال گرم و اتصال سرد موجب تولید ولتاژی در حد میلی‌ولت می‌شود. این ولتاژ همان سیگنال اصلی ترموکوپل است که پس از تقویت و پردازش به دما تبدیل می‌گردد. در حقیقت هر نوع ترموکوپل ضریب سیبک مختص به خود را دارد که رابطه بین دما و ولتاژ را مشخص می‌کند.
قانون سیبک و فرمول اصلی محاسبه دما و ولتاژ خروجی ترموکوپل با فرمول

برای درک بهتر محاسبات، لازم است با قانون سیبک آشنا شویم. این قانون رابطه‌ای مستقیم میان اختلاف دما و ولتاژ تولید شده بیان می‌کند.

فرمول عمومی:

V = α × (T1 – T2)

V: ولتاژ خروجی ترموکوپل بر حسب ولت
α: ضریب سیبک مخصوص نوع ترموکوپل (ولت بر درجه سانتیگراد)
T1: دمای اتصال گرم بر حسب درجه سانتیگراد
T2: دمای اتصال سرد یا مرجع بر حسب درجه سانتیگراد

این فرمول در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد، اما در عمل نیاز به دقت و توجه بالایی دارد؛ زیرا مقدار ضریب سیبک برای هر نوع ترموکوپل متفاوت است و از جداول استاندارد استخراج می‌شود.
مثالی ساده برای درک بهتر محاسبه دما و ولتاژ خروجی ترموکوپل با فرمول

فرض کنید یک ترموکوپل نوع K در اختیار دارید. ضریب سیبک این نوع در دمای 25 درجه سانتیگراد حدود 41 میکروولت بر درجه است. اگر دمای اتصال گرم 200 درجه و دمای اتصال سرد 25 درجه باشد، محاسبه به شکل زیر خواهد بود:

V = 41 × 10⁻⁶ × (200 – 25) = 0.007175 ولت

این مقدار معادل 7.175 میلی‌ولت است. با توجه به جداول استاندارد، این ولتاژ متناظر با دمای حدود 200 درجه سانتیگراد است.
محاسبه دما از روی ولتاژ خروجی

در بسیاری از کاربردها، برعکس محاسبه ولتاژ، نیاز است که دما از روی ولتاژ خروجی به دست آید. برای این کار از رابطه زیر استفاده می‌شود:

Th = Tc + Vth / S

Th: دمای اتصال گرم
Tc: دمای اتصال سرد
Vth: ولتاژ خروجی ترموکوپل
S: ضریب سیبک ترموکوپل

به کمک این فرمول، اگر دمای اتصال سرد و نوع ترموکوپل مشخص باشد، به سادگی می‌توان دمای اتصال گرم را محاسبه کرد.

چرا رابطه ولتاژ و دما همیشه خطی نیست؟

ترموکوپل چیست

اگرچه قانون سیبک رابطه‌ای خطی بین اختلاف دما و ولتاژ خروجی بیان می‌کند، اما در عمل این رابطه کاملا خطی نیست. در دماهای بالا یا در محدوده‌های خاص، تغییرات غیرخطی رخ می‌دهد. به همین دلیل، جداول مرجع ترموکوپل‌ها توسط موسسات استاندارد مانند NIST تهیه شده‌اند تا کاربران بتوانند دمای دقیق را بر اساس ولتاژ واقعی بیابند.
مراحل عملی محاسبه دما با ترموکوپل

برای آنکه اندازه‌گیری دقیق انجام شود، مراحل زیر را باید دنبال کرد:

انتخاب نوع ترموکوپل متناسب با محدوده دمایی مورد نیاز
نصب صحیح ترموکوپل در نقطه اندازه‌گیری
سنجش دمای اتصال مرجع با دماسنج دقیق
اندازه‌گیری ولتاژ خروجی با ولت‌متر یا دیتالاگر مناسب
استفاده از فرمول یا جداول استاندارد برای محاسبه دما

عوامل تاثیرگذار بر ولتاژ خروجی

ولتاژ تولیدی ترموکوپل تنها به اختلاف دما وابسته نیست. عوامل دیگری نیز نقش دارند:

نوع آلیاژ سیم‌ها
کیفیت و خلوص فلزات
طول سیم‌ها و مقاومت داخلی آن‌ها
شرایط محیطی مانند رطوبت و خوردگی

این عوامل می‌توانند موجب خطا در قرائت دما شوند. بنابراین انتخاب ترموکوپل استاندارد و نگهداری مناسب اهمیت ویژه‌ای دارد.
مقایسه چند نوع ترموکوپل

برای درک بهتر اختلاف‌ها، چند نمونه از ترموکوپل‌ها و ضرایب سیبک آن‌ها بررسی می‌شوند:

نوع K: ضریب سیبک حدود 41 میکروولت بر درجه، محدوده دمایی -270 تا 1372 درجه
نوع J: ضریب سیبک حدود 52 میکروولت بر درجه، محدوده دمایی -270 تا 1200 درجه
نوع T: ضریب سیبک حدود 41 میکروولت بر درجه، محدوده دمایی -270 تا 400 درجه
نوع E: ضریب سیبک حدود 61 میکروولت بر درجه، محدوده دمایی -270 تا 1000 درجه
نوع S و R: ضرایب سیبک پایین‌تر (6 تا 9 میکروولت) اما مناسب برای دماهای بسیار بالا تا حدود 1768 درجه

پرسش‌های کلیدی برای درک بهتر موضوع محاسبه دما و ولتاژ خروجی ترموکوپل با فرمول

چرا در برخی مواقع نتایج اندازه‌گیری ترموکوپل با دمای واقعی اختلاف دارد؟
چه زمانی باید از جداول مرجع استفاده کرد و چه زمانی فرمول کفایت می‌کند؟
آیا همه ترموکوپل‌ها برای محیط‌های خورنده یا خلأ مناسب هستند؟
چه تفاوتی میان سیم‌های استاندارد و پریمیوم وجود دارد؟

این پرسش‌ها نشان می‌دهند که انتخاب و استفاده درست از ترموکوپل، علاوه بر دانش اولیه، نیازمند تجربه و دقت است.
روش استفاده از جداول مرجع

جداول مرجع ولتاژ-دما برای هر نوع ترموکوپل توسط موسسه NIST منتشر شده است. برای استفاده:

دمای اتصال مرجع را اندازه‌گیری کنید.
ولتاژ خروجی ترموکوپل را بخوانید.
مقدار ولتاژ متناظر با دمای مرجع را از جدول بیابید.
مقدار به دست آمده را به ولتاژ اندازه‌گیری اضافه یا کم کنید.
نتیجه را در جدول بررسی کنید تا دمای نهایی اتصال گرم مشخص شود.

نمونه کاربرد عملی

تصور کنید ولتاژ خروجی یک ترموکوپل نوع T برابر با 3.41 میلی‌ولت است. دمای اتصال مرجع 22 درجه سانتیگراد اندازه‌گیری شده است. طبق جدول، در این دما ولتاژ 0.87 میلی‌ولت ثبت شده است. مجموع دو مقدار 4.28 میلی‌ولت می‌شود که در جدول متناظر با 100 درجه سانتیگراد است. بنابراین دمای اتصال گرم 100 درجه خواهد بود.
اهمیت انتخاب ابزار مناسب در محاسبه دما و ولتاژ خروجی ترموکوپل با فرمول

اگر ولت‌متر یا دیتالاگر استفاده شده دقت کافی نداشته باشد، نتایج محاسبات نیز نادرست خواهد بود. برای همین همیشه پیشنهاد می‌شود از ابزارهایی با امپدانس ورودی بالا استفاده شود تا خطای ناشی از بارگذاری مدار به حداقل برسد.

خلاصه

محاسبه دما و ولتاژ خروجی ترموکوپل با فرمول‌های علمی، کاری ساده اما حساس است. آشنایی با قانون سیبک، درک مفهوم ضریب سیبک و استفاده از جداول مرجع، سه رکن اساسی در این مسیر هستند. با رعایت مراحل اندازه‌گیری و انتخاب نوع ترموکوپل مناسب، می‌توان نتایجی دقیق و قابل اعتماد به دست آورد. در نهایت، ترموکوپل‌ها به دلیل گستردگی محدوده دمایی، هزینه کمتر و قابلیت اعتماد بالا، همچنان یکی از محبوب‌ترین ابزارها برای سنجش دما در صنایع مختلف به شمار می‌آیند.

• المنت در لاله زار

• سیم کروم نیکل

• المنت میله ای

• ترموستات جیوه ای

• المنت سوپرهیتر