Termopaar on seade temperatuuride mõõtmiseks kõigis teaduse ja tehnika harudes. See artikkel annab üldise ülevaate termopaaridest koos seadme konstruktsiooni ja tööpõhimõtte jaotusega. Kirjeldatakse termopaaride sorte koos nende lühikarakteristikutega ning antakse hinnang termopaarile kui mõõteseadmele.
Sisu
Termopaari disain
Termopaari tööpõhimõte. Seebecki efekt
Termopaar põhineb termoelektrilisel efektil, mille avastas saksa füüsik Tomas Seebeck 1821. aastal.
Nähtus põhineb elektri tekkimisel suletud elektriahelas, kui see puutub kokku teatud ümbritseva õhu temperatuuriga. Elektrivool tekib siis, kui kahe erineva koostisega (erinevad metallid või sulamid) juhi (termoelektroodi) vahel on temperatuuride erinevus ja seda hoitakse nende kontaktide (ühenduste) paigal hoidmisega. Seade kuvab ühendatud sekundaarse seadme ekraanil mõõdetud temperatuuri väärtuse.
Väljundpinge ja temperatuur on lineaarses seoses. See tähendab, et mõõdetud temperatuuri tõus toob kaasa suurema millivolti väärtuse termopaari vabades otstes.
Temperatuuri mõõtmispunkti ristmikku nimetatakse "kuumaks ristmikuks" ja kohta, kus juhtmed on saatjaga ühendatud, nimetatakse "külmaks ristmiks".
Külma ristmiku temperatuuri kompenseerimine (CJC)
Külmühenduse kompensatsioon (CJC) on parandus, mis tehakse lõppnäidu korrigeerimise vormis temperatuuri mõõtmisel termopaari vabade otste ühenduspunktis. Selle põhjuseks on lahknevused külma ristmiku tegeliku temperatuuri ja külma ristmiku temperatuuri 0 °C juures kalibreerimisgraafiku arvutatud näitude vahel.
CHS on diferentsiaalmeetod, mille puhul absoluutse temperatuuri näit tuletatakse külma ristmiku temperatuuri teadaolevast väärtusest (võrdlusristmiku teine nimi).
Termopaari disain
Termopaari projekteerimisel võetakse arvesse selliste tegurite mõju nagu väliskeskkonna "agressiivsus", aine agregaatolek, mõõdetavate temperatuuride vahemik ja teised.
Termopaari disaini omadused:
1) Juhtpaarid ühendatakse üksteisega keerates või keerdudes edasise kaarkeevitusega (harvem jootmine).
TÄHTIS: Keerdmismeetodit ei soovitata kasutada, kuna ühendusomadused kaovad kiiresti.
2) Termopaari elektroodid peavad olema kogu pikkuses elektriliselt isoleeritud, välja arvatud puutepunkt.
3) Isolatsioonimeetod valitakse, võttes arvesse temperatuuri ülemist piiri.
- Kuni 100-120 ° C - igasugune isolatsioon;
- Kuni 1300°C - portselantorud või helmed;
- Kuni 1950°C - Al2O3;
- Üle 2000°С - torud MgO, BeO, ThO2ThO, ZrO2.
4) Kaitsekate.
Materjal peab olema termiliselt ja keemiliselt vastupidav, hea soojusjuhtivusega (metall, keraamika). Katte kasutamine hoiab ära korrosiooni teatud keskkonnas.
Pikendus (laiendus) juhtmed
Seda tüüpi traati on vaja termopaari otste pikendamiseks sekundaarse seadme või tõkke külge. Juhtmeid ei kasutata, kui termopaaril on sisseehitatud ühtse väljundsignaaliga saatja. Kõige levinum rakendus on standardsesse anduri klemmipeasse paigutatud normaliseeriv andur, millel on ühtne 4-20mA signaal, nn "tahvelarvuti".
Juhtmete materjal võib ühtida termoelektroodide materjaliga, kuid enamasti asendatakse see odavamaga, arvestades parasiitide (indutseeritud) termoelektroodide teket takistavaid tingimusi. Tootmist aitab optimeerida ka pikendusjuhtmete kasutamine.
Näpunäiteid ja nippe! Kompensatsioonijuhtmete polaarsuse ja nende termopaariga ühendamise õigeks määramiseks pidage meeles MM-i mnemoonikareeglit - miinus on magnetiline. See tähendab, et võtke suvaline magnet ja kompensatsiooni miinus on erinevalt plussist magnetiline.
Termopaaride tüübid ja liigid
Termopaaride mitmekesisus tuleneb kasutatud metallisulamite erinevatest kombinatsioonidest. Termopaari valikul lähtutakse tööstusest ja nõutavast temperatuurivahemikust.
Chromel-alumel termopaar (TXA)
Positiivne elektrood: kroomi sulam (90% Ni, 10% Cr).
Negatiivne elektrood: alumelli sulam (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Isolatsioonimaterjal: portselan, kvarts, metallioksiidid jne.
Temperatuurivahemik -200 ° C kuni 1300 ° C lühiajaline ja 1100 ° C pikaajaline kuumutamine.
Töökeskkond: inertne, oksüdeeriv (O2=2-3% või täielikult välistatud), kuiv vesinik, lühiajaline vaakum. Redutseerivas või redoksatmosfääris kaitsekesta juuresolekul.
Puudused: kergesti deformeeruv, termilise EMF-i pöörduv ebastabiilsus.
Võimalikud korrosiooni- ja murenemisjuhtumid alumeli väävli jälgede olemasolul atmosfääris ja kroomi nõrgalt oksüdeerivas atmosfääris ("roheline savi").
Chromel-vask termopaar (TCC)
Positiivne elektrood: kroomi sulam (90% Ni, 10% Cr).
Negatiivne elektrood: copeli sulam (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperatuurivahemik -253°C kuni 800°C pikaajaline ja 1100°C lühiajaline kuumutamine.
Töökeskkond: inertne ja oksüdeeriv, lühiajaline vaakum.
Puudused: termopaari deformatsioon.
Võib-olla kroomi aurustamine pikas vaakumis; reaktsioon väävlit, kroomi, fluori sisaldava atmosfääriga.
Konstantse raua termopaar (PCT).
Positiivne elektrood: tehniliselt puhas raud (mahe teras).
Negatiivne elektrood: konstantne sulam (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Kasutatakse mõõtmiseks redutseerivas, inertses keskkonnas ja vaakumis. Temperatuurid -203 ° C kuni 750 ° C pikk ja 1100 ° C lühiajaline kuumutamine.
Rakendus on kokku pandud positiivsete ja negatiivsete temperatuuride ühisel mõõtmisel. Seda ei ole kasulik kasutada ainult negatiivsete temperatuuride korral.
Puudused: termopaari deformatsioon, madal korrosioonikindlus.
Raua füüsikaliste ja keemiliste omaduste muutumine umbes 700 °С ja 900 °С. Interakteerub väävli ja veeauruga, tekitades korrosiooni.
Volfram-reenium termopaar (TVR)
Positiivne elektrood: sulamid BP5 (95% W, 5% Rh) / BP5 (BP5 ränidioksiidi ja alumiiniumi lisandiga) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Negatiivne elektrood: sulamid BP20 (80% W, 20% Rh).
Isolatsioon: keemiliselt puhaste metalloksiidide keraamika.
Funktsioonide hulka kuuluvad mehaaniline tugevus, temperatuurikindlus, madal saastetundlikkus ja valmistamise lihtsus.
Temperatuuride mõõtmine 1800 ° C kuni 3000 ° C, alumine piir - 1300 ° C. Mõõtmised tehakse inertgaasi, kuiva vesiniku või vaakumkeskkonnas. Oksüdeerivas keskkonnas ainult mõõtmiseks kiiresti voolavates protsessides.
Puudused: termilise EMF-i halb reprodutseeritavus, selle ebastabiilsus kiiritamise ajal, ebastabiilne tundlikkus temperatuurivahemikus.
Volfram-molübdeen (TM) termopaar
Positiivne elektrood: volfram (tehniliselt puhas).
Negatiivne elektrood: molübdeen (tehniliselt puhas).
Isolatsioon: alumiiniumoksiidkeraamika, kaitse kvartsotsikutega.
Inertne, vesinik või vaakumkeskkond. Lühiajalised mõõtmised oksüdeerivates keskkondades võimalikud isolatsiooni olemasolul. Mõõdetud temperatuuride vahemik on 1400-1800 ° C, töötemperatuuri piirväärtus on umbes 2400 ° C.
Puudused: termo-EDC halb reprodutseeritavus ja tundlikkus, polaarsuse inversioon, rabestumine kõrgel temperatuuril.
Plaatina-roodium-plaatina termopaarid (TPP)
Positiivne elektrood: plaatina-roodium (Pt 10% või 13% suhtega).
Negatiivne elektrood: plaatina.
Isolatsioon: kvarts, portselan (tavaline ja tulekindel). Kuni 1400 °С - suure Al-sisaldusega keraamika2O3O, üle 1400 °С – keemiliselt puhas Al2O3.
Maksimaalne töötemperatuur 1400 ° C pikka aega, 1600 ° C lühikest aega. Madalatel temperatuuridel mõõtmisi tavaliselt ei teostata.
Töökeskkond: oksüdeeriv ja inertne, redutseeriv keskkond kaitse juuresolekul.
Puudused: kõrge hind, ebastabiilsus kiiritamisel, kõrge tundlikkus saaste suhtes (eriti plaatina elektrood), metalliterade kasv kõrgel temperatuuril.
Plaatina-roodium-plaatina-roodium termopaarid (PRT)
Positiivne elektrood: Pt sulam 30% suhtega.
Negatiivne elektrood: Pt sulam 6% suhtega.
Keskmine: oksüdeeriv, neutraalne ja vaakum. Kasutamine redutseerivates ja metalli- või mittemetalliauru sisaldavates keskkondades kaitse olemasolul.
Maksimaalne töötemperatuur: pikaajaline 1600°C, lühiajaline 1800°C.
Isolatsioon: Al-keraamika2O3 kõrge puhtusastmega.
Vähem vastuvõtlik keemilisele saastumisele ja terade kasvule kui plaatina-roodiumi termopaar.
Termopaari ühendusskeem
- Potentsiomeetri või galvanomeetri ühendamine otse juhtmetega.
- Ühendus kompensatsioonijuhtmetega;
- Ühendus tavaliste vaskjuhtmetega ühtse väljundiga termopaariga.
Termopaari juhtmete värvistandardid
Värvikoodiga juhtmeisolatsioon aitab termopaari elektroode üksteisest eristada, et klemmidega korralikult ühendada. Standardid on riigiti erinevad; juhtide jaoks puuduvad konkreetsed värvitähised.
TÄHTIS: Vigade vältimiseks on vaja välja selgitada tehases kasutatav standard.
Mõõtmise täpsus
Täpsus sõltub termopaari tüübist, mõõdetud temperatuurivahemikust, materjali puhtusest, elektrilisest mürast, korrosioonist, ristmiku omadustest ja tootmisprotsessist.
Termopaaridele on määratud tolerantsiklass (standardne või spetsiaalne), mis määrab kindlaks mõõtmise usaldusvahemiku.
TÄHTIS: Tootmisaegsed omadused muutuvad töötamise ajal.
Mõõtmiskiirus
Reageerimisvõime määrab primaarmuunduri võime kiiresti reageerida temperatuurihüpetele ja sellele järgnevale mõõtevahendi sisendsignaalide voogudele.
Reageerimisvõimet suurendavad tegurid:
- Primaarmuunduri õige paigaldamine ja pikkuse arvutamine;
- Kaitsesüvendiga saatja kasutamisel vähenda koostu massi, valides kaitsekilbi väiksema läbimõõdu;
- Minimeerige õhupilu primaarmuunduri ja termosüvendi vahel;
- Kasutades vedruga primaarset andurit ja täites termosüvendis olevad õõnsused soojust juhtiva täiteainega;
- Kiiresti liikuv kandja või suurema tihedusega kandja (vedelik).
Termopaari jõudluse kontrollimine
Töötamise kontrollimiseks ühendage spetsiaalne mõõteseade (tester, galvanomeeter või potentsiomeeter) või mõõtke väljundpinget millivoltmeetriga. Kui nool või digitaalne indikaator kõigub, on termopaar hea, vastasel juhul tuleb seade välja vahetada.
Termopaari rikke põhjused:
- kaitsva varjestusseadme mittekasutamine;
- Elektroodide keemilise koostise muutmine;
- Kõrgetel temperatuuridel toimuvad oksüdatiivsed protsessid;
- Mõõteriista purunemine jne.
Termopaaride kasutamise eelised ja puudused
Selle seadme kasutamise eeliseid võib nimetada:
- Suur mõõtmistemperatuuri vahemik;
- Kõrge täpsus;
- Lihtsus ja usaldusväärsus.
Puudused peaksid hõlmama järgmist:
- Külma ristmiku pideva juhtimise rakendamine, juhtimisseadmete taatlemine ja kalibreerimine;
- metallide struktuurimuutused seadme valmistamisel;
- Sõltuvus atmosfääri koostisest, tihenduskulud;
- Mõõtmisviga kokkupuutest elektromagnetlainetega.
