دستگاه ها و مکانیسم های مختلفی وجود دارند که به شما امکان اندازه گیری دما را می دهند. برخی از آنها در زندگی روزمره استفاده می شود، برخی برای تحقیقات فیزیکی مختلف، در فرآیندهای تولید و سایر صنایع.
یکی از این وسایل ترموکوپل است. اصل کار و طرح این دستگاه را در قسمت های بعدی بررسی خواهیم کرد.
مبنای فیزیکی عملکرد ترموکوپل
اصل کار ترموکوپل بر اساس فرآیندهای فیزیکی معمولی است. برای اولین بار اثری که این دستگاه بر روی آن کار می کند توسط دانشمند آلمانی توماس سیبک مورد مطالعه قرار گرفت.
ماهیت پدیده ای که اصل عملکرد ترموکوپل بر آن استوار است به شرح زیر است. در یک مدار الکتریکی بسته، متشکل از دو هادی از انواع مختلف، هنگامی که در معرض دمای محیط معین قرار می‌گیرد، الکتریسیته ایجاد می‌شود.
جریان الکتریکی حاصل و دمای محیطی که بر روی هادی ها تأثیر می گذارد در یک رابطه خطی هستند. یعنی هر چه دما بیشتر باشد جریان الکتریکی تولید شده توسط ترموکوپل بیشتر می شود. دراین اصل عملکرد ترموکوپل و دماسنج مقاومتی است.
در این حالت یک کنتاکت ترموکوپل در نقطه ای قرار می گیرد که اندازه گیری دما ضروری است، به آن "گرم" می گویند. تماس دوم، به عبارت دیگر - "سرد"، - در جهت مخالف. استفاده از ترموکوپل برای اندازه گیری تنها زمانی مجاز است که دمای هوا در اتاق کمتر از محل اندازه گیری باشد.
این یک نمودار مختصر از عملکرد یک ترموکوپل، اصل کار است. انواع ترموکوپل ها در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت.
انواع ترموکوپل
در هر صنعتی که اندازه گیری دما مورد نیاز است، ترموکوپل کاربرد اصلی است. دستگاه و اصل عملکرد انواع مختلف این واحد در زیر آورده شده است.
ترموکوپل کرومل-آلومینیوم
این مدارهای ترموکوپل در بیشتر موارد برای تولید سنسورها و کاوشگرهای مختلف استفاده می شوند که به شما امکان می دهد دما را در تولیدات صنعتی کنترل کنید.
ویژگی های متمایز آنها شامل قیمت نسبتاً پایین و طیف وسیعی از دماهای اندازه گیری شده است. آنها به شما اجازه می دهند دما را از -200 تا +13000 درجه سانتیگراد ثابت کنید.
استفاده از ترموکوپل با آلیاژهای مشابه در مغازه ها و مراکز با محتوای گوگرد بالا در هوا توصیه نمی شود، زیرا این عنصر شیمیایی بر کروم و آلومینیوم تأثیر منفی می گذارد و باعث اختلال در عملکرد دستگاه می شود.
ترموکوپل کرومل-کوپل
اصل عملکرد ترموکوپلی که گروه تماس آن از این آلیاژها تشکیل شده است، یکسان است.اما این دستگاه ها عمدتاً در یک محیط مایع یا گازی کار می کنند که دارای خواص خنثی و غیر تهاجمی است. شاخص دمای بالا از +8000 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند.
از ترموکوپل مشابهی استفاده می شود که اصل آن اجازه می دهد تا از آن برای تعیین درجه گرمایش هر سطحی استفاده شود، به عنوان مثال، برای تعیین دمای کوره های اجاق باز یا سایر ساختارهای مشابه..
ترموکوپل آهنی-ثابت
این ترکیب کنتاکت ها در یک ترموکوپل به اندازه اولین گونه های در نظر گرفته شده رایج نیست. اصل کار ترموکوپل یکسان است، اما این ترکیب در فضای کمیاب به خوبی خود را نشان داده است. حداکثر سطح دمای اندازه گیری شده نباید از +12500 درجه سانتیگراد تجاوز کند.
اما اگر دما شروع به بالا رفتن از +7000 درجه کند، به دلیل تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی آهن، خطر نقض دقت اندازه گیری وجود دارد. حتی مواردی از خوردگی تماس آهنی ترموکوپل در حضور بخار آب در هوای محیط وجود دارد.
ترموکوپل Platinorhodium-Platinum
گرانترین ترموکوپل تولید شده. اصل کار یکسان است، اما در قرائت دمای بسیار پایدار و قابل اعتماد با همتایان خود متفاوت است. حساسیت کاهش یافته است.
کاربرد اصلی این دستگاه ها اندازه گیری دمای بالا است.
ترموکوپل تنگستن-رنیم
همچنین برای اندازه گیری دماهای فوق العاده بالا استفاده می شود.حداکثر حدی که می توان با استفاده از این طرح رفع کرد به 25 هزار درجه سانتیگراد می رسد.
کاربرد آنها مستلزم رعایت شرایط خاصی است. بنابراین در فرآیند اندازه گیری دما لازم است جو اطراف کاملاً حذف شود که در نتیجه فرآیند اکسیداسیون بر روی کنتاکت ها تأثیر منفی می گذارد.
برای این کار، ترموکوپل های تنگستن-رنیم معمولاً در محفظه های محافظ پر از گاز بی اثر قرار می گیرند تا از عناصر خود محافظت کنند.
در بالا، هر ترموکوپل، دستگاه موجود، اصل عملکرد آن، بسته به آلیاژهای مورد استفاده، در نظر گرفته شد. اکنون برخی از ویژگی های طراحی را در نظر بگیرید.
طرحهای ترموکوپل
دو نوع اصلی از طرح های ترموکوپل وجود دارد.
- با یک لایه عایق. این طراحی ترموکوپل امکان جداسازی لایه کاری دستگاه از جریان الکتریکی را فراهم می کند. این آرایش به ترموکوپل اجازه می دهد تا در فرآیند بدون جداسازی ورودی از زمین استفاده شود.
- بدون استفاده از لایه عایق. چنین ترموکوپل هایی را فقط می توان به مدارهای اندازه گیری متصل کرد که ورودی های آنها با زمین تماس ندارند. اگر این شرط برآورده نشود، دستگاه دو مدار بسته مستقل ایجاد می کند که منجر به قرائت ترموکوپل نامعتبر می شود.
ترموکوپل مسافرتی و کاربرد آن
یک جداگانه وجود داردنوعی از این وسیله به نام "دویدن". اکنون اصل عملکرد یک ترموکوپل در حال اجرا را با جزئیات بیشتری در نظر خواهیم گرفت.
این طرح عمدتاً برای تشخیص دمای شمش فولادی در طول پردازش آن در تراشکاری، فرز و سایر ماشین‌های مشابه استفاده می‌شود.
لازم به ذکر است که در این مورد می توان از ترموکوپل معمولی نیز استفاده کرد، اما اگر فرآیند ساخت نیاز به دقت دمای بالا داشته باشد، تخمین زدن ترموکوپل در حال کار دشوار است.
هنگام اعمال این روش، عناصر تماس آن از قبل به قطعه کار لحیم می شوند. سپس، در حین پردازش قسمت خالی، این کنتاکت ها دائماً در معرض عمل یک برش یا سایر ابزار کار دستگاه قرار می گیرند، در نتیجه اتصال (که عنصر اصلی در هنگام خواندن دما است) به نظر می رسد اجرا می شود.” در امتداد مخاطبین.
این اثر به طور گسترده در صنعت فلزکاری استفاده می شود.
ویژگی های فنی طرح های ترموکوپل
هنگام ساخت مدار ترموکوپل کار، دو کنتاکت فلزی لحیم می شود که همانطور که می دانید از مواد مختلفی ساخته شده اند. محل اتصال یک اتصال نامیده می شود.
لازم به ذکر است که انجام این اتصال با استفاده از لحیم کاری ضروری نیست. به سادگی دو مخاطب را با هم بچرخانید. اما چنین روش تولیدی از قابلیت اطمینان کافی برخوردار نخواهد بود و همچنین ممکن است هنگام اندازه گیری دما خطا کند.
اگر نیاز به اندازه گیری بالا داریددر دماهای مختلف، لحیم کاری فلزات با جوشکاری آنها جایگزین می شود. این به این دلیل است که در بیشتر موارد لحیم کاری استفاده شده در اتصال دارای نقطه ذوب پایینی است و در صورت تجاوز از آن خراب می شود.
مدارهایی که جوش داده شده اند می توانند محدوده دمایی وسیع تری را تحمل کنند. اما این روش اتصال معایبی نیز دارد. ساختار داخلی فلز زمانی که در طول فرآیند جوشکاری در معرض دماهای بالا قرار می گیرد ممکن است تغییر کند که بر کیفیت داده های به دست آمده تأثیر می گذارد.
علاوه بر این، وضعیت کنتاکت های ترموکوپل باید در طول کار آن نظارت شود. بنابراین، امکان تغییر خصوصیات فلزات در مدار به دلیل تأثیر محیط تهاجمی وجود دارد. اکسیداسیون یا انتشار درونی مواد ممکن است رخ دهد. در چنین شرایطی، مدار عملیاتی ترموکوپل باید تعویض شود.
انواع اتصالات ترموکوپل
صنعت مدرن چندین طرح تولید می کند که در ساخت ترموکوپل استفاده می شود:
- تقاطع باز؛
- با اتصال عایق؛
- با اتصال زمین.
یکی از ویژگی های ترموکوپل های اتصال باز مقاومت ضعیف در برابر تأثیرات خارجی است.
دو نوع طراحی زیر را می توان برای اندازه گیری دما در محیط های تهاجمی که تأثیر مخربی بر جفت تماس دارند استفاده کرد.
علاوه بر این، صنعت در حال حاضر در حال تسلط بر طرح هایی برای تولید ترموکوپل با استفاده از فناوری های نیمه هادی است.
خطای اندازه گیری
صحت خوانش های دما به دست آمده با استفاده از ترموکوپل به مواد گروه تماس و همچنین عوامل خارجی بستگی دارد. مورد دوم شامل فشار، پس زمینه تشعشع یا دلایل دیگری است که می تواند بر پارامترهای فیزیکی و شیمیایی فلزاتی که تماس ها از آنها ایجاد می شود تأثیر بگذارد.
خطای اندازه گیری از اجزای زیر تشکیل شده است:
- خطای تصادفی ناشی از فرآیند ساخت ترموکوپل؛
- خطای ناشی از نقض رژیم دمایی تماس "سرد"؛
- خطای ناشی از تداخل خارجی؛
- خطای تجهیزات کنترلی.
مزایای استفاده از ترموکوپل
مزایای استفاده از این دستگاه های کنترل دما، صرف نظر از کاربرد، عبارتند از:
- طیف وسیعی از نشانگرها که می توان با استفاده از ترموکوپل ثبت کرد؛
- محل اتصال ترموکوپل، که مستقیماً در خوانش نقش دارد، می تواند در تماس مستقیم با نقطه اندازه گیری قرار گیرد؛
- ترموکوپل ها ساخت آسان، بادوام و طولانی مدت هستند.
معایب اندازه گیری دما با ترموکوپل
معایب استفاده از ترموکوپل عبارتند از:
- نیاز به نظارت مداوم بر دمای تماس "سرد" ترموکوپل. این یک متمایز استویژگی طراحی ابزارهای اندازه گیری که مبتنی بر ترموکوپل هستند. اصل عملکرد این طرح دامنه کاربرد آن را محدود می کند. آنها فقط در صورتی قابل استفاده هستند که دمای محیط کمتر از دمای نقطه اندازه گیری باشد.
- نقض ساختار داخلی فلزات مورد استفاده در ساخت ترموکوپل. واقعیت این است که در نتیجه قرار گرفتن در معرض محیط خارجی، کنتاکت ها یکنواختی خود را از دست می دهند که باعث ایجاد خطا در شاخص های دمایی به دست آمده می شود.
- در طول فرآیند اندازه گیری، گروه تماس ترموکوپل معمولاً در معرض تأثیر منفی محیط قرار می گیرد که باعث ایجاد اختلال در فرآیند می شود. این دوباره نیاز به آب بندی کنتاکت ها دارد که باعث هزینه های اضافی برای نگهداری این سنسورها می شود.
- خطر قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطیسی در ترموکوپل وجود دارد که طراحی آن گروه تماس طولانی را فراهم می کند. این ممکن است بر نتایج اندازه گیری نیز تأثیر بگذارد.
- در برخی موارد، نقض رابطه خطی بین جریان الکتریکی که در ترموکوپل رخ می دهد و دمای محل اندازه گیری وجود دارد. این وضعیت مستلزم کالیبراسیون تجهیزات کنترلی است.
نتیجه گیری
روش اندازه گیری دما با استفاده از ترموکوپل که برای اولین بار در قرن نوزدهم ابداع و آزمایش شد، علیرغم کاستی هایی که دارد، کاربرد گسترده ای در تمامی شاخه های صنعت مدرن پیدا کرده است.
علاوه بر این، برنامه هایی وجود دارد که در آن از ترموکوپل ها استفاده می شودتنها راه برای به دست آوردن اطلاعات دما است. و پس از خواندن این مطالب، اصول اولیه کار آنها را کاملاً درک کرده اید.
