ترموکوپل چیست؟ همه چیز درباره ترموکوپل ها

ترموکوپل چیست؟

ترموکوپل یکی از پرکاربردترین سنسورهای اندازه‌گیری دما در حوزه ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی است. این اتصال در اثر تغییرات دما، ولتاژی تولید می‌کند که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده کرد.اگر بخواهیم ساده بگوییم، ترموکوپل چیست؟ سنسوری است که از اتصال دو فلز غیر هم‌جنس در یک نقطه تشکیل می‌شود.

دامنه دمایی ترموکوپل‌ها بسیار گسترده است؛ از حدود منفی ۲۷۰ تا مثبت ۱۸۵۰ درجه سانتی‌گراد را پوشش می‌دهند و به دلیل سادگی ساخت و مقاومت بالا، گزینه‌ای ایده‌آل برای محیط‌های صنعتی محسوب می‌شوند.

عملکرد و اساس کار ترموکوپل ها بر پایه یکی از پدیده‌های بنیادی در ترموالکتریسیته است، این اثر سیبک (Seebeck Effect) نام دارد.

در ادامه با انواع تایپ های ترموکوپلها، اجزای تشکیل دهنده ترموکوپل ها و نحوه خرید و سفارش ترمکوپل آشنا میشوید.

اثر سیبک چیست؟

اثر سیبک (Seebeck Effect) پدیده‌ای است که وقتی دو فلز یا نیمه‌هادی مختلف در دو نقطه به هم متصل می‌شوند و این دو نقطه در دمای متفاوتی قرار دارند، در مدار بسته‌ای که از این دو فلز تشکیل شده باشد، جریان الکتریکی برقرار می‌شود. این پدیده به این دلیل رخ می‌دهد که اختلاف دما باعث اختلاف انرژی و در نتیجه اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) بین دو نقطه می‌شود.

اگر بخواهیم به بیانی ساده تر این موضوع را بررسی کنیم، باید بگوییم: اگر یک سیم آهنی و یک سیم مسی را در دو نقطه به هم جوش بدهیم و یکی از اتصال‌ها را گرم و دیگری را سرد نگه داریم، بین دو نقطه، ولتاژی در حد چند میلی‌ولت تولید می‌شود. این دقیقاً همان پدیده‌ای است که ترموکوپل‌ها برای اندازه‌گیری دما از آن استفاده می‌کنند.

معرفی تایپ ترموکوپل ها یا انواع ترموکوپل ها

تایپ K
تایپ J
تایپ T
تایپ E
تایپ N
تایپ B
تایپ R
تایپ S

اجزای تشکیل دهنده ترموکوپل

ترموکوپل‌ها با وجود ظاهر ساده، از چند بخش کلیدی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش مهمی در عملکرد، دوام و دقت اندازه‌گیری دما دارند. شناخت این اجزا به انتخاب بهتر و نگهداری دقیق‌تر کمک می‌کند:

1. سیم‌های ترموکوپل (Thermocouple Wires)
دو فلز غیرهم‌جنس (مطابق نوع ترموکوپل مانند K، J، T و…) که در یک نقطه به‌هم متصل می‌شوند و در اثر اختلاف دما، ولتاژ ترموالکتریک تولید می‌کنند.

2. نقطه اتصال یا اتصال داغ (Hot Junction)
محل اتصال دو فلز که در معرض دمای فرآیند قرار می‌گیرد. عملکرد اصلی سنجش دما در این نقطه انجام می‌شود.

3. غلاف محافظ (Sheath)
لوله‌ای فلزی یا سرامیکی که سیم‌های داخلی را در برابر شرایط محیطی (فشار، رطوبت، خوردگی، ضربه) محافظت می‌کند. انتخاب جنس آن بسته به نوع سیال و دمای فرآیند متفاوت است.

4. عایق داخلی (Insulation)
ماده‌ای غیررسانا مانند پودر سرامیکی یا اکسید منیزیم که برای جلوگیری از اتصال کوتاه بین سیم‌ها در داخل غلاف قرار می‌گیرد.

5. کلگی یا جعبه اتصال (Head)
محفظه‌ای برای اتصال سیم‌های ترموکوپل به کابل‌های خروجی یا ترانسمیتر. معمولاً در برابر گرد و غبار و رطوبت مقاوم است و بسته به کاربرد، از انواع ضد انفجار یا ضدآب استفاده می‌شود.

6. ترمینال یا بلوک اتصال (Terminal Block)
نقطه‌ای که در آن سیم‌های داخلی به سیستم اندازه‌گیری یا ترانسمیتر متصل می‌شوند. این بخش باید اتصال مطمئن و بدون نویز فراهم کند.

7. اتصال مکانیکی (فلنج، دنده، رزوه)
بسته به محل نصب و نیاز فرآیند، ممکن است از اتصال دنده‌ای، فلنجی یا حتی جوشی برای نصب ترموکوپل استفاده شود.

با توجه به جنس سیم رنج دمایی آنها تغییر میکند.
>با توجه به محل قرارگیری و نصب Thermocouple ها غلاف های متفاوتی برای آنها انتخاب میشود.
>با توجه به نوع Thermocouple و وجود ترانسمیتر مدل کلگی های تغییر میکند که معمولا نوع آنها سلیقه ای انتخاب میشود.
برای خرید و سفارش سنسورهای دما شما نیاز به دانش تخصصی در این زمینه دارید .لطفا مقالات بیشتری در مورد سنسورهای دما را در سایت مطالعه فرمایید.

نکات مهم قبل از سفارش و خرید ترموکوپل

پیش از سفارش و خرید ترموکوپل، باید چندین پارامتر کلیدی را با دقت بررسی کنید تا سنسور انتخاب‌شده دقیقاً متناسب با نیاز فرآیند شما باشد:

1. انتخاب نوع ترموکوپل (Type)

نوع ترموکوپل باید با توجه به بازه دمایی، پایداری، مقاومت در برابر خوردگی، و دقت مورد نیاز انتخاب شود. رایج‌ترین انواع عبارتند از:

نوع K (مناسب برای اکثر محیط‌های صنعتی)
نوع J (ارزان و مناسب دمای پایین)
نوع T، N، B، S و R (برای شرایط خاص)

2. محدوده دمای کاری

هر ترموکوپل دارای بازه عملکردی خاص است. حتماً دمای حداقل و حداکثر محیط یا سیال فرآیند را بدانید تا از انتخاب درست اطمینان حاصل کنید.

3. قطر و طول غلاف

قطر غلاف ترموکوپل روی استحکام مکانیکی و سرعت پاسخ تأثیر می‌گذارد. طول غلاف نیز باید متناسب با عمق محل نصب باشد. در برخی فرآیندها طول بلند باعث افزایش دقت اندازه‌گیری می‌شود.

4. جنس غلاف و مقاومت در برابر خوردگی

اگر ترموکوپل در تماس با مواد خورنده، گازهای اسیدی یا سیالات خاص قرار می‌گیرد، باید جنس غلاف مناسب انتخاب شود؛ مانند استیل ضد زنگ، اینکونل یا سرامیک.

5. نوع اتصال مکانیکی

بسته به محل نصب، اتصال ترموکوپل می‌تواند به صورت فلنجی، دنده‌ای، یا رزوه‌ای باشد. برای محیط‌های فشار بالا، از اتصالات محکم و ایمن استفاده کنید.

6. وجود ترموول (Thermowell)

در فشارهای بالا یا محیط‌های خورنده، استفاده از ترموول توصیه می‌شود تا سنسور در برابر آسیب محافظت شود و تعویض آن بدون توقف فرآیند ممکن باشد.

7. سیگنال‌دهی و ترانسمیتر

اگر خروجی ترموکوپل باید به سیستم کنترل یا PLC منتقل شود، استفاده از ترانسمیتر دما با خروجی 4-20mA یا دیجیتال ضروری است. انتخاب ترانسمیتر بر اساس فاصله، نویز محیط و دقت اندازه‌گیری انجام می‌شود.

8. نقشه فنی و مشخصات کامل

برای جلوگیری از خطا در ساخت و نصب، ارائه یک نقشه فنی دقیق شامل جزئیات ابعاد، نوع اتصال، نوع کابل و دیگر مشخصات ضروری است.

کاربرد ترموکوپل ها در صنایع مختلف

شاید برای شما سوال باشد که کاربرد ترموکوپل چیست؟ و کجاست؟ کاربرد ترموکوپل در صنایع مختلف بسیار گسترده و حیاتی است، زیرا این سنسورهای دما قابل اعتماد، مقاوم در برابر شرایط سخت و مقرون‌به‌صرفه هستند. در ادامه، کاربردهای مهم ترموکوپل را به تفکیک صنعت توضیح می‌دهم:

1. صنعت فولاد و متالورژی

اندازه‌گیری دمای کوره‌ها تا بیش از ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد
پایش دمای مذاب فلزات در ریخته‌گری و ذوب
کنترل کیفیت عملیات حرارتی (مانند آنیل، نرمالایز، کوئنچ)
ترموکوپل نوع K و B در این صنعت رایج‌اند.

2. صنعت نفت، گاز و پتروشیمی

نظارت بر فرآیندهای حرارتی پالایشگاه‌ها (راکتورها، مشعل‌ها، بویلرها)
کنترل ایمنی تجهیزات فشار بالا
استفاده در محیط‌های خطرناک و انفجاری با پوشش‌های خاص
نوع N و K برای مقاومت در برابر خوردگی کاربرد دارند.

3. صنایع غذایی و دارویی

کنترل دمای پخت و پاستوریزه کردن
کنترل دمای اتاق‌های تمیز (Clean Room) در تولید دارو
اطمینان از رعایت استانداردهای بهداشتی مانند HACCP و GMP
ترموکوپل نوع T و J برای دماهای پایین‌تر با دقت بالا مناسب‌اند.

4. صنعت خودروسازی

اندازه‌گیری دمای اگزوز، سیلندر، توربو شارژر و سنسورهای موتور
استفاده در تست‌های عملکردی و دوام قطعات
کاربرد در تست‌های حرارتی قطعات خودروهای برقی

5. تولید انرژی (نیروگاه‌ها)

کنترل دمای بویلرها، توربین‌ها و ژنراتورها
مانیتورینگ دمای تجهیزات در نیروگاه‌های حرارتی، گازی و هسته‌ای
افزایش بهره‌وری از طریق کنترل دقیق دما

6. آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیق و توسعه

اندازه‌گیری دما در آزمایش‌های شیمی، فیزیک، متالورژی
استفاده در کوره‌های آزمایشگاهی، اتوکلاو و تجهیزات تست

7. صنایع پلاستیک و پلیمر

کنترل دمای دستگاه‌های تزریق پلاستیک، اکسترودر و قالب‌ها
کمک به کیفیت محصول نهایی از طریق تنظیم دقیق دما

8. صنایع هوافضا و نظامی

سنجش دما در تست‌های حرارتی هواپیما، راکت و موتور جت
اندازه‌گیری دما در شرایط فشار بالا و سرعت بالا

9. صنعت الکترونیک و نیمه‌رسانا

استفاده در فرایندهای تولید تراشه و مدارهای چاپی
کنترل دقیق دما در مراحل حساس ساخت بردهای الکترونیکی

10. لوازم خانگی

استفاده در سماور، چای ساز، فرهای توکار و روکار و مایکروویو به منظور کنترل و نمایش دما
کنترل دقیق دما و نمایش آن در ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی

11. صنایع کاشی، سرامیک و آجر

کنترل دقیق دما و مانیتورینگ دما در کوره های پخت آجر، کاشی و سرامیک
کنترل دقیق دما در سالن های خشک کن
ترموکوپل نوع k و اندازه گیری دما تا 1200 درجه

Hot Junction چیست؟

Hot Junction (نقطه اتصال گرم) بخشی از ترموکوپل است که دو فلز غیرهم‌جنس به هم متصل می‌شوند و در معرض دمایی قرار می‌گیرند که باید اندازه‌گیری شود. این نقطه محل تولید ولتاژ ترموالکتریک بر اساس اثر سیبک است.

هرچه دمای Hot Junction با Cold Junction (محل مرجع) متفاوت‌تر باشد، ولتاژ خروجی بیشتری تولید می‌شود. دمای این نقطه، همان مقداری است که ترموکوپل آن را اندازه‌گیری می‌کند.

cold Junction چیست؟

Cold Junction یا “اتصال سرد” در ترموکوپل، به نقطه‌ای گفته می‌شود که در آن سیم‌های ترموکوپل به دستگاه اندازه‌گیری (یا به سیم‌های رابط) متصل می‌شوند. این نقطه برخلاف اتصال داغ (Hot Junction)، مستقیماً در معرض فرآیند حرارتی نیست.

از آنجا که ولتاژ خروجی ترموکوپل بر اساس اختلاف دما بین اتصال داغ و اتصال سرد تولید می‌شود، دمای اتصال سرد باید به‌طور دقیق اندازه‌گیری یا جبران (compensated) شود. این جبران معمولاً به‌صورت الکترونیکی در ماژول‌های اندازه‌گیری(ترانسمیترها) انجام می‌شود یا معمولا در بعضی از تجهیزات ابزاردقیق عدد اتصال سرد را دمای اتاق یا یک عدد ثابت در نظر میگیرند.

در واقع، بدون جبران دمای اتصال سرد، قرائت دما دقیق نخواهد بود.

انواع اتصال سیم ترموکوپل (Junction Type)

در طراحی ترموکوپل‌ها، نحوه اتصال دو فلز (جایی که دما حس می‌شود) اهمیت زیادی دارد، چون این موضوع روی سرعت پاسخ‌دهی، دقت، و سازگاری با محیط اثر می‌گذارد. سه نوع رایج از اتصال در ترموکوپل‌ها وجود دارد:

1. اتصال غیر زمین‌شده (Ungrounded Junction)

در این مدل، اتصال دو فلز داخل غلاف فلزی قرار دارد ولی با آن تماس مستقیم ندارد. این اتصال در داخل غلاف توسط ماده عایق (مثل پودر سرامیک فشرده) از دیواره غلاف جدا نگه داشته می‌شود.

مزایا:

ایزوله بودن اتصال از بدنه باعث می‌شود نویز الکتریکی و حلقه زمین (ground loop) به سیستم منتقل نشود.
مناسب برای کاربردهایی که نویز سیگنال مهم است یا مدار کنترل حساس دارد.

معایب:

پاسخ‌دهی دمایی کندتر نسبت به نوع‌های دیگر، چون گرما باید ابتدا غلاف را گرم کند.

2. اتصال زمین‌شده (Grounded Junction)

در این حالت، اتصال دو فلز مستقیماً به دیواره داخلی غلاف جوش داده می‌شود. این طراحی باعث انتقال سریع‌تر حرارت از محیط به اتصال می‌شود.

مزایا:

واکنش سریع به تغییرات دما.
مناسب برای فرآیندهای دینامیک و زمان‌حساس.

معایب:

امکان ایجاد حلقه زمین وجود دارد که ممکن است روی عملکرد سیستم‌های اندازه‌گیری تأثیر منفی بگذارد.
نیاز به دقت در طراحی مدار جهت جلوگیری از نویز.

3. اتصال در معرض (Exposed Junction)

در این نوع، اتصال فلزها بدون هیچ پوششی به صورت مستقیم در تماس با محیط قرار دارد. غلافی وجود ندارد یا اتصال از غلاف بیرون زده است.

مزایا:

سریع‌ترین پاسخ‌دهی به دمای محیط.
مناسب برای اندازه‌گیری لحظه‌ای و دقیق دما در شرایط کنترل‌شده.

معایب:

تنها در محیط‌های غیرخورنده و غیر فشاری قابل استفاده است.
اتصال کاملاً در معرض خطر آسیب مکانیکی یا خوردگی است.

مزایای ترموکوپل

1. دامنه دمایی گسترده
توانایی اندازه‌گیری دما در بازه وسیع، از زیر صفر تا بیش از ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد (بسته به نوع).
مناسب برای کاربردهای با دمای بسیار بالا مانند کوره‌ها، صنایع فلزات و نیروگاه‌ها.

2. سرعت پاسخ‌دهی بالا
به‌ویژه در مدل‌های نوک باز (Exposed Junction).
ایده‌آل برای فرآیندهایی که تغییر دما سریع اتفاق می‌افتد.

3. ساختار ساده و قیمت مناسب
در مقایسه با حسگرهایی مانند RTD و ترمیستورها، قیمت پایین‌تری دارد.
ساختار فیزیکی ساده، بدون نیاز به مدار پیچیده.

4. قابل استفاده در محیط‌های سخت
مقاوم در برابر شوک، ارتعاش، و شرایط محیطی دشوار.
در صورت استفاده با غلاف مناسب (مثل اینکونل یا هاستلوی)، قابل‌استفاده در محیط‌های خورنده، پرفشار و انفجاری است.

5. عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی
تولید ولتاژ به‌صورت مستقیم از طریق پدیده ترموالکتریک (Seebeck Effect).

معایب ترموکوپل

1. دقت پایین‌تر نسبت به RTD
ترموکوپل‌ها به‌طور کلی دقت کمتری نسبت به RTDها دارند، به‌ویژه در بازه‌های دمایی پایین.

2. ولتاژ خروجی بسیار کم
سیگنال تولیدی در حد میلی‌ولت است و نیاز به تقویت‌کننده یا ترانسمیتر برای انتقال سیگنال به سیستم کنترلی دارد.

3. نیاز به جبران اتصال سرد (Cold Junction Compensation)
برای دستیابی به دقت بالا، باید دمای محل اتصال سرد اندازه‌گیری و جبران شود. بدون این جبران‌سازی، خطای قابل‌توجهی ایجاد می‌شود.

4. تغییر مشخصات در طول زمان
به‌ویژه در دماهای بالا و محیط‌های خورنده، دقت و پایداری ترموکوپل‌ها کاهش می‌یابد.

5. خطای ناشی از نویز الکتریکی
به دلیل ولتاژ پایین خروجی، نسبت به نویزهای محیطی حساس است و در مسیرهای طولانی باید از کابل‌های محافظ‌دار یا شیلددار استفاده شود.

روش‌های خواندن ترموکوپل

برای خواندن مقدار دما از ترموکوپل، باید ولتاژ بسیار کم (در حد میلی‌ولت) تولیدشده توسط آن را به‌درستی اندازه‌گیری و تفسیر کرد. از آنجایی که این ولتاژ به‌طور مستقیم به اختلاف دمای دو سر ترموکوپل بستگی دارد، نیاز به تجهیزات خاص برای خواندن دقیق داده‌ها داریم.

در این بخش با رایج‌ترین روش‌های خواندن ترموکوپل آشنا می‌شویم:

1. اتصال مستقیم ترموکوپل به PLC
یکی از رایج‌ترین روش‌ها در اتوماسیون صنعتی، اتصال مستقیم ترموکوپل به ماژول ورودی PLC است. بسیاری از برندهای معتبر مانند زیمنس، دلتا، امرن و فتک ماژول‌های مخصوص ترموکوپل دارند که از انواع استاندارد مانند نوع K، J، T، N و غیره پشتیبانی می‌کنند. این ماژول‌ها معمولاً به جبران اتصال سرد مجهز هستند و سیگنال را به‌صورت دقیق و پایدار دریافت می‌کنند.

2. استفاده از ترانسمیتر ترموکوپل
در این روش، سیگنال ترموکوپل ابتدا وارد یک ترانسمیتر صنعتی می‌شود و سپس به یک سیگنال استاندارد مانند 4 تا 20 میلی‌آمپر یا 0 تا 10 ولت تبدیل می‌گردد. این روش برای انتقال سیگنال به فواصل طولانی در محیط‌های صنعتی ایده‌آل است و از نویزهای محیطی جلوگیری می‌کند. استفاده از ترانسمیتر مخصوص ترموکوپل باعث افزایش دقت اندازه‌گیری و ایمنی در انتقال داده‌ها می‌شود.

3. ماژول مبدل دیجیتال برای ترموکوپل
در پروژه‌های الکترونیکی و تحقیقاتی، معمولاً از ماژول‌هایی مانند MAX6675 یا MAX31855 برای خواندن ترموکوپل استفاده می‌شود. این مبدل‌ها خروجی آنالوگ ترموکوپل را دریافت کرده و به خروجی دیجیتال مانند SPI یا I2C تبدیل می‌کنند. این روش برای کاربردهای سبک، نمونه‌سازی و آموزش مناسب است اما در کاربردهای صنعتی توصیه نمی‌شود.

4. اتصال ترموکوپل به نمایشگر یا کنترلر دما
برخی از تجهیزات صنعتی مانند ترمومتر دیجیتال، نمایشگرهای دما ، دیتالاگرها و کنترلرهای PID به ورودی مخصوص ترموکوپل مجهز هستند. این ابزارها برای مانیتورینگ لحظه‌ای دما یا کنترل فرآیند حرارتی به‌صورت مستقل یا در کنار PLC استفاده می‌شوند. تنظیم آلارم دما، کنترل هیتر و سیستم هشدار از جمله کاربردهای این روش است.

برای آشنایی با دیتالاگرها و کاربرد آنها پیشنهاد میشود مقاله دیتالاگر چیست؟ را مطالعه بفرمایید

5. خواندن دمای ترموکوپل با مولتی‌متر
برخی مولتی‌مترهای حرفه‌ای قابلیت اتصال به ترموکوپل را دارند و دما را به‌صورت آنی نمایش می‌دهند. این روش بیشتر در نگهداری و تعمیرات صنعتی برای بررسی سریع عملکرد ترموکوپل کاربرد دارد. دقت این روش نسبت به سایر روش‌ها کمتر است، اما برای تست‌های موقتی بسیار مفید است.

جمع بندی

در نهایت، اگر به دنبال یک سنسور دمای بادوام، مقرون‌به‌صرفه و قابل اطمینان هستید که در محیط‌های صنعتی سخت هم عملکرد مطلوبی داشته باشد، ترموکوپل انتخابی هوشمندانه است. فقط کافی است نوع مناسب ترموکوپل و روش خواندن آن را بر اساس نیاز خود انتخاب کنید. در ضمن اگر شما تجربه ای در استفاده از ترموکوپل ها دارید در نظرات با بازدیدکنندگان به اشتراک بگذارید.

المنت در لاله زار

ترموستات جیوه ای

رابط ترموکوپل

سیم کروم نیکل