طراحی و ساخت ترموکوپل

ساخت ترموکوپل: اصول و ملزومات طراحی

طراحی و نحوه ساخت ترموکوپل موضوعی است که در این مقاله قصد داریم به طور کامل به آن بپردازیم. همچنین با طریقه ساخت این سنسورهای دما ( چه ساده و چه صنعتی ) آشنا خواهید شد و اطلاعات کاملی را در این زمینه در اختیار شما عزیزان قرار می دهیم. پس حتماً تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.

از اوایل دهه ۱۹۰۰، وظیفه اصلی ترموکوپل ها اندازه گیری دمای بحرانی به ویژه در محیط هایی با میزان درجه حرارت بسیار بالا بود. برای بسیاری از کاربردهای مهم صنعتی و فرآیندی، هر دو T / C و ( سنسورهای RTD آشکارساز دمای مقاومت) برای اندازه گیری دما به “استاندارد طلا” تبدیل شده اند. اگرچه RTD ها از دقت و تکرار بهتری برخوردار هستند ، اما مزایای نسبی دماسنج های ترموکوپل شامل موارد زیر است:

1. دامنه اندازه گیری بزرگتر
2. زمان پاسخگویی کوتاه تر
3. هزینه کمتر
4. دوام بهتر
5. خود نیرو (هیچ سیگنال تحریک لازم نیست)
6. هیچ گونه تأثیر خود بخاری ندارد

با این وجود ، اندازه گیری دما با دقت بالا با Thermocouple می تواند مشکل باشد. می توانید از طریق طراحی مدار جامد و کالیبراسیون، دقت اندازه گیری را بهینه کرد. اما درک نحوه کار ترموکوپل ها قبل از طراحی مدارها یا استفاده از دماسنج ها کمک می کند.

ترموکوپل ها چگونه کار می کنند + معادله ها

حتماً این مطلب را بخوانید: ترموکوپل چیست؟

هنگامی که یک منبع ولتاژ در یک قطعه از سیم فلزی اعمال می شود، جریان از پایانه مثبت به ترمینال منفی جریان می یابد و مقداری انرژی در گرم کردن سیم فلزی از بین می رود. اثر سیبک، که در سال ۱۸۲۱ توسط توماس یوهان سیبک کشف شد، یک پدیده معکوس است. هنگامی که یک گرادیان دما در سراسر سیم فلزی اعمال می شود، پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود. این اساس فیزیکی کار این دستگاه های سنجش حرارت است.

Thomas Seebeck

---

معادله شماره ی ۱: ?V = S (T) × ?T

توضیح فرمول شماره ی ۱: گرادیان ولتاژ کجاست؟ V شیب دما است و (S (T ضریب سیبک است. این ضریب به ماده وابسته است و همچنین به عنوان تابعی از دما متغیر است. ولتاژ در دو نقطه درجه حرارت مختلف در یک سیم برابر است با ادغام عملکرد ضریب سیبک در محدوده دما.

معادله شماره ی ۲:

توضیح معادله شماره ی ۲: به عنوان مثال ، T1 ، T2 و T3 در شکل ۱ دما را در نقاط مختلف بر روی یک تکه سیم فلزی نشان می دهند. T1 (آبی) سردترین نقطه و T3 (قرمز) گرمترین نقطه را نشان می دهد. ولتاژ در نقاط T2 و T1 وجود دارد.

معادله شماره ی ۳:

توضیح معادله شماره ی ۳: به طور مشابه، ولتاژ در شکل ۱ در نقاط T3 و T1 وجود دارد.

معادله شماره ی ۴:

توضیح معادله شماره ی ۴: به دلیل خاصیت افزودنی انتگرال قطعی ، V₃₁ نیز برابر است

معادله شماره ی ۵:

توضیح معادله شماره ی ۵: این وضعیت را در خاطر داشته باشید که در مورد تبدیل ولتاژ به دما ترموکوپل بحث خواهیم کرد.

مواد تشکیل دهنده طراحی و ساخت ترموکوپل

تا اینجا با نحوه کار ترموکوپل و لزوم طراحی و ساخت این تجهیزات حرفه ای آشنا شدید . در ادامه به موارد کلیدی دیگری اشاره خواهیم کرد.

ترموکوپل ها از دو ماده مختلف تشکیل شده اند که معمولاً سیم های فلزی با ضرایب مختلف سیبک (S (T وجود دارد. در اینجا یک سوال مهم مطرح می شود، چرا دو تفاوت اساسی هنگام ایجاد اختلاف دما در یک ماده واحد باعث ایجاد اختلاف ولتاژ می شود؟

فرض کنید که سیم فلزی در شکل ۲ از ماده ای “.A” ساخته شده است. اگر یک ولت متر با سیم های پروب که از مواد A نیز ساخته شده اند ، ولت متر از نظر تئوریک هیچ ولتاژی را تشخیص نمی دهد. دلیل این امر این است که وقتی پروب ها به انتهای سیم وصل می شوند ، به عنوان عقبه سیم فلزی عمل می کنند. انتهای این سیم بلند که به ورودی های ولت متر متصل می شود در همان درجه حرارت (TM) قرار دارند. اگر انتهای یک سیم در همان درجه حرارت قرار داشته باشد ، هیچ ولتاژی در طول سیم ایجاد نمی شود. برای اثبات این موضوع از نظر ریاضی ، ما ولتاژ انباشته شده در کل حلقه سیم را از شروع ترمینال مثبت ولت متر تا ترمینال منفی محاسبه می کنیم.

دلیل این امر این است که وقتی پروب ها به انتهای سیم وصل می شوند ، به عنوان عقبه سیم فلزی عمل می کنند. انتهای این سیم بلند که به ورودی های ولت متر متصل می شود در همان درجه حرارت (TM) قرار دارند. اگر انتهای یک سیم در همان درجه حرارت قرار داشته باشد ، هیچ ولتاژی در طول سیم ایجاد نمی شود. برای اثبات این موضوع از نظر ریاضی ، ما ولتاژ انباشته شده در کل حلقه سیم را از شروع ترمینال مثبت ولت متر تا ترمینال منفی محاسبه می کنیم.

معادله شماره ی ۶:

با استفاده از خاصیت افزودنی انتگرال در معادله بالا، معادله زیر بدست می آید:

معادله شماره ی ۷:

هنگامی که مرز پایینی و فوقانی حد انتگرال یکسان باشد ، نتیجه انتگرال V = 0 می شود. اگر ماده کاوشگر از مواد B ساخته شده باشد، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است ، سپس:

معادله شماره ی ۸:

با ساده کردن انتگرال ، دریافت می کنیم:

معادله شماره ی ۹:

معادله ۹ نشان می دهد که ولتاژ اندازه گیری برابر با انتگرال تفاوت توابع ضریب سیبک، از دو نوع ماده است. به همین دلیل ترموکوپل ها با دو نوع فلز متفاوت ساخته می شوند.

از مدار شکل ۳ و Eq. 9 ، با فرض (SA (T) ، SB (T و ولتاژ اندازه گیری ای که شده شناخته شده است، ما هنوز نمی توانیم دما را در محل اتصال گرم (TH) محاسبه کنیم مگر اینکه دما را در محل اتصال سرد (TC) بدانیم.

در روزهای اولیه ترموکوپل ها ، یک حمام یخ متناظر با  درجه سانتیگراد به عنوان درجه حرارت مرجع (از این رو اصطلاح اتصال سرما) استفاده می شد زیرا این روش کم هزینه ، بسیار آسان در دسترس است و دما خود تنظیم می شود. مدار معادل در شکل ۴ نشان داده شده است.

اگرچه دمای مرجع مدار را در شکل ۴ می دانیم ، حل معادله انتگرال برای TH عملی نیست. جداول مرجع استاندارد برای انواع معمولی ترموکوپل ها موجود است ، بنابراین می توانید دما را برای خروجی ولتاژ مربوطه جستجو کنید. اما ، این را باید بخاطر بسپارید که کلیه جداول مرجع ترموکوپل استاندارد با دمای مرجع ۰ درجه سانتیگراد جدول بندی شده است.

سیستم های ترموکوپل

ترموکوپل های مدرن از دو سیم فلزی متفاوت در یک انتها (TH) تشکیل شده اند. ولتاژ در انتهای باز جفت سیم اندازه گیری می شود. پیروی از مدار معادل در شکل ۵ ، VC همان معادله شماره ۹ است که قبلاً برای شکل ۳ مشتق شده است.

جبران خنک کننده اتصال

دمای اتصالات سرد (TC) با حمام آنیس می تواند ۰ درجه سانتیگراد تنظیم شود ، اما در عمل، از یک سطل آب یخ در دمای مرجع استفاده نمی کنید. nv روش های CJC (جبران اتصال سرما)، شما دمای اتصال را بدون نیاز به دمای ۰ درجه سانتیگراد اتصالی سرد محاسبه می کنید. دمای اتصالات سرد به طور مداوم ثابت نمی شود. این روش برای اندازه گیری دما در نقطه TC به سادگی از یک دماسنج جداگانه استفاده می کند. پیدا کردن TH هنگامی که TC شناخته شده باشد ممکن می شود.

سوال: اگر ما یک سنسور دما برای اندازه گیری دمای اتصال متقابل سرد داشته باشیم ، چرا نمی توانیم از این سنسور دما برای اندازه گیری طول دما در محل اتصال گرم استفاده کنیم؟

جواب:  می بینید که دامنه اتصال اتصالات سرد بسیار باریک تر از دمای اتصال گرما است ، بنابراین سنسور دما نیازی به پایدار نبودن گرماسنجی که ترموکوپل دارد ، ندارد.

محاسبه درجه حرارت اتصال گرم با CJC

همانطور که قبلاً ذکر شد، کلیه جداول مرجع سنسورهای دما استاندارد با اتصال سرد در ۰ درجه سانتی گراد تولید می شود. با توجه به این مسئله، چگونه می توان از جدول ها برای یافتن دمای اتصال داغ استفاده کرد؟ تصور کنید که دهانه ترموکوپل فوق تمدید شده و انتهای خیالی به یک اتصالی با دمای ۰ درجه سانتیگراد وصل می شوند (شکل ۶).

اگر بتوانیم مقدار V0 را محاسبه کنیم ، می توانیم با استفاده از جدول مرجع ، به راحتی دمای اتصالی گرم را پیدا کنیم.

برای تعیین V0

معادله شماره ۱۱:

با تنظیم مجدد شرایط، معادلات زیر بدست می آید:

معادله شماره ۱۲:

معادله شماره ۱۳:

معادله شماره ۱۴:

جمله اول معادله شماره ۱۳، دقیقاً مشابه جمله شماره ۱۰ است (برگرفته از شکل ۵). خروجی ولتاژ معادل آن VC بوده و یک مقدار شناخته شده است. زیرا ولتاژ در محل اتصال سرد توسط ولت متر اندازه گیری می شود. دوره دوم معادل ولتاژ خروجی جفت گرمایی است که دمای اتصال آن گرم برابر با TC و دمای اتصال سرد برابر با ۰ درجه سانتیگراد است. ولی از آنجا که TC نیز توسط یک دماسنج جداگانه اندازه گیری می شود، می توان از جدول مرجع استاندارد برای یافتن ولتاژ مربوط به Seebeck V_i برای جمله دوم معادله شماره ۱۳ استفاده کرد:

معدله شماره ۱۵:

V₀ = V_C + V_i

با استفاده از این مقدار V0 ، دمای مربوطه در TH با جدول مرجع استاندارد قابل تعیین است.

روش پیدا کردن دمای اتصالات گرم با جبران اتصالات سرد دارای این مراحل است:

1. دمای اتصالات سرد (TC) را با یک سنسور دما اندازه گیری کنید.
2. ولتاژ را در محل اتصال سرد اندازه بگیرید.
3. با استفاده از جدول مرجع استاندارد ، TC را به ولتاژ (Vi) تبدیل کنید.
4. V0 = Vi + VC را محاسبه کنید.
5. با استفاده از جدول مرجع استاندارد ، V0 را به درجه حرارت TH تبدیل کنید.

جداول مرجع ترموکوپل استاندارد را می توان در پایگاه داده ترموکوپل NIST ITS-90 یافت. اگر اجرای جدول نگاه در میکروکنترلر به دلیل کمبود حافظه یا دلایل دیگر غیرممکن است ، وب سایت NIST ITS-90 مجموعه فرمول ها را برای هر نوع ترموکوپل که می تواند برای تبدیل دما به ولتاژ یا معکوس باشد ، ایجاد می کند.

ملزومات طراحی سیستم

تاکنون ، این بحث فقط نظریه ترموکوپل ها را در نظر گرفته است. برای بهینه سازی دقت در سیستم واقعی، باید چند مورد را در نظر بگیرید. هر دستگاه موجود در نمودار بلوک یک سیگنال اولیه ترموکوپل (شکل ۷)، بر روی صحت تبدیل تأثیر می گذارد و برای به حداقل رساندن خطا باید با دقت انتخاب شود.

با شروع از سمت چپ شکل ۷، یک سنسور دما اتصال دهنده صفحه سیستم به هم وصل شده است. گرچه ترموکوپل حسگر است اما می تواند منبع خطا باشد. از لحاظ گرماسنجی طولانی، سر و صدای الکترومغناطیسی اطراف آن را جمع می کند. محافظت از سیم می تواند به میزان قابل توجهی نویز را کاهش دهد. این مهم است که مؤلفه بعدی، تقویت کننده ، دارای امپدانس highinput باشد ، زیرا امپدانس ورودی آمپلی فایر و مقاومت مقاومت در برابر مقاومت باعث ایجاد تقسیم ولتاژ می شود.

هرچه امپدانس ورودی ورودی تقویت کننده بیشتر باشد ، خطای کمتری ایجاد می کند.

معادله شماره ۱۷:

علاوه بر این، تقویت کننده باعث افزایش خروجی جفت گرمایی شده که به طور معمول در محدوده میلی ولت قرار دارد. در حالی که حلقه بسته بالای تقویت کننده هم سیگنال و هم نویز را تقویت می کند، اضافه شدن یک فیلتر کم گذر در ورودی ADC باعث کاهش بیشتر نویزها می شود.

یک فیلتر پایین گذر مؤثر است. زیرا نرخ تبدیل ADC برای این موارد معمولاً بسیار پایین است – شاید چند نمونه در هر ثانیه – علت این امر خیلی سریع تغییر نمی کند.

سرانجام ، سنسور دما روی صفحه باید به محل اتصال اتصالات سرد واقع شود (در حالت ایده آل لمس کردن انتهای لامپهای مجهز به لوله ، اما در بسیاری موارد امکان پذیر نیست) برای بدست آوردن حداکثر درجه حرارت اتصال اتصال سرد. هر گونه خطا در اندازه گیری اتصالات سرد می تواند در محاسبه درجه حرارت محل اتصال متصل باشد.

نمونه مدار ترموکوپل و نتایج آزمایش

اگر می خواهید مدار اندازه گیری ترموکوپل خود را طراحی یا از طراحی حوزه استفاده استفاده کنید، باید صحت آن را بررسی کنید. در اینجا چگونگی بررسی صحت طرح مرجع MAXREFDES67 # بررسی شده است (شکل ۸).

به عنوان نمونه ای برای چگونگی به حداقل رساندن خطای اندازه گیری،  نگاهی به سیستم ترموکوپل مانند Maxim’s MAXREFDES67 بیاندازید. برای بررسی صحت اندازه گیری این سیستم یا هر سیستم اندازه گیری ، به مقایسه درجه حرارت شناخته شده و یک متر قابل اعتماد نیاز دارید. در این مثال، از سه دماسنج مرجع استفاده شده است:

دماسنج Omega HH41therm (که اکنون HH42 جایگزین آن شده است) ، دماسنج مرجع ETI و کالیبراسیون دما Fluke 724. کاوشگر ترموکوپل نوع K متصل به MAXREFDES67# در حمام تعلیق Fluke 7341 قرار گرفت و در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد کالیبره شد. داده های نقاط آبی از امگا HH41 به عنوان مرجع استفاده می کنند و از داده های نقطه سبز از ETIunit استفاده می شود. داده های نقطه قرمز که بیشترین خطای کمتر از ۰٫۱ درجه سانتیگراد را بر اساس سازه Fluke 724 نشان می دهند. اما بر خلاف آزمایش های قبلی، از Fluke 724 به عنوان متر مرجع استفاده نشده است. این خروجی از یک ترموکوپل نوع K ایده آل را شبیه سازی می کند و به سیم ورودی MAXREFDES67 # با سیم فرمت ترموکوپل متصل می شود.

شکل ۹ نتایج آزمون را نشان می دهد.

نتیجه گیری

در این مقاله به طور جامع درباره ساخت ترموکوپل و نحوه طراحی آن صحبت کردیم. استفاده از ترموکوپل برای اندازه گیری دمای صنعتی دارای مزایای بسیاری از جمله محدوده دما، زمان پاسخ، هزینه و قابلیت اطمینان است. نظریه Thermocouple تا حدی مشکل است ، اما درک کامل آن ضروری است ، بنابراین می توانید اندازه گیری های صحیح و تبدیل دقیق از ولتاژ به دما انجام دهید.

منبع: EDN – Thermocouples: Basic principles and design essentials