Mikä on termopari? Toimintaperiaate, perustyypit ja tyypit.

Termopari on laite, jolla mitataan lämpötiloja kaikilla tieteen ja tekniikan aloilla. Tässä artikkelissa annetaan yleiskatsaus termopareihin ja eritellään niiden rakenne ja toimintaperiaate. Lämpöparien lajit ja niiden lyhyet ominaisuudet kuvataan, ja lämpöparin arviointi mittauslaitteena esitetään.

Termoparin suunnittelu

Termoparin toimintaperiaate. Seebeckin vaikutus

Lämpöparin perustana on saksalaisen fyysikon Tomas Seebeckin vuonna 1821 löytämä lämpösähköinen vaikutus.

Ilmiö perustuu sähkön syntymiseen suljetussa sähköpiirissä, kun se altistuu tietylle ympäristön lämpötilalle. Sähkövirta syntyy, kun kahden koostumukseltaan erilaisen johtimen (lämpöparin) (erilaisten metallien tai seosten) välillä on lämpötilaero, joka säilyy niiden kosketuspisteissä (liitoskohdissa). Laite näyttää mitatun lämpötila-arvon liitetyn toissijaisen laitteen näytöllä.

Lähtöjännite ja lämpötila ovat lineaarisessa suhteessa. Tämä tarkoittaa, että mitatun lämpötilan nousu johtaa suurempaan millivolttiarvoon termoparin vapaissa päissä.

Lämpötilan mittauspisteen liitoskohtaa kutsutaan "kuumaksi liitoskohdaksi" ja johtojen liittämistä lähettimeen kutsutaan "kylmäksi liitoskohdaksi".

Kylmän liitoskohdan lämpötilan kompensointi (CJC)

Kylmän liitoskohdan kompensointi (CJC) on korjaus, joka tehdään korjauksena lopulliseen lukemaan mitattaessa lämpötilaa termoparin vapaiden päiden liitoskohdassa. Tämä johtuu todellisen kylmän liitoskohdan lämpötilan ja kalibrointitaulukosta laskettujen lukemien välisestä erosta kylmän liitoskohdan lämpötilan osalta 0 °C:ssa.

CHS on differentiaalinen menetelmä, jossa absoluuttinen lämpötilalukema johdetaan kylmän liitoskohdan lämpötilan tunnetusta arvosta (joka tunnetaan myös nimellä vertailuliitoskohta).

Lämpöparin suunnittelu

Lämpöparin suunnittelussa otetaan huomioon sellaisten tekijöiden vaikutus kuin ulkoisen ympäristön "aggressiivisuus", aineen aggregaattitila, mitattavien lämpötilojen alue ja muut.

Lämpöparin suunnittelun ominaisuudet:

1) Johdinparit liitetään toisiinsa kiertämällä tai säikeistämällä ja edelleen sähkökaarihitsaamalla (harvoin juottamalla).

TÄRKEÄÄ: Kierrettyä menetelmää ei suositella, koska liitosominaisuudet heikkenevät nopeasti.

2) Termoelementin elektrodien on oltava sähköisesti eristettyjä koko pituudeltaan, lukuun ottamatta kosketuskohtaa.

3) Eristysmenetelmä valitaan ylemmän lämpötilarajan mukaan.

• 100-120 °C:seen asti - mikä tahansa eristys;
• Jopa 1300 °C - posliiniputket tai -helmiä;
• Jopa 1950°C - Al₂O₃;
• Yli 2000 °C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Suojakansi.

Materiaalin on oltava lämpöä ja kemikaaleja kestävää ja sen lämmönjohtavuuden on oltava hyvä (metalli, keramiikka). Vaipan käyttö estää korroosiota tietyissä väliaineissa.

Jatkokaapelit (kompensointikaapelit)

Tämäntyyppistä johtoa tarvitaan termoparin päiden jatkamiseen toissijaiseen laitteeseen tai esteeseen. Johtoja ei käytetä, jos termoparissa on sisäänrakennettu lähetin, jossa on yhtenäinen lähtösignaali. Yleisin sovellus on vakiolähetin, joka on sijoitettu 4-20 mA:n yhtenäissignaalin anturipäätteeseen, niin sanottuun "tablettiin".

Johdinmateriaali voi olla sama kuin termoparin materiaali, mutta useimmiten se korvataan halvemmalla materiaalilla ottaen huomioon olosuhteet, joissa estetään loismaisten (indusoitujen) lämpö-ED:ien muodostuminen. Jatkojohtojen käyttö voi myös auttaa optimoimaan tuotantoa.

Sinun vinkkisi! Jos haluat määrittää oikein kompensointijohtojen napaisuuden ja niiden kytkennän termopariin, muista MM-muistisääntö - miinus on magneettinen. Toisin sanoen, ota mikä tahansa magneetti, ja kompensaation miinus on magneettinen, toisin kuin plussa.

Termoparien tyypit ja lajit

Lämpöparien monimuotoisuus johtuu käytettyjen metalliseosten erilaisista yhdistelmistä. Lämpöparin valinta perustuu toimialaan ja haluttuun lämpötila-alueeseen.

Kromi-alumel-lämpöelementti (TXA)

Positiivinen elektrodi: kromiseos (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatiivinen elektrodi: Alumel-seos (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Eristysmateriaali: posliini, kvartsi, metallioksidit jne.

Lämpötila-alue -200 °C:sta 1300 °C:seen lyhytaikaisesti ja 1100 °C:seen pitkäaikaisesti.

Toimintaympäristö: inertti, hapettava (O₂=2-3 % tai kokonaan poistettu), kuiva vety, lyhytaikainen tyhjiö. Pelkistävässä tai redox-ilmakehässä suojavaipan läsnä ollessa.

Haitat: helppo muodonmuutos, lämpö-EMF:n palautuva epävakaus.

Alumiinin mahdollinen korroosio ja haurastuminen, jos ilmakehässä on pieniä määriä rikkiä, ja kromelin mahdollinen korroosio ja haurastuminen heikosti hapettavassa ilmakehässä ("vihreä savi").

Kromi-kupari termopari (CTC)

Positiivinen elektrodi: kromiseos (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatiivinen elektrodi: Copel-seos (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Lämpötila-alue -253°C - 800°C pitkäaikaisesti ja 1100°C lyhytaikaisesti.

Toimintaympäristö: inertti ja hapettava, lyhytaikainen tyhjiö.

Haitat: lämpöparin vääntyminen.

On mahdollista, että kromi haihtuu pitkäaikaisessa tyhjiössä; se voi reagoida rikkiä, kromia ja fluoria sisältävän ilmakehän kanssa.

Rautakantainen termopari (PCT)

Positiivinen elektrodi: puhdas rauta (mieto teräs).
Negatiivinen elektrodi: constantan-seos (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).

Käytetään mittauksiin pelkistävissä, inertisoivissa ja tyhjiöympäristöissä. Lämpötila-alue -203 °C:sta 750 °C:seen pitkällä aikavälillä ja 1100 °C:seen lyhyellä aikavälillä.

Sovellus perustuu positiivisten ja negatiivisten lämpötilojen yhdistettyyn mittaukseen. Ei sovellu vain negatiivisiin lämpötiloihin.

Haitat: lämpöparin muodonmuutos, heikko korroosionkestävyys.

Raudan fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien muutos 700 °C:n ja 900 °C:n lämpötiloissa. Vuorovaikuttaa rikin ja vesihöyryjen kanssa muodostaen korroosiota.

Volframi-renium-lämpöelementti (TVR)

Positiivinen elektrodi: seokset BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 piidioksidin ja alumiinilisäaineen kanssa)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negatiivinen elektrodi: BP20-seokset (80 % W, 20 % Rh).

Eristys: Kemiallisesti puhtaista metallioksideista valmistettu keramiikka.

Ominaisuuksiin kuuluvat mekaaninen lujuus, lämmönkestävyys, alhainen herkkyys likaantumiselle ja helppo valmistettavuus.

Mittaa lämpötiloja 1800 °C:sta 3000 °C:een, alaraja on 1300 °C. Mitataan inertissä kaasussa, kuivassa vedyssä tai tyhjiössä. Soveltuu vain mittauksiin hapettavissa ympäristöissä nopeissa prosesseissa.

Haitat: lämpö-EMF:n huono toistettavuus, sen epävakaus säteilytyksen aikana, epävakaa herkkyys lämpötila-alueella.

Volframi-molybdeeni (TM) termopari

Positiivinen elektrodi: volframi (teknisesti puhdas).
Negatiivinen elektrodi: molybdeeni (teknisesti puhdas).

Eristys: Alumiinikeraaminen, suojattu kvartsikärjillä.

Inertti, vety- tai tyhjiöympäristö. Lyhytaikaiset mittaukset hapettavissa ympäristöissä mahdollisia eristyksen läsnä ollessa. Mitattavissa oleva lämpötila-alue on 1400-1800 °C, ja rajalämpötila on noin 2400 °C.

Haitat: termo-EDC:n huono toistettavuus ja herkkyys, polariteetin kääntyminen, haurastuminen korkeissa lämpötiloissa.

Platina-rodium-platina-lämpöparit (PPT)

Positiivinen elektrodi: platina-Rh (Pt, jossa on 10 tai 13 % Rh).
Negatiivinen elektrodi: platina.

Eristys: Kvartsi, posliini (normaali ja tulenkestävä). Jopa 1400 °C:seen asti - keramiikka, jossa on kohonnut Al₂O₃O, yli 1400 °C - kemiallisesti puhdas Al₂O₃.

Enimmäiskäyttölämpötila 1400 °C pitkäaikaisesti, 1600 °C lyhytaikaisesti. Mittauksia alhaisissa lämpötiloissa ei yleensä tehdä.

Toimintaympäristö: hapettava ja inertti, pelkistävä ympäristö suojauksen läsnä ollessa.

Haitat: korkeat kustannukset, epävakaus säteilytyksessä, suuri herkkyys kontaminaatiolle (erityisesti platinaelektrodi), metallirakeiden kasvu korkeissa lämpötiloissa.

Platina-Rodium-Platina-Rodium-lämpöparit (PRT)

Positiivinen elektrodi: Pt-seos, jossa on 30 % Rh.
Negatiivinen elektrodi: Pt-seos, jossa on 6 % Rh.

Välineet: hapettavat, neutraalit ja tyhjiö. Käytetään pelkistävissä ja höyryä sisältävissä metallisissa tai ei-metallisissa ympäristöissä suojauksen läsnä ollessa.

Suurin käyttölämpötila: 1600 °C pitkäaikainen, 1800 °C lyhytaikainen.

Eristys: Al-keramiikka₂O₃ Erittäin puhdas Al O-keraaminen.

Vähemmän altis kemialliselle saastumiselle ja rakeiden kasvulle kuin platina-nikkeli termopari.

Termoelementin kytkentäkaavio

• Potentiometrin tai galvanometrin liittäminen suoraan johtimiin.
• Kytkentä korvausjohtojen avulla;
• Kytkentä tavanomaisilla kuparijohdoilla termopariin, jolla on yhtenäinen ulostulo.

Lämpöparin johtimien väristandardit

Värillinen johtimen eristys auttaa erottamaan termoelementin elektrodit toisistaan, jotta ne voidaan liittää oikein liittimiin. Standardit vaihtelevat maittain, eikä johtimille ole olemassa erityisiä värimerkintöjä.

TÄRKEÄÄ: Virheiden välttämiseksi on tarpeen selvittää yrityksen käyttämä standardi.

Mittaustarkkuus

Tarkkuus riippuu termoparin tyypistä, mitattavasta lämpötila-alueesta, materiaalin puhtaudesta, sähköisestä kohinasta, korroosiosta, liitosominaisuuksista ja valmistusprosessista.

Termopareille määritetään toleranssiluokka (vakio- tai erikoisluokka), joka määrittää mittauksen luottamusvälin.

TÄRKEÄÄ: Valmistushetken ominaisuudet muuttuvat käytön aikana.

Mittausnopeus

Nopeus määräytyy sen mukaan, miten nopeasti ensisijainen anturi pystyy reagoimaan lämpötilan vaihteluihin ja sitä seuraavaan syöttösignaalien virtaukseen mittauslaitteeseen.

Reagointikykyä lisäävät tekijät:

1. Ensisijaisen anturin oikea asennus ja pituuden laskeminen;
2. Kun käytät lämpökaivolla varustettua lähetintä, vähennä laitteen massaa valitsemalla pienempi lämpökaivon halkaisija;
3. Minimoi ilmarako ensisijaisen anturin ja lämpökuilun välillä;
4. Käyttämällä jousikuormitettua primäärianturia ja täyttämällä lämpökuilun ontelot lämpöä johtavalla täyteaineella;
5. Nopeasti liikkuva väliaine tai väliaine, jonka tiheys on suurempi (neste).

Lämpöparin toimintatesti

Varmista toiminta liittämällä erityinen mittauslaite (testeri, galvanometri tai potentiometri) tai mittaamalla ulostulojännite millivoltti-mittarilla. Jos nuoli tai digitaalinäyttö vaihtelee, termopari on kunnossa, muuten laite on vaihdettava.

Termoparin vikaantumisen syyt:

1. Suojakilven käytön laiminlyönti;
2. Elektrodien kemiallisen koostumuksen muuttuminen;
3. Korkeissa lämpötiloissa tapahtuvat hapettumisprosessit;
4. Mittauslaitteen vikaantuminen jne.

Termoparien käytön edut ja haitat

Tämän laitteen käytön etuja ovat:

• Suuri lämpötilan mittausalue;
• Korkea tarkkuus;
• Yksinkertainen ja luotettava.

Haitat ovat:

• Kylmän liitoskohdan jatkuva seuranta, ohjauslaitteiden tarkastus ja kalibrointi;
• Metallien rakenteelliset muutokset laitteen valmistuksen aikana;
• Riippuvuus ilmakehän koostumuksesta, tiivistämiskustannukset;
• Sähkömagneettisille aalloille altistumisesta johtuvat mittausvirheet.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: