مقالات رایگان, مقالات سنسورها
ترموکوپل چیست؟ | انواع ترموکوپل | کاربرد ترموکوپل | ارتباط ترموکوپل با LabVIEW – الکتروپل
در این مقاله قصد داریم سنسور دمایی ترموکوپل را خدمت علاقه‌مندان توضیح دهیم و نکات استفاده از این سنسور را به همراه مزایا و معایبش باهم بررسی کنیم. همچنین تجهیزاتی که می‌تواند اطلاعات دمایی سنسور ترموکوپل را خوانده و به ما تحویل دهد تا بتوانیم در برنامه خود از آن استفاده کنیم را خدمتتان توضیح دهیم.
ترموکوپل چیست ؟
ترموکوپل یکی از پرمصرف‌ترین و پرکاربردترین سنسورهای دمایی محسوب میشود که در صنعت‌های بسیاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.ترموکوپل جزو سنسورهای تماسی در اندازه‌گیری دما محسوب میشود. چراکه ما سنسورهای غیر تماسی دمایی نیز داریم که بدون نیاز به اتصال یا تماس با محیط موردنظر می‌توان کمیت فیزیکی دما را با آن‌ها اندازه‌گیری نمود. این سنسورها مانند سنسورهای لیزری که معمولاً با IR یا مادون‌قرمز کار می‌کنند و یا ترمال ویژن‌ها که دوربین‌های حرارتی هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توان میزان حرارت نقطه‌ای از تصویر را با استفاده از دوربین بخصوصی اندازه‌گیری کرد
یکی از علت‌هایی که این سنسورهای ترموکوپل بسیار پرکاربرد هستند این است که رنج دمایی وسیعی را می‌توان با Typeهای مختلف آن برای اندازه‌گیری دمت پوشش داد ( مثلاً ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد ) که البته سنسور دمایی تماسی دیگری را نمی‌توان یافت که تا این رنج دما را بتواند اندازه‌گیری کند.
از علت‌های دیگر محبوبیت این سنسور، قیمت مناسب و دقت بالای آن است.و همچنین سرعت پاسخ آن در شرایطی که سرعت تغییرات دمایی برای ما مهم است بالاست.
یکی از معایبی که این سنسورها دارند غیرخطی بودن آن‌ها است که البته این موضوع عیب نیست، بلکه ذات این سنسور است و اگر چنین نبود نمی‌توانست رنج وسیع دمایی را برای ما پوشش دهد. اما از آنجا که در قدیم راه‌اندازی آن نسبت به سنسورهای خطی بسیار دشوار بود این موضوع را به‌عنوان عیب این سنسور مطرح می‌کردند و تا به امروز این لفظ روی این سنسور مانده است. ولی در ادامه همین مقاله خدمت شما توضیح خواهم داد که با چه روش‌هایی می‌توان این سنسورهایی را که زمانی راه‌اندازی سختی داشتند، امروز با چه تجهیزات و روش‌هایی بسیار ساده و راحتی با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کرد.
حال اجازه بدهید تا به بررسی ساختاری این سنسور بپردازیم تا بیشتر با آن آشنا شویم. ساختار ترموکوپل بدین گونه است که دو فلز ناهم‌جنس را در نقطه‌ای به هم کوپل کرده که با ایجاد حرارت در این نقطه بارهای الکتریکی داخل این دو فلز یا آلیاژ ناهم‌جنس به حرکت درآمده و در سر آزاد این فلزها ولتاژی در حد میلی ولت ایجاد میشود. این پدیده را با عنوان‌های مختلفی ازجمله پدیده ترموالکتریک و پدیده Seebeck معرفی می‌کنند. نکته قابل توجه اینجاست که مقدار جابجایی بار در فلزها و درنهایت میزان میلی ولتی که در سر آزاد این جنس فلزها در ترموکوپل تولید می‌گردد به جنس فلز بکار رفته شده در آن بستگی دارد. تمامی این اتصالات و انتخاب جنس فلزها و غیره طبق یکسری استاندارد مانند استاندارد DIN 43 710 و EN 60 584 پیاده‌سازی می‌گردد که چون خارج از حوصله این بحث است از آن عبور می‌کنیم.
نمودار زیر میزان ولتاژ برحسب دمای انواع ترموکوپل‌ها را نشان می‌دهد که بیانگر رفتار غیرخطی ترموکوپل نیز است:
غلاف ترموکوپل :
خود سنسور ترموکوپل سنسور بسیار کوچکی است که دقیقاً در حد نقطه کو پل شدن ۲ فلز ناهم‌جنس است ولی از آنجایی که این سنسور جزو سنسورهای تماسی است برای مصارف مختلف نیاز به یک اساتراکچر مناسب برای محل نصب خواهیم داشت که به آن غلاف می‌گویند. این غلاف در سایزهای مختلف در بازار موجود است که هنگام خرید می‌توانید سازهای مختلف موردنظر را به فروشنده اعلام کنید تا برای شما آماده کند.مثلاً غلاف ۵ سانتی ، غلاف ۱۰ سانتی و …
علاوه براین یکی از علت‌هایی که از غلاف برای ترموکوپل‌ها استفاده میشود محافظت از نقطه کو پل در برابر تنش و شوک‌های مکانیکی است. در کنار این موضوع که این غلاف محافظ خیلی خوبی برای ترموکوپل است باید به این نکته نیز توجه داشت که سرعت پاسخ‌دهی خود ترموکوپل در حالت عادی بالاست ولی زمانی که از این غلاف‌ها جهت محافظت از نقطه کو پل استفاده میشود سرعت پاسخ‌دهی تا حدودی پایین می‌آید.
انواع ترموکوپل :
قابل ذکر است که سنسور ترموکوپل در Typeهای مختلفی در بازار موجود است که این Typeها بر اساس جنس فلزهای بکار رفته در سنسور ترموکوپل برای اندازه‌گیری رنج‌های دمایی مختلف تقسیم‌بندی شده‌اند. این Typeها عبارت‌اند از :
ترموکوپل نوع K,j,T,E,N,S,R,B که هرکدام رنج دمایی خاصی را پوشش می‌دهد که متناسب با پروژه خود می‌توانید یکی از این نوع‌ها را انتخاب نمایید.
در شکل زیر انواع ترموکوپل را با رنگ‌بندی سیم‌ها – جنس فلز و آلیاژ بکار رفته در آن – رنج دمایی هر یک با استاندارد آمریکایی می‌توانید مشاهده کنید.
میزان تغییرات ولتاژ سر آزاد سیم‌ها در ازای اعمال حرارت در نقطه کو پل شدن دو آلیاژ ناهم‌جنس به میزان حرارت سرتاسر آلیاژها بستگی دارد. درنتیجه برای اینکه بتوانیم میزان حرارت را در نقطه کوپل شده بخوانیم می‌بایست سر آزاد این آلیاژها را با سیم‌هایی به‌عنوان سیم جبران‌کننده افزایش دهیم . انتهای آزاد آن‌ها را در محلی که دمای آن معلوم است قرار دهیم. معمولاً به این نقطه، نقطه مرجع – نقطه سرد یا اتصال سرد میگونید که در بسیاری از تجهیزات اندازه‌گیری آن را با عنوان CJC بیان می‌کنند.
نکته مهم اینجاست که باید دمای نقطه سرد همیشه ثابت و معلوم باشد و اگر این نقطه سرد دمای ثابتی نداشت و ممکن بود تغییر کند حتماً باید مانند یک ترموستات، دمای آن را توسط یک سنسور دیگر مانند سنسور دمای LM35 بخوانیم.
در شکل فوق دمای T2 دمای نقطه کو پل شدن دو آلیاژ ناهم‌جنس است که دقیقاً دمای اندازه‌گیری ترموکوپل ماست و نقطه T3 دمای نقطه مرجع – نقطه اتصال – نقطه سرد یا CJC ما است که درواقع همان‌جایی است که ما اتصال ترموکوپل را به تجهیز مورد نظر مانند کارت‌های DAQ وصل می‌کنیم تا دمای ترموکوپل را بتوانیم اندازه‌گیری نماییم.
نکته خیلی مهم :
زمانی که از سیم‌های جبران‌کننده برای اتصال آلیاژها به پایانه موردنیاز مانند تجهیز اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنیم، باید هنگام خرید ترموکوپل با توجه به فاصله اندازه‌گیری دمای نقطه موردنظر از تجهیز موردنیاز برای خواند و قرائت میزان دما، طول سیم‌ها را به فروشنده سفارش دهید. مثلاً بگوید ترموکوپل نوع k می‌خواهم با طول سیم ۲ متر و طول غلاف ۵ سانت. بسیار مهم است که با توجه به فاصله نقطه‌ای که می‌خواهید دما را اندازه‌گیری کنید تا نقطه‌ای که می‌خواهید ترموکوپل را به تجهیز اندازه‌گیری وصل نمایید طول سیم را سفارش دهید. چراکه اگر بعد از خرید ترموکوپل، خواستید اتصال آن را با تجهیز اندازه‌گیری برقرار نمایید و طول سیم‌های جبران‌کننده کافی نبود نباید هرگز به سیم‌های جبران‌کننده سیم دیگری اضافه کنید تا این کمبود فاصله را جبران نمایید. زیرا خود این اتصال یک نقطه کو پل دیگر محسوب میشود و میزان دمای اندازه‌گیری شده خطا هست. پس حتماً در انتخاب طول سیم در هنگام خرید دقت نمایید.
تجهیزات موردنیاز برای تبدیل میلی ولت خروجی از سیم‌های ترموکوپل به رنج استاندارد صنعتی جهت اندازه‌گیری :
همان‌طور که گفته شد با اعمال حرارت به نقطه کو پل در سر آزاد آلیاژهای ناهم‌جنس یا سیم‌های جبران‌کننده اختلاف ولتاژی در حد میلی ولت ایجاد می‌گردد. برای اینکه این اختلاف ولتاژ را بتوانید در حد رنج ولتاژ یا جریان استاندارد صنعتی جهت اتصال به سیستم‌های اندازه‌گیری، باید این میزان میلی ولت را به ۰ تا ۱۰ ولت و یا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر تبدیل کنید. برای این کار می‌بایست ترانسمیتر مخصوصی را متناسب با نوع ترموکوپل و رنج دمایی موردنیاز خود از بازار خریداری نمایید. مثلاً اگر ترموکوپل نوع J داشتید و خواستید رنج ۰ تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری نمایید باید ترانسمیتری سفارش دهید که خروجی ۰ الی ۱۰ ولت یا ۴ الی ۲۰ میلی‌آمپر خروجی دهد. که در آن میزان ۰ درجه دمایی معادل ۰ ولت DC و یا ۴ میلی‌آمپر جریانی است به‌عنوان حد پایین، و مقدار ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد دمایی آن معادل ۱۰ ولت DC و یا ۲۰ میلی‌آمپر جریانی به‌عنوان حد بالایی می‌باشد.
شکل زیر نمونه‌ای از این ترانسمیترها را نشان می‌دهد:
تجهیز مناسب برای خواندن دمای ترموکوپل :
حال برای اینکه بتوانیم میزان دمای ترموکوپل را بخوانیم باید از یک تجهیز اندازه‌گیری مانند PLC ، کارت DAQ و میکروکنترلر و … استفاده کنیم.
همان‌طور که گفتیم درگذشته برای خواندن مقدار دمای ترموکوپل به خاطر رفتار غیرخطی آن با مشکلاتی روبرو بودند ولی امروزه با ماژول‌های بسیار مناسب و دقیق می‌توان مقدار دمای ترموکوپل را به‌راحتی خواند.
به دو روش به‌صورت مرسوم می‌توان دمای ترموکوپل را خواند :
روش اول :
اتصال ترموکوپل به یک ترانسمیتر جهت تبدیل میلی ولت به ولت یا تبدیل میلی ولت به ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر جریانی و سپس اتصال آن به یک کارت ADC جهت خواندن میزان تغییرات ورودی آنالوگ و نوشتن یک فرمول برای تبدیل ولتاژ قرائت شده از ADC به کمیت دمایی جهت اندازه‌گیری دمای محیط موردنظر در برنامه.
توجه داشته باشید که در این روش سنسور دمایی مرجع را که دمای نقطه سرد شما را اندازه‌گیری می‌کند باید به‌صورت جداگانه در این سیستم قرار دهید و دمای قرائت شده آن را در فرمول فوق الذکر قرار دهید.
روش دوم :
این روش راحت‌تر و دقیق‌تر است.در این روش با استفاده از برخی ماژول‌های صنعتی که اینترفیس مستقیمی را جهت اتصال ترموکوپل در خودشان دارند ( یعنی نیاز به ترانسمیتر و تجهیزات جانبی نیست )، میزان دما را بسیار دقیق در حد ۰.۰۱ درجه سانتی‌گراد می‌توان اندازه‌گیری کرد. سنسور دمای مرجع یا همان CJC داخل خود این ماژول‌ها تعبیه شده و پروتکل ارتباطی این ماژول‌ها مدباس است که روی بستر RS485 و یا TCPIP داده‌های اندازه‌گیری شده را انتقال می‌دهد. حال شما با استفاده از این پروتکل می‌توانید داده اندازه‌گیری شده خود را به PLC و یا کامپیوتر خود انتقال دهید و برنامه پروژه خود را تکمیل نمایید. جهت آشنایی یکی از این ماژول‌ها را برای شما معرفی می‌کنیم.
یکی از ماژول‌هایی که با این تکنولوژی می‌توان استفاده کرد که ترموکوپل را مستقیماً و بدون واسط به آن وصل نمود و دما را با دقت ۰.۰۱ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری کرده و با پروتکل مدباس داده اندازه‌گیری شده را به PLC یا PC انتقال داد ماژول ADAM 4018+ یا ADAM 6018 ادونتک است.
تفاوت آن‌ها در بستر ارتباطی آن‌هاست که ADAM 4018+ با پروتکل مدباس سریال و ADAM 6018 با پروتکل مدباس TCP کار می‌کند. حال کافی است در دستگاه Master که معمولاً یا PLC است و یا PC با این پروتکل ارتباط برقرار کرده و اطلاعات اندازه‌گیری شده دما را آنالیز کرده و متناسب با پروژه خود را برنامه را تکمیل نمایید.
نمونه پروژه انجام‌شده توسط ماژول ADAM 4018+ و برنامه LabVIEW که تحت PC نوشته شده را در زیر می‌توانید مشاهده کنید:
برای دانلود فایل PDF این مقاله روی عکس زیر کلیک کنید:
سلام یک منشا برای بیشتر خواندن و کالیبراسیون ترانسمیترهای دما و فشار معرفی کنید ممنون میسم