Thermocouple: سنسور دمايي ساده و چند منظوري
چیست یک ترموقل؟
ترموقل دستگاهی است که تفاوت دما را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند، بر اساس اصل اثر ترموالکتریک. این نوع حسگر می‌تواند دمای یک نقطه یا مکان خاص را اندازه‌گیری کند. ترموقل‌ها به دلیل سادگی، پایداری، هزینه کم و محدوده دمایی گسترده در زمینه‌های مختلفی مانند صنعتی، خانگی، تجاری و علمی استفاده می‌شوند.
چیست اثر ترموالکتریک؟
اثر ترموالکتریک پدیده تولید ولتاژ الکتریکی به دلیل تفاوت دما بین دو فلز یا آلیاژ فلزی متفاوت است. این اثر توسط فیزیکدان آلمانی توماس زیبک در سال ۱۸۲۱ کشف شد که مشاهده کرد میدان مغناطیسی حول حلقه بسته دو فلز متفاوت ایجاد می‌شود وقتی یک اتصال گرم شده و دیگری خنک شده است.
اثر ترموالکتریک می‌تواند با حرکت الکترون‌های آزاد در فلزات توضیح داده شود. وقتی یک اتصال گرم شده، الکترون‌ها انرژی جنبشی بدست می‌آورند و به سمت اتصال خنک‌تر حرکت می‌کنند. این باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو اتصال می‌شود که می‌تواند با ولتمتر یا آمپرمتر اندازه‌گیری شود. مقدار ولتاژ به نوع فلزات و تفاوت دما بین اتصال‌ها بستگی دارد.
چگونه یک ترموقل کار می‌کند؟
یک ترموقل شامل دو سیم از دو فلز یا آلیاژ فلزی متفاوت است که در دو انتهای آن به یکدیگر متصل شده‌اند تا دو اتصال تشکیل شود. یک اتصال به نام اتصال داغ یا اندازه‌گیری در محلی قرار داده می‌شود که دمای آن اندازه‌گیری می‌شود. اتصال دیگر به نام اتصال سرد یا مرجع در دمای ثابت و شناخته شده نگهداری می‌شود، معمولاً در دمای اتاق یا در یک لانه یخ.
وقتی تفاوت دما بین دو اتصال وجود دارد، ولتاژ الکتریکی در مدار ترموقل به دلیل اثر ترموالکتریک تولید می‌شود. این ولتاژ می‌تواند با ولتمتر یا آمپرمتر متصل به مدار اندازه‌گیری شود. با استفاده از جدول کالیبراسیون یا فرمولی که ولتاژ را با دما برای نوع خاصی از ترموقل مرتبط می‌کند، می‌توان دمای اتصال داغ را محاسبه کرد.
نمودار زیر اصول کاری پایه یک ترموقل را نشان می‌دهد:
ویدیو زیر چگونگی کارکرد یک ترموقل را به طور دقیق‌تر توضیح می‌دهد:
چه نوع‌هایی از ترموقل‌ها وجود دارد؟
نوع‌های مختلفی از ترموقل‌ها موجود است که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای متفاوتی دارند. نوع ترموقل با ترکیب فلزات یا آلیاژ فلزی استفاده شده برای سیم‌ها تعیین می‌شود. نوع‌های رایج ترموقل‌ها با حروف (مانند K, J, T, E و غیره) بر اساس استانداردهای بین‌المللی مشخص می‌شوند.
جدول زیر برخی از نوع‌های اصلی ترموقل‌ها و ویژگی‌های آنها را خلاصه می‌کند:
| نوع | سیم مثبت | سیم منفی | کد رنگی | محدوده دما | حساسیت | دقت | کاربردها |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | نیکل-کروم (۹۰٪ Ni, ۱۰٪ Cr) | نیکل-آلومینیوم (۹۵٪ Ni, ۲٪ Al, ۲٪ Mn, ۱٪ Si) | زرد (+), قرمز (-), زرد (کلی) | -200°C تا +1260°C (-328°F تا +2300°F) | 41 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | عمومی, محدوده گسترده, هزینه پایین |
| J | آهن (99.5% Fe) | کانستان (55% Cu, 45% Ni) | سفید (+), قرمز (-), سیاه (کلی) | -210°C تا +750°C (-346°F تا +1400°F) | 50 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | اتمسفرهای اکسیدکننده, محدوده محدود |
| T | مس (99.9% Cu) | کانستان (55% Cu, 45% Ni) | آبی (+), قرمز (-), قهوه‌ای (کلی) | -200°C تا +350°C (-328°F تا +662°F) | 43 µV/°C | ±1°C (0.75%) | دمای پایین, اتمسفرهای اکسیدکننده |
| E | نیکل-کروم (90% Ni, 10% Cr) | کانستان (55% Cu, 45% Ni) | بنفش (+), قرمز (-), بنفش (کلی) |
| E | نیکل-کروم (90% Ni, 10% Cr) | کانستان (55% Cu, 45% Ni) | بنفش (+), قرمز (-), بنفش (کلی) | -200°C تا +870°C (-328°F تا +1598°F) | 68 µV/°C | ±1.7°C (0.5%) | دقت بالا, محدوده متوسط, هزینه پایین | | N | نیکروسل (84.1% Ni, 14.4% Cr, 1.4% Si, 0.1% Mg) | نیسل (95.5% Ni, 4.4% Si, 0.1% Mg) | نارنجی (+), قرمز (-), نارنجی (کلی) | -200°C تا +1300°C (-328°F تا +2372°F) | 39 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | عمومی, محدوده گسترده, پایدار | | S | پلاتین-رودیوم (90% Pt, 10% Rh) | پلاتین (100% Pt) | سیاه (+), قرمز (-), سبز (کلی) | 0°C تا +1600°C (+32°F تا +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | دمای بالا, دقت بالا, گران | | R | پلاتین-رودیوم (87% Pt, 13% Rh) | پلاتین (100% Pt) | سیاه (+), قرمز (-), سبز (کلی) | 0°C تا +1600°C (+32°F تا +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | دمای بالا, دقت بالا, گران | | B | پلاتین-رودیوم (70% Pt, 30% Rh) | پلاتین-رودیوم (94% Pt, 6% Rh) | خاکستری (+), قرمز (-), خاکستری (کلی) | +600°C تا +1700°C (+1112°F تا +3092°F) | 9 µV/°C | ±0.5% از خواندن بیش از +600°C (+1112°F) | دمای بسیار بالا, حساسیت پایین |
