ترموکوپل و نحوه‌ی کار آن
نوید احمدی
| دسته بندی:
مبانی انرژی و آسایش حرارتی
| تاریخ انتشار:
27 اردیبهشت 1398
ترموکوپل‌ها از حداقل دو فلز که به یکدیگر متصل شده اند و تشکیل دو نقطه انشعاب می‌دهند، تشکیل می‌شوند. یکی از این نقاط انشعاب به بدنه‌ی جسمی که قرار است دمای آن اندازهگیری شود متصل میشود و نقطه‌ی انشعاب دیگر به بدنه‌ی جسمی که دمای آن از پیش اندازهگیری شده است. در این حالت نقطه اول را نقطه انشعاب گرم و یا نقطه‌ی اندازهگیری می‌نامند و نقطه‌ی دیگر را نقطه انشعاب سرد یا مرجع می‌نامند. بنابراین ترموکوپل‌ها دمای یک جسم را با توجه به دمای جسم مرجع اندازهگیری می‌نمایند.
اصول کار
اصول کارکرد ترموکوپل‌ها بر پایه‌ی سه قانون می‌باشد که توسط سی بک (Seebeck)، پلتیر (Peltier) و تامسون (Thomson) کشف شده‌اند و به شرح زیر می‌باشند:
- اثر سی بک (Seebeck effect): این قانون بیان می‌دارد که زمانی که 2 فلز غیر همسان به یکدیگر در دو نقطه متصل شوند، یک نیروی محرکهی الکتریکی (emf) در این 2 نقطه‌ی اتثال تولید می‌گردد. مقدار این نیرو محرکهی الکتریکی تولید شده برای ترکیب‌های مختلف فلزات متفاوت خواهد بود.
- اثر پلتیر (Peltier effect): طبق این قانون، زمانی که دو فلز غیر همسان به منظور تشکیل دو نقطه‌ی اتصال به یکدیگر متصل می‌شوند، در داخل مدار، به دلیل تفاوت دمای این دو نقطه اتصال در مدار، نیرو محرکهی الکتریکی تولید میشود.
- اثر تامسون (Thomson effect): بر طبق این اثر، زمانی که دو فلز غیر همسان به یکدیگر متصل شوند و تشکیل دو نقطه اتصال دهند، پتانسیلی در درون مدار به دلیل تغییرات دما (گرادیان دما) در طول رساناها وجود خواهد داشت.
در بیشتر موارد نیرو محرکه‌ای که توسط تامسون پیشنهاد میشود بسیار ناچیز خواهد بود و می‌توان آن را با انتخاب مناسب فلزها نادیده گرفت. اثر پلتیر نقش برجسته‌ای در نحوه‌ی کار کردن ترموکوپل‌ها ایفا می‌کند.
نحوه‌ی کار
مدار کلی کارکرد ترموکوپل‌ها در شکل زیر نشاند داده شده‌اند. این مدار از دو فلز غیر همسان تشکیل شده است (فلز A و فلز B). این دو فلز به منظور تسکیل دو نقطه انشعاب p و q به یکدیگر متصل شده‌اند که دارای دو دمای T1 و T2 هستند. از آنجایی که این دو نقطه دارای دماهای متفاوتی هستند، نیرو محرکهی الکتریکی پلتیر در داخل مدار تولید میشود و این نیرو محرکه تابعی از دمای این نقاط انشعاب می‌باشد.
اگر دمای این دو نقطه انشعاب یکسان باشد، جریان تولید شده در مدار برابر صفر خواهد بود. برای تولید جریان در مدار باید دمای نقاط انشعاب با یکدیگر متفاوت باشد. کل انرژی محرکه الکتریکی که در مدار جریان می‌یابد بستگی به جنس فلزهای مورد استفاده در داخل مدار و دماهای نقاط انشعاب دارد. این جریان تولید شده مرا می‌توان به سادگی توسط دستگاه‌های مناسب اندازهگیری کرد.
دستگاه اندازهگیری جریان تولید شده و یا emf به داخل مدار ترموکوپل متصل می‌گردد که در شکل زیر نشان داده شده است.
از آنجایی که دمای نقطه انشعاب مرجع مشخص می باشد و تنها دمای نقطه انشعاب گرم ناشناخته می‌باشد، خروجی حاصل از مدار ترموکوپل مستقیما با دمای نا مشخص نقطه انشعاب دیگر در تناسب خواهد بود. بنابراین ولتاژ یا جریان خروجی بدست امده از مدار ترموکوپل مستقیما دمای جسم مورد نظر را به ما نشان خواهد داد.
وسایل اندازهگیری نیرو محرکه الکتریکی
مقدار نیرو محرکه الکتریکی تولید شده در مدار ترموکوپل بسیار ناچیز و معمولا در حد میلی ولت خواهد بود. بنابراین برای انداز‌گیری این نرو محرکه باید از دستگاه هایی با حساسیت بالا استفاده شود. دو دستگاهی که معمولا برای این منظور استفاده می‌شوند شامل گالوانومتر و پتانسیومتر نام دارند.
همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، نقطه انشعاب p به بدنه‌ی جسمی که دمای آن قرار است اندازهگیری شود متصل شده است. نقطه انشعاب q نقطه انشعاب مرجع است که این قابلیت را دارد که بتوان دمای آن را با دماسنج اندازه گرفت. در برخی موارد دمای این نقطه انشعاب را با اتصال آن به محفظه یخ، در دمای انجماد تنظیم می‌کنند.
