Termokobler er en anordning til måling af temperaturer inden for alle videnskabelige og teknologiske områder. Denne artikel giver et generelt overblik over termoelementer med en oversigt over deres konstruktion og funktionsprincip. Der beskrives forskellige typer af termoelementer med deres korte karakteristika, og der gives en vurdering af termoelementet som måleinstrument.
Indhold
Design af et termoelement
Funktionsprincippet for et termokobbel. Seebeck-effekt
Termokoblingen er baseret på den termoelektriske effekt, som den tyske fysiker Tomas Seebeck opdagede i 1821.
Fænomenet er baseret på, at der opstår elektricitet i et lukket elektrisk kredsløb, når det udsættes for en bestemt omgivelsestemperatur. Elektrisk strøm opstår, når der er temperaturforskel mellem to ledere (termoelementer) af forskellig sammensætning (forskellige metaller eller legeringer), og den opretholdes ved at opretholde deres kontaktpunkter (forbindelsespunkter). Enheden viser den temperatur, der skal måles, på skærmen på den tilsluttede sekundære enhed.
Udgangsspændingen og temperaturen er i et lineært forhold. Det betyder, at en stigning i den målte temperatur resulterer i en højere millivoltværdi ved termokoblernes frie ender.
Forbindelsen ved temperaturmålepunktet kaldes den "varme forbindelse", og forbindelsen mellem ledningerne og transmitteren kaldes den "kolde forbindelse".
Temperaturkompensation for koldt samled (CJC)
Koldpunktskompensation (CJC) er en korrektion i form af en korrektion af den endelige aflæsning ved måling af temperaturen ved tilslutningspunktet for termokoblernes frie ender. Dette skyldes uoverensstemmelsen mellem den faktiske temperatur i den kolde samling og de beregnede aflæsninger fra kalibreringstabellen for temperaturen i den kolde samling ved 0 °C.
CHS er en differentialmetode, hvor den absolutte temperaturaflæsning er afledt af den kendte værdi af temperaturen i den kolde forgrening (også kendt som referenceforgrening).
Udformning af termokobler
Ved udformningen af et termoelement tages der hensyn til påvirkningen fra faktorer som f.eks. det ydre miljøs "aggressivitet", stoffets samlede tilstand, det temperaturområde, der skal måles, og andre.
Funktioner af termokoblingsdesign:
1) Lederpar forbindes med hinanden ved at sno eller strække dem med yderligere elektrisk lysbuesvejsning (sjældent lodning).
VIGTIGT: Det anbefales ikke at anvende snoede metoden på grund af det hurtige tab af forbindelsesegenskaber.
2) Termoelementelektroderne skal være elektrisk isolerede i hele deres længde, undtagen ved kontaktpunktet.
3) Isoleringsmetoden vælges i overensstemmelse med den øvre temperaturgrænse.
- Op til 100-120 °C - enhver isolering;
- Op til 1300 °C - porcelænsrør eller perler;
- Op til 1950°C - Al2O3;
- Over 2000 °C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Beskyttelsesdæksel.
Materialet skal være termisk og kemisk modstandsdygtigt og have en god varmeledningsevne (metal, keramik). Brug af kappen forhindrer korrosion i visse medier.
Forlængerkabler (kompensationskabler)
Denne type ledning er nødvendig for at forlænge enderne af termoelementet til en sekundær enhed eller barriere. Ledningerne bruges ikke, hvis termoelementet har en indbygget transmitter med et ensartet udgangssignal. Den mest almindelige anvendelse er en standardtransmitter, der er indbygget i et 4-20mA-sensorterminalhoved med et samlet signal, den såkaldte "tablet".
Ledningsmaterialet kan være det samme som materialet i termoelementet, men udskiftes oftest med et billigere materiale, idet der tages hensyn til forhold, der forhindrer dannelsen af parasitære (inducerede) termo-ED'er. Brugen af forlængertråde kan også bidrage til at optimere produktionen.
Dine tips! For at bestemme korrekt polariteten af kompensationsledningerne og deres forbindelse til termoelementet skal du huske MM-mnemoreglen - minus er magnetisk. Det vil sige, at hvis man tager en hvilken som helst magnet, vil minusdelen af kompensationen være magnetisk i modsætning til plusdelen.
Typer og typer af termokobler
De mange forskellige termoelementer skyldes de forskellige kombinationer af metallegeringer, der anvendes. Valget af termokobler er baseret på industrien og det ønskede temperaturområde.
Termoelement af krom-alumel (TXA)
Positiv elektrode: Chromel-legering (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativ elektrode: Alumel-legering (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Isolerende materiale: porcelæn, kvarts, metaloxider osv.
Temperaturområde fra -200 °C til 1300 °C på kort sigt og 1100 °C på lang sigt.
Driftsmiljø: inert, oxiderende (O2=2-3% eller helt elimineret), tørt brint, kortvarigt vakuum. I en reducerende atmosfære eller redoxatmosfære i tilstedeværelse af en beskyttende kappe.
Ulemper: let at deformere, reversibel ustabilitet af termisk EMF.
Mulige tilfælde af korrosion og forsprødning af alumel ved tilstedeværelse af spor af svovl i atmosfæren og chromel i en svagt oxiderende atmosfære ("grønt ler").
Termokobler af krom-kobber (CTC)
Positiv elektrode: chromel-legering (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativ elektrode: Copel-legering (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Temperaturområde -253 °C til 800 °C på lang sigt og 1100 °C på kort sigt.
Driftsmedium: Inert og oxiderende, kortvarigt vakuum.
Ulemper: forvrængning af termoelementet.
Det er muligt, at krom fordamper under længerevarende vakuum; det kan reagere med atmosfæren, der indeholder svovl, krom og fluor.
Jernkonstant termokobbel (PCT)
Positiv elektrode: rent jern (blødt stål).
Negativ elektrode: konstantanlegering (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Anvendes til målinger i reducerende, inert- og vakuummiljøer. Temperaturområde fra -203°C til 750°C på lang sigt og 1100°C på kort sigt.
Anvendelsen er baseret på kombineret måling af positive og negative temperaturer. Ikke egnet til kun negative temperaturer.
Ulemper: deformation af termokoblet, lav korrosionsbestandighed.
Ændring i jernets fysisk-kemiske egenskaber ved 700°C og 900°C. Interagerer med svovl- og vanddamp for at danne korrosion.
Wolfram-rhenium-termokobler (TVR)
Positiv elektrode: legeringer BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 med silica og aluminiumadditiv)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativ elektrode: BP20-legeringer (80 % W, 20 % Rh).
Isolering: Keramisk materiale af kemisk rene metaloxider.
De har bl.a. mekanisk styrke, temperaturbestandighed, lav følsomhed over for forurening og nem fremstilling.
Måler temperaturer fra 1800 °C til 3000 °C, med en nedre grænse på 1300 °C. Måles under inert gas, tørt brint eller vakuum. Kun egnet til målinger i oxiderende miljøer til hurtige processer.
Ulemper: dårlig reproducerbarhed af termisk EMF, dens ustabilitet under bestråling, ustabil følsomhed i temperaturområdet.
Wolfram-molybdæn (TM)-termokobler
Positiv elektrode: wolfram (teknisk rent).
Negativ elektrode: molybdæn (teknisk rent).
Isolering: Alumina-keramik, beskyttet med kvarts-spidser.
Inert, brint eller vakuummiljø. Kortvarige målinger i oxiderende miljøer er mulige i tilstedeværelse af isolering. Det målbare temperaturområde er mellem 1400 og 1800 °C med en maksimal arbejdstemperatur på ca. 2400 °C.
Ulemper: dårlig reproducerbarhed og følsomhed af thermo-EDC, polaritetsinversion, forsprødning ved høje temperaturer.
Termokobler af platin-rhodium-platin (PPT)
Positiv elektrode: Platin-Rh (Pt med 10 % eller 13 % Rh)
Negativ elektrode: platin.
Isolering: Kvarts, porcelæn (normalt og ildfast). Op til 1400 °C - keramik med øget indhold af Al2O3O, over 1400°C - kemisk rent Al2O3.
Maksimal driftstemperatur 1400 °C på lang sigt, 1600 °C på kort sigt. Måling ved lave temperaturer foretages normalt ikke.
Driftsmiljø: oxiderende og inert, reducerende miljø i tilstedeværelse af afskærmning.
Ulemper: høje omkostninger, ustabilitet under bestråling, stor følsomhed over for forurening (især platinelektrode), metalkornvækst ved høje temperaturer.
Platin-rhodium-platin-rhodium-termokobler (PRT)
Positiv elektrode: Pt-legering med 30 % Rh.
Negativ elektrode: Pt-legering med 6 % Rh.
Medier: Oxiderende, neutrale og vakuum. Anvendes i reducerende og dampholdige metalliske eller ikke-metalliske miljøer i tilstedeværelse af afskærmning.
Maksimal arbejdstemperatur: 1600 °C på lang sigt, 1800 °C på kort sigt.
Isolering: Keramisk materiale af Al2O3 Al O-keramik af høj renhed.
Mindre modtagelige over for kemisk forurening og kornvækst end platin-nikkel-termokobler.
Ledningsdiagram for termokobler
- Tilslutning af potentiometer eller galvanometer direkte til lederne.
- Tilslutning ved hjælp af kompensationskabler;
- Tilslutning med konventionelle kobberledninger til et termokobbel med en ensartet udgang.
Farvenormer for termokoblers ledere
Farvet lederisolering hjælper med at skelne termoelementelektroder fra hinanden for at sikre korrekt tilslutning til terminalerne. Standarderne varierer fra land til land, og der findes ingen specifikke farvebetegnelser for lederne.
VIGTIGT: Det er nødvendigt at finde ud af, hvilken standard virksomheden anvender, for at undgå fejl.
Målingens nøjagtighed
Nøjagtigheden afhænger af termokobletypen, det temperaturområde, der skal måles, materialets renhed, elektrisk støj, korrosion, korrosion, forbindelsesegenskaber og fremstillingsprocessen.
Termokobler tildeles en toleranceklasse (standard eller special), som bestemmer målingens konfidensinterval.
VIGTIGT: Egenskaberne på fremstillingstidspunktet ændrer sig under drift.
Målehastighed
Hastigheden bestemmes af den primære transducers evne til at reagere hurtigt på temperaturspring og den efterfølgende strøm af indgangssignaler til måleinstrumentet.
Faktorer, der øger reaktionsevnen:
- Korrekt installation og beregning af længden af den primære transducer;
- Når du bruger en transmitter med en termorør, skal du reducere enhedens masse ved at vælge en mindre termorørdiameter;
- Luftspalten mellem den primære transducer og termorøret skal minimeres;
- Brug af en fjederbelastet primær transducer og fyldning af hulrummene i termorøret med termisk ledende fyldstof;
- Hurtigt bevægende medium eller medium med højere massefylde (væske).
Funktionsprøvning af et termoelement
For at kontrollere driften skal du tilslutte en særlig måleanordning (tester, galvanometer eller potentiometer) eller måle udgangsspændingen med et millivoltmeter. Hvis pilen eller det digitale display svinger, er termoelementet gyldigt, ellers skal enheden udskiftes.
Årsager til fejl ved termokobler:
- Manglende brug af en afskærmningsanordning;
- Ændring af elektrodernes kemiske sammensætning;
- Oxidationsprocesser, der finder sted ved høje temperaturer;
- Fejl i måleinstrumentet osv.
Fordele og ulemper ved at bruge termoelementer
Fordelene ved at bruge denne enhed er bl.a.:
- Stort temperaturmålingsområde;
- Høj nøjagtighed;
- Enkel og pålidelig.
Ulemperne er:
- Konstant overvågning af det kolde punkt, verifikation og kalibrering af kontroludstyret;
- Strukturelle ændringer i metallerne under fremstillingen af apparatet;
- Afhængighed af atmosfærisk sammensætning, forseglingsomkostninger;
- Målefejl som følge af eksponering for elektromagnetiske bølger.
