اساس کار ترموکوپل ها

on چهارشنبه, 27 مرداد 1395.

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.

 

Leave a comment

You are commenting as guest.

English
پاسخگویی سریع