Co je to termočlánek? Princip činnosti, základní typy a druhy

Termočlánek je zařízení pro měření teploty ve všech oblastech vědy a techniky. Tento článek poskytuje obecný přehled termočlánků s rozborem jejich konstrukce a principu činnosti. Jsou popsány druhy termočlánků s jejich stručnými charakteristikami a je uvedeno hodnocení termočlánku jako měřicího zařízení.

Konstrukce termočlánku

Princip činnosti termočlánku. Seebeckův jev

Termočlánek je založen na termoelektrickém jevu, který v roce 1821 objevil německý fyzik Tomas Seebeck.

Tento jev je založen na vzniku elektřiny v uzavřeném elektrickém obvodu při vystavení určité okolní teplotě. Elektrický proud vzniká při rozdílu teplot mezi dvěma vodiči (termočlánky) různého složení (různorodé kovy nebo slitiny) a udržuje se udržováním jejich styčných bodů (spojů). Zařízení zobrazí měřenou teplotu na displeji připojeného sekundárního zařízení.

Výstupní napětí a teplota jsou v lineárním vztahu. To znamená, že zvýšení měřené teploty má za následek vyšší hodnotu milivoltů na volných koncích termočlánku.

Spoj v místě měření teploty se nazývá "horký spoj" a připojení vodičů k převodníku se nazývá "studený spoj".

Kompenzace teploty studeného spoje (CJC)

Kompenzace studeného spoje (CJC) je korekce prováděná formou korekce konečného údaje při měření teploty v místě připojení volných konců termočlánku. Důvodem je rozdíl mezi skutečnou teplotou studeného spoje a vypočtenými hodnotami z kalibrační tabulky pro teplotu studeného spoje při 0 °C.

CHS je diferenční metoda, při níž se absolutní údaj teploty odvozuje od známé hodnoty teploty studeného spoje (jinak známé jako referenční spoj).

Konstrukce termočlánku

Při konstrukci termočlánku se zohledňuje vliv faktorů, jako je "agresivita" vnějšího prostředí, skupenství látky, rozsah měřených teplot a další.

Vlastnosti konstrukce termočlánku:

1) Páry vodičů se navzájem spojují kroucením nebo splétáním s dalším svařováním elektrickým obloukem (zřídka pájením).

DŮLEŽITÉ: Metoda kroucení se nedoporučuje z důvodu rychlé ztráty vlastností spoje.

2) Elektrody termočlánku musí být elektricky izolovány po celé délce, s výjimkou místa dotyku.

3) Způsob izolace se volí v závislosti na horní teplotní hranici.

• Do 100-120 °C - jakákoli izolace;
• Do 1300 °C - porcelánové trubičky nebo kuličky;
• Do 1950 °C - Al₂O₃;
• Nad 2000 °C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Ochranný kryt.

Materiál musí být tepelně a chemicky odolný, s dobrou tepelnou vodivostí (kov, keramika). Použití pláště zabraňuje korozi v určitých médiích.

Prodlužovací (kompenzační) kabely

Tento typ vodiče je nutný pro prodloužení konců termočlánku k sekundárnímu zařízení nebo bariéře. Vodiče se nepoužívají, pokud má termočlánek zabudovaný vysílač s jednotným výstupním signálem. Nejběžnější použití je pro standardní převodník umístěný v hlavici svorkovnice snímače s unifikovaným signálem 4-20 mA, tzv. "tabletu".

Materiál vodiče může být stejný jako materiál termočlánku, ale nejčastěji se nahrazuje levnějším, přičemž se zohledňují podmínky zabraňující vzniku parazitních (indukovaných) termoelektrických elektrod. K optimalizaci výroby může přispět i použití prodlužovacích drátů.

Vaše tipy! Pro správné určení polarity kompenzačních vodičů a jejich připojení k termočlánku si zapamatujte mnemotechnické pravidlo MM - mínus je magnetické. To znamená, že vezměte jakýkoli magnet a mínus kompenzace bude magnetický, na rozdíl od plusu.

Typy a druhy termočlánků

Rozmanitost termočlánků je dána různými kombinacemi používaných kovových slitin. Výběr termočlánku se řídí průmyslovým odvětvím a požadovaným teplotním rozsahem.

Chromalumelový termočlánek (TXA)

Kladná elektroda: Chromelová slitina (90 % Ni, 10 % Cr).
Záporná elektroda: slitina hliníku (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Izolační materiál: porcelán, křemen, oxidy kovů atd.

Teplotní rozsah od -200 °C do 1300 °C krátkodobě a 1100 °C dlouhodobě.

Pracovní prostředí: inertní, oxidační (O₂=2-3 % nebo zcela vyloučen), suchý vodík, krátkodobé vakuum. V redukční nebo redoxní atmosféře za přítomnosti ochranného pláště.

Nevýhody: snadná deformace, vratná nestabilita tepelného EMP.

Možné případy koroze a křehnutí hliníku v přítomnosti stop síry v atmosféře a chromelu ve slabě oxidační atmosféře ("zelený jíl").

Chrom-měděný termočlánek (CTC)

Kladná elektroda: chromelová slitina (90 % Ni, 10 % Cr).
Záporná elektroda: slitina Copel (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Teplotní rozsah -253 °C až 800 °C dlouhodobě a 1100 °C krátkodobě.

Pracovní médium: Inertní a oxidační, krátkodobé vakuum.

Nevýhody: deformace termočlánku.

Je možné, že se chrom při delším vakuu odpaří; může reagovat s atmosférou obsahující síru, chrom, fluor.

Železný konstantní termočlánek (PCT)

Kladná elektroda: čisté železo (měkká ocel).
Záporná elektroda: konstantanová slitina (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).

Používá se pro měření v redukčním, inertním a vakuovém prostředí. Teplotní rozsah od -203 °C do 750 °C dlouhodobě a 1100 °C krátkodobě.

Aplikace je založena na kombinovaném měření kladných a záporných teplot. Není vhodné pouze pro záporné teploty.

Nevýhody: deformace termočlánku, nízká odolnost proti korozi.

Změna fyzikálně-chemických vlastností železa při teplotách kolem 700 °C a 900 °C. Interaguje se sírou a vodními parami a vytváří korozi.

Wolfram-renový termočlánek (TVR)

Kladná elektroda: slitiny BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 s příměsí oxidu křemičitého a hliníku)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Záporná elektroda: slitina BP20 (80 % W, 20 % Rh).

Izolace: Keramika z chemicky čistých oxidů kovů.

Mezi jejich vlastnosti patří mechanická pevnost, teplotní odolnost, nízká citlivost na znečištění a snadná výroba.

Měří teploty od 1800 °C do 3000 °C, spodní hranice je 1300 °C. Měří se v inertním plynu, suchém vodíku nebo ve vakuu. Vhodné pouze pro měření v oxidačním prostředí pro rychlé procesy.

Nevýhody: špatná reprodukovatelnost tepelného EMP, jeho nestabilita během ozařování, nestabilní citlivost v teplotním rozsahu.

Wolfram-molybdenový (TM) termočlánek

Kladná elektroda: wolfram (technicky čistý).
Záporná elektroda: molybden (technicky čistý).

Izolace: Hliníková keramika, chráněná křemennými hroty.

Inertní, vodíkové nebo vakuové prostředí. Krátkodobá měření v oxidačním prostředí jsou možná za přítomnosti izolace. Měřitelný teplotní rozsah je 1400 až 1800 °C, maximální pracovní teplota je přibližně 2400 °C.

Nevýhody: špatná reprodukovatelnost a citlivost termo-EDC, inverze polarity, křehnutí při vysokých teplotách.

Termočlánky platina-rhodium-platina (PPT)

Kladná elektroda: platina-Rh (Pt s 10 % nebo 13 % Rh)
Záporná elektroda: platina.

Izolace: Křemen, porcelán (normální a žáruvzdorný). do 1400 °C - keramika se zvýšeným obsahem Al₂O₃O, nad 1400 °C - chemicky čistý Al₂O₃.

Maximální provozní teplota 1400 °C dlouhodobě, 1600 °C krátkodobě. Měření při nízkých teplotách se běžně neprovádí.

Pracovní prostředí: oxidační a inertní, redukční prostředí za přítomnosti stínění.

Nevýhody: vysoká cena, nestabilita při ozařování, vysoká citlivost na kontaminaci (zejména platinové elektrody), růst kovových zrn při vysokých teplotách.

Termočlánky platina-rodium-platina-rodium (PRT)

Kladná elektroda: slitina Pt s 30 % Rh.
Záporná elektroda: slitina Pt s 6 % Rh.

Média: Oxidační, neutrální a vakuová. Použití v redukčních a parních kovových nebo nekovových prostředích za přítomnosti stínění.

Maximální pracovní teplota: 1600 °C dlouhodobě, 1800 °C krátkodobě.

Izolace: Keramika z Al₂O₃ Vysoce čistá Al O keramika.

Méně náchylný k chemické kontaminaci a růstu zrn než termočlánek z platiny a niklu.

Schéma zapojení termočlánku

• Připojení potenciometru nebo galvanometru přímo k vodičům.
• Připojení pomocí kompenzačních vodičů;
• Připojení běžnými měděnými vodiči k termočlánku s unifikovaným výstupem.

Standardy barev vodičů termočlánků

Barevná izolace vodičů pomáhá odlišit elektrody termočlánku od sebe pro správné připojení ke svorkám. Normy se v jednotlivých zemích liší, neexistují žádná specifická barevná označení vodičů.

DŮLEŽITÉ: Je nutné zjistit, jaký standard společnost používá, aby se předešlo chybám.

Přesnost měření

Přesnost závisí na typu termočlánku, rozsahu měřených teplot, čistotě materiálu, elektrickém šumu, korozi, vlastnostech spoje a výrobním procesu.

Termočlánkům je přiřazena třída tolerance (standardní nebo speciální), která určuje interval spolehlivosti měření.

DŮLEŽITÉ: Vlastnosti v době výroby se v průběhu provozu mění.

Rychlost měření

Rychlost je dána schopností primárního snímače rychle reagovat na teplotní skoky a následný tok vstupních signálů do měřicího přístroje.

Faktory, které zvyšují rychlost odezvy:

1. Správná instalace a výpočet délky primárního snímače;
2. Pokud používáte převodník s jímkou, snižte hmotnost jednotky výběrem menšího průměru jímky;
3. Minimalizujte vzduchovou mezeru mezi primárním snímačem a jímkou;
4. Použití primárního snímače s pružinou a vyplnění dutin v tepelné jímce tepelně vodivým plnivem;
5. Rychle se pohybující médium nebo médium s vyšší hustotou (kapalina).

Funkční zkouška termočlánku

Pro ověření provozu připojte speciální měřicí zařízení (zkoušečku, galvanometr nebo potenciometr) nebo změřte výstupní napětí milivoltmetrem. Pokud šipka nebo digitální displej kolísají, je termočlánek platný, jinak je nutné zařízení vyměnit.

Příčiny poruchy termočlánku:

1. Nepoužití ochranného stínícího zařízení;
2. Změna chemického složení elektrod;
3. Oxidační procesy probíhající při vysokých teplotách;
4. Porucha měřicího přístroje atd.

Výhody a nevýhody používání termočlánků

Mezi výhody používání tohoto zařízení patří:

• Velký rozsah měření teploty;
• Vysoká přesnost;
• Jednoduché a spolehlivé.

Nevýhody jsou následující:

• Neustálé monitorování studeného spoje, ověřování a kalibrace řídicího zařízení;
• Strukturní změny kovů během výroby;
• Závislost na složení atmosféry, náklady na těsnění;
• Chyby měření způsobené působením elektromagnetických vln.

Související články: