ترموکوپل یا دماپا یکی از ابزارهای کلیدی برای کنترل و اندازه‌گیری دقیق دما به شمار می‌آید. این دستگاه‌ها در صنایع گوناگون کاربرد دارند و در مکان‌هایی مانند کوره‌ها، دیگ‌های بخار، مشعل‌ها، خطوط انتقال مایعات، سیستم‌های تهویه مطبوع، فریزرها و یخچال‌ها که دما اهمیت ویژه‌ای دارد، استفاده می‌شوند. در این مقاله قصد داریم به بررسی نحوه عملکرد ترموکوپل بپردازیم و توضیح دهیم که این ابزار چگونه می‌تواند دما را به طور دقیق اندازه‌گیری کند. ترموکوپل‌ها معمولاً از دو نوع فلز مختلف ساخته می‌شوند که با هم ترکیب شده و در نتیجه تشکیل یک جفت دماپا را می‌دهند. تغییر دما در این جفت فلز باعث ایجاد ولتاژی می‌شود که می‌توان از آن برای تعیین دما استفاده کرد. با توجه به دقت و قابلیت اطمینان ترموکوپل‌ها، آنها به عنوان یکی از انتخاب‌های اصلی در اندازه‌گیری دما در بسیاری از فرآیندهای صنعتی شناخته می‌شوند.
ترموکوپل چطور کار میکند؟
ترموکوپل‌ها به عنوان ابزاری برای اندازه‌گیری دما، از یک روش ساده و ابتدایی بهره می‌برند. این روش در سال ۱۸۲۲ توسط دانشمند معروف، توماس جان سیبک، کشف شد. سیبک با مشاهده پدیده‌ای خاص، توانست به این نتیجه برسد که اگر دو فلز مختلف در دو دما قرار گرفته و در یک نقطه به هم متصل شوند، یک ولتاژ الکتریکی تولید می‌شود. این ولتاژ به تغییرات دما بستگی دارد و به این ترتیب می‌توان دما را با دقت اندازه‌گیری کرد. ترموکوپل‌ها به دلیل سادگی و کارایی بالا، به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف برای کنترل دما و نظارت بر فرآیندها مورد استفاده قرار می‌گیرند و به یکی از ابزارهای کلیدی در علم و فناوری تبدیل شده‌اند.
ترموکوپل‌ها به وسیله اختلاف ولتاژ ناشی از جریان الکتریکی در یک مدار عمل می‌کنند. به طور کلی، زمانی که یک فلز تحت تأثیر حرارت قرار می‌گیرد، حرکت الکترون‌ها در آن دچار اختلال می‌شود. این اختلال منجر به انتقال الکترون‌ها از ناحیه گرم‌تر به ناحیه سردتر می‌گردد. این فرآیند ادامه می‌یابد تا دما در تمام نقاط فلز به یک سطح یکنواخت برسد. این ویژگی به عنوان اصل اساسی در طراحی و ساخت ترموکوپل‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع، ترموکوپل‌ها با بهره‌گیری از این پدیده فیزیکی، توانایی اندازه‌گیری دما را فراهم می‌کنند و به همین دلیل در صنایع مختلف به کار می‌روند.
برای اندازه‌گیری دمای صحیح با استفاده از ترموکوپل الکتریکی، ضروری است که الکترون‌ها در یک جهت مشخص حرکت کنند. به همین دلیل، نمی‌توان از یک نوع فلز در هر دو سمت ترموکوپل بهره برد. در این فرآیند، معمولاً از یک فلز با عدد اتمی پایین و یک فلز با عدد اتمی بالا استفاده می‌شود. این تفاوت در عدد اتمی موجب می‌گردد که الکترون‌ها از فلز با عدد اتمی پایین به سمت فلز با عدد اتمی بالا حرکت کنند. این حرکت الکترون‌ها به شکل منظمی صورت می‌گیرد و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. در نتیجه، این پدیده کمک میکند تا دما به طور دقیق اندازه‌گیری شود و بتوانیم از ترموکوپل به عنوان ابزاری موثر در سنجش دما استفاده کنیم.
در بسیاری از ترموکوپل‌ها از ترکیب فلزات مس و آهن استفاده می‌شود، اما فلزاتی همچون کروم، وانادیوم، فولادهای آلیاژی و تنگستن نیز به طور گسترده‌ای در این زمینه به کار می‌روند. نکته‌ای که باید مد نظر قرار گیرد این است که هر چه عدد اتمی فلز به کار رفته در ترموکوپل بالاتر باشد، دقت اندازه‌گیری و تحریک دمایی نیز افزایش می‌یابد. برعکس، فلزاتی که عدد اتمی کمتری دارند، به سرعت تحت تأثیر دما قرار می‌گیرند و بنابراین برای اندازه‌گیری اختلاف دماهای پایین‌تر مناسب‌تر هستند. این ویژگی‌ها به طراحان و مهندسان کمک میکند تا با انتخاب صحیح فلزات، کارایی ترموکوپل‌ها را بهینه‌سازی کنند و در نتیجه کاربردهای مختلف صنعتی و علمی را بهتر پوشش دهند.
پس از آنکه دو نوع ترموکوپل تحت تأثیر گرما قرار می‌گیرند، جریان الکتریکی که از دو سر ترموکوپل عبور میکند، دچار اختلاف فاز می‌شود. این اختلاف فاز به نوعی نشان‌دهنده تغییر دما است. با استفاده از یک جدول یا الگوریتم که از ویژگی‌های فلزات مختلف در برابر دما استخراج شده، می‌توانیم این اختلاف فاز (که به صورت ولتاژ نمایش داده می‌شود) را محاسبه کنیم. به این ترتیب، قادر خواهیم بود دما را به دقت تعیین کنیم، چه به صورت درجه سانتی‌گراد و چه به صورت درجه فارنهایت. این فرآیند به ما این امکان را می‌دهد که به صورت دقیق و علمی، تغییرات دما را اندازه‌گیری کنیم و از آن در کاربردهای صنعتی و علمی بهره‌برداری نماییم.
نکات مهم برای کار با ترموکوپل
گرچه ترموکوپل‌ها قادر به نمایش دقیق دمای نقطه تحریک هستند، اما برای حصول نتیجه صحیح، باید اطمینان حاصل شود که ابزارهای کنترل جریان از تأثیرات حرارتی یا سرمایی دور باشند. اختلاف دما میان شاخک‌های سنجش دما و ترمومتر باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که ترمومتر در دمای محیطی معادل ۲۰ درجه سانتی‌گراد قرار گیرد. به همین دلیل، عایق‌بندی مناسب در اطراف ترمومتر و همچنین کابل‌های ترموکوپل از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این عایق‌بندی کمک میکند تا تأثیرات ناخواسته دما بر عملکرد دستگاه کاهش یابد و دقت اندازه‌گیری‌ها افزایش یابد. بنابراین، توجه به جزئیات در این زمینه می‌تواند به بهبود کارایی سیستم‌های اندازه‌گیری دما کمک کند.
هر نوع ترموکوپل دارای محدوده دمایی خاصی است که می‌تواند در آن به درستی عمل کند. اگر دما از این محدوده خارج شود، نتایج اندازه‌گیری ممکن است دچار خطا شده و اطلاعات نادرستی ارائه دهد. به همین دلیل، قبل از استفاده از هر ترموکوپلی، ضروری است که به استانداردهای مربوطه مراجعه کرده و از صحت و دقت آن اطمینان حاصل نماییم. این اقدام نه تنها به افزایش دقت اندازه‌گیری کمک میکند، بلکه از بروز مشکلات احتمالی در فرآیندهای صنعتی و تحقیقاتی جلوگیری میکند. در نهایت، رعایت این نکات اساسی می‌تواند به بهبود کیفیت و ایمنی کارهای مربوط به اندازه‌گیری دما کمک شایانی نماید.
ماندگاری ترموکوپل‌ها به شرایط محیطی که در آن عمل می‌کنند، وابسته است. در موقعیت‌هایی که شرایط سختی وجود دارد، مانند کار در کنار مشعل‌ها، فریزرها یا هنگام ذوب فلزات، نیاز به تعویض سریع‌تر این ابزارها احساس می‌شود. در غیر این صورت، مشکلات ناشی از خستگی فلزات می‌تواند باعث ایجاد بار الکتریکی نادرست شود که این امر منجر به اندازه‌گیری نادرست دما خواهد شد. بنابراین، توجه به شرایط کاری و زمان مناسب برای تعویض ترموکوپل‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است تا دقت در اندازه‌گیری دما حفظ شود.
استفاده همزمان از دو ترموکوپل به عنوان یک روش افزونگی برای اطمینان از صحت اندازه‌گیری دما در سیستم‌ها توصیه می‌شود. این روش به طور قابل توجهی از بروز خطاهای احتمالی جلوگیری میکند، به ویژه در مواقعی که یکی از ترموکوپل‌ها به درستی عمل نکند. با بهره‌گیری از این تکنیک، امکان اطمینان بیشتر از دقت سنجش دما فراهم می‌شود و در نتیجه می‌توان به بهبود عملکرد سیستم‌های صنعتی و علمی کمک کرد. این اقدام نه تنها به افزایش دقت اندازه‌گیری دما می‌انجامد، بلکه به افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان در فرآیندهای مختلف نیز کمک میکند.