اساس کار ترموکوپل ها

از ترموكوپل همواره به عنوان عنصر حس كننده در سنسور حرارتي ويا سويئچ حرارتي استفاده مي شود. اصول كاري ترموكوپل براساس دو فلز غيرمشابه است كه بين آنها نقطه اتصال كوچكي ايجاد شده وبا تغيير دماي محيط اختلاف پتانسيل نقطه اتصال تغيير مي كند. اختلاف پتانسيل نقطه اتصال براي يك نقطه اتصال قابل اندازه گيري نيست اما زماني كه دو نقطه اتصال در يك مدار قرار گيرند به طوري كه هر يك از دو نقطه اتصال در دماي متفاوت با ديگري قرار داشته باشد آنگاه ولتاژي در حد چند ميلي ولت بين آن دو نقطه ايجاد مي شود. شکل زیر چگونگی اتصال و قرار گیری دو فلز غیر هم جنس و ایجاد ترموکوپل را نشان می دهد کهمیزان اختلاف پتانسیل ایجاد شده و چگونگی قر ائت آن بین دو نقطه گرم و سرد را نشان می دهد.

در صورتي كه دو نقطه اتصال در محيطي با دماي يكسان قرار داشته باشد ولتاژ مزبور افزايش خواهد يافت تا اينكه به مقدار نهايي ولتاژ برسد.منحني مشخصه نمونه نشاندهنده اين است كه ترموكوپل به دليل رفتار غيرخطي مشخصه وحالت معكوسي كه در دماهاي بالاتر از دماي نقطه بازگشت براي مشخصه پيش مي آيد تنها در فاصله دمايي محدودي داراي كاربرد مفيد است.

ترموكوپل از اثر سي بك استفاده مي كنند كه از نظر تئوري بيانگر معادله EMF زير است: در اين معادله c,b,a ثابتهايي هستند كه به نوع فلزات به كار رفته در ترموكوپل بستگي دارند و اختلاف دماي بين آنهاست. اگر اتصال نقطه سرد در 0C نگهداشته شود آنگاه معادله EMFخواهد شد. كه در آلفا و بتا ثابتهاي اندازه گيري شده براي زوج فلزها هستند و T اختلاف دما مي باشد. در دماي پايين تر ازدماي نقطه انتقالي مقدار a معمولا كوچك است به طوري كه EMF تقريبا به طور مستقيم متناسب با اختلاف دماست. شکل زیر منحنی تغییرات EMF برای تعدادی از ترموکوپل های رایج در صنعت را نشان می دهد.

باید توجه داشت هر مدار عملي شامل يك ترموكوپل داراي بيش از دو نقطه اتصال از فلزات متفاوت خواهد بود و مدارات بايستي بگونه اي طراحي شوند كه تنها اتصالات مورد نظر در دماهاي متفاوت قرار گيرند. خروجي يك ترموكوپل داراي دامنه كوچكي است به طوري كه براي اختلاف دماي 10C مقدار خروجي در محدوده چند ميلي ولت مي باشد جدول زیر نشان دهنده مقادير نمونه نيروي محركه الكتروموتوري (EMF) براي چند نمونه فلز و آلياژ در حالتيكه فلز دوم ترموكوپل پلاتين باشد آورده شده است.

جدول زیر نشان دهنده مقادير EMF اختلاف دما براي سه نوع ماده رايج ترموكوپل فهرست شده است. از انواع ترموكوپل هاي نوع مس كنستانتان عمدتا براي محدوده دماهاي پايين تر ونوع پلاتين/ راديم براي دماهاي بالاتر مورد استفاده قرارمي گيرد و نشان دهنده محدوده مفید اختلاف دما و مقادیر EMF برحسب mV است، در شرایطی که انتهای سرد ترموکوپل در دمای صفر درجه قرار دارد.

همانطور که دیده می شود به دليل اينكه ولتاژ خروجي ترموكوپل پايين است بايستي سيگنال خروجي ترموكوپل تقويت دامنه شود. مگر در مواردي كه از ترموكوپل به همراه يك ميلي ولت متر حساس براي اندازه گيري دما استفاده مي شود.اگر نياز به اين باشد كه از خروجي ترموكوپل براي راه اندازي چيزي بيشتر تراز حركت عقربه استفاده شود در ان صورت لازم است با استفاده از يك تقويت كننده عملياتي ويا تقويت كننده چاپر آن را تقويت DC كنيم.نوع تقويت كننده اي كه لازم است بايستي بدقت انتخاب شود زيرا بايستي داراي پايداري جريان شنتي مطلوبي باشد مگر اينكه امكان تنظيم مجدد تقويت كننده به طور مكرر فراهم باشد. در چنين شرايطي تقويت كننده چاپر براي اغلب موارد ترجيح داده مي شود. امتياز خاص ترموكوپلها اين است كه قسمت حس كننده آن خودشان خيلي كوچك است وامكان اين هست كه ترموكوپلها در فضاهاي خيلي كوچك جاسازي شوند و بتوان پاسخ مناسبي را نسبت به تغيرات سريع دما دريافت كرد. طبيعت الكترونيكي وروش كار به صورتي است كه مدارات لازم براي خواندن خروجي ترموكوپل را مي توان در فاصله دورا زخود سنسور نصب كرد. بايستي توجه داشتكه در هر جا كه يك فلز هادی با يك فلزهادي ديگر تماس داشته باشد اثرات ترموكوپل ظاهر مي شود به گونه اي كه اختلاف دماهاي موجود در مدار چاپي نيز ميتوانند باعث تغيير در مقدار ولتاژ خروجي ترموكوپل هايي بشوند كه ولتاژشان با آنها قابل مقايسه است. بنابراين شکل ساختمان تقويت كننده هايي كه براي ترموكوپلها استفاده مي شوند بسيار مهم است وبه نوعي تنظيم صفر نياز دارند. كاربرد عملي ترموكوپلها در صنعت موارد استفاده زيادي دارند به طوري كه به عنوان يكي از مهمترين سنسور هاي دما به كار مي روند. از ميان بسياري از تركيبات ممكن فلزات براي تشكيل ترموكوپل تنها تعداد كمي از آنها داراي رفتار خطي مناسب ومقاومت قابل توجه در مقابل دماي زياد هستند. ذیلا تعدادی از این ترموکوپل ها که استفاده بسیار زیادی در صنایع دارند بهمراه آلیاژ تشکیل دهنده آنها آورده شده است. نوع S: استفاده از %90 پلاتين %10 آلياژ راديم و پلاتين خالص به عنوان فلز دوم. نوع R: با استفاده زا %87 پلاتين،%13 آلياژ راديم و پلاتين خالص به عنوان فلز دوم. نوع :K (كرمل-آلومل) با استفاده از آلياژهاي نيكل-كرم ونيكل- الومينيوم. نوع T: (مس-كنستانتان) با استفاده از آلياژهاي مس ومس- نيكل. نوع E: (كرم-كنستانتان) با استفاده از آلياژهاي نيكل-كرم ومس-نيكل نوع J: (آهن-کنستانتان) با استفاده از آلیاژهای آهن و مس-نیکل در جدول زیر رایج ترين انواع ترموكوپلها به همراه حروف و كد مربوط به آنها و همچنین رنج دمایی آنها آورده شده است.

اين موارد شامل دو گروه هستند انواع فلز پايه مانند آهن-كنستانتان وانواع فلزات مرغوب مانند پلاتين راديم-پلاتين. ترموكوپلهاي ازجنس فلز مرغوب اين نامگذاري به دليل مقاومت آنها در مقابل همه اسيدها شناخته شده است در دماهاي بالاتر كاربرد دارند اما ولتاژ خروجي آنها كم است وبه منظور جلوگيري از خرابي ناشي از اكسيدشدن بايستي آنها را روكش كرد. ترموكوپل هايي كه از فلز آهن به عنوان يكي از دو جنس سيم استفاده مي كنند بايستي در مقابل زنگ زدن وبه طور كلي هر نوع اكسيداسيون محافظت شوند. تفاوتهاي بين اندازه گيري دما با ترموكوپل و ديگر وسايل اندازه گيري دما همواره مورد تاييد قرار نمي گيرد. اندازه گيري توسط ترموكوپل همواره به صورت يك اندازه گيري تفاضلي است بدين صورت كه اختلاف دماي بين اتصال سرد با همان اتصال مرجع يادماي اتصال گرم و يا اتصال اندازه گيري را محاسبه مي كند. اگر هيچ كدام از فلزات مورد استفاده در ترموكوپل از همان جنس فلز كابلهاي رابط نباشند دومجموعه اتصال جديد به وجود خواهد آمد. جهت اطلاعات بیشتر به مقاله کابل های رابط و جبران ساز ترموکوپل ها مراجعه شود. جداول مورد استفاده براي ترموكوپل با این فرض تهیه شده اند که اتصال مرجع همواره در دمای 0C قرار دارد. در عرصه صنعت اين فرض بندرت واقعيت پيدا مي كند و بنابراين براي اينكه داده هاي فوق كارايي داشته ب اشد بايستي جبران سازيهايي انجام شود به طوري كه قرائت خروجي ترموكوپل براساس دماي حقيقي نقطه مرجع اتصال ترموكوپل صورت بگيرد. روش معمول جبران سازي اتصال سرد را ميتوان در قسمت تقويت كننده/ خروجي ابزار به كاربرد براي تشخيص دما در اتصال ويا اتصالات مرجع از يك سيم پيچ فلزي و يا يك ترميستور استفاده مي شود وخروجي حاصل از اين سنسور به منظور تصحيح اثر به يك طبقه جمع كننده داخل ابزار اعمال ميشود. اين روش براحتي در تجهيزات مجهز به ميكروكنترلر توسط يك جدول تصحيح مقادير كه در يك حافظه ROM نگهداري مي شود قابل انجام است اما در روشهاي قديمي آنالوگ عمل فوق با استفاده از يك طبقه جمع كننده انجام مي شد. عموما قرارگیری نقطه گرم یا همان نقطه اندازه گیری ترموکوپل ها در غلاف محافظتی به سه نوع مختلف تقسیم می شوند. که بستگی به محل قرارگیری ترموکوپل و یا نیاز به فرمان پاسخ دهی کمتر متغییر است در شکل زیر این سه نوع نشان داده شده است.