تعدیل اتصال سرد موردی است که در این مقاله نگاهی گذرا به آن و اتصال سرد ترموکوپل و جبران اتصال سرد خواهیم داشت. برای ورود به این مطلب لازم است در ابتدا نحوه عملکرد ترموکوپل را بررسی کنیم. تلاش بر این است که در مباحث تئوری عمیق نشده و به نکات کاربردی پرداخته شود تا در انتها شناخت درستی از ترموکوپل‌ها، نحوه کار با آن‌ها و کالیبراسیونشان ایجاد شود.
واژه‌شناسی: اتصال سرد یا اتصال مرجع
تعدیل اتصال سرد ترموکوپل‌ها عموما به یک اتصال مرجع گفته می‌شود اما در محاوره عموما اتصال سرد یا همان Cold Junction اتلاق می‌شود که زین پس در این نوشتار همان اتصال سرد استفاده خواهد شد.
ترموکوپل‌ها
ترموکوپل‌ها سنسورهای دمایی هستند که در فرآیندها بسیار استفاده می‌شوند. ترموکوپل‌ها نکات مثبتی محدودی دارند که آن‌ها را در صنعت محبوب ساخته است.
- قابلیت اندازه‌گیری دماهای بالا، دماهایی بسیار بالاتر از حد توانایی سنسورهای Resistance Temperature Detector
- دوام، ترموکوپل‌ها به راحتی خراب نخواهند شد
- دقت ترموکوپل‌ها هیچ وقت به اندازه سنسورهای RTD نیست، اما برای کاربردهای بسیاری کافی خواهد بود
- ترموکوپل‌ها سنسورهای ارزانی محسوب می‌شوند. مانند سنسورهای RTD نیازی به جریان القایی برای اندازه‌گیری ندارند که این مسبب ساده شدن مدار و ساخت آن می‌شود.
- تنوع بسیاری از ترموکوپل‌ها برای کاربردهای مختلف وجود دارد
ترموکوپل‌ها تجهیزاتی بسیار کاربرپسند هستند، متشکل از تنها دو سیم. اما با در نظر گرفتن اتصال سرد و دیگر اتصالات در مدار اندازه‌گیری، کار با این سنسورها به همین سادگی نخواهد بود. برای درک بهتر از اتصال سرد، بهتر است کمی بیشتر در مورد ترموکوپل توضیح داده شود.
نحوه عملکرد ترموکوپل
ترموکوپل شامل دو سیم از هادی‌های رسانای الکتریکی مختلف است که در انتها به یکدیگر متصل‌اند (اتصال گرم). این نقطه‌ای است که دمای مورد نظر می‌شود.
در سال 1821 توماس سیبک کشف کرد که اگر نقطه اتصال دو سیم در دماهای متفاوتی قرار گیرد، جریان ترموالکتریکی ایجاد می‌شود که موجب ایجاد اختلاف ولتاژ در انتهای باز می‌گردد. این اختلاف ولتاژ وابسته به جنس سیم‌های مورد استفاده است. این اثر، سیبک نام‌گذاری شد.
انواع ترموکوپل‌ها و جنس‌هایشان
ترموکوپل‌های متفاوتی از جنس‌ها و آلیاژهای مختلف ساخته می‌شوند. تفاوت جنس موجب تفاوت در حساسیت، میزان ترموولتاژ ایجادی در دمای یکسان و شاخص‌هایی چون حداکثر دمای قابل اندازه‌گیری می‌شود.
انواع ترموکوپل استانداردسازی شده و برای آن‌ها نام مشخص گردیده است. نام‌های عموما تک حرفی مانند K، R، S، J و غیره. بعضی از این ترموکوپل‌ها و مواد به کار رفته در ساختشان در جدول زیر آورده شده است:
| نوع | سیم مثبت | سیم منفی |
| B | 70% پلاتینیوم
30% رودیوم |
96% پلاتینیوم
4% رودیوم |
| E | کرومل | کنستانتان |
| J | آهن | کنستانتان |
| K | کرومل | آلومل |
| N | نیکروسیل | نیسیل |
| R | 87% پلاتینیوم
13% رودیوم |
پلاتینیوم |
| S | 90% پلاتینیوم
10% رودیوم |
پلاتینیوم |
| T | مس | کنستانتان |
رنگ سیم
برای شناسایی بهتر سیم‌های ترموکوپل، آن‌ها را با رنگ مشخص می‌کنند. اما ایراد کار در تنوع استانداردهای رنگ‌بندی است. استاندارد اصلی IEC60584-3 و ANSI است، اما کشورهای دیگری نیز مانند ژاپن، آلمان، بریتانیا، هلند و غیره استاندارد تهیه کرده‌اند. این تنوع استانداردها، استفاده از رنگ را برای تشخیص نوع ترموکوپل مشکل کرده است.
ترموولتاژ ترموکوپل‌ها
با توجه به تفاوت مواد مورد استفاده در ساخت ترموکوپل‌ها، ترموولتاژ هرکدام نیز متفاوت خواهد بود که در نمودار زیر نشان داده می‌شود. این نمودار بیانگر این امر است که در دمای یکسان اختلاف ولتاژ زیادی ایجاد می‌گردد.
در صورتی که نیاز به اندازه‌گیری دماهای بسیار پایین باشد، بهتر است تا از انواع حساس‌تر استفاده شود که ولتاژ بالاتری ایجاد می‌کنند. این ولتاژ بالاتر راحت‌تر اندازه‌گیری می‌شود. اما برای دماهای بالا از ترموکوپل‌هایی با حساسیت کمتر باید بهره گرفته شود.
ضریب سیبک نسبت تغییرات ولتاژ به تغییرات دما را مشخص می‌کند. در نمودار بالا تفاوت حساسیت بین انواع مختلف ترموکوپل مشخص شده است که بیانگر دلیل تفاوت درستی برای انواع مختلف ترموکوپل‌ها در کالیبراتور است. یک دستگاه اندازه‌گیری یا یک کالیبراتور به طور معمول درستی مشخص شده برای ولتاژ نشان داده شده را خواهد داشت. به طور مثال می‌تواند درستی 4 میکروولت را ارائه دهد که این عدد برای انواع مختلف ترموکوپل با حساسیت‌های متفاوت می‌تواند تغییر کند.
مثال از دستگاه اندازه‌گیری
دو ترموکوپل نوع E و B در دمای 200 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شده است. میزان حساسیت (ضریب سیبک) نوع E در دمای مذکور 74μV/ºC است در حالی که برای نوع B این ضریب در همان دما برابر 2μV/ºC خواهد بود. اختلافی برابر 37 بین ضریب سیبک این دو نوع از ترموکوپل خواهد بود.
به عنوان مثال، اگ دستگاه اندازه‌گیری بتواند با درستی 4μV خوانش انجام دهد، به معنای ارائه درستی به اندازه 0.05ºC برای ترموکوپل نوع E خواهد بود (4μV تقسیم بر 74μV/ºC). این میزان درستی دما برای نوع B برابر 2ºC می‌باشد (4μV تقسیم بر 2μV/ºC).
این مساله نشانگر تفاوت درستی ارائه شده توسط یک دستگاه اندازه‌گیری ثابت اما برای ترموکوپل‌هایی با انواع مختلف است.
درستی کالیبراتور
در صورتی که کاتالوگ یک کالیبراسیون دما درستی یکسانی برای تمام انواع ترموکوپل‌ها ارائه داده است. مراقب باشید! احتمال بسیار زیاد این مشخصات توسط تیم بازاریابی نوشته شده نه قسمت فنی!
استاندارد
مورد بالا در مورد بعضی استانداردها هم صدق می‌کند (مانند AMS2750E) که درستی یکسانی برای تمام انواع ترموکوپل مشخص کرده و این مساله چندان کاربردی نخواهد بود. دلیل این موضوع در تفاوت حساسیت‌ها برای انواع مختلف مشاهده شد.
اتصال سرد
پیشتر تصویری ساده شده از مفهوم ترموکوپل ارائه شده که نشان‌دهنده ایجاد ترموولتاژ در نقطه اتصال گرم بود، جایی که دو سیم هادی به یکدیگر متصل می‌شوند. سوال اصلی این است که سمت دیگر چیست؟
برای اندازه‌گیری ولتاژ ایجادی توسط ترموکوپل، دو سر آزاد سیم‌ها را به عنوان مثال به یک مولتی‌متر متصل می‌کنیم. اما مواد به کار رفته در اتصالات مولتی‌متر عموما مس یا طلا است که از مواد مورد استفاده در ترموکوپل متفاوت است. این تفاوت به این معناست که ترموکوپلی جدید در مولتی‌متر ایجاد شده است.
در تصویر بالا، نقطه اتصال گرم، محل تقاطع دو ماده 1 و 2 برای ترموکوپل هستند که دما را اندازه‌گیری می‌کند. در اینجا ولتاژ U1 ایجاد می‌شود که مطلوب اندازه‌گیری ما می‌باشد. در نقاط اتصال سرد، ترموکوپل به ولت‌متر متصل است که اتصالاتی از اجناس متفاوت دارد که در اینجا با ماده 3 نشان داده شده است. در این اتصالات، ولتاژهایی با میزان U2 و U3 در حال ایجاد شدن است. این دو ولتاژهایی هستند که ما به آن‌ها نیازی نداریم و باید آن‌ها را تعدیل کنیم.
در تصویر مشخص است که ولت‌متر در واقع ولتاژ 3 ترموکوپل سری شده به همدیگر را اندازه‌گیری می‌کند. برای این که فقط ولتاژ U1 اندازه‌گیری شود چه باید کرد؟ ولتاژهای U2 و U3 را چگونه تعدیل کنیم؟ راه‌های متفاوتی وجود دارد که در ادامه بررسی خواهیم کرد.
روش‌های تعدیل اتصال سرد
1. قرارگیری اتصال سرد در حمام یخ
در واقعیت، یک اتصال ترموکوپلی هیچ ولتاژی در دمای صفر درجه نباید تولید کند. با اتصال سیم‌های ترموکوپل به سیم‌های مسی در حمام یخ (یا محفظه دمایی دقیق) دیگر نگرانی راجع به اتصال سرد وجود نخواهد داشت و ولتاژی تولید نمی‌شود. لازم است که اتصالات از آب موجود در حمام یخ ایزوله شود تا هیچ‌گونه نشتی جریانی اتفاق نیفتد و موجب بروز خطا و خوردگی نگردد.
این روش بسیار دقیقی است که آزمایشگاه‌‌های کالیبراسیون نیز از آن بهره می‌برند. اما در محیط صنعتی و طی فرآیند نمی‌تواند صورت پذیرد.
مثال: ترموکوپل نوع N مانند شکل بالا متصل شده است و ولت‌متر عدد 20808 μV را نشان می‌دهد. دمای اندازه‌گیری شده چقدر است؟
E=EN(tU1)-EN(tr)
E: ولتاژ اندازه‌گیری شده (20808 μV)
EN(tU1): ولتاژ ایجادی در نقطه اتصال گرم
EN(ttr): ولتاژ ایجادی در نقطه اتصال سرد که برابر صفر میکروولت است (بر اساس استاندارد IEC60584 نوع N در صفر درجه سانتی‌گراد)
EN(tU1) = E+ EN(ttr) = 20808 + 0 = 20808
بر اساس جداول استاندارد ذکر شده دما 605 درجه سانتی‌گراد است.
2. اتصال سرد در یک دمای ثابت و مشخص
از آن جایی که روش حمام یخ چندان کاربردی نیست، می‌توان اتصال سرد را در یک دمای ثابت و مشخص دیگر قرار داد. یک محفظه اتصال که کنترل دما در آن امکان‌پذیر است، در دمایی مشخص ثابت شود. عموما این دما را بالاتر از دمای محیط قرار می‌دهند تا محفظه تنها نیاز به گرمایش داشته باشد.
زمانی که دمای مدنظر برای اتصال سرد ایجاد شد، با دانستن نوع ترموکوپل می‌توان تعدیل ولتاژ اتصال سرد را انجام داد.
بسیاری از تجهیزات اندازه‌گیری و کالیبراتورهای دما، قابلیتی مبنی بر تنظیم دمای اتصال سرد دارند که تجهیز بعد از آن محاسبات تعدیل را انجام می‌دهد.
مثال: ترموکوپل نوع N مانند شکل بالا متصل شده است و ولت‌متر عدد 19880 μV را نشان می‌دهد. دمای اتصال سرد 35 درجه سانتی‌گراد است. دمای اندازه‌گیری شده چقدر است؟
E=EN(tU1)-EN(tr)
E: ولتاژ اندازه‌گیری شده (19880 μV)
EN(tU1): ولتاژ ایجادی در نقطه اتصال گرم
EN(ttr): ولتاژ ایجادی در نقطه اتصال سرد که برابر 928 μV است (بر اساس استاندارد IEC60584 نوع N در 35 درجه سانتی‌گراد)
EN(tU1) = E+ EN(ttr) = 19880 + 928 = 20808
بر اساس جداول استاندارد ذکر شده دما 605 درجه سانتی‌گراد است.
همواره به این نکته دقت شود که محاسبات همواره بر اساس ولتاژ است. یک خطای مرسوم اضافه کردن دمای اتصال سرد به جای ولتاژ ذکر شده در جدول است. در مثال بالا اگر به ولتاژ دمای ذکر شده برای 19880 μV که 581.2 سانتی‌گراد است را استفاده کنیم. محاسبات به این شکل در خواهد آمد:
581.2ºC + 35ºC = 616.2º
خطایی برابر 11.2 درجه سانتی‌گراد ایجاد خواهد کرد.
3. اندازه‌گیری دمای اتصال سرد
در صورتی که تعدیل اتصال سرد مانند مثال پیشین قابل تنظیم نباشد، می‌توان دمای آن را اندازه‌گیری کرد تا با توجه به آن دما، محاسبات تعدیل را پیش برد. اما از آن‌جایی که همواره دمای اتصال سرد باید اندازه‌گیری شود، کمی سخت است. خوشبختانه بسیاری از کالیبراتورهای دما، امکانی برای اندازه‌گیری دمای اتصال سرد فراهم کرده‌اند که خود تجهیز به صورت خودکار محاسبات مربوط به تعدیل را انجام دهد.
4. تعدیل در تجهیزات اندازه‌گیری به صورت آنلاین و خودکار
در مثال پیشین گفته شد که محاسبه و در نظر گرفتن دائم تعدیل اتصال سرد سخت است اما این کار توسط تجهیز به صورت خودکار قابل انجام است. تجهیز اندازه‌گیری می‌خواهد کالیبراتور دما، ترانسمیتر و یا کارت ورودی DCS باشد، تفاوتی نمی‌کند، اندازه‌گیری دمای اتصال سرد ضمن انتخاب نوع ترموکوپل به صورت آنلاین می‌تواند صورت پذیرد و محاسبات تعدیل خطای آن اجرا شود.
این روش آسان‌ترین و کاربردی‌ترین روش برای تعدیل اتصال سرد در اندازه‌گیری و کالیبراسیون است که نیازی به نگرانی در مورد اتصالات دیگر نیست.
منبع: –
