Apa itu termokopel, prinsip operasi, tipe dan tipe dasar

Termokopel adalah alat untuk mengukur suhu di semua cabang ilmu pengetahuan dan teknologi. Artikel ini memberikan gambaran umum termokopel dengan rincian desain dan prinsip pengoperasian perangkat. Varietas termokopel dengan karakteristik singkatnya dijelaskan, dan evaluasi termokopel sebagai alat pengukur diberikan.

Desain Termokopel

Prinsip operasi termokopel. Efek Seebeck

Termokopel didasarkan pada efek termoelektrik yang ditemukan oleh fisikawan Jerman Tomas Seebeck pada tahun 1821.

Fenomena tersebut didasarkan pada munculnya listrik di sirkuit listrik tertutup ketika terkena suhu lingkungan tertentu. Arus listrik dihasilkan ketika ada perbedaan suhu antara dua konduktor (termoelektroda) dari komposisi yang berbeda (logam atau paduan yang berbeda) dan dipertahankan dengan menjaga kontak mereka (persimpangan) pada tempatnya. Perangkat menampilkan nilai suhu terukur pada layar perangkat sekunder yang terhubung.

Tegangan keluaran dan suhu berada dalam hubungan linier. Ini berarti bahwa peningkatan suhu yang diukur menghasilkan nilai milivolt yang lebih tinggi di ujung bebas termokopel.

Persimpangan pada titik pengukuran suhu disebut "persimpangan panas" dan titik di mana kabel terhubung ke pemancar disebut "persimpangan dingin".

Kompensasi Suhu Persimpangan Dingin (CJC)

Kompensasi sambungan dingin (CJC) adalah koreksi yang dilakukan berupa koreksi pembacaan akhir saat mengukur suhu pada titik sambungan ujung bebas termokopel. Hal ini disebabkan perbedaan antara suhu sambungan dingin aktual dan pembacaan yang dihitung dari grafik kalibrasi untuk suhu sambungan dingin pada 0 °C.

CHS adalah metode diferensial di mana pembacaan suhu absolut diturunkan dari nilai suhu sambungan dingin yang diketahui (nama lain untuk sambungan referensi).

Desain Termokopel

Desain termokopel memperhitungkan pengaruh faktor-faktor seperti "agresivitas" lingkungan eksternal, keadaan agregat zat, kisaran suhu yang akan diukur, dan lain-lain.

Fitur desain termokopel:

1) Pasangan konduktor dihubungkan satu sama lain dengan memutar atau terdampar dengan pengelasan busur lebih lanjut (jarang menyolder).

PENTING: Metode puntir tidak direkomendasikan karena hilangnya sifat sambungan dengan cepat.

2) Elektroda termokopel harus diisolasi secara elektrik sepanjang panjangnya, kecuali untuk titik sentuh.

3) Metode isolasi dipilih dengan mempertimbangkan batas suhu atas.

• Hingga 100-120 °C - isolasi apa pun;
• Hingga 1300 ° C - tabung porselen atau manik-manik;
• Hingga 1950 °C - Al₂HAI₃;
• Di atas 2000°С - tabung dari MgO, BeO, ThO₂ThO , ZrO₂.

4) Tutup pelindung.

Bahan harus tahan panas dan kimia, dengan konduktivitas termal yang baik (logam, keramik). Menggunakan selubung mencegah korosi pada media tertentu.

Kabel ekstensi (ekspansi)

Jenis kawat ini diperlukan untuk memperpanjang ujung termokopel ke perangkat atau penghalang sekunder. Kabel tidak digunakan jika termokopel memiliki pemancar built-in dengan sinyal output terpadu. Aplikasi yang paling luas adalah transduser normalisasi yang ditempatkan di kepala terminal sensor standar dengan sinyal 4-20mA terpadu, yang disebut "tablet".

Bahan kabel dapat bertepatan dengan bahan termoelektroda, tetapi paling sering diganti dengan yang lebih murah, dengan mempertimbangkan kondisi yang mencegah pembentukan termoelektroda parasit (diinduksi). Penggunaan kabel tambahan juga membantu mengoptimalkan produksi.

Tips dan trik! Untuk menentukan dengan benar polaritas kabel kompensasi dan koneksinya ke termokopel, ingat aturan mnemonik MM - minus bersifat magnetis. Artinya, ambil magnet apa pun dan minus dari kompensasi akan menjadi magnet, tidak seperti plus.

Jenis dan jenis termokopel

Variasi termokopel disebabkan oleh kombinasi yang berbeda dari paduan logam yang digunakan. Pemilihan termokopel didasarkan pada industri dan kisaran suhu yang diperlukan.

Termokopel Chromel-alumel (TXA)

Elektroda positif: paduan krom (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda negatif: paduan alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Bahan isolasi: porselen, kuarsa, oksida logam, dll.

Kisaran suhu dari -200 ° C hingga 1300 ° C jangka pendek dan pemanasan jangka panjang 1100 ° C.

Lingkungan operasi: inert, pengoksidasi (O₂=2-3% atau sama sekali tidak termasuk), hidrogen kering, vakum jangka pendek. Dalam atmosfer reduksi atau redoks dengan adanya selubung pelindung.

Kekurangan: mudah mengalami deformasi, ketidakstabilan EMF termal yang reversibel.

Kemungkinan kasus korosi dan penggetasan alumel dengan adanya jejak belerang di atmosfer dan kromel dalam atmosfer pengoksidasi lemah ("tanah liat hijau").

Termokopel tembaga-chrome (TCC)

Elektroda positif: paduan krom (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda negatif: paduan kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Kisaran suhu dari -253 ° C hingga 800 ° C jangka panjang dan pemanasan jangka pendek 1100 ° C.

Lingkungan operasi: inert dan pengoksidasi, vakum jangka pendek.

Kekurangan: deformasi termokopel.

Mungkin penguapan kromium dalam ruang hampa yang panjang; reaksi dengan atmosfer yang mengandung belerang, kromium, fluor.

Termokopel besi konstan (PCT).

Elektroda positif: secara teknis besi murni (baja ringan).
Elektroda negatif: paduan konstantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Digunakan untuk pengukuran dalam reduksi, media inert dan vakum. Suhu dari -203 ° C hingga 750 ° C panjang dan 1100 ° C pemanasan jangka pendek.

Aplikasi dilipat pada pengukuran bersama suhu positif dan negatif. Hal ini tidak menguntungkan untuk digunakan hanya untuk suhu negatif.

Kekurangan: deformasi termokopel, ketahanan korosi yang rendah.

Perubahan sifat fisika dan kimia besi sekitar 700 °С dan 900 °С. Berinteraksi dengan belerang dan uap air dengan pembentukan korosi.

Termokopel tungsten-renium (TVR)

Elektroda positif: paduan BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 dengan aditif silika dan aluminium)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Elektroda negatif: paduan BP20 (80% W, 20% Rh).

Isolasi: keramik oksida logam murni secara kimia.

Fitur termasuk kekuatan mekanik, ketahanan suhu, sensitivitas rendah terhadap kontaminasi, dan kemudahan fabrikasi.

Mengukur suhu dari 1800 ° C hingga 3000 ° C, batas bawah - 1300 ° C. Pengukuran dilakukan dalam gas inert, hidrogen kering, atau lingkungan vakum. Dalam media pengoksidasi hanya untuk pengukuran dalam proses yang mengalir cepat.

Kekurangan: reproduktifitas EMF termal yang buruk, ketidakstabilannya selama iradiasi, sensitivitas yang tidak stabil dalam kisaran suhu.

Termokopel tungsten-molibdenum (TM)

Elektroda positif: tungsten (secara teknis murni).
Elektroda negatif: molibdenum (secara teknis murni).

Isolasi: keramik alumina, perlindungan dengan ujung kuarsa.

Lingkungan inert, hidrogen atau vakum. Pengukuran jangka pendek di lingkungan pengoksidasi dimungkinkan dengan adanya insulasi. Kisaran suhu yang diukur adalah 1400-1800 ° C, batas suhu operasi sekitar 2400 ° C.

Kekurangan: reproduktifitas dan sensitivitas termo-EDC yang buruk, inversi polaritas, getas pada suhu tinggi.

Termokopel platinum-rhodium-platinum (TPP)

Elektroda positif: platinum-rhodium (Pt dengan 10% atau 13% Rh).
Elektroda negatif: platina.

Isolasi: kuarsa, porselen (biasa dan tahan api). Hingga 1400 °С - keramik dengan kandungan Al . yang tinggi₂HAI₃O, di atas 1400 °С - Al . murni secara kimiawi₂HAI₃.

Suhu operasi maksimum 1400 ° C untuk waktu yang lama, 1600 ° C untuk waktu yang singkat. Pengukuran pada suhu rendah biasanya tidak dilakukan.

Lingkungan operasi: pengoksidasi dan inert, mengurangi lingkungan dengan adanya perlindungan.

Kekurangan: biaya tinggi, ketidakstabilan di bawah iradiasi, sensitivitas tinggi terhadap kontaminasi (terutama elektroda platinum), pertumbuhan butir logam pada suhu tinggi.

Termokopel Platinum-Rhodium-Platinum-Rhodium (PRT)

Elektroda positif: Paduan Pt dengan 30% Rh.
Elektroda negatif: Paduan Pt dengan 6% Rh.

Medium: pengoksidasi, netral dan vakum. Gunakan dalam lingkungan yang mengandung uap pereduksi dan logam atau non-logam dengan adanya perlindungan.

Suhu kerja maksimum: 1600 ° C jangka panjang, 1800 ° C jangka pendek.

Isolasi: Keramik terbuat dari Al₂HAI₃ kemurnian tinggi.

Kurang rentan terhadap kontaminasi kimia dan pertumbuhan butir dibandingkan termokopel platinum-rhodium.

Diagram koneksi termokopel

• Koneksi potensiometer atau galvanometer langsung ke konduktor.
• Koneksi dengan kabel kompensasi;
• Sambungan dengan kabel tembaga konvensional ke termokopel yang memiliki keluaran terpadu.

Standar Warna Konduktor Termokopel

Insulasi konduktor berkode warna membantu membedakan elektroda termokopel satu sama lain untuk koneksi yang tepat ke terminal. Standar bervariasi menurut negara; tidak ada sebutan warna khusus untuk konduktor.

PENTING: Perlu diketahui standar yang digunakan di pabrik untuk mencegah terjadinya kesalahan.

Akurasi pengukuran

Akurasi tergantung pada jenis termokopel, rentang suhu yang diukur, kemurnian material, kebisingan listrik, korosi, sifat sambungan, dan proses pembuatan.

Termokopel diberi kelas toleransi (standar atau khusus) yang menetapkan interval kepercayaan pengukuran.

PENTING: Karakteristik pada saat pembuatan berubah selama operasi.

Kecepatan pengukuran

Responsivitas ditentukan oleh kemampuan transduser utama untuk merespon dengan cepat terhadap lonjakan suhu dan aliran sinyal input berikutnya dari alat ukur.

Faktor yang meningkatkan daya tanggap:

1. Pemasangan dan perhitungan panjang transduser primer yang benar;
2. Saat menggunakan pemancar dengan termowell pelindung, kurangi massa rakitan dengan memilih diameter termowell yang lebih kecil;
3. Minimalkan celah udara antara transduser utama dan thermowell;
4. Menggunakan transduser utama pegas dan mengisi rongga di termowell dengan pengisi konduktif termal;
5. Media yang bergerak cepat atau media dengan kepadatan lebih tinggi (cair).

Memeriksa kinerja termokopel

Untuk memverifikasi operasi, sambungkan alat pengukur khusus (tester, galvanometer atau potensiometer) atau ukur tegangan keluaran dengan milivoltmeter. Jika panah atau indikator digital berfluktuasi, termokopel baik, jika tidak perangkat harus diganti.

Penyebab kegagalan termokopel:

1. Kegagalan untuk menggunakan perangkat pelindung pelindung;
2. Mengubah komposisi kimia elektroda;
3. Proses oksidatif yang terjadi pada suhu tinggi;
4. Kerusakan alat ukur, dll.

Keuntungan dan kerugian menggunakan termokopel

Keuntungan menggunakan perangkat ini bisa disebut:

• Rentang pengukuran suhu yang besar;
• Akurasi tinggi;
• Kesederhanaan dan keandalan.

Kerugiannya harus mencakup:

• Implementasi kontrol terus menerus dari sambungan dingin, verifikasi dan kalibrasi peralatan kontrol;
• Perubahan struktural logam selama pembuatan perangkat;
• Ketergantungan pada komposisi atmosfer, biaya penyegelan;
• Kesalahan pengukuran karena paparan gelombang elektromagnetik.

Artikel terkait: