مقدمه ایی بر ترموکوپل ها و سنسورهای دما
حرکت مولکول‌ها و اتم‌ها به تولید گرما منجر می‌شود (انرژی جنبشی) و هر چقدر حرکت بیشتر باشد، گرمای بیشتری ایجاد می‌شود. سنسورهای دما، میزان انرژی گرمایی یا حتی سردی ایجاد شده توسط یک شی یا سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند، که با ایجاد یک خروجی دیجیتال و یا آنالوگ، به ما این امکان را می‌دهند که هر تغییر فیزیکی مرتبط با دما را تشخیص بدهیم یا «حس» کنیم. ترموکوپل ها رایج‌ترین نوع مورد استفاده از انواع مختلف سنسورهای دما هستند.
انواع مختلفی سنسور دما وجود دارد و هر یک، بسته به کاربرد آن، ویژگیهای متفاوتی دارند. یک سنسور دما دو نوع کلی فیزیکی دارد:
- سنسور دمای نوع تماسی: این نوع سنسور دما نیاز دارد که در تماس فیزیکی با جسمی قرار بگیرد که می‌خواهد دمای آن را «حس کند» و برای نظارت بر تغییرات دما، از رسانش استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای جامدات، مایعات و گازها در بازه‌ی وسیعی از دما استفاده کرد.
- سنسور دمای نوع غیر تماسی: این نوع سنسور دما از همرفت و تابش برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای تشخیص دمای مایعات و گازهایی استفاده کرد که با بالا رفتن گرما و پایین آمدن سرما در جریان‌های همرفتی آن‌ها، انرژی تابشی منتشر می‌شود. همچنین می‌توان از آن‌ها برای تشخیص انرژی تابشی که از یک شی به صورت امواج فروسرخ منتشر می‌شود، استفاده کرد.
این دو سنسور دمای تماسی و غیرتماسی را می‌توان به سه گروه سنسورهای الکترومکانیکی، مقاومتی و الکترونیکی تقسیم کرد.
دلیل محبوبیت ترموکوپل‌ها، سادگی، سهولت استفاده و سرعت مناسب واکنش به تغییرات دما (بیشتر به خاطر ابعاد کوچکشان) می‌باشد. ترموکوپل‌ها همچنین گسترده‌ترین بازه دمایی را در بین تمام سنسورهای دما دارند که از منفی ۲۰۰ درجه تا بالای ۲۰۰۰ درجه سلسیوس است.
ترموکوپل‌ها، سنسورهایی ترموالکتریکی یا گرما برقی هستند که اساسا از دو نقطه‌ی اتصال فلزات ناهمسان تشکیل شده‌اند، همچون مس و آلیاژ کنستانتان (Constantan) که در دو نقطه به هم جوش خورده و یا به هم پیچیده شده باشند. یک اتصال در دمایی ثابت حفظ می‌شود که به آن اتصال سرد یا مرجع گفته می‌شود و دیگری، اتصال گرم یا همان اتصال اندازه‌گیری است. وقتی دو اتصال در دمایی متفاوت باشند، یک ولتاژ در بین دو اتصال ایجاد می‌شود که برای اندازه‌گیری سنسور دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترموکوپل چیست؟
ترموکوپل یک سنسور است که برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها از دو سیم ناهم‌جنس تشکیل شده‌اند. دو سر این دو سیم به یکدیگر جوش خورده‌اند و یک اتصال را به وجود آورده‌اند. این اتصال، جایی است که دما اندازه‌گیری می‌شود. وقتی که اتصال تغییری را در دما تجربه کند، یک ولتاژ تولید می‌شود. این ولتاژ با استفاده از جدول‌های مرجع ترموکوپل برای محاسبه‌ی دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انواع مختلفی ترموکوپل وجود دارد و هر یک از نظر بازه دما، دوام و استحکام، مقاومت در برابر لرزش، مقاومت شیمیایی و سازگاری با کاربردهای مختلف، ویژگیهای منحصر به فرد خود را دارند. انواع J و K و T و E ترموکوپل‌های «فلز پایه» بوده و رایج‌ترین نوع ترموکوپل هستند. انواع R و S و B ترموکوپل‌های «فلز قیمتی» هستند که در کاربردهای با دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها در کاربردهای متنوع صنعتی، علمی و OEM مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها تقریبا در تمام بازارهای صنعتی حضور دارند: تولید برق، نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی یا زیست فناوری، سیمان، پالپ و کاغذ و غیره. ترموکوپل‌ها همچنین در تجهیزات معمولی خانگی همچون اجاق گاز، شومینه و توسترها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترموکوپل‌ها عموما به خاطر هزینه پایین، محدوده‌ی بالای دما، بازه‌های وسیع دما و ذات بادوام خود انتخاب می‌شوند.
نحوه‌ی کارکرد ترموکوپل
اصل کارکرد یک ترموکوپل بسیار ساده و ابتدایی است. وقتی اتصال دو فلز ناهمسان همچون مس و آلیاژ کنستانتان، یک اثر ترموالکتریکی یا گرما برقی ایجاد کند، یک اختلاف پتانسیل چند میلی‌ولتی (mV) بین آن‌ها ایجاد می‌شود. به این تفاوت ولتاژ بین دو اتصال، اثر سیبک (See beck effect) گفته می‌شود، به این معنی که با ایجاد یک گرادیان دما در امتداد سیم‌های رسانایی، یک نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌شود. پس ولتاژ خروجی ترموکوپل، تابعی از تغییرات دما خواهد بود.
اگر هر دو اتصال در دمایی یکسان باشند، اختلاف پتانسیل بین دو اتصال صفر است، به عبارت دیگر خروجی ولتاژ ندارد چون V1 = V2. از طرفی، وقتی که اتصالات، داخل یک مدار، به هم متصل می‌شوند و دمای آن‌ها متفاوت است، یک خروجی ولتاژ به نسبت تفاوت دما بین دو اتصال تشخیص داده می‌شود، (V1 – V2). تا زمانی که به سطح پیک ولتاژ اتصال‌ها برسیم، این تفاوت در ولتاژ با افزایش دما، افزایش می‌یابد. این سطح پیک ولتاژ، توسط ویژگیهای دو فلز ناهمسان بکار رفته در ترموکوپل، تعیین می‌شود.
ترموکوپل‌ها از انواع مختلفی از مواد ساخته می‌شوند که امکان اندازه‌گیری دماهای به شدت بالا و پایین، از -۲۰۰ درجه تا +۲۰۰۰ درجه سلسیوس را محقق می‌سازند. با وجود انتخاب گسترده‌ای از مواد و بازه‌های دما که وجود دارد، استانداردهای بین‌المللی با کدهای رنگی برای ترموکوپل‌ها ایجاد شده است تا کاربران بتوانند سنسور ترموکوپل مناسب را برای هر کاربردی انتخاب کنند.
سه ماده‌ی رایج پراستفاده برای ترموکوپل‌هایی که برای اندازه‌گیری عمومی دما بکار گرفته می‌شوند، عبارتند از آهن- کنستانتان (نوع J)، مس- کنستانتان (نوع T) و نیکل-کروم (نوع K). ولتاژ خروجی از یک ترموکوپل بسیار کوچک است: حدود چند میلی‌ولت (mV) برای یک تغییر ۱۰ درجه‌ی سلسیوسی در تفاوت دمایی. و به این دلیل، معمولا برای این خروجی ولتاژ کوچک، نیاز به نوعی تقویت‌کننده (امپلی‌فایر) است.