تفاوت ترموکوپل k و j چیست؟ بررسی کاربردها

ترموکوپل‌های k و j هر دو برای اندازه‌گیری دما در محیط‌های صنعتی طراحی شده‌اند، اما کاربردهای کاملاً متفاوتی دارند. خیلی‌ها فکر می‌کنند که این دو ترموکوپل صنعتی فقط در رنگ سیم یا قیمت متفاوت هستند. اما در جنس آلیاژی و مقاومت شیمیایی برای محیط‌های مختلف، الگوی ساخت کاملاً متفاوتی دارند. ترموکوپل نوع j با سیم آهنی در محیط‌های اکسید کننده به سرعت خورده می‌شود و در مقابل نوع k در یک اتمسفر گوگردی دوام نمی‌آورد.

تفاوت ترموکوپل k و j در جنس آلیاژی، بازه دمایی و مقاومت شیمیایی آنها است. ترموکوپل نوع k از آلیاژ نیکل – کروم ساخته می‌شود و تا دمای ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری می‌کند. اما ترموکوپل نوع j از آهن و کنستانتان است و برای اندازه‌گیری حداکثر دمای ۷۵۰ درجه سانتیگراد کارایی دارد. نوع j در محیط‌های احیایی بهتر عمل می‌کند اما در برابر اکسیداسیون ضعیف است. در واقع نکته کلیدی اکسید شدن سیم آهنی نوع j در دماهای بالا و یا خوردگی عمیق نوع k در محیط گوگردی است که در این مقاله به ‌طور کامل بررسی خواهیم کرد.

معرفی ترموکوپل نوع k

ترموکوپل نوع k از پرکاربردترین سنسورهای دمای صنعتی است که طبق استاندارد IEC 60584-1 از دو آلیاژ نیکل – کروم (کرومل) و نیکل – آلومینیوم (آلومل) ساخته می‌شود. این ترموکوپل به دلیل بازه دمایی گسترده از منفی ۲۰۰ الی مثبت ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد، کاربردهای متنوع در صنایع مختلف از سردخانه‌های صنعتی تا کوره‌های القایی یا خطوط سوپر هیت نیروگاهی دارد.

ترکیب آلیاژی

ترکیب آلیاژی ترموکوپل نوع k بر پایه دو آلیاژ متفاوت نیکل است. آلیاژ کرومل (نیکل – کروم) در سیم مثبت پایداری خوبی در دماهای بالا دارد. در مقابل آلیاژ آلومل (نیکل – آلومینیوم) در سیم منفی لایه محافظ اکسیدی قوی ایجاد می‌کند.

بازه دمایی

بازه دمایی ترموکوپل نوع k در محدوده وسیع و پیوسته از ۲۰۰- الی ۱۲۵۰+ درجه سانتیگراد قرار دارد. البته در شرایط خاص و در مدت زمانی کوتاه حداکثر دما تا ۱۳۷۰ درجه را تحمل می‌کند. اما بهترین محدوده اندازه‌گیری کاملاً خطی آن در ناحیه صفر الی ۶۰۰+ درجه سانتیگراد قرار دارد. در دماهای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه، انحراف تدریجی در خروجی آن دیده می‌شود.

مقاومت شیمیایی

ترموکوپل نوع k برای استفاده در محیط‌های اکسید کننده بسیار مقاوم است، اما در مواجهه با محیط‌های گوگردی یا احیایی عملکرد ضعیفی دارد. هرگز نباید از ترموکوپل نوع k بدون غلاف محافظ در اتمسفر گوگردی یا احیایی استفاده کرد. در این محیط‌ها، گوگرد به مرور زمان وارد مرز دانه‌های آلیاژ نیکل – کروم شده و لایه‌های اکسید کننده محافظ از بین می‌رود.

مقاومت شیمیایی ترموکوپل نوع k در محیط‌های اکسید کننده متفاوت است. در چنین محیط‌هایی لایه اکسیدی محافظ روی سطح آلیاژ تشکیل می‌شود و تا زمانیکه این لایه دست نخورده بماند، سنسور به شکل پایدار کار می‌کند. برای همین توصیه شده که در محیط‌ها با ترکیب گازی نامشخص که احتمال وجود گوگرد زیاد است، بهتر است از غلاف اینکونل ۶۰۰ یا محافظ سرامیکی برای نصب ترموکوپل نوع k استفاده شود.

کاربردهای رایج

از نگاه کاتالوگی کاربرد ترموکوپل نوع k در فرایندهایی با دمای متوسط رو به بالا است. در کوره‌های صنعتی، خطوط بخار، نیروگاه‌ها و پتروشیمی بارها از این نوع ترموکوپل استفاده می‌شود. اما در میدان عملیاتی ترموکوپل‌های نوع k گزینه‌های اقتصادی برای دماهای بالا در محیط‌های اکسید کننده هستند. مثلاً خطوط بخار نیروگاهی چنین شرایطی دارند. در واقع نکته تعیین کننده کاربرد ترموکوپل نوع k در انتخاب غلاف و محل نصب آن است. به عنوان مثال اگر در خط بخار این ترموکوپل را مستقیم در مسیر جریان بگذارید، ارتعاش و ضربه دیر یا زود غلاف را از کار می‌اندازد.

معرفی ترموکوپل نوع j

ترموکوپل نوع j از دو فلز آهن و کنستانتان ساخته می‌شود و یکی از سنسورهای رایج برای اندازه‌گیری دماهای متوسط است. این ترموکوپل به دلیل حساسیت بالا در حدود ۵۵ میکرو ولت بر درجه سانتیگراد، برای استفاده در دماهای پایین و متوسط انتخاب می‌شود. اما در کل محدوده دمایی اندازه‌گیری آن در مقایسه با ترموکوپل نوع k محدودتر است و چندان مقاومت شیمیایی بالایی خصوصاً در محیط‌های اکسید کننده ندارد.

ترکیب آلیاژی

سیم مثبت ترموکوپل نوع j از آهن خالص است که حساسیت ترموالکتریک بالایی را ایجاد می‌کند. اما اکسید شدن همین سیم آهنی مهمترین محدودیت و بزرگترین چالش استفاده از ترموکوپل نوع k است. در مقابل سیم منفی این سنسورها را از آلیاژ کنستانتان می‌سازند که پایداری نسبی سیگنال را حفظ می‌کند.

بازه دمایی

بازه دمای اندازه‌گیری پیوسته ترموکوپل نوع j از ۴۰- درجه تا ۷۵۰+ درجه سانتیگراد است. در مدت زمان کوتاهی می‌توانید از این ترموکوپل برای اندازه‌گیری دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد نیز استفاده کنید. اما در دماهای بالاتر از ۷۵۰ درجه اکسیداسیون آهن شدت می‌گیرد و اگر ادامه پیدا کند، ترموکوپل نوع j کاملاً مستلک می‌شود. برای همین انتخاب ایده‌آل برای فرایندهای خیلی داغ نیست.

مقاومت شیمیایی

ترموکوپل نوع j در محیط‌های احیایی عملکرد به مراتب بهتری از نوع k دارد، اما در محیط‌های اکسید کننده آسیب‌پذیر است. زیرا سیم آهن این ترموکوپل در هوای گرم پروژه‌هایی مانند کوره به سرعت اکسید شده و از بین می‌رود. ولی برای نصب در یک محیط احیایی یا خلا، به مراتب مقاومت بهتری از نوع k دارد. همچنین نصب ترموکوپل نوع j در هوای همیشه مرطوب توصیه نمی‌شود. زیرا رطوبت بالا نیز می‌تواند به سیم آهنی آن آسیب بزند.

کاربردهای رایج

ترموکوپل نوع j در صنایع پلاستیک، قالب‌گیری و کوره‌های کم دما کاربردی گسترده دارد. اما هرگز از ترموکوپل نوع j در کوره‌ها یا فرایندهای داغ با دمای بالای ۸۰۰ درجه سانتیگراد استفاده نکنید. زیرا سیم آهنی این ترموکوپل در محیط فوق داغ با دمای بالای ۸۰۰ درجه به سرعت اکسید شده و نه تنها دقت سنسور از بین می‌رود، بلکه ممکن است سیم ترموکوپل به ‌طور کامل قطع شود. در یکی از پروژه‌هایی که کار می‌کردیم صرفا برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها از نوع j در یک کوره عملیات حرارتی استفاده کرده بودیم که پس از راه‌اندازی فرآیند، خروجی ترموکوپل کاملاً غیر واقعی بود و مشکلات زیادی را ایجاد می‌کرد. اما در کل نوع j یک ترموکوپل ایده‌آل دماهای متوسط یا محیط‌های احیایی است. جاییکه حساسیت بالای ۵۵ میکرو ولت این ترموکوپل می‌تواند سیگنال قوی و با پایداری نسبی بسیار عالی را ایجاد نماید.

تفاوت‌های آلیاژی ترموکوپل نوع k و j

اصلی‌ترین تفاوت ترموکوپل k و j در ترکیبات آلیاژی سیم‌های مثبت و منفی آنها است. ترموکوپل نوع k را با ترکیب آلیاژ‌های کرومل و آلوومل می‌سازند. در حالیکه نوع j دارای سیم مثبت آهنی و سیم منفی کنستانتان است. این تفاوت در جنس فلزی، تاثیر مستقیم روی بازه دمایی، حساسیت‌ها و مقاومت شیمیایی ترموکوپل‌های نوع k و j می‌گذارد. طبق استاندارد IEC 60584-1 ترکیب هر دو نوع باید با تلرانس مشخص کنترل شود تا منحنی ولتاژ – دمایی در محدوده استانداردی باقی بماند.

• اگر دمای فرایند بالای ۷۰۰ درجه سانتیگراد است، انتخاب نوع k بهترین پیشنهاد است. زیرا آلیاژ‌های نیکل در دماهای بالا عملکرد پایداری دارند.
• محیط‌های اکسید کننده، یک لایه اکسیدی محافظ روی آلیاژ‌های نیکل نوع k تشکیل می‌شود. این قابلیت در نوع j نیست.
• آلیاژ‌های نیکل نوع k در محیط‌های گوگردی یا احیایی شدیداً آسیب‌پذیر هستند.
• برای فرایندها در محیط‌های احیایی یا خلا ترموکوپل نوع j بهتر است. زیرا سیم آهنی در این شرایط دوام بالایی دارد.
• حساسیت ترموالکتریک بالاتر نوع j سیگنال قوی‌تری در دماهای پایین تولید می‌کند.

تفاوت ترموکوپل k و j از نظر بازه دمایی

محدوده اندازه‌گیری دمایی مهمترین پارامتر برای انتخاب از میان ترموکوپل‌های نوع k و j است. این دو سنسور در دو دنیای کاملاً متفاوت و در شرایط دمایی گوناگونی استفاده می‌شوند. محدوده دمایی نوع k بسیار گسترده‌تر از نوع j است و عموماً برای استفاده در دماهای بالاتر انتخاب می‌شود. در حالیکه نوع j برای استفاده در دماهای متوسط و پایین عملکرد بهتری دارد. در واقع محدوده دمایی این دو ترموکوپل از ۴۰- الی ۷۵۰+ درجه سانتیگراد مشترک است. اما قابلیت‌ها، حساسیت‌های اندازه‌گیری و سرعت پاسخ‌دهی با در نظر گرفتن قیمت باعث می‌شود تا نوع j برای دمای پایین و نوع k برای دمای بالا انتخاب شود. هنگام خرید ترموکوپل به موارد زیر توجه داشته باشید:

• نوع k از حدود ۲۰۰- الی ۱۲۵۰+ درجه سانتیگراد کار می‌کند و در ناحیه صفر الی ۶۰۰ درجه عملکرد پایداری دارد. اما نزدیک سقف دمایی انحراف تدریجی خروجی آن افزایش پیدا می‌کند.
• نوع j در بازه ۴۰- الی ۷۵۰+ درجه سانتیگراد کار می‌کند. در دماهای بالای ۷۵۰ درجه نیز خطر اکسیداسیون سیم آهنی شدت می‌گیرد. به همین علت برای نصب در دماهای خیلی بالا مناسب نیست.

رفتار ترموکوپل‌ها در محدوده دمایی مشترک

این دو ترموکوپل محدوده دمای مشترک بزرگ از ۴۰- الی ۷۵۰+ درجه سانتیگراد دارند. جاییکه هر دو ترموکوپل نوع k و j با دقت کار کرده و هیچ آسیبی نمی‌بینند، اما رفتار آنها کاملا متفاوت است. این تفاوت در رفتار باعث می‌شود که حتی نتوانید از یک ترموکوپل نوع k به جای نوع j برای اندازه‌گیری دمای معمولی مثلاً ۱۰۰ درجه در یک محیط خاص صنعتی استفاده کنید. در شرایط نرمال و یا محیط با اکسید کنندگی ملایم نوع k خطای کمتر و پایداری بیشتری دارد. اما در محیط‌های احیایی این نوع j است که عملکرد بهتری را نشان می‌دهد.

رفتار ترموکوپل‌های نوع k و j در دماهای پایین

بررسی رفتار در دمای پایین نکته کلیدی تفاوت ترموکوپل k و j است. در این محدوده نوع j به خاطر حساسیت بالاتر می‌تواند سیگنال قوی‌تری را تولید کند. مثلاً در دمای ۱۰۰ درجه حساسیت نوع j در حدود ۵۵ میکرو ولت بر درجه است. اما نوع k در همین دما حساسیتی به مراتب کمتر و در حدود ۴۱ میکرو ولت بر درجه دارد. برای همین اگر فرایند شما در محدوده دماهای پایین از ۴۰- الی ۲۰۰+ درجه سانتیگراد است، انتخاب نوع j تصمیم بهتری است. نوع j در این بازه، اندازه‌گیری بهتر و دقیق‌تری دارد.

رفتار ترموکوپل‌های نوع k و j در دماهای بالا

منظور از دماهای بالا از حدود ۵۰۰ درجه به بالاتر است. در این بازه پایداری نوع k به مراتب از نوع j بهتر می‌شود. سیم آهنی نوع j در دماهای بالا خصوصاً نزدیک به ۷۰۰ درجه اکسید می‌شود. یعنی درست در بازه‌ای که ترموکوپل نوع k قرار است بهترین عملکرد خود را نشان دهد، نوع j آرام آرام کارایی خود را از دست خواهد داد.

در واقع ترموکوپل نوع k بهترین عملکرد خود را در همین محدوده ۵۰۰ الی ۸۰۰ درجه سانتیگراد نشان داده و حتی پایداری سیگنال و دقت خود را تا دمای ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد کم و بیش حفظ می‌کند. لذا برای کارکردهای طولانی مدت در دمای بالای ۵۰۰ درجه سانتیگراد انتخاب ترموکوپل نوع k پیشنهاد مطمئن‌تری است.

برای اطمینان از سلامت و دقت سنسور، تست ترموکوپل نوع k را می‌توان با مقایسه دمای نمایش‌داده‌شده با یک سنسور مرجع یا کالیبراتور دما انجام داد. اگر اختلاف اندازه‌گیری از محدوده مجاز بیشتر باشد، باید وضعیت سیم‌ها، اتصالات، غلاف و احتمال رانش یا آسیب حرارتی ترموکوپل بررسی شود.

تفاوت رفتار ترموکوپل k و j در محیط اکسید کننده

تفاوت ترموکوپل k و j در محیط اکسید کننده به سرعت دیده می‌شود. مثلاً در یک کوره باز با هوای آزاد، جاییکه اکسیژن مرتب با سطح سنسور در تماس است، آلیاژ نیکل – کروم نوع k یک لایه اکسید محافظ را تشکیل می‌دهد. همین لایه از تخریب باقی فلز جلوگیری خواهد کرد. اما سیم آهنی نوع j در همین شرایط به مرور اکسید می‌شود و مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند. در هوای گرم و مرطوب نیز این روند سریعتر اتفاق می‌افتد.

در یک آزمایش مهندسی شده زیر نظر موسسه NIST (مرجع رسمی کالیبراسیون و اندازه‌گیری در آمریکا) عملکرد دو ترموکوپل k و j در یک کوره باز صنعتی بررسی شده است. دمای کاری کوره در محدوده ۶۵۰ درجه سانتیگراد تنظیم شده بود تا هر دو ترموکوپل در بازه دمایی طبیعی خودشان کار کنند. اما اتمسفر محیط را هوای آزاد با رطوبت نسبتاً بالا در نظر گرفته بودند. در این پروژه تحقیقاتی ترموکوپل نوع k پس از ۳۰۰۰ ساعت مداوم کار کرد. اما نوع j در همان شرایط پس از حدود ۸۰۰ ساعت دچار خطای اندازه‌گیری ۴ درجه سانتیگراد شده بود و پس از ۱۵۰۰ ساعت به کلی مستهلک شد. اگر قرار است سنسور در محیط باز، کنار مشعل یا در مجاورت بخار و رطوبت کار کند، نوع k به مراتب بهتر از نوع j است.

تفاوت رفتار ترموکوپل نوع k و j در محیط‌های احیایی

تفاوت ترموکوپل k و j در کوره‌ها با اتمسفر احیایی نیز قابل توجه است. در پروژه‌هایی که اکسیژن کم است و گازهای احیایی مانند هیدروژن یا مونوکسید کربن در محیط حضور دارند، فلزات تحت شرایط احیایی قرار می‌گیرند. کوره‌های عملیات حرارتی هیدروژنی، محیط‌های گاز محافظ جوشکاری، کوره‌های خلا یا نیمه خلا و برخی فرایندهای پتروشیمی که با گازهای احیایی انجام می‌شوند، از این دست موارد هستند.

مطالعات فنی منتشر شده توسط NIST و داده‌های مرجع استاندارد IEC 60584-1 نشان می‌دهند که آلیاژ‌های پایه نیکل مانند ترموکوپل نوع k در اتمسفرهای احیایی شدیداً آسیب‌پذیر هستند و خروجی آنها جابجا می‌شود. در چنین محیط‌هایی ترموکوپل نوع j با سیم آهنی اگر دما کمتر از ۷۵۰ درجه سانتیگراد باشد، پایدارتر است.

تفاوت کاربردهای ترموکوپل نوع k و j

تفاوت ترموکوپل k و j آنقدر برجسته است که زمینه‌های کاربردی گوناگونی نیز دارند. به هر حال چه از نظر رفتار در دمای پایین و یا دماهای بالا که این دو ترموکوپل کاملاً متفاوت ظاهر می‌شوند و چه از نظر استفاده در محیط‌های اکسید کننده یا احیا کننده شرایط استفاده از آنها متفاوت است. اگر انتخاب نوع این محصول برای شما مشکل است، می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره قبل از خرید با کارشناسان ما در پیکاتک تماس بگیرید. 02187700142

کاربردهای ترموکوپل نوع k

ترموکوپل نوع k انحصاراً برای نصب در فرایندهای داغ طراحی شده است. مطابق استاندارد IEC 60584-1 برای فرایندها با دمای بالای ۷۰۰ درجه باید از ترموکوپل نوع k استفاده شود. زیرا آلیاژ‌های نیکل – کروم و نیکل – آلومینیوم در این ناحیه دمایی عملکرد پایداری دارند. در کوره‌های صنعتی و خطوط بخار توصیه شده که از غلاف اینکونل ۶۰۰ یا غلاف استنلس استیل ۳۱۶ استفاده شود. در غیر این صورت اکسیداسیون یا تخریب تدریجی آلیاژ خطای اندازه‌گیری را شدیداً افزایش می‌دهد و ممکن است سنسور خیلی زودتر از زمان موعد از کار بیافتد. برای همین لازم است تا قبل از نصب، شرایط دمایی و ترکیب شیمیایی محیط را با محدوده مجاز ترموکوپل نوع k چک کنید.

کاربردهای ترموکوپل نوع j

ترموکوپل نوع j برای استفاده در دماهای متوسط و یا محیط‌های احیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر فرایند شما دمایی متوسط تا حداکثر 750 درجه سانتیگراد دارد و اتمسفر آن احیایی یا خلا است، ترموکوپل نوع j را مطابق با استاندارد IEC 60584-1 انتخاب کنید. زیرا سیم آهنی ترموکوپل‌های نوع j در این شرایط دوام بیشتری نسبت به آلیاژ‌های نیکل نوع k دارد. البته در صنایع پلاستیکی و قالب‌گیری باید از غلاف استنلس استیل ۳۱۶ استفاده کنید تا سیم آهنی ترموکوپل نوع j در برابر رطوبت و آسیب‌های مکانیکی محافظت شود.

جمع‌بندی: ترموکوپل k یا j کدام یک مناسب شما است؟

بررسی تفاوت ترموکوپل k و j صرفاً یک مقایسه ساده نیست که با نگاه گذری آن را پشت گوش بیاندازید. اگر ترموکوپل نوع j را اشتباهی در کوره‌هایی با دمای بالاتر از ۷۵۰ درجه یا یک محیط اکسید کننده نصب کنید، خطای اندازه‌گیری می‌تواند فراتر از چند ۱۰ درجه باشد و ریسک خرابی زودرس سنسور تا ۳ برابر افزایش پیدا می‌کند.

در استاندارد مرجع IEC 60584-1 به تمامی این نکات اشاره شده است. استانداردی که مرجع ما برای تهیه این مقاله و البته با در نظر گرفتن تجربیات شخصی پس از سال‌ها فعالیت میدانی و فروش انواع ترموکوپل است. خطاهای اندازه‌گیری ترموکوپل‌ها در میدان واقعی خیلی زود از یک موضوع فنی به یک هزینه واقعی تبدیل می‌شود. اگر از ابتدا براساس دما و اتمسفر واقعی نوع ترموکوپل را انتخاب کنید، نه تنها اندازه‌گیری قابل اعتماد می‌ماند، بلکه از تعویض‌های مکرر و توقف خطوط جلوگیری می‌شود. آیا شما هم چالشی در انتخاب ترموکوپل‌های نوع k و j داشته‌اید؟ در این صفحه می‌توانید تجربیات و دانش خود را با دیگر مهندسین در میان بگذارید. اگر هم لازم است تا شرایط پروژه را بررسی کرده و یک ترموکوپل مناسب را انتخاب کنید، کافی است تا با کارشناسان پیکاتک تماس گرفته و مشاوره شوید.

سوالات متداول

• اگر دمای فرایند بین ۶۰۰ الی ۷۰۰ درجه قرار دارد و محیط هم اکسید کننده نباشد، کدام ترموکوپل مناسب است؟

در محدوده ۶۰۰ الی ۷۵۰ درجه با محیطی که غیر اکسید کننده است، نرموکوپل نوع j را انتخاب کنید. زیرا حساس‌تر است و سیگنال قوی‌تری را تولید می‌کند.

• چگونه بدون باز کردن ترموکوپل از روی خط متوجه شویم که مدل j اکسید شده است؟

فقط از طریق مقایسه خروجی با یک سنسور مرجع یا کالیبراتور می‌توانید مقدار خطای ترموکوپل را بررسی کرده و احتمال اکسید شدن را ارزیابی کنید.

• نشانه‌های جدی خرابی ترموکوپل نوع k در یک محیط احیایی چیست؟

اگر ترموکوپل نوع k تحت تاثیر محیط احیایی قرار گرفته باشد، خروجی آن به تدریج از مقدار واقعی منحرف می‌شود. تا جاییکه خطای تکرار شونده در مقایسه با سنسور مرجع دارد.

• آیا با استفاده از غلاف محافظ می‌توان از ترموکوپل نوع j در دماهای بالاتر از ۷۵۰ درجه نیز استفاده کرد؟

غلاف‌های محافظ فقط کمی وضعیت محیطی برای ترموکوپل نوع j را تهیه می‌کنند، اما سقف دمایی قابل اندازه‌گیری سیم آهنی را تغییر نمی‌دهند.