ترموکوپل یا کوپل ترموالکتریک

نوعی مولد الکتریسته است که با استفاده از ترموالکتریکی جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌کند. ترموکوپل از دو میله فلزی غیر هم جنس رسانا یا نیم رسانا ساخته شده است که از یک سر به هم جوش داده شده‌اند و دو سر دیگر آنها بوسیله حساس مانند گالوانومتر متصل است. با گرم شدن محل اتصال ، جریان ضعیفی از مدار عبور می‌کندترموکوپل ها یکی از مهمترین و پرکاربردترین سنسورها و مبدل های دمایی هستند که در دماهای مختلف به خصوص برای جاهایی که دارای دمایی بالایی می باشند مورد استفاده قرار می گیرند.

این سنسورها از ساده ترین سنسورهای دمایی محسوب می شوند چراکه تنها از اتصال دو فلز مختلف با یکدیگر ایجاد می شوند. اساس و عملکرد این سنسورها برپایه قانونی بنا نهاده شده اتس که به آن قانون سیبک نامیده می شود.

ترموکوپل در واقع نوعی مبدل است که دما یا حرارت را به ولتاژ تبدیل می کند، اما ولتاژ تولیدی بسیار کوچک بوده و نیاز به تقویت دارد لذا در مسیر آنها از تقویت کننده های الکترونیکی برای تقویت ولتاژ تولیدی که در حد میلی ولت می باشد استفاده می کنند. ترموکوپل ها در صنعت موارد استفاده زیادی دارند،به طوری که به عنوان یکی از مهمترین قسمتهای سنسورهای دما به کار میروند.از میان بسیاری از ترکیبات ممکن فلزات برای تشکیل ترموکوبل تنها تعداد کمی از آنها دارای رفتار خطی مناسب و مقاومت قابل توجه در مقابل دمای زیاد هستند.از جمله این فلزها می توان پلاتین، آلیاژ پلاتین، نیکل آلومینیوم، کرم، کنستانتان و آلیاژ مس نام برد.در ادامه مبحث سعی می کنیم تا به بررسی کامل این سنسور و مطالب پیرامونی آن بپردازیم. طبیعتاً مطالبی که عرضه می شود لزوماً کامل نبوده و نواقصی هم خواهند داشت ولی تا آنجا که توانسته ایم سعی کردیم تا مطالب صحیح و درستی ارائه شود.

اثر ترموالکتریک

اساساً با توجه به اینکه فلزات دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند اثراتی که از خود در برابر تغییراتی همچون دما نشان می دهند اساس بسیاری از سنسورها و دستگاه های ساخته شده می باشد. اثر ترموالکتریک فلزات یکی از این ویژگی هاست که فلزات در برابر تغییرات دما از خود نشان می دهند. موضوع را با بیانی ساده توضیح می دهیم. فرض کنید دو فلز غیرهمجنس را به یکدیگر متصل کنیم و دو سر آنرا آزاد نگه داریم. اگر تمام این دو فلز در دمای یکسانی قرار داده شوند هیچ اتفاقی نمی افتد. منظور از اتفاق یعنی تولید نیروی محرکه الکتریکی در دو سمت آزاد است. این مسئله در شکل زیر نشان داده شده است.

اگر تمام قسمت های این دو فلز در دمای یکسانی قرار داشته باشند هیچگونه جریانی در مدار ایجاد شده برقرار نخواهد شد که این مسئله بدلیل عدم تولید نیروی محرکه الکتریکی در دوسر فلزات می باشد.

حال اگر در این حالت دو سر آزاد را به یکدیگر متصل کنیم از آنجاکه هیچ نیروی محرکه ای در مدار تولید نشده است. لذا هیچ جریانی هم در مدار برقرار نحواهد شد. اما حالا فرض کنید به قسمتی که این دو فلز را به یکدیگر متصل کرده ایم حرارت اعمال کنیم، آنگاه در اینصورت در دوسر آزاد این دو فلز نیروی محرکه الکتریکی ایجاد خواهد شد که اگر این دو سر را به یکدیگر متصل کنیم آنگاه یک مدار الکتریکی ایجاد خواهد شد که در آن جریان برقرار خواهد شد.

علت برقراری جریان نیز همان نیروی محرکه الکتریکی می باشد که در واقع چیزی نیست جز اختلاف ولتاژ بین دو سر این دو فلز. این اثر ناشی از خواص ترموالکتریکی فلزات می باشد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.


همانطور که در شکل نیز دیده می شود براثر اعمال حرارت به محل اتصال دو فلز جریان در مدار برقرار خواهد شد که این جریان ناشی از وجود نیروی محرکه الکتریکی می باشد. که این اثر را اثر ترموالکتریک می گویند. به نیروی محرکه الکتریکی تولید شده نیروی محرکه الکتریکی ترموالکتریک و به اتصال حرارت دیده شده ترموکوپل گفته می شود. این اثر برای اولین بار توسط فردی بنام سیبک کشف شد که به افتخار وی این اثر را پدیده سیبک نامیدند. در ادامه به بیان بیشتر این پدیده می پردازیم.

اثر سیبک

در سال 1821 فردی بنام سیبک طی آزمایشاتی پی برد که اگر دو فلز غیرهمجنس را در یک نقطه به یکدیگر متصل کند و دو سر دیگر را آزاد نگه دارد و به محل اتصال خرارت اعمال کند آنگاه بین دو سر آزاد اختلاف ولتاژ پدیدار خواهد بود. این پدیده در واقع کشف اثر ترموالکتریک فلزات بود که به افتخار وی این پدیده به نام وی نامگذاری گردید و به پدیده سیبک معروف شد. برای درک بهتر و آسانتر مطلب فرض کنید انتهای دو فلز مختلف یکی از جنس iron و دیگری از جنس copper را به یکدیگر وصل کنیم مانند آنچه که در شکل بعدی آمده است. اگر دمای یکی از اتصالات در دمای اتاق باشد و اتصال دیگر را گرم کنیم تا دمای آن بالا رود آنگاه جریان برقرار خواهد شد که جهت این جریان از سمت فلز iron به سمت فلز copper خواهد بود. بنابراین پدیده سیبک چیزی نیست جز همان اثر ترموالکتریک. در مورد اینکه چرا این پدیده اتفاق می افتد و یا اینکه به چه دلیل این پدیده رخ می دهد بصورت تکمیلی توضیح داده خواهد شد.

نکته: در هر مداری که از دو فلز تشکیل شده باشد جریان از سمت اتصال گرم به سمت فلز بعدی که سری شده است جاری خواهد شد.

نمایش یک ترموکوپل که البته دو سر آزاد آن به یکدیگر متصل شده است. همانطور که در این شکل دیده می شود به محل اتصالی که حرارت اعمال می شود hot junction و به دو سر دیگر cold junction نامیده می شود. سیبک 35 فلز را با یکدیگر سری کرد تا ویژگی های ترموالکتریک آنها را بررسی کند. تعدادی از فلزاتی که see beck از آنها استفاده نمود به قرار زیر می باشند:

Bi-Ni-Co-Pd-Pt-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Rh-Ir-Au-Zn-Cd-Fe-As-Sb-Te

منبع و تهیه کننده: شرکت پاک افرا پترو
سازنده ادوات ابزاردقیق و تجهیزات صنعتی
http://www.pap-petro.com