Das Thermoelement ist ein Gerät zur Messung von Temperaturen in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über Thermoelemente mit einer Aufschlüsselung ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise. Es werden verschiedene Arten von Thermoelementen mit ihren Kurzcharakteristiken beschrieben, und es wird eine Bewertung des Thermoelementes als Messgerät gegeben.
Inhalt
Aufbau eines Thermoelementes
Das Funktionsprinzip eines Thermoelementes. Seebeck-Effekt
Das Thermoelement basiert auf dem thermoelektrischen Effekt, der 1821 von dem deutschen Physiker Tomas Seebeck entdeckt wurde.
Das Phänomen beruht auf dem Auftreten von Elektrizität in einem geschlossenen Stromkreis, wenn dieser einer bestimmten Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Elektrischer Strom entsteht, wenn zwischen zwei Leitern (Thermoelementen) unterschiedlicher Zusammensetzung (ungleiche Metalle oder Legierungen) ein Temperaturunterschied besteht, der durch die Aufrechterhaltung ihrer Kontaktpunkte (Verbindungsstellen) aufrechterhalten wird. Das Gerät zeigt die zu messende Temperatur auf dem Bildschirm des angeschlossenen Zweitgerätes an.
Die Ausgangsspannung und die Temperatur stehen in einem linearen Verhältnis. Das bedeutet, dass ein Anstieg der gemessenen Temperatur zu einem höheren Millivolt-Wert an den freien Enden des Thermoelementes führt.
Die Verbindungsstelle an der Temperaturmessstelle wird als "heiße Stelle" und der Anschluss der Drähte an den Messwertgeber als "kalte Stelle" bezeichnet.
Kaltstellentemperaturkompensation (CJC)
Die Vergleichsstellenkompensation (CJC) ist eine Korrektur des endgültigen Messwerts bei der Messung der Temperatur an der Verbindungsstelle der freien Enden des Thermoelements. Dies ist auf die Diskrepanz zwischen der tatsächlichen Vergleichsstellentemperatur und den berechneten Werten aus der Kalibriertabelle für die Vergleichsstellentemperatur bei 0°C zurückzuführen.
Die CHS-Methode ist ein Differenzverfahren, bei dem der absolute Temperaturmesswert aus dem bekannten Wert der Vergleichsstellentemperatur (auch als Vergleichsstelle bezeichnet) abgeleitet wird.
Konstruktion des Thermoelementes
Bei der Konstruktion eines Thermoelementes werden Faktoren wie die Aggressivität der äußeren Umgebung, der Aggregatzustand des Stoffes, der zu messende Temperaturbereich und andere berücksichtigt.
Merkmale der Thermoelementkonstruktion:
1) Die Leiterpaare werden durch Verdrillung oder Verseilung mit anschließendem Lichtbogenschweißen (selten Löten) miteinander verbunden.
WICHTIG! Die Verdrillungsmethode wird wegen des schnellen Verlusts der Verbindungseigenschaften nicht empfohlen.
2) Die Thermoelektroden müssen auf ihrer gesamten Länge, außer an der Kontaktstelle, elektrisch isoliert sein.
3) Die Art der Isolierung wird in Abhängigkeit von der oberen Temperaturgrenze gewählt.
- Bis zu 100-120°C - jede Isolierung;
- Bis zu 1300°C - Porzellanrohre oder -perlen;
- Bis zu 1950°C - Al2O3;
- Über 2000°C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Schutzhülle.
Das Material muss thermisch und chemisch beständig sein und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen (Metall, Keramik). Die Verwendung der Ummantelung verhindert Korrosion in bestimmten Medien.
Verlängerungsleitungen (Ausgleichsleitungen)
Diese Art von Draht wird benötigt, um die Enden des Thermoelementes zu einem sekundären Gerät oder einer Barriere zu verlängern. Die Drähte werden nicht verwendet, wenn das Thermoelement über einen eingebauten Messumformer mit einem einheitlichen Ausgangssignal verfügt. Die häufigste Anwendung ist ein Standardtransmitter, der in einem 4-20mA-Einheitssignal-Sensorkopf untergebracht ist, dem so genannten "Tablet".
Das Drahtmaterial kann dasselbe sein wie das des Thermoelements, wird aber meistens durch ein billigeres ersetzt, wobei die Bedingungen berücksichtigt werden, die die Bildung von parasitären (induzierten) Thermo-EDs verhindern. Die Verwendung von Verlängerungsdrähten kann ebenfalls zur Optimierung der Produktion beitragen.
Ihre Tipps! Um die Polarität der Ausgleichsdrähte und deren Anschluss an das Thermoelement richtig zu bestimmen, denken Sie an die mnemonische Regel MM - Minus ist magnetisch. Das heißt, wenn man einen beliebigen Magneten nimmt, ist das Minus der Kompensation magnetisch, im Gegensatz zum Plus.
Typen und Arten von Thermoelementen
Die Vielfalt der Thermoelemente ergibt sich aus den unterschiedlichen Kombinationen der verwendeten Metalllegierungen. Die Wahl des Thermoelementes richtet sich nach der Branche und dem gewünschten Temperaturbereich.
Chrom-Alumel-Thermoelement (TXA)
Positive Elektrode: Chromel-Legierung (90% Ni, 10% Cr).
Negative Elektrode: Alumel-Legierung (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Isoliermaterial: Porzellan, Quarz, Metalloxide usw.
Temperaturbereich von -200°C bis 1300°C kurzfristig und 1100°C langfristig.
Betriebsumgebung: inert, oxidierend (O2=2-3% oder vollständig eliminiert), trockener Wasserstoff, kurzzeitiges Vakuum. In einer reduzierenden oder redoxen Atmosphäre in Gegenwart einer Schutzhülle.
Nachteile: leichte Verformbarkeit, reversible Instabilität der thermischen EMK.
Mögliche Fälle von Korrosion und Versprödung von Alumel in Gegenwart von Schwefelspuren in der Atmosphäre und von Chromel in einer schwach oxidierenden Atmosphäre ("grüner Ton").
Chrom-Kupfer-Thermoelement (CTC)
Positive Elektrode: Chromel-Legierung (90% Ni, 10% Cr).
Negative Elektrode: Copel-Legierung (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperaturbereich -253°C bis 800°C Langzeit und 1100°C Kurzzeit.
Betriebsmedium: Inert und oxidierend, kurzzeitiges Vakuum.
Nachteile: Verformung des Thermoelementes.
Es ist möglich, Chrom bei längerem Vakuum zu verdampfen; Reaktion mit schwefel-, chrom- und fluorhaltiger Atmosphäre.
Eisen-Konstantan-Thermoelement (PCT)
Positive Elektrode: reines Eisen (Baustahl).
Negative Elektrode: Konstantanlegierung (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Für Messungen in reduzierenden, inertisierenden und Vakuum-Umgebungen. Temperaturbereich von -203°C bis 750°C Langzeit und 1100°C Kurzzeit.
Die Anwendung basiert auf der kombinierten Messung von positiven und negativen Temperaturen. Nicht nur für negative Temperaturen geeignet.
Nachteile: Verformung des Thermoelementes, geringe Korrosionsbeständigkeit.
Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Eisen bei 700°C und 900°C. Geht mit Schwefel- und Wasserdämpfen eine Wechselwirkung ein und bildet Korrosion.
Wolfram-Rhenium-Thermoelement (TVR)
Positive Elektrode: Legierungen BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 mit Siliziumdioxid und Aluminiumzusatz)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Negative Elektrode: BP20-Legierungen (80% W, 20% Rh).
Isolierung: Keramiken aus chemisch reinen Metalloxiden.
Zu den Merkmalen gehören mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, geringe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen und einfache Verarbeitung.
Misst Temperaturen von 1800°C bis 3000°C, wobei die untere Grenze bei 1300°C liegt. Gemessen unter Inertgas, trockenem Wasserstoff oder Vakuumbedingungen. Nur für Messungen in oxidierenden Umgebungen für schnelle Prozesse geeignet.
Nachteile: schlechte Reproduzierbarkeit des thermischen EMF, seine Instabilität während der Bestrahlung, instabile Empfindlichkeit im Temperaturbereich.
Wolfram-Molybdän (TM) Thermoelement
Positive Elektrode: Wolfram (technisch rein).
Negative Elektrode: Molybdän (technisch rein).
Isolierung: Aluminiumoxid-Keramik, mit Quarzspitzen geschützt.
Inerte, Wasserstoff- oder Vakuumumgebung. Kurzzeitige Messungen in oxidierender Umgebung möglich, wenn eine Isolierung vorhanden ist. Der messbare Temperaturbereich liegt zwischen 1400 und 1800°C, mit einer maximalen Arbeitstemperatur von ca. 2400°C.
Nachteile: schlechte Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit der Thermo-EDC, Polaritätsumkehr, Versprödung bei hohen Temperaturen.
Platin-Rhodium-Platin-Thermoelemente (PPT)
Positive Elektrode: Platin-Rh (Pt mit 10% oder 13% Rh)
Negative Elektrode: Platin.
Isolierung: Quarz, Porzellan (normal und feuerfest). Bis 1400°C - Keramiken mit erhöhtem Al-Gehalt2O3O, über 1400°C - chemisch reines Al2O3.
Maximale Betriebstemperatur 1400°C langfristig, 1600°C kurzfristig. Messungen bei niedrigen Temperaturen werden normalerweise nicht durchgeführt.
Betriebsumgebung: oxidierende und inerte, reduzierende Umgebung in Anwesenheit einer Abschirmung.
Nachteile: hohe Kosten, Instabilität bei Bestrahlung, hohe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen (insbesondere Platinelektrode), Metallkornwachstum bei hohen Temperaturen.
Platin-Rhodium-Platin-Rhodium-Thermoelemente (PRT)
Positive Elektrode: Pt-Legierung mit 30% Rh.
Negative Elektrode: Pt-Legierung mit 6% Rh.
Medien: Oxidierend, neutral und Vakuum. Verwendung in reduzierenden und dampfhaltigen metallischen oder nichtmetallischen Umgebungen in Gegenwart einer Abschirmung.
Maximale Arbeitstemperatur: 1600°C langfristig, 1800°C kurzfristig.
Isolierung: Keramik aus Al2O3 Hochreine Al O Keramik.
Weniger anfällig für chemische Verunreinigungen und Kornwachstum als Platin-Nickel-Thermoelemente.
Schaltplan für Thermoelement
- Anschluss von Potentiometern oder Galvanometern direkt an Leiter.
- Anschluss mittels Kompensationsdrähten;
- Anschluss mit herkömmlichen Kupferdrähten an ein Thermoelement mit einheitlichem Ausgang.
Farbstandards für Thermoelementleiter
Die farbige Leiterisolierung hilft, die Thermoelemente voneinander zu unterscheiden, um sie korrekt an die Klemmen anzuschließen. Die Normen sind von Land zu Land unterschiedlich, es gibt keine spezifischen Farbbezeichnungen für die Leiter.
WICHTIG! Um Fehler zu vermeiden, ist es notwendig, den vom Unternehmen verwendeten Standard herauszufinden.
Genauigkeit der Messung
Die Genauigkeit hängt von der Art des Thermoelementes, dem zu messenden Temperaturbereich, der Reinheit des Materials, dem elektrischen Rauschen, der Korrosion, den Eigenschaften der Verbindungsstelle und dem Herstellungsverfahren ab.
Thermoelementen wird eine Toleranzklasse (Standard oder Spezial) zugeordnet, die den Vertrauensbereich der Messung bestimmt.
WICHTIG! Die Eigenschaften zum Zeitpunkt der Herstellung ändern sich während des Betriebs.
Geschwindigkeit der Messung
Die Geschwindigkeit wird durch die Fähigkeit des primären Messwertaufnehmers bestimmt, schnell auf Temperatursprünge und den darauf folgenden Fluss von Eingangssignalen an das Messgerät zu reagieren.
Faktoren, die die Reaktionsfähigkeit erhöhen:
- Korrekte Installation und Berechnung der Länge des primären Messwertgebers;
- Wenn Sie einen Messwertgeber mit Schutzrohr verwenden, reduzieren Sie die Masse des Geräts, indem Sie einen kleineren Schutzrohrdurchmesser wählen;
- Minimieren Sie den Luftspalt zwischen dem primären Messwertaufnehmer und dem Schutzrohr;
- Verwendung eines federbelasteten primären Messwertgebers und Füllen der Hohlräume im Schutzrohr mit wärmeleitendem Füllmaterial;
- Schnell fließendes Medium oder Medium mit höherer Dichte (Flüssigkeit).
Funktionsprüfung eines Thermoelementes
Um den Betrieb zu überprüfen, schließen Sie ein spezielles Messgerät (Tester, Galvanometer oder Potentiometer) an oder messen Sie die Ausgangsspannung mit einem Millivoltmeter. Wenn der Pfeil oder die Digitalanzeige schwankt, ist das Thermoelement gültig, andernfalls muss das Gerät ausgetauscht werden.
Ursachen für den Ausfall eines Thermoelementes:
- Nichtverwendung einer abschirmenden Vorrichtung;
- Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Elektroden;
- Oxidationsprozesse, die bei hohen Temperaturen stattfinden;
- Ausfall des Messgeräts usw.
Vor- und Nachteile der Verwendung von Thermoelementen
Die Vorteile der Verwendung dieses Geräts sind
- Großer Temperaturmessbereich;
- Hohe Genauigkeit;
- Einfach und zuverlässig.
Die Nachteile sind:
- Ständige Überwachung der Vergleichsstelle, Überprüfung und Kalibrierung der Kontrollgeräte;
- Strukturelle Veränderungen der Metalle während der Herstellung des Geräts;
- Abhängigkeit von der atmosphärischen Zusammensetzung, Versiegelungskosten;
- Messfehler aufgrund der Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen.
