آخرین مقالات

ای‌شاپ‌صنعت » مقالات » سنسور دما ترموکوپل

سنسور دما ترموکوپل

هر ترموکوپل به عنوان سنسور دما براساس پدیده ای به نام اثر سی بک (seeback) کار می کند. براساس این اثر ولتاژ اندازه گیری شده در نقطه اتصال سرد ترموکوپل، متناسب با اختلاف دمای بین اتصال سرد وگرم است و این ولتاژ توسط ترانسمیتر دما (برای مثال ترانسمیتر دما روزمونت مدل 644) اندازه گیری میشود.

ولتاژ در نقطه اتصال

ولتاژ اندازه گیری در نقطه اتصال سرد معمولا به نام ولتاژ سی بک ، ولتاژ ترموالکتریک یا نیرومحرکه الکتریکی (emf) خوانده می شود. وقتی دمای نقطه اتصال گرم به دلیل افزایش دمای سیال فرایند افزایش می یابد ، ولتاژ مشاهده شده در نقطه اتصال سرد به صورت تقریبا خطی نسبت به افزایش دما، افزایش می یابد. اگر دمای نقطه اتصال ثابت نگه داشته شود، افزایش دمای نقطه اتصال سرد باعث اختلاف دمای بین نقاط اتصال سرد ترموکویل باربر با 0 درجه سانتی گراد باشد تا اختلاف دمای اتصال سرد و گرم ، دمای مطلق زمورد نظر را بدهد .

میزان ولتاژ تولید شده در نقطه اتصال سرد به نوع فلزهای استفاده شده در ترموکویل نیز بستگی دارد . هماتنطور که قبلا نیز ذکر شد فلزهای مختلف با انواع مختلف ترموکویل، دردمای یکسان ولتاژ ترموالکتریکی متفاوتی دارند. اگر اتصال سرد T1 و دمای اتصال گرم T2 باشد ولتاژ تولید شده از رابطه زیر به دست خواهد آمد:
Emf= {s12.dT={(s1-s2). Dt
در رابطه فوق sn ضریب سی بک ترموکوپل و s1 , s2 ضرایب سی بک فلزهای ترموکوپل هستند. ضریب سی بک به جنس فلزهای به کار رفته در ترموکوپل وابسته است.

Peltier

ممکن است عکس اثر سی بک نیز به وجود آید . بااعمال ولتاژ بین دوسیم فلزی با جنس مختلف و ایجاد جریان الکتریکی ، می توان اختلاف دما، ایجاد کرد. به دلیل متفاوت بودن ویژگی الکترو دمایی سیمها، یک طرف اتصال، گرم و طرف دیگر سرد می شود. این فرآیند به نام اثر Peltier شناخته می شود.
در ترموکوپل ها می توانه ازاین اثر برای خنک سازی بخش های الکترونیکی کوچک یا حتی تهیه نقطه اتصال مرجع با دمای صفر درجه سانتی گراد استفاده کرد.

قانون دماهای واسط (Law of Intermediate Temperatures)

فرض کنید دو ترموکوپل داریم که در یکی از آنها اتصال سرد در دمای 0 درجه سانتی گراد و اتصال گرم در یک دمای مرجع قرار دارد و در ترموکوپل دیگر، اتصال سرد در همان دمای مرجع و اتصال گرم در دمای مورد اندازه گیری قرار دارد: طبق قانون دماهای واسط مجموع ولتاژهای تولید شده توسط این دو ترموکوپل خواهد بود که اتصال سرد آن در دمای 0 درجه سانتی گراد و اتصال گرم آن دردمای مورد اندازه گیری قرار دارد.
درشک این قانون به صورت مصور نشان داده شده است . ترموکوپل B ، ترموکوپلی است که دمای مد نظر را نسبت به دمای مرجع – می تواند دمای محیط باشد – اندازه ذگیری می کند.

ترموکوپل A دمای مرجع را نسبت به دمای 0 درجه سانتی گراد اندازه گیری ، و ولتاژ متناسب با آن را تولید می کند. حال اگر ترموکوپلی مانند C داشته باشیم که دکای مدنظر را نسبت به دمای 0 درجه سانتی گراد اندازه ذگیری کند ولتاژی برابر مجموع ولتاژ ترموکوپلهای A و B خواهد کرد.

بنابراین برای اندازه گیر دمای مد نظر توسط ترمویل B باید ولتاژی معادل ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل A به ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل B اضافه شود و متناظر با آن ولتاژ حاصل، دمای مورد اندازه گیر خوانده شود.
این کار در بسیاری از موارد توسط یک مقاومت حساس به دما انجام می شود به این صورت که دمای مرجع و تغییرات آن توسط این مقاومت، اندازه گیری می شود و به صورت اتوماتیک ولتاژی معادل ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل A مشابه شکل در دوطرف مقاومت ظاهر می شود. به این ترتیب اندازه گیر دما، مستقل از تغییرات دمای مرجع خواهد بود.

قانون فلزات واسط (Law of Intermediate Metals )

طبق قانون فلزات واسط، قرار دادن یک فلز سوم در مدار ترموکوپل به شرطی که اتصالات فلز سوم با دو فلز دیگر در دمای یکسانی باشد بر ولتاز تولید شدذه تاثیر نخواهد داشت.

در نتیجه زمانی که اتصالات به کار رفته در درمای یکسانی قرار داشته باشند، تعداد آنها اهمیتی نداشته و تاثیری برولتاژ تولید شده نخواهند داشت . بنابراین تمامی مدار های ترموکوپلی، ولتاژ یکسانی را تولید می کنند.

قرار دادن تعداد دلخواهی از فلزات مختلف، در یک اتصال ترموکوپل به شرطی که همه اتصالات در دمای یکسانی باشند، تاثیری بر ولتاژ تولید شده نخواهند داشت.
جبران سازی اتصال سرد (Cold Junction Compensation)
• مورد اول مربوط به دمای اتصال سرد است. از آنجا که جدولهای ترموکوپل براساس دمای اتصال سرد 0 درجه سانتی گراد تهیه شده اند برای اندازه گیری دما به صورت مطلق باید دمای اتصال سرد، ثابت و برابر 0 درجه سانتی گراد باشد.در غیر اینصورت ولتاژ خوانده شده معرف دمای واقعی نخواهد بود یک روش برای حل این مشکل، قرارا داد ن اتصال سرد ترموکوپل در یک وان یخ مانند شکل است. این روش درکاربردهای آزمایشگاهی قابل استفاده است، ولی در کاربردهای صنعتی مناسب و عملی نیست

• اتصال ترموکوپل به تجهیزاندازه گیری ولتاژ، باعث تولید ولتاژهای اضافه ای می شود که ناشی از به وجود آمدن ترموکوپل های جدید در محل اتصال به ولت متر است . این موضوع باعث خطا در اندازه گیری دما می شود.

• برای جلوگیر از خطا ناشی از دو عامل فوق باید دراندازه گیری ولتاژ ترموکوپل، جبرن سازی صورت میگیرد.

ترانسمیتر دما

در ترانسمیتر دما به کار رفته در صنعت، مرجع وان یخ بااتصال مرجع متغیر محیط باید عوض شود. این تعویض با انجام دو تغییر در شکل انجام میشود.
تغییر اول قراردادن دو سیم مسی کوتاه بین دو ترمینال ولت متر و هادی های سنسور دما و قراردادن این اتصالات جدید در یک بلوک ایزوله دمایی (Isorthermal block) مشابه شکل است.

این تغییر از شکل گیری ترموکوپل جدید در محل ترمینالهای ولت متر مانند آنچه ددر شکل بود جلوگیری می کنند. باقراردادن اتصالات جدید J1 و J2 در داخل بلوک ایزوله دمایی مانند شکل تاثیر آنها به دلیل اینکه درذ مقابل هم و در دمای یکسان قراردارند حذف می شود.

تغییر دوم قراردادن اتصال مرجع، در بلوک ایزوله دمایی است. باتوجه به قانون فلز های واسط، اگر اتصالات به کاررفته در دمای یکسانی قرارداشته باشند، تعداد آنها اهمیتی ندارد، بنابراین J4 Jref J2 را می توان فقط با J4 تعویض کرد.

در شکل مدل نهایی از جبران سازی اتصال نشان داده شده است. در این شکل ولت متر، ولتاژ های حاصل از ترموکوپل B در شکل را خوانده و ترمومتر R1 دمای مرجع واقعی در بلوک واقعی دمایسی را می خواند.

ترمومتر به کاررفته برای اندازه گیری Tref می تواند یک ترمیستور، یک RTD یا یک ترانزیستور مدار مجتمع باشدو اگر Tref دقیق اندازه گیری شود، ولتاژ یک ترموکوپل که اتصال گرم آن در Tref و اتصال سرد آن در وان یخ ( ترموکوپل یخ A در شکل ) قرار دارد را می توان تعریف کرد. مجموع ولتاژهای A و B ، دمای فرآیند نسبت به دمای صفر درجه سانتی گراد را خواهد داد
در اینجا یک سوال مطرح است، باتوجه به اینکه به یک ترمومتر برای اندازه گیری دمای مرجع نیاز است چرا باید از ترموکوپل استفاده کرد. جواب ساده است، اگر ترمومتری وجود دارد که می تواند دمای مد نظر را اندازه گیری کند از ترموکوپل استفاده نکنید.

متاسفانه سنسورهایی که دمای محیط Tref را با دقت اندازه گیری می کنند برای اندازه گیری دماهای بالا یاد دماهاایی با محدوده وسیع مناسب نیستند. در چنین مواردی انتخاب طبعی ترموکوپل است. اگر از ترموکوپل استفاده می شود باید عملیات جبران سازی نیز صورت گیرد.

میانگین گیری دمایی

ممکن است ترموکوپل ها مانند شکل به صورت موازی به کار برده شوند. در این حالت ولتاژ حاصل در تجهیز، میانگین دمای ترموکوپل ها خواهد بود. برای حفظ دقت باید ترموکوپل ها از نوع و جنس یکسانی باشند و سیم های الحاقی نیز یکجور باشند.
مزیت استفاده از ترموکوپل ها به صورت موازی برای میانگیری دما این است که آنهارا می توان به همان روش یک ترموکوپلی استفاده کرد .
اگر از سنسور دما به صورت سری استفاده شوند، مدار حاصل باید دارای نوع خاصی از جبران سازی اتصال مرجع باشندکه برای ولتاژ جبران سازی افزایش یافته مناسب باشد، این نوع جریان سازی اتصال مرجع به تعداد ترموکویل های به کارگرفته شده وابسته است .

همچنین تجهیز باید برای خروجی ولتاز کل به تعداد ترموکویل های استفاده شده کالیبره شود.

دماهای تفاضلی

می توان از دو ترموکویل برای اندازه گیری اختلاف دمای دونقطه استفاده کرد . ترموکویل ها باید به نحوی بهم متصل شوند که ولتاژ آنها در خلاف هم باشند اگر دو ترموکویل در دمای یکسانی باشند ولتاژ حاصل آنها صفر خواهد بودو اگر دمای بین دونقطه متفائت باشد، این تفاوت به صورت ولتاژ قابل اندازه گیری خواهد بود.

تشخیص خطاهای ترموکویل

از آنجا که ترموکویل ها در دمای بالا استفاده می شوند، ممکن است کابلهای الحاقی در اثر حرارت بالا صدمه ببینند و اگر اتصال کوتاهی در آنها به وجود آید ممکن است قابل تشخیص نباشند. در این حالت حسگر، به جای اندازه گیری دمای نقطه اتصال، دمای نقطه اتصال کوتاه را اندازه گیری می کند.

از آنجای که ترموکویل ها در بسیاری از موارد برای تشخیص وضعیتهای حدی دمایی دمایی بالا استفاده می شوند، اگر چنین خطا رخ دهد وضعیت آلارم قابل تشخیص نخواهد بود با استفاده از تکنیک اندازه گیری پیوسته مقاومتف می توان هرگونه تغییری را آشکار و اعلان کرد.

جزئیات کاربردی

وقتی تجهیزی تعویض می شود، ممکن است عملکرد تجهیز قدیمی و جدید متفائت باشد در تعویض سنسور دما و ترموکویل ها و RTD ها مشکلات مشابهی وجود دارد که عبارتند از :

اگر ترموکویل نصب شده باترموول اتصال نداشته اشد در انتهای ترموول یک فاصله هوایی به وجود می آید که روی پاسخ زمانی ترموول تاثیر می گذارد و باعث تفاوت بین دمای اندازه گیری شده و دمای واقعی می شود برای حل مشکل می توان از یک Thermo paste استفاده کرد و آن را در نقطه ای اندازه گیری دما انجام می شود قرار داد .

در مواقعی که سنسور دما نصب شده در ترموول تعویض می شود باید نوک (Bore) ترموول تمیز شود زیرا احتمال دارد در طی تعویض یا مرور زمان موادی در ته تروموول جمع شوند و باعث جدایی ترموکویل از ترموول و مانع انتقال حرارت شوند.مشکل دیگر زمانی است که ترموکوپل جدید نسبت به سنسور دما قدیمی جنس متفاوتی دارد.

این مسأله روی زمان پاسخ تاثیر می گذارد روی دقت تاثیر ندارد ولی می تواند پایداری سیستم حلقه بسته تاثیر بگذارد.مشکل دیگر مربوط به زمین کردن است. دقت و پاسخ ممکن است بیت تجهیزات زمین شده و زمین نشده متفاوت باشد.

با تعویض ترموکوپل ها، ممکن است نیازه به تعویض کابلهای الحاقی نیز وجود داشته باشد. کشش و تنش (Wear & Tear) و استهلاک (Deterioration) کابل می تواند روی دقت تاثیر بگذارد.

فروشگاه ابزار دقیق ای شاپ صنعت آماده ارائه طیف گسترده ای از سنسور دما ، ترانسمیتر دما روزمونت ، و همچنین محاسبه و ساخت انواع ترموول جهت پروژه های صنعتی میباشد.