یکی از عوامل مهم در تولید و فرآوری در برخی از صنایع به خصوص صنایع مهم و حساس مانند پتروشیمی که نیاز به کنترل و اندازه‌گیری دارد، دما است. در این صنایع در صورتی که اندازه‌گیری دما به صورت دقیق انجام بگیرد، نتیجه کار ایمن، کارآمد و بهینه خواهد بود. یکی از ابزارهایی که در این صنایع به صورت گسترده به منظور اندازه‌گیری دما در فرایند تولید به کار می‌رود، ترموکوپل صنعتی (Thermocouple) نام دارد. ترموکوپل‌های صنعتی یکی از مهم‌ترین ابزارهای در صنایع حساس مانند پتروشیمی است که در انواع مختلفی وجود دارند و می‌توانند دمای خطوط تولید و فرآوری محصولات را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری نمایند.
ترموکوپل صنعتی چیست؟
ترموکوپل صنعتی به عنوان یکی از انواع تجهیزات ابزاردقیق شناخته می‌شود که کاربرد اصلی آن اندازه‌گیری دما در محدوده گسترده‌ای است. این ابزار از اتصال دو فلز غیر هم‌جنس ساخته می‌شود که معمولا این دو فلز به منظور جلوگیری از تنش مکانیکی به صورت سیم هستند و از یک طرف به یکدیگر تابیده شده و جوش می‌خورند. با این کار تقطه گرم (Hot Junction) یا نقطه اندازه‌گیری در ترموکوپل شکل می‌گیرد. ترموکوپل صنعتی زمانی تولید ولتاژ می‌کند که دما در یکی از نقاط نسبت به دمای مرجع در سایر قسمت‌ها تفاوت داشته باشد. این ابزار معمولا از سیم‌های سربی، روکش فلزی، عایق‌های سرامیکی و غیره ساخته می‌شوند که برای استفاده در انواع محیط‌های صنعتی مناسب هستند.
در ساخت ترموکوپل صنعتی از قطعات مختلفی استفاده می‌شود. از جمله قطعات مختلف و مهم در این وسیله اندازه‌گیری می‌توان به قطعاتی چون هد، فیتینگ، ترمینال، کابل، زره یا آرمور، کابل MI، المان RTD، نیپل، ترموول و غیره اشاره کرد.
ترموکوپل صنعتی چگونه کار می‌کند؟
همانطور که اشاره شد ترموکوپل صنعتی بر اساس اثر ترموالکتریسیته کار می‌کند که در سال 1821 میلادی توسط سی‌بک کشف شده است. او به این نکته دست پیدا کرد که اگر دو سیم غیر هم‌جنس را به یکدیگر متصل کرده و نقطه اتصال آن‌ها را حرارت دهیم در این محل یک اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می‌آید که به آن پتانسیل تماس یا پتانسیل سی‌بک گفته می‌شود. در این شرایط اگر دمای اتصالات تشکیل شده متفاوت از هم باشد در سیم‌ها جریانی جاری خواهد شد.
زمانی که ترموکوپل صنعتی در مجاورت یک سیال به منظور اندازه‌گیری دما قرار می‌گیرد، در صورتی که به نقطه اتصال دو فلز حرارت داده شود در اثر پدیده سی‌بک ولتاژ کوچکی بین دو فلز در طرف دیگر ایجاد می‌شود. به این نقطه یک ترنسمیتر یا ولت‌متر متصل می‌شود که به آن اتصال مرجع یا اتصال سرد گفته می‌شود. اختلاف پتانسیل ایجاد شده بین دو فلز در اثر حرارت توسط ولت‌متر اندازه‌گیری شده و به درجه حرارت نسبت به ترموکوپل تبدیل می‌شود به این معنی که میزان ولتاژ تولید شده متناسب با میزان دما است.
انواع ترموکوپل صنعتی کدام است؟
ترموکوپل‌های صنعتی در انواع مختلفی تولید می‌شوند که بر اساس ویژگی‌هایی که دارند می‌توان از آن‌ها در صنایع مختلف استفاده کرد.
1- ترموکوپل نوع K
در ساخت این نوع ترموکوپل صنعتی از ترکیب فلزات نیکل کروم یا نیکل آلومینیوم استفاده می‌شود که می‌توان از آن‌ها در محیط‌های اکسید کننده یا محیط‌های با حضور گازهای بی‌اثر استفاده کرد. این نوع از ترموکوپل‌های صنعتی می‌توانند تا دمای 1200 درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری کنند. این نوع از ترموکوپل‌ها از دقت اندازه‌گیری دمایی بسیار خوبی برخوردار بوده و همچنین محدوده اندازه‌گیری دمای وسیعی دارند. مهم‌ترین کاربرد ترموکوپل‌های نوع K در صنایع ساخت فولاد و آهن است.
2- ترموکوپل نوع J
یکی دیگر از انواع ترموکوپل صنعتی است که در ساخت آن از ترکیب نیکل و مس یا آهن ساخته شده است که معمولا در محیط‌های خلأ، اکسید کننده یا اتمسفر گازهای بی‌اثر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع از ترموکوپل‌های صنعتی می‌توانند تا 750 درجه سانتیگراد دما را اندازه‌گیری کنند. صنایع تولید برق، معدن، نفت و گاز، داروسازی، بیوتکنولوژی، سیمان،کاغذ، شیشه و غیره اصلی‌ترین صنایع کاربرد این ترموکوپل هستند.
3- ترموکوپل نوع N
در ساخت این نوع از ترموکوپل صنعتی از ترکیب نیکل، کروم و سیلیکون یا نیکل و سیلیکون استفاده می‌شود که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری دما تا 1200 درجه سانتیگراد استفاده کرد. این نوع از ترموکوپل‌های صنعتی در اندازه‌گیری دماهای بالا بسیار دقیق هستند و به همین دلیل به جای ترموکوپل‌های نوع K در صنایعی استفاده می‌شوند که ترموکوپل باید طول عمر و پایداری بیشتری داشته باشد.
4- ترموکوپل نوع T
از ترکیب مس یا نیکل و مس در ساخت این نوع ترموکوپل صنعتی استفاده می‌شود که می‌توانند برای اندازه‌گیری دما تا 350 درجه سانتیگراد در محیط‌های اکسیداسیون به کار گرفته شوند. از ویژگی‌های این نوع از ترموکوپل‌های صنعتی مقاومت بالا در برابر رطوبت و خوردگی است که به همین دلیل برای اندازه‌گیری دماهای پایین استفاده می‌شوند.
5- ترموکوپل نوع E
در ساخت این نوع ترموکوپل صنعتی از نیکل و کروم یا نیکل و مس استفاده می‌شود که می‌تواند برای اندازه‌گیری دما تا 900 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار بگیرد. از این نوع ترموکوپل‌ها نیز در دماهای زیر صفر یا اکسیده کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
6- ترموکوپل نوع C
از آلیاژ تنگستن رنیوم در ساخت این ترموکوپل استفاده شده است که از آن می‌توان برای اندازه‌گیری دماهای بالا تا 2300 درجه سانتیگراد استفاده کرد. از این نوع ترموکوپل‌های صنعتی به طور عمده در صنایع هوافضا، راکتورهای هسته‌ای و صنایع گرمایشی استفاده می‌شود.
انواع ترموکوپل‌های صنعتی بر اساس نوع اتصال نقطه گرم
ترموکوپل‌های صنعتی بر اساس روش اتصال جفت گرمایی به غلاف به شرح زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
- سیم ترموکوپل بیرون از غلاف محافظ (Exposed Junction): در این نوع ترموکوپل سیم جوش داده شده توسط عایق در برابر نفوذ گاز و مایع محافظت شده است. این مدل سریع پاسخ می‌دهد اما با توجه به عدم وجود غلاف و حفاظت مکانیکی روی سیم ترموکوپل، در برابر ضربات مکانیکی و سیالات خورند آسیب‌پذیری بالایی دارند.
- سیم ترموکوپل متصل به غلاف محافظ (Grounded Junction): در این نوع ترموکوپل صنعتی غلاف و سیم‌های ترموکوپل به یکدیگر جوش خورده و یک اتصال محکم بین آن‌ها برقرار شده است که می‌توانند برای قرارگیری در آب، بخار و فشار بالا مناسب باشند. در این نوع ترموکوپل‌ها سیم‌ها به خوبی در برابر شرایط خورنده و سایش دهنده محافظت شده و زمان پاسخگویی بالایی دارند.
- سیم ترموکوپل جدا از غلاف محافظ (Ungrounded Junction): در این نوع ترموکوپل صنعتی محل اتصال از پایین غلاف به صورت کامل جوش داده شده و عایق شده است که باعث می‌شود زمان پاسخگویی طولانی نسبت به سایر انواع اتصالات داشته باشد.
- سیم ترموکوپل جدا از غلاف با قطر غلاف کاهش یافته (Ungrounded Reduced): این نوع ترموکوپل‌ها دقیقا مانند نوع قبلی هستند با این تفاوت که قطر بیرونی غلاف در آن‌ها کمتر شده که همین مسئله باعث می‌شود تا زمان پاسخگویی به میزان قابل توجهی بدون از بین رفتن استحکام ساختاری، کاهش پیدا کند.
کاربرد ترموکوپل صنعتی چیست؟
همانطور که اشاره شد ترموکوپل صنعتی یکی از انواع سنسورهای دمایی است که به صورت گسترده در صنایع مختلف مانند نیروگاه‌ها، صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، فولاد، پالایشگاه، صنایع سیمان، صنایع پلاستیک و لاستیک و غیره کاربرد دارند. از این ابزار مهم اندازه‌گیری می‌توان در فرایندهای صنعتی مختلف مانند تقطیر، تخمیر، اکستروژن، خشک‌کن، بهبود دهنده فرایند احتراق، HVAC و غیره استفاده کرد. به همین دلیل بر اساس نوع صنعت و متناسب با شرایط کاربری خاص، باید از آلیاژ مناسب برای غلاف ترموکوپل صنعتی استفاده کرد.
یک سری از ترموکوپل‌ها مخصوص استفاده در کوره هستند که می‌توانند در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز، صنایع سرامیک، صنایع فولاد و سایر صنایع مشابه مورد استفاده قرار بگیرند. با توجه به نوع کوره‌هایی که در صنایع مختلف استفاده می‌شود، می‌توان از ترموکوپل‌های صنعتی نوع K، S، R و B استفاده کرد.
مزایا و معایب استفاده از ترموکوپل
از مهم‌ترین مزایای استفاده از ترموکوپل صنعتی در صنایع مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هزینه کم و مقرون به صرفه
- اندازه و ابعاد کوچک
- مقاومت بالا
- محدوده کاری گسترده
- پایداری قابل قبول
- ابزار دقیق برای سنجش تغییرات دمایی بالا
- پاسخ‌دهی سریع
با همه مزایایی که از ترموکوپل صنعتی گفته شد اما این ابزار معایبی نیز دارد که در زیر به آن‌ها اشاره شده است:
- خروجی بسیار ضعیف در حد میلی‌ولت
- میزان دقت محدود در تغییرات دمایی کم
- دارای حساسیت نسبت به نویز الکتریکی
- غیر خطی
- فرایند تبدیل پیچیده از emf به دما
معیارهای مهم هنگام انتخاب و خرید ترموکوپل صنعتی
در زمان انتخاب ترموکوپل صنعتی مناسب نکاتی وجود دارد که باید مورد توجه قرار بگیرد. از جمله مهم‌ترین نکات برای خرید ترموکوپل‌های صنعتی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- استفاده از ترموول: این موضوع که ترموکوپل مورد نظر برای خرید به صورت مستقیم با فرایند در ارتباط است یا در میان مجموعه‌ای از ترموول‌ها قرار دارد یکی از نکات مهم در زمان خرید است. ترموول‌ها می‌توانند از ترموکوپل در برابر خورندگی، جریان سریع یا محیط‌های فرایند بسیار داغ به خوبی محافظت کنند. به همین دلیل درصد زیادی از ترموکوپل‌هایی که در صنایع گاز و نفت، پالایشگاه‌ها، صنایع پتروشیمی و صنایع تولید برق و کاغذ مورد استفاده قرار می‌گیرند از مجموعه‌ای ترموول‌ها استفاده می‌کنند.
- مواد استفاده شده: یکی دیگر از نکاتی که در زمان خرید ترموکوپل باید مورد توجه قرار بگیرد، مواد بکار رفته در ترموکوپل است. در درصد زیادی از ترموکوپل‌های صنعتی از فولاد ضد زنگ (استنلس استیل 316) تولید می‌شوند اما برخی از صنایع خاص به آلیاژ متفاوتی برای استفاده در ترموکوپل نیاز دارند که در زمان خرید باید به این موضوع توجه شود.
- تعداد مورد نیاز ترموکوپل صنعتی: در زمان خرید با توجه به فرایندی که قصد استفاده از ترموکوپل در آن را دارید باید تعیین کنید که به مجموعه‌ای از ترموکوپل صنعتی سنتی نیاز است یا می‌توان از یک ترموکوپل انعطاف‌پذیر استفاده کرد که قابلیت استفاده در محیط‌های مختلف را دارد.
- نوع ترموکوپل صنعتی: انتخاب نوع ترموکوپل مورد نیاز را می‌توان مهم‌ترین نکته در زمان خرید دانست. با توجه به اینکه نوع ترموکوپل به نوع سیمی که در آن بکار رفته است بستگی دارد و فلزات مختلف محدوده دمایی متفاوتی دارند، باید بر این اساس و شرایط فرآیند مورد نظر، بهترین نوع ترموکوپل برای خرید انتخاب شود.
جمع‌بندی
دما و اندازه‌گیری دقیق آن یکی از مواردی است که در بسیار از صنایع مختلف در طول فرایند اهمیت زیادی دارد. در صنایع حساسی مانند صنایع نفت و گاز، پالایشگاه‌ها، صنایع پتروشیمی، صنایع تولید برق و غیره با توجه به حساسیت اندازه‌گیری دقیق دما از ابزاری به نام ترموکوپل استفاده می‌شود که در انواع مختلف و برای کاربرد در صنایع با شرایط متفاوت طراحی شده و در دسترس هستند. ترموکوپل‌ها بر اساس اصل ترموالکتریک کار می‌کنند و با اندازه‌گیری ولتاژ ایجاد شده در اثر اختلاف دما بین دو نقطه و تبدیل ولتاژ به دما اندازه‌گیری دما در فرایندهای مختلف را انجام می‌دهند. قیمت مناسب و مقرون به صرفه، عملکرد دقیق، محدوده کاربرد گسترده و غیره از مهم‌ترین مزایایی هستند که باعث افزایش روزافزون استفاده از این ابزار در صنایع مختلف شده‌اند.
نظرات کاربران