انواع ترموکوپل‌های مورد استفاده در کوره‌ها و آون‌های صنعتی

ترموکوپل (Thermocouple) یکی از پرکاربردترین سنسورهای دما در صنایع حرارتی و فرآیندهای کنترل دما است. این تجهیز بر پایه‌ی پدیده‌ای فیزیکی به نام اثر سیبک (Seebeck Effect) کار می‌کند. طبق این اصل، زمانی که دو فلز غیر هم‌جنس در دو نقطه به یکدیگر متصل شوند و بین این دو اتصال اختلاف دمایی وجود داشته باشد، یک ولتاژ الکتریکی متناسب با این اختلاف دما در مدار ایجاد می‌شود. این ولتاژ، که معمولاً در حد میلی‌ولت است، مبنای اندازه‌گیری دما در ترموکوپل‌ها را تشکیل می‌دهد.

ترموکوپل‌ها از دو سیم فلزی با ترکیب شیمیایی مشخص ساخته می‌شوند که در یک نقطه (موسوم به سردی یا Hot Junction) به هم متصل‌اند. انتهای دیگر (Cold Junction) معمولاً به ترمینال‌های اندازه‌گیری یا دستگاه کنترل دما متصل می‌شود. اختلاف پتانسیل بین این دو نقطه به‌صورت خطی (در محدوده مشخصی از دما) با اختلاف دما تغییر می‌کند و از طریق جداول کالیبراسیون قابل تبدیل به دما است.

مزایای اصلی ترموکوپل‌ها

۱.      دامنه اندازه‌گیری وسیع : ترموکوپل‌ها می‌توانند دماهایی از ۲۰۰- تا بیش از ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری کنند.

۲.      پاسخ سریع : به دلیل جرم کم المان حسگر، ترموکوپل‌ها واکنش سریع به تغییرات دمایی دارند.

۳.      استحکام و قابلیت کار در محیط‌های سخت : مقاوم در برابر شوک حرارتی، ارتعاش و محیط‌های خورنده.

۴.      قیمت مناسب و ساخت آسان:  در مقایسه با RTDها یا سنسورهای مادون قرمز، هزینه تولید پایین‌تری دارند.

نقش ترموکوپل‌ها در صنعت کوره و آون

در صنایع حرارتی مانند ذوب فلزات، عملیات حرارتی، سرامیک، شیشه، آلومینیوم و فولاد، دقت در کنترل دما عامل کلیدی برای کیفیت محصول است. کوچک‌ترین انحراف دمایی می‌تواند منجر به تغییر فازهای فلزی، سوختگی مواد یا افت کیفیت ساخت شود. در این میان، ترموکوپل‌ها نقش حیاتی دارند زیرا مستقیماً در معرض دمای کوره قرار گرفته و اطلاعات دقیق دما را به سیستم کنترل ارسال می‌کنند.

اهمیت دقت و پایداری در انتخاب ترموکوپل

در شرایط دمای بالا، خطاهای ناشی از ناهمگنی مواد، اکسید شدن هادی‌ها و خطای جبران نقطه سرد می‌تواند به اختلاف چندین درجه‌ای منجر شود. انتخاب صحیح نوع ترموکوپل، جنس غلاف محافظ (Sheath Material)، نوع عایق (Insulation) و کالیبراسیون دقیق، تضمین‌کننده دقت اندازه‌گیری در طول زمان خواهد بود.

تئوری عملکردی ترموکوپل

ترموکوپل‌ها بر اساس اثر سیبک و دو پدیده مکمل آن یعنی اثر پلتیر (Peltier Effect) و اثر تامسون (Thomson Effect) عمل می‌کنند.

• اثر سیبک: ایجاد ولتاژ به دلیل اختلاف دما بین دو فلز مختلف.
• اثر پلتیر: آزاد یا جذب حرارت در محل اتصال دو فلز هنگام عبور جریان.
• اثر تامسون: تغییر ولتاژ در طول یک فلز هم‌جنس در صورت وجود گرادیان دمایی.

فرمول کلی ولتاژ تولیدی به‌صورت تقریبی زیر بیان می‌شود:

E=∫TcTh(SA−SB) dTE = \int_{T_c}^{T_h} (S_A – S_B) \, dTE=∫Tc​Th​​(SA​−SB​)dT

که در آن SAS_ASA​ و  SBS_BSB​ ضرایب سیبک فلزات A و Bو TcT_cTc​ و  ThT_hTh​ به‌ترتیب دمای اتصال سرد و داغ هستند.

برای استفاده عملی، ترموکوپل‌ها معمولاً به دستگاه‌های اندازه‌گیری با جبران خودکار نقطه سرد (Cold Junction Compensation) متصل می‌شوند تا دمای واقعی محل اندازه‌گیری به‌درستی محاسبه گردد.

انواع ترموکوپل‌های صنعتی مورد استفاده در کوره‌ها

۱.  ترموکوپل نوع K ((نیکل – کروم / نیکل – آلومل)

ترموکوپل نوع K یکی از رایج‌ترین انواع در صنایع حرارتی است و محدوده کاری آن از حدود ۲۰۰- تا ۱۲۶۰+ درجه سانتیگراد است.
جنس هادی‌ها شامل:

•  Chromel (Ni–Cr 90/10) برای سمت مثبت
•  Alumel (Ni–Al–Mn–Si) برای سمت منفی

ویژگی‌ها و مزایا:

• پایداری حرارتی بالا تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد
• مقاوم در برابر اکسیداسیون و خوردگی در محیط‌های اکسیدکننده
• پاسخ سریع و دقت بالا در محدوده دمایی وسیع
• مناسب برای کوره‌های عملیات حرارتی، خشک‌کن‌ها، و کوره‌های گازی

معایب:

• در محیط‌های خنثی یا کاهنده، دچار تغییر ولتاژ خروجی به‌مرور زمان می‌شود.
• حساس به بخارات گوگرد و فلزات سنگین است.

ترموکوپل نوع K به دلیل قیمت مناسب و دقت قابل‌قبول، پرکاربردترین گزینه در آون‌ها و خطوط تولید نیمه‌صنعتی است.

۲.  ترموکوپل نوع J (آهن – کنستانتان)

ترموکوپل نوع J از ترکیب Iron (Fe) و Constantan (Cu–Ni) ساخته می‌شود و محدوده اندازه‌گیری آن ۴۰ – تا ۷۵۰+  درجه سانتیگراد  است.
در گذشته یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها برای کوره‌های متوسط بود.

ویژگی‌های فنی:

• دقت بالا در دماهای پایین‌تر از ۶۰۰  درجه سانتیگراد
• ولتاژ خروجی نسبتاً زیاد حدود ۵۵ (µV/°C)
• مناسب برای محیط‌های خلا یا خنثی

نکات مهم:

سیم آهن در دماهای بالا به سرعت اکسید می‌شود، بنابراین نباید در محیط اکسیدکننده بدون غلاف مناسب استفاده شود.
برای کوره‌های کوچک، آون‌های خشک‌کن و دستگاه‌های آزمایشگاهی انتخاب خوبی است.

۳.  ترموکوپل نوعT (مس – کنستانتان)

ترموکوپل نوع T دارای محدوده کاری  ۲۰۰- تا ۳۷۰+ درجه سانتیگراد بوده و از فلزات Copper (Cu) و Constantan (Cu–Ni) تشکیل شده است.

ویژگی‌ها:

• پایداری بسیار بالا در دماهای پایین
• مقاومت عالی در برابر رطوبت و خوردگی
• دقت بالا در کاربردهای سرمایشی و کرایوژنیک

با اینکه برای کوره‌های دمای بالا مناسب نیست، در بخش‌هایی از سیستم‌های کنترلی آون‌های صنعتی (مانند مناطق پیش‌گرمایش یا خروجی گاز) می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

مزیت خاص: ولتاژ سیگنال بالا و خطی بودن مناسب در بازه دمایی کاری.

۴. ترموکوپل نوع  S (پلاتین – رودیوم۱۰%)

ترموکوپل نوع S از ترکیب Platinum–۱۰%Rhodium / Platinum ساخته می‌شود و در محدوده  ۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند.

ویژگی‌های کلیدی:

• دقت و پایداری فوق‌العاده بالا
• مقاوم در برابر اکسیداسیون و تغییرات شیمیایی
• مناسب برای کوره‌های آزمایشگاهی، صنایع فولاد، ریخته‌گری دقیق و صنایع شیشه

نکات مهندسی:

• هزینه بالا به دلیل استفاده از فلزات گران‌بها
• نیازمند غلاف محافظ چینی یا آلومینایی برای جلوگیری از آلودگی
• استاندارد انتخاب در سیستم‌های کنترل دمای مرجع

۵. ترموکوپل نوع R (پلاتین – رودیوم ۱۳%)

ترموکوپل نوع R از نظر ساختار شبیه نوع S است ولی درصد رودیوم آن بیشتر است (۱۳%)
این افزایش باعث پایداری و مقاومت حرارتی بالاتر می‌شود.

مشخصات:

• بازه دمایی: ۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد
• خطی بودن خروجی در کل محدوده
• پایداری طولانی مدت در دمای بالا
• مناسب برای کوره‌های ذوب شیشه، سرامیک، فولاد و صنایع هوافضا

اگرچه ولتاژ خروجی بسیار پایین (حدود ۱۰  µV/°C)  دارد، اما در دماهای بالا از سایر انواع دقیق‌تر است.

۶. ترموکوپل نوع B (پلاتین – رودیوم ۳۰% / ۶%)

ترموکوپل نوع B از ترکیب Pt–۳۰%Rh / Pt–۶%Rh تشکیل می‌شود و یکی از مقاوم‌ترین سنسورهای دما برای کوره‌های با دمای بسیار بالا تا ۱۸۰۰درجه سانتیگراد است.

مزایا:

• پایدار در برابر شوک حرارتی
• عمر طولانی حتی در محیط‌های اکسیدکننده شدید
• نیاز کمتر به جبران نقطه سرد در کاربردهای بالاتر از ۶۰۰درجه سانتیگراد

کاربردها:

• در کوره‌های ذوب پلاتین، صنایع سیمان، تولید شیشه، و متالورژی پودر استفاده می‌شود.
• به دلیل گران‌قیمت بودن، معمولاً تنها در نقاط بحرانی یا کوره‌های با اهمیت زیاد نصب می‌شود.

۷. ترموکوپل نوع C (تنگستن – رنیوم)

ترموکوپل نوع C از آلیاژهای W–۵%Re / W–۲۶%Re تشکیل شده و مخصوص دماهای بسیار بالا (تا حدود ۲۳۰۰درجه سانتیگراد)  است.

ویژگی‌ها:

• مقاوم در دماهای فوق‌العاده بالا
• مناسب برای محیط‌های خلا یا گاز بی‌اثر (نه اکسیدکننده)
• دقت بالا در فرآیندهای متالورژی و تحقیقات مواد

نکات کاربردی:

در تماس با اکسیژن به‌سرعت اکسید می‌شود، بنابراین فقط در محیط‌های کنترل‌شده (inert) باید استفاده شود.
کاربرد در کوره‌های تحت خلأ، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و صنایع هوافضا

نکات کلیدی در انتخاب و خرید ترموکوپل برای کوره‌های صنعتی

هنگام خرید ترموکوپل، خریدار صنعتی باید به مجموعه‌ای از پارامترهای فنی و کیفی توجه کند:

۱. محدوده دمای کاری

نوع ترموکوپل باید با بیشینه دمای کاری کوره سازگار باشد. مثلاً:

• تا ۷۰۰ °C → نوع J
• تا ۱۲۰۰°C →  نوع K
• تا ۱۶۰۰ °C → نوع S یا R
• تا ۱۸۰۰° C → نوع B
• تا ۲۳۰۰° C → نوع C

۲. جنس غلاف محافظ (Sheath Material)

غلاف وظیفه محافظت از المان در برابر خوردگی، شوک حرارتی و گازهای کوره را دارد.
رایج‌ترین مواد:

•  Inconel 600 برای محیط‌های اکسیدکننده
• مولیبدن و آلومینا برای دماهای بالا
• سیلیکون کاربید و سرامیک برای محیط‌های خنثی یا خلا

۳. نوع اتصال (Junction Type)

• Grounded : پاسخ سریع ولی احتمال نویز الکتریکی بیشتر
• Ungrounded : ایزولاسیون کامل و مناسب برای محیط‌های نویزی
• Exposed : سریع‌ترین پاسخ ولی کمترین دوام

۴. کلاس دقت (Accuracy Class)

براساس استاندارد IEC 60584 :

• Class 1  : دقت بالا
•  Class 2 : دقت معمولیبرای کاربردهای کوره‌ای دقیق، پیشنهاد می‌شود  Class 1 انتخاب شود.

۵. طول و قطر سنسور

ترموکوپل باید به گونه‌ای طراحی شود که نقطه داغ دقیقاً در ناحیه‌ای از کوره قرار گیرد که نماینده دمای واقعی باشد. قطر بیشتر موجب افزایش دوام ولی کاهش سرعت پاسخ می‌شود.

۶. انتخاب تأمین‌کننده یا سازنده معتبر

یک تأمین‌کننده حرفه‌ای باید:

• گواهی کالیبراسیون معتبر ارائه دهد.
• از مواد اولیه استاندارد استفاده کند.
• توانایی ساخت سفارشی (طول، غلاف، نوع اتصال، کانکتور) را داشته باشد.
• گارانتی معتبر داشته باشد و خدمات پس از فروش و پشتیبانی فنی ارائه دهد.
• بسته بندی مناسب داشته باشد.
• دارای سوابق کاری مثبت و دارای حسن اعتبار باشد. 

جمع‌بندی

ترموکوپل‌ها قلب سیستم‌های اندازه‌گیری دما در کوره‌ها و آون‌های صنعتی هستند. انتخاب صحیح نوع، متریال، غلاف و سازنده می‌تواند مستقیماً بر دقت فرآیند، عمر مفید تجهیز و کیفیت محصول نهایی اثر بگذارد.

در میان انواع مختلف:

• نوع K انتخاب عمومی برای بیشتر کوره‌هاست.
• نوع S و R برای فرآیندهای دقیق با دمای بالا مناسب‌اند.
• نوع B و C مخصوص کوره‌های فوق‌داغ و خلا هستند.
  در نهایت در انتخاب ترموکوپل باید تحلیل فنی، نوع فرآیند، شرایط محیطی و بودجه اقتصادی به صورت همزمان در نظر گرفته شوند.