ترموکوپل وسیله‌ای است که اختلاف دما را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند. اساس عملکرد آن بر پایه اتصال دو فلز متفاوت به یکدیگر است. در نقطه‌ای که این دو فلز به هم می‌رسند، اگر دمای اتصال نسبت به انتهای دیگر متفاوت باشد، پتانسیل الکتریکی کوچکی ایجاد می‌شود. این اختلاف ولتاژ با افزایش اختلاف دمای دو سر فلز بیشتر می‌گردد و به‌عنوان معیاری برای اندازه‌گیری دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پدیده‌ای که موجب ایجاد این ولتاژ می‌شود به اثر سیبک معروف است. یوهان توماس سیبک فیزیکدان آلمانی قرن نوزدهم نخستین کسی بود که این خاصیت را کشف کرد. او دریافت زمانی که دو فلز با ترکیب متفاوت در دو دمای مختلف قرار گیرند نیروی محرکه الکتریکی (emf) تولید می‌شود. این کشف پایه‌ای‌ترین اصل در طراحی تمامی ترموکوپل‌ها است.

پیشینه تاریخی قوانین ترموکوپل

مبنای نظری ترموکوپل‌ها نخستین بار در قرن نوزدهم میلادی مطرح شد. کشف اثر سیبک جرقه آغاز این مسیر بود. پس از آن دانشمندانی همچون مگنوس، بکرل و لرد کلوین به بررسی جنبه‌های ترمودینامیکی این پدیده پرداختند.

در ادامه فیزیکدان بریتانیایی ویلیام روسر مجموعه قوانین ترموکوپل را به‌صورت مدون گردآوری کرد و پایه‌ای‌ترین استانداردهای علمی را برای تحلیل عملکرد آن‌ها تعریف نمود. بعدها پژوهشگران با گسترش مطالعات، برخی قوانین را به شاخه‌های جزئی‌تر تقسیم کردند، اما اصول اصلی همچنان ثابت باقی مانده است.

اهمیت آشنایی با قوانین ترموکوپل

در نگاه اول ممکن است ساخت یک ترموکوپل بسیار ساده به نظر برسد اما عملکرد دقیق و قابل‌اعتماد آن به درک عمیق از قوانین فیزیکی وابسته است. این قوانین مشخص می‌کنند که تحت چه شرایطی، ولتاژ ایجادشده معتبر است و چه عواملی ممکن است سبب خطا یا انحراف در اندازه‌گیری شود.

درک این اصول برای مهندسان، تکنسین‌ها و حتی کاربران صنعتی ضروری است؛ چرا که در زمان نصب یا کالیبراسیون، کوچک‌ترین بی‌دقتی در نحوه اتصال یا انتخاب فلزات نتیجه را به‌کلی تغییر می‌دهد. قوانین ترموکوپل سه دسته اصلی دارند که عبارت‌اند از: قانون مدارهای همگن، قانون فلزات واسط و قانون دماهای واسط. هرکدام از این قوانین بخش مهمی از رفتار الکتریکی مدار ترموکوپل را توصیف می‌کنند.

قانون مدارهای همگن (Law of Homogeneous Circuits)

اولین و شاید بنیادی‌ترین قانون ترموکوپل، قانون مدارهای همگن است. این قانون بیان می‌کند که اگر در مدار ترموکوپل تنها از یک فلز همگن استفاده شود، هیچ ولتاژ یا نیروی محرکه الکتریکی ایجاد نخواهد شد، حتی اگر در طول سیم، دما در نقاط مختلف متفاوت باشد.

به‌عبارتی، برای ایجاد ولتاژ در یک مدار حرارتی، وجود دو فلز متفاوت الزامی است. تفاوت ترکیب فلزی آن‌ها است که سبب شکل‌گیری اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌شود.

در یک سیم همگن، الکترون‌ها در مسیر خود با ساختار مشابهی از اتم‌ها روبه‌رو هستند. بنابراین، اختلاف انرژی در طول مسیر به وجود نمی‌آید و مدار پتانسیل لازم برای تولید ولتاژ را ندارد. اما زمانی که دو فلز متفاوت در تماس قرار می‌گیرند، چگالی الکترونی و سطح انرژی آزاد متفاوت می‌شود. در نتیجه، در نقطه اتصال، ولتاژی متناسب با اختلاف دما شکل می‌گیرد.

این قانون در طراحی ترموکوپل‌ها اهمیت حیاتی دارد. اگر در ساختار مدار از سیم‌هایی استفاده شود که ترکیب آن‌ها در بخشی از مسیر تغییر کند، رفتار مدار دیگر مطابق انتظار نخواهد بود. برای همین است که در تولید سیم‌های ترموکوپل، بر یکنواختی ساختار فلز در تمام طول مسیر تأکید می‌شود. کوچک‌ترین آلودگی یا تغییر در جنس سیم، دقت اندازه‌گیری را به شدت کاهش می‌دهد.

قانون فلزات واسط (Law of Intermediate Metals)

دومین قانون ترموکوپل مربوط به زمانی است که فلز سومی در مدار وارد می‌شود. طبق این قانون، اگر فلز سوم به مدار ترموکوپل افزوده شود، اما اتصال‌های آن در دمای یکسان قرار گیرند، هیچ تغییری در نیروی محرکه الکتریکی (emf) مدار ایجاد نخواهد شد.

فرض کنید برای اتصال ترموکوپل به دستگاه اندازه‌گیری، نیاز به استفاده از یک سیم رابط مسی دارید. در این حالت، سیم مسی به‌عنوان فلز سوم وارد مدار می‌شود. تا زمانی که هر دو نقطه اتصال سیم مسی در یک دمای مشخص قرار داشته باشند، این ورود تأثیری بر ولتاژ خروجی ترموکوپل ندارد.

اما اگر یکی از اتصالات در دمایی متفاوت از دیگری قرار گیرد، ولتاژ اضافی ایجاد می‌شود که باعث خطا در اندازه‌گیری خواهد شد. به همین دلیل است که در تجهیزات صنعتی، برای اتصال مطمئن‌تر، از جعبه‌های ترمینال عایق حرارتی یا اتصالات ایزوله استفاده می‌شود تا دمای دو نقطه ثابت بماند.

در زمان کالیبره کردن ترموکوپل‌ها، مهندسان اغلب مجبورند از تجهیزات و کابل‌های کمکی استفاده کنند. این قانون به آن‌ها اطمینان می‌دهد که در صورت رعایت توازن دمایی، می‌توان از فلزات اضافی بدون نگرانی از تغییر در خروجی استفاده کرد. در واقع، این قانون شرطی حیاتی برای اطمینان از دقت سنجش دما است.

قانون دماهای واسط (Law of Intermediate Temperatures)

سومین قانون اساسی ترموکوپل‌ها بیان می‌کند که اگر در یک مدار، اختلاف دمای بین دو نقطه به‌صورت تدریجی و پیوسته تغییر کند، نیروی محرکه الکتریکی کل برابر است با مجموع نیروی محرکه‌های جزئی در طول مسیر.

به‌عبارت دیگر، اگر دمای نقاط مختلف در سه سطح T1، T2 و T3 اندازه‌گیری شود، مقدار emf بین T1 و T3 برابر است با جمع emf بین T1 تا T2 و emf بین T2 تا T3.

این قانون به مهندسان اجازه می‌دهد تا برای سنجش دقیق دما در شرایط غیر استاندارد، از نقاط مرجع متفاوت استفاده کنند. اگر سنسوری برای دمای مرجع 0 درجه سانتی‌گراد تنظیم شده باشد ولی در شرایطی با دمای مرجع 20 درجه به کار رود، با کمک این قانون می‌توان اختلاف ولتاژ ایجادشده را اصلاح کرد.

در عمل، این قانون پایه اصلی تصحیح دمای مرجع در دستگاه‌های اندازه‌گیری دیجیتال است. سیستم‌های مدرن با استفاده از سنسورهای داخلی دمای محیط، مقادیر ولتاژ را بر اساس قانون دماهای واسط به‌صورت خودکار اصلاح می‌کنند تا دقت اندازه‌گیری افزایش یابد.

نقش این قوانین در عملکرد صنعتی ترموکوپل‌ها

ترموکوپل‌ها در صنایع بزرگ، قلب سیستم‌های کنترل دما هستند. در کوره‌های صنعتی، راکتورهای شیمیایی، خطوط تولید فلز و بسیاری از فرایندهای حساس، تنها راه نظارت بر دمای دقیق محیط، استفاده از ترموکوپل است. قوانین سه‌گانه ترموکوپل تضمین می‌کنند که دستگاه در شرایط سخت، خروجی قابل اعتماد ارائه دهد.

برای مثال، قانون فلزات واسط در زمان استفاده از کابل‌های رابط بسیار حیاتی است، چون مانع از بروز خطای ناشی از دمای ناهمسان در اتصالات می‌شود. همچنین قانون مدارهای همگن تضمین می‌کند که سیم‌های مورد استفاده در ترموکوپل‌ها ترکیبی یکنواخت داشته باشند تا نتیجه اندازه‌گیری بهینه باشد.
خلاصه

ترموکوپل‌ها، هرچند کوچک و ساده به نظر می‌رسند، بر پایه اصول علمی عمیقی بنا شده‌اند. سه قانون مدارهای همگن، فلزات واسط و دماهای واسط، اساس عملکرد آن‌ها را تشکیل می‌دهند. بدون رعایت این قوانین، هیچ تضمینی برای دقت و پایداری اندازه‌گیری وجود ندارد.

درک و به‌کارگیری درست این اصول، مرز میان یک سیستم دقیق و یک سیستم خطاپذیر است. هر صنعتگری که با سنسورهای دما سر و کار دارد، باید بداند که حتی جزئی‌ترین تغییر در ساختار فلز یا دمای اتصال نتایج را دگرگون می‌کند. شناخت این قوانین به بهبود عملکرد ترموکوپل‌ها کمک می‌کند و دیدی علمی‌تر نسبت به ماهیت اندازه‌گیری دما و تبدیل انرژی در سیستم‌های حرارتی ارائه می‌دهد. این شناخت پایه‌ای برای هر نوع توسعه، بهبود و طراحی در حوزه حسگرهای دمایی خواهد بود.

• المنت در لاله زار

• سیم کروم نیکل

• المنت میله ای

• ترموستات جیوه ای

• المنت سوپرهیتر