کابل ترموکوپل چند رشته چیست؟

استاندارد IEC 60584 چیست؟

IEC 60584 خانواده‌ای از استانداردهای بین‌المللی مربوط به ترموکوپل‌ها است که بخش‌های مختلف مشخصات ترموالکتریکی، تلرانس و کابل‌های Extension و Compensating را پوشش می‌دهد.

در ساختار فعلی این خانواده، دو بخش مهم برای کاربردهای صنعتی عبارت‌اند از:

IEC 60584-1 مشخصات EMF و تلرانس ترموکوپل‌ها را پوشش می‌دهد و IEC 60584-3 به کابل‌های Extension و Compensating، تلرانس و سیستم شناسایی آن‌ها مربوط است.

یک نکته مهم در استفاده از منابع قدیمی این است که IEC 60584-2:1982 دیگر استاندارد جاری محسوب نمی‌شود. الزامات تلرانس که در ساختار قدیمی در Part 2 قرار داشتند، در ویرایش ۲۰۱۳ در IEC 60584-1 ادغام شدند.

بنابراین در یک سند فنی جدید بهتر است به‌جای استفاده از IEC 60584-2:1982 به‌عنوان استاندارد جاری، نسخه و بخش مناسب استاندارد، به‌خصوص IEC 60584-1:2013، مشخص شود.

IEC 60584-1:2013؛ مشخصات EMF و تلرانس ترموکوپل

استاندارد IEC 60584-1:2013 یکی از اصلی‌ترین مراجع فنی برای مشخصات ترموکوپل‌ها در سیستم IEC است.

این استاندارد رابطه بین دمای ترموکوپل و نیروی محرکه الکتریکی یا EMF تولیدشده توسط آن را مشخص می‌کند و اطلاعات مربوط به Reference Function و تلرانس را نیز در بر می‌گیرد.

از جمله موضوعات مهم این استاندارد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

یکی از نکات مهم این استاندارد این است که رابطه بین دما و EMF بر اساس ITS-90 یا International Temperature Scale of 1990 بیان می‌شود.

Typeهای ترموکوپل در IEC 60584-1

ترموکوپل‌ها با حروف مشخصی مانند K، J، T، E، N، R، S و B شناخته می‌شوند.

در IEC 60584-1:2013، علاوه بر Typeهای شناخته‌شده، دو نوع ترموکوپل تنگستن–رنیوم با Designationهای Type C و Type A نیز استاندارد شده‌اند.

برخی Typeهای مهم عبارت‌اند از:

نوع آلیاژ و محدوده کاربرد هر Type با Type دیگر متفاوت است؛ بنابراین انتخاب ترموکوپل باید بر اساس شرایط واقعی فرایند انجام شود و صرفاً بر اساس نام Type نباشد.

رابطه دما و EMF در ترموکوپل

ترموکوپل بر اساس اثر ترموالکتریک کار می‌کند. هنگامی که دو هادی از مواد متفاوت در یک مدار ترموالکتریکی قرار داشته باشند و بین محل‌های اتصال آن‌ها اختلاف دما وجود داشته باشد، یک نیروی محرکه الکتریکی ایجاد می‌شود.

در ساده‌ترین بیان می‌توان رابطه میان دما و EMF را به صورت زیر نمایش داد:

E = f(T)

که در آن:

در استانداردهای ترموکوپل، این رابطه به‌صورت تابع مرجع و ضرایب ریاضی مشخص ارائه می‌شود.

به همین دلیل، هنگام تبدیل سیگنال خروجی ترموکوپل به دما، استفاده از رابطه مناسب Type ترموکوپل اهمیت زیادی دارد.

Reference Junction یا اتصال مرجع چیست؟

یکی از مفاهیم مهم در استانداردهای ترموکوپل، Reference Junction یا اتصال مرجع است.

مقادیر مرجع EMF در استانداردهای ترموکوپل بر اساس یک شرایط مرجع مشخص تعریف می‌شوند و در IEC 60584-1 رابطه‌های مرجع با مرجع دمایی مشخص ارائه شده‌اند.

در عمل، دستگاه اندازه‌گیری یا سیستم کنترل باید اثر دمای اتصال مرجع را در محاسبه دما در نظر بگیرد. این موضوع معمولاً با عنوان Cold Junction Compensation یا جبران اتصال سرد شناخته می‌شود.

بنابراین زمانی که خروجی یک ترموکوپل در یک سیستم کنترل یا ترانسمیتر تفسیر می‌شود، فقط اندازه‌گیری ولتاژ کافی نیست و شرایط اتصال مرجع نیز باید در نظر گرفته شود.

محدوده دمایی ترموکوپل و محدوده اعتبار Reference Function

یکی از اشتباهات رایج در انتخاب ترموکوپل این است که محدوده دمایی قابل استفاده یک Type با محدوده اعتبار یک رابطه استاندارد یکسان در نظر گرفته شود.

هر رابطه مرجع دما–EMF محدوده مشخصی برای استفاده دارد.

به همین دلیل، هنگام طراحی یک سیستم اندازه‌گیری دما باید حداقل سه موضوع بررسی شود:

این نکته به‌خصوص برای ترموکوپل‌های دمای بالا اهمیت بیشتری دارد.

تلرانس ترموکوپل چیست؟

هیچ ترموکوپل واقعی را نمی‌توان کاملاً ایده‌آل در نظر گرفت.

مشخصات واقعی سیم‌ها و آلیاژهای ترموالکتریکی می‌تواند باعث شود خروجی یک ترموکوپل نسبت به مقدار مرجع استاندارد دارای انحراف باشد.

استاندارد، برای این انحراف حدود مشخصی را به‌عنوان Tolerance تعریف می‌کند.

به بیان ساده:

Tolerance = حداکثر انحراف مجاز نسبت به مقدار مرجع استاندارد

اما مقدار تلرانس برای همه Typeها و تمام دماها یکسان نیست.

بنابراین این عبارت که:

Class 1 همیشه برابر ±1°C است

عبارت دقیقی نیست.

تلرانس باید بر اساس Type، محدوده دمایی و کلاس مربوطه از جدول استاندارد بررسی شود.

کلاس تلرانس ترموکوپل

در سیستم IEC برای ترموکوپل‌ها کلاس‌های تلرانس مختلفی تعریف شده است.

در بسیاری از Typeها، کلاس‌های 1، 2 و در موارد مربوطه کلاس 3 وجود دارند؛ اما محدوده دما و مقدار تلرانس برای هر Type می‌تواند متفاوت باشد.

به همین دلیل در یک مشخصات فنی بهتر است به جای نوشتن صرفاً:

Type K – Class 1

محدوده دمایی مربوط به این کلاس نیز مشخص شود.

در پروژه‌های صنعتی، مشخصات کامل‌تر می‌تواند به شکل زیر تعریف شود:

Thermocouple: Type K / IEC 60584-1 / Tolerance Class 1 / مشخصات دمایی پروژه

این روش از ابهام هنگام خرید و کنترل کالا جلوگیری می‌کند.

IEC 60584-3:2021؛ استاندارد کابل‌های ترموکوپل

بخش بسیار مهم دیگری از خانواده IEC 60584، استاندارد:

IEC 60584-3:2021

است.

این استاندارد با عنوان:

Thermocouples – Part 3: Extension and compensating cables – Tolerances and identification system

به کابل‌های Extension و Compensating مربوط می‌شود.

استاندارد IEC 60584-3:2021 مواردی مانند موارد زیر را پوشش می‌دهد:

بنابراین استاندارد ترموکوپل فقط مربوط به خود سنسور نیست و کابل ارتباطی نیز باید با Type و استاندارد مربوطه سازگار باشد.

کابل Extension چیست؟

کابل Extension برای امتداد مدار ترموکوپل از نقطه اندازه‌گیری تا تجهیزات اندازه‌گیری یا کنترل استفاده می‌شود.

در این نوع کابل، ویژگی‌های ترموالکتریکی هادی‌ها باید با Type مربوطه سازگار باشد تا اتصال کابل به ترموکوپل باعث ایجاد خطای نامطلوب در اندازه‌گیری نشود.

در نام‌گذاری IEC معمولاً از حرف X برای Extension استفاده می‌شود.

برای مثال:

KX

به کابل Extension مربوط به Type K اشاره می‌کند.

اما هنگام سفارش کابل نباید تنها به کد KX اکتفا کرد و باید مشخصات کامل کابل، نوع عایق، ساختار، سطح مقطع، شیلد، دمای کاری و استاندارد پروژه نیز بررسی شود.

کابل Compensating چیست؟

کابل Compensating از نظر ساختار و مواد مورد استفاده با کابل Extension یکسان نیست.

در کابل Compensating ممکن است از همان آلیاژ دقیق مورد استفاده در سیم ترموکوپل استفاده نشود، اما مواد هادی باید در محدوده مشخص‌شده دارای رفتار ترموالکتریکی مناسب باشند.

در سیستم نام‌گذاری IEC معمولاً از حرف C برای Compensating استفاده می‌شود.

برای Type K به عنوان نمونه:

KX → Type K Extension

KC → Type K Compensating

با این حال، کدگذاری باید همیشه با استاندارد و Specification پروژه تطبیق داده شود.

چرا انتخاب کابل ترموکوپل اهمیت دارد؟

یک اشتباه رایج در پروژه‌های صنعتی این است که کابل ترموکوپل مانند یک کابل مسی معمولی در نظر گرفته شود.

در مدار ترموکوپل، کابل رابط بخشی از مدار ترموالکتریکی است. بنابراین استفاده از کابل نامناسب، اتصال اشتباه یا ترکیب نادرست سیم و کابل می‌تواند باعث ایجاد خطای اندازه‌گیری شود.

به همین دلیل هنگام انتخاب کابل باید موارد زیر بررسی شود:

در محیط‌های صنعتی دارای نویز الکتریکی، انتخاب ساختار مناسب کابل و شیلدینگ نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

رنگ‌بندی کابل ترموکوپل

رنگ‌بندی یکی از ابزارهای مهم شناسایی کابل‌های ترموکوپل است.

در سیستم IEC، رنگ هادی مثبت برای برخی Typeهای متداول به شکل زیر است:

در سیستم IEC، هادی منفی با رنگ سفید شناسایی می‌شود.

با این حال، رنگ‌بندی در سیستم‌های مختلف استانداردی یکسان نیست. بنابراین در پروژه‌هایی که تجهیزات یا کابل‌ها از استانداردهای مختلف تأمین شده‌اند، نباید صرفاً بر اساس رنگ کابل تصمیم‌گیری کرد.

استاندارد درج‌شده در Specification پروژه و مستندات سازنده باید ملاک نهایی باشد.

ASTM E230/E230M چیست؟

در کنار IEC 60584، استاندارد ASTM E230/E230M یکی از مراجع مهم برای ترموکوپل‌های استاندارد در سیستم ASTM است.

این استاندارد شامل داده‌ها و جداول مربوط به رابطه:

Temperature – EMF

برای Typeهای استاندارد ترموکوپل است.

در نسخه‌های این استاندارد، Typeهای B، C، E، J، K، N، R، S و T پوشش داده می‌شوند.

ASTM E230/E230M همچنین اطلاعات مربوط به تلرانس استاندارد و ویژه برای ترموکوپل‌ها، سیم‌های Extension و سیم‌های Compensating Extension را ارائه می‌کند.

بنابراین ASTM E230 صرفاً یک جدول دما–ولتاژ نیست و برای مشخصات ترموکوپل و مواد مرتبط با آن نیز اهمیت دارد.

تفاوت IEC 60584-1 و ASTM E230/E230M

هر دو استاندارد برای تعیین مشخصات ترموکوپل اهمیت دارند، اما ساختار آن‌ها یکسان نیست.

نکته مهم این است که نباید مشخصات IEC و ASTM را بدون بررسی نسخه و جدول مربوطه با یکدیگر مخلوط کرد.

استاندارد ASTM E220 چیست؟

استاندارد ASTM E220 با ASTM E230 تفاوت دارد.

ASTM E230/E230M بیشتر به مشخصات، داده‌های دما–EMF و تلرانس مربوط می‌شود، در حالی که ASTM E220 یک روش آزمون برای کالیبراسیون ترموکوپل با روش مقایسه‌ای است.

در روش مقایسه‌ای، ترموکوپل مورد آزمایش با یک دماسنج مرجع معتبر مقایسه می‌شود.

ASTM E220-25 روش، تجهیزات و اصول لازم برای این نوع کالیبراسیون را مشخص می‌کند.

بنابراین می‌توان به‌صورت ساده گفت:

ASTM E230/E230M → مشخصات و رابطه دما–EMF و تلرانس

ASTM E220 → روش کالیبراسیون مقایسه‌ای

این دو استاندارد مکمل یکدیگر هستند و نباید به جای یکدیگر استفاده شوند.

کالیبراسیون ترموکوپل چرا اهمیت دارد؟

تلرانس استاندارد به معنای این نیست که هر ترموکوپل در تمام شرایط کاری دقیقاً همان مقدار خطا را خواهد داشت.

شرایط واقعی استفاده، فرسودگی، آلودگی، دمای کاری، تغییرات مواد و شرایط نصب می‌توانند بر عملکرد ترموکوپل اثر بگذارند.

در کاربردهایی که دقت اندازه‌گیری اهمیت زیادی دارد، کالیبراسیون می‌تواند برای بررسی عملکرد ترموکوپل مورد استفاده قرار گیرد.

در کالیبراسیون مقایسه‌ای، خروجی ترموکوپل با یک مرجع دمایی معتبر مقایسه می‌شود.

بنابراین در پروژه‌های حساس باید میان سه مفهوم تفاوت قائل شد:

این سه مفهوم یکسان نیستند.

استانداردهای کانکتور ترموکوپل

کانکتور نیز بخشی از زنجیره اندازه‌گیری ترموکوپل است و نمی‌توان آن را از مشخصات سیستم جدا کرد.

استاندارد ASTM E1129/E1129M مربوط به کانکتورهای ترموکوپل است و الزامات مربوط به کانکتورهای قابل جداسازی تک‌مداره با دو پین را پوشش می‌دهد.

در این استاندارد موضوعاتی مانند:

مورد توجه قرار می‌گیرد.

برای کانکتورهای مینیاتوری نیز استاندارد ASTM E1684/E1684M وجود دارد.

بنابراین هنگام سفارش کانکتور ترموکوپل باید علاوه بر Type، سازگاری کانکتور با استاندارد مورد استفاده در پروژه نیز بررسی شود.

استاندارد ASTM E696 برای ترموکوپل‌های تنگستن–رنیوم

برای برخی کاربردهای دمای بالا، ترموکوپل‌های تنگستن–رنیوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

استاندارد ASTM E696 مشخصات سیم ترموکوپل آلیاژ تنگستن–رنیوم را پوشش می‌دهد.

این استاندارد ترکیب‌هایی مانند:

را در بر می‌گیرد.

یکی از نکات مهم در مورد آلیاژهای تنگستن–رنیوم این است که برای استفاده در دماهای بالا در محیط‌های اکسیدکننده مناسب نیستند و شرایط محیطی باید هنگام طراحی و انتخاب این نوع ترموکوپل مورد توجه قرار گیرد.

چرا نسخه استاندارد اهمیت دارد؟

استانداردها ممکن است در طول زمان اصلاح، بازنگری یا جایگزین شوند.

به همین دلیل در یک سند مهندسی بهتر است فقط عبارت:

IEC 60584

نوشته نشود.

در صورت نیاز بهتر است بخش و ویرایش استاندارد نیز مشخص شود؛ برای مثال:

IEC 60584-1:2013

یا:

IEC 60584-3:2021

این موضوع به‌خصوص در پروژه‌های EPC، خرید تجهیزات، کنترل کیفیت و بررسی مدارک فنی اهمیت دارد.

استفاده از نسخه قدیمی یک استاندارد بدون توجه به وضعیت آن می‌تواند باعث اختلاف در مشخصات فنی خرید یا کنترل کیفیت شود.

جدول مهم‌ترین استانداردهای ترموکوپل

هنگام خرید ترموکوپل چه مشخصاتی باید بررسی شود؟

برای جلوگیری از خرید اشتباه، پیشنهاد می‌شود مشخصات فنی ترموکوپل حداقل شامل موارد زیر باشد:

1. Type ترموکوپل

برای مثال:

Type K

1. استاندارد مرجع

برای مثال:

IEC 60584-1

یا:

ASTM E230/E230M

1. کلاس تلرانس

کلاس باید همراه با محدوده دمایی مربوطه مشخص شود.

1. محدوده دمایی

دمای واقعی فرایند باید با محدوده مناسب Type و ساختار ترموکوپل مقایسه شود.

1. نوع کابل

در صورت استفاده از کابل رابط باید مشخص شود که کابل:

Extension

یا

Compensating

است.

1. نوع عایق

نوع عایق باید متناسب با دما، محیط شیمیایی، رطوبت، روغن، سایش و شرایط نصب انتخاب شود.

1. شیلد

در محیط‌های دارای نویز الکتریکی یا تجهیزات قدرت، ساختار حفاظتی کابل اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

1. ساختار مکانیکی

در شرایط صنعتی، نوع غلاف، قطر، انعطاف‌پذیری، روش نصب و مقاومت مکانیکی نیز باید بررسی شود.

1. کانکتور

در صورت استفاده از کانکتور، Type و استاندارد کانکتور باید با ترموکوپل و کابل سازگار باشد.

1. مدارک فنی و کنترل کیفیت

در پروژه‌های صنعتی بهتر است مشخصات فنی، Certificate، گزارش آزمون یا Calibration Certificate متناسب با الزامات پروژه درخواست شود.

اشتباهات رایج در انتخاب ترموکوپل

انتخاب Type فقط بر اساس محدوده دما

این روش کافی نیست.

شرایط محیط، دقت مورد نیاز، نوع فرایند، طول مسیر، نویز الکتریکی و ساختار مکانیکی نیز اهمیت دارند.

استفاده از کابل مسی معمولی به جای کابل ترموکوپل

کابل مسی معمولی جایگزین مناسبی برای کابل Extension یا Compensating ترموکوپل نیست.

توجه نکردن به استاندارد رنگ‌بندی

رنگ‌بندی سیستم IEC و سیستم‌های آمریکایی را نباید بدون بررسی با یکدیگر ترکیب کرد.

یکی دانستن Tolerance و Accuracy

تلرانس استاندارد مشخصه ساخت ترموکوپل نسبت به مرجع استاندارد است؛ Accuracy عملکرد واقعی کل سیستم اندازه‌گیری را توصیف می‌کند و الزاماً با Tolerance یکسان نیست.

استفاده از استاندارد قدیمی بدون بررسی وضعیت آن

همیشه باید مشخص شود استاندارد مورد استفاده در Specification پروژه چه ویرایشی دارد و آیا نسخه مورد نظر همچنان جاری است یا خیر.

انتخاب کابل بدون توجه به محیط نصب

دمای محیط، مواد شیمیایی، رطوبت، نویز، سایش و نحوه نصب می‌توانند در انتخاب ساختار کابل مؤثر باشند.

سه استاندارد کلیدی که باید بشناسیم

اگر بخواهیم موضوع استانداردهای ترموکوپل را برای یک پروژه صنعتی خلاصه کنیم، سه مرجع بسیار مهم عبارت‌اند از:

IEC 60584-1:2013

برای مشخصات ترموالکتریکی، رابطه EMF–Temperature، توابع مرجع و تلرانس ترموکوپل‌ها.

IEC 60584-3:2021

برای کابل‌های Extension و Compensating، تلرانس و سیستم شناسایی آن‌ها.

ASTM E230/E230M

برای مشخصات و جداول رابطه Temperature–EMF و تلرانس ترموکوپل‌های استاندارد در سیستم ASTM.

برای کالیبراسیون نیز ASTM E220-25 یک مرجع مهم برای روش مقایسه‌ای است.

جمع‌بندی

استاندارد ترموکوپل تنها یک شماره یا نام برای Type سنسور نیست. برای انتخاب صحیح یک سیستم اندازه‌گیری دما باید مجموعه‌ای از عوامل شامل Type، رابطه دما–EMF، محدوده دمایی، تلرانس، کابل رابط، استاندارد رنگ‌بندی، شرایط محیطی، کانکتور و در کاربردهای حساس، روش کالیبراسیون بررسی شود.

در ساختار فعلی استانداردهای IEC، IEC 60584-1:2013 مرجع اصلی مشخصات EMF و تلرانس ترموکوپل‌ها است و IEC 60584-3:2021 الزامات مرتبط با کابل‌های Extension و Compensating و سیستم شناسایی آن‌ها را پوشش می‌دهد.

در سیستم ASTM نیز ASTM E230/E230M برای مشخصات و رابطه دما–EMF و تلرانس ترموکوپل‌ها اهمیت دارد و ASTM E220-25 روش کالیبراسیون مقایسه‌ای ترموکوپل را مشخص می‌کند.

در نهایت، در یک پروژه صنعتی، انتخاب ترموکوپل باید بر اساس شرایط واقعی فرایند و Specification پروژه انجام شود، نه صرفاً بر اساس Type یا محدوده دمایی درج‌شده در کاتالوگ.

برای خرید یا طراحی سیستم اندازه‌گیری دما، بررسی هم‌زمان استاندارد ترموکوپل، کابل، تلرانس، شرایط نصب و مدارک فنی سازنده می‌تواند از خطاهای اندازه‌گیری و انتخاب نادرست تجهیزات جلوگیری کند.