La termocoppia è un dispositivo per misurare le temperature in tutti i campi della scienza e della tecnologia. Questo articolo fornisce una panoramica generale delle termocoppie con un'analisi del loro design e del principio di funzionamento. Vengono descritte le varietà di termocoppie con le loro brevi caratteristiche, e viene data una valutazione della termocoppia come dispositivo di misurazione.
Contenuto
Progettazione di una termocoppia
Il principio di funzionamento di una termocoppia. Effetto Seebeck
La termocoppia si basa sull'effetto termoelettrico scoperto dal fisico tedesco Tomas Seebeck nel 1821.
Il fenomeno si basa sulla comparsa di elettricità in un circuito elettrico chiuso quando è esposto a una certa temperatura ambientale. La corrente elettrica si genera quando c'è una differenza di temperatura tra due conduttori (termocoppie) di composizione diversa (metalli o leghe dissimili) e si mantiene mantenendo i loro punti di contatto (giunzioni). Il dispositivo visualizza la temperatura da misurare sullo schermo del dispositivo secondario collegato.
La tensione di uscita e la temperatura sono in una relazione lineare. Ciò significa che un aumento della temperatura misurata si traduce in un valore di millivolt più alto alle estremità libere della termocoppia.
La giunzione al punto di misurazione della temperatura è chiamata "giunzione calda" e la connessione dei fili al trasmettitore è chiamata "giunzione fredda".
Compensazione della temperatura della giunzione fredda (CJC)
La compensazione del giunto freddo (CJC) è una correzione effettuata sotto forma di correzione della lettura finale quando si misura la temperatura nel punto di connessione delle estremità libere della termocoppia. Ciò è dovuto alla discrepanza tra la temperatura effettiva della giunzione fredda e le letture calcolate dalla tabella di calibrazione per la temperatura della giunzione fredda a 0°C.
Il CHS è un metodo differenziale in cui la lettura della temperatura assoluta è derivata dal valore noto della temperatura della giunzione fredda (altrimenti nota come giunzione di riferimento).
Design della termocoppia
La progettazione di una termocoppia tiene conto dell'influenza di fattori come l'"aggressività" dell'ambiente esterno, lo stato aggregato della sostanza, la gamma di temperature da misurare e altri.
Caratteristiche del design della termocoppia:
1) Le coppie di conduttori sono collegate l'una all'altra mediante torsione o trefolatura con ulteriore saldatura ad arco elettrico (raramente saldatura).
IMPORTANTE: Il metodo della torsione non è raccomandato a causa della rapida perdita delle proprietà della giunzione.
2) Gli elettrodi della termocoppia devono essere isolati elettricamente per tutta la loro lunghezza, tranne che nel punto di contatto.
3) Il metodo di isolamento è selezionato in base al limite superiore della temperatura.
- Fino a 100-120°C - qualsiasi isolamento;
- Fino a 1300°C - tubi o perle di porcellana;
- Fino a 1950°C - Al2O3;
- Sopra i 2000°C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Coperchio di protezione.
Il materiale deve essere termicamente e chimicamente resistente, con una buona conducibilità termica (metallo, ceramica). L'uso della guaina previene la corrosione in certi mezzi.
Cavi di estensione (di compensazione)
Questo tipo di filo è necessario per estendere le estremità della termocoppia a un dispositivo secondario o a una barriera. I fili non sono utilizzati se la termocoppia ha un trasmettitore incorporato con un segnale di uscita unificato. L'applicazione più comune è quella di un trasmettitore standard alloggiato in una testa terminale del sensore a segnale unificato 4-20mA, la cosiddetta "tavoletta".
Il materiale del filo può essere lo stesso di quello della termocoppia, ma il più delle volte viene sostituito con uno più economico, tenendo conto delle condizioni che impediscono la formazione di termo-ED parassiti (indotti). L'uso di fili estensibili può anche aiutare a ottimizzare la produzione.
I vostri consigli! Per determinare correttamente la polarità dei fili di compensazione e la loro connessione alla termocoppia, ricordate la regola mnemonica MM - il meno è magnetico. Cioè, prendete qualsiasi magnete e il meno della compensazione sarà magnetico, a differenza del più.
Tipi e tipi di termocoppie
La diversità delle termocoppie è dovuta alle diverse combinazioni di leghe metalliche utilizzate. La selezione della termocoppia si basa sull'industria e sull'intervallo di temperatura richiesto.
Termocoppia Chromel-alumel (TXA)
Elettrodo positivo: lega Chromel (90% Ni, 10% Cr).
Elettrodo negativo: lega Alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Materiale isolante: porcellana, quarzo, ossidi di metallo ecc.
Intervallo di temperatura da -200°C a 1300°C a breve termine e 1100°C a lungo termine.
Ambiente operativo: inerte, ossidante (O2=2-3% o totalmente eliminato), idrogeno secco, vuoto a breve termine. In un'atmosfera riducente o redox in presenza di una guaina protettiva.
Svantaggi: facile da deformare, instabilità reversibile dell'EMF termico.
Possibili casi di corrosione e infragilimento dell'allumel in presenza di tracce di zolfo nell'atmosfera e del chromel in un'atmosfera debolmente ossidante ("argilla verde").
Termocoppia in cromo-rame (CTC)
Elettrodo positivo: lega chromel (90% Ni, 10% Cr).
Elettrodo negativo: lega Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Intervallo di temperatura da -253°C a 800°C a lungo termine e 1100°C a breve termine.
Mezzo operativo: Inerte e ossidante, vuoto a breve termine.
Svantaggi: deformazione della termocoppia.
È possibile che il cromo evapori durante il vuoto prolungato; può reagire con l'atmosfera contenente zolfo, cromo, fluoro.
Termocoppia ferro-costantana (PCT)
Elettrodo positivo: ferro puro (acciaio dolce).
Elettrodo negativo: lega costantana (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Utilizzato per misurazioni in ambienti riducenti, inerti e sotto vuoto. Gamma di temperature da -203°C a 750°C a lungo termine e 1100°C a breve termine.
L'applicazione si basa sulla misurazione combinata di temperature positive e negative. Non adatto solo a temperature negative.
Svantaggi: deformazione della termocoppia, bassa resistenza alla corrosione.
Cambiamento delle proprietà fisico-chimiche del ferro intorno ai 700°C e 900°C. Interagisce con lo zolfo e i vapori d'acqua per formare corrosione.
Termocoppia tungsteno-renio (TVR)
Elettrodo positivo: leghe BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 con silice e additivo di alluminio)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Elettrodo negativo: leghe BP20 (80% W, 20% Rh).
Isolamento: Ceramica di ossidi metallici chimicamente puri.
Le caratteristiche includono forza meccanica, resistenza alla temperatura, bassa sensibilità alla contaminazione e facilità di fabbricazione.
Misura temperature da 1800°C a 3000°C, il limite inferiore è 1300°C. Misurato in condizioni di gas inerte, idrogeno secco o vuoto. Adatto solo per misurazioni in ambienti ossidanti per processi rapidi.
Svantaggi: scarsa riproducibilità dell'EMF termico, la sua instabilità durante l'irradiazione, sensibilità instabile nell'intervallo di temperatura.
Termocoppia in tungsteno-molibdeno (TM)
Elettrodo positivo: tungsteno (tecnicamente puro).
Elettrodo negativo: molibdeno (tecnicamente puro).
Isolamento: ceramica di allumina, protetta con punte di quarzo.
Ambiente inerte, idrogeno o vuoto. Misure a breve termine in ambienti ossidanti possibili in presenza di isolamento. L'intervallo di temperatura misurabile è compreso tra 1400 e 1800°C, con una temperatura massima di lavoro di circa 2400°C.
Svantaggi: scarsa riproducibilità e sensibilità della termo-EDC, inversione di polarità, infragilimento alle alte temperature.
Termocoppie in platino-rodio-platino (PPT)
Elettrodo positivo: Platino-Rh (Pt con 10% o 13% Rh)
Elettrodo negativo: Platino.
Isolamento: quarzo, porcellana (normale e refrattaria). Fino a 1400°C - ceramiche con un maggiore contenuto di Al2O3O, sopra i 1400°C - Al chimicamente puro2O3.
Temperatura massima di funzionamento 1400°C a lungo termine, 1600°C a breve termine. La misurazione a basse temperature non viene normalmente effettuata.
Ambiente operativo: ambiente ossidante e inerte, riducente in presenza di schermatura.
Svantaggi: costo elevato, instabilità sotto irradiazione, alta sensibilità alla contaminazione (specialmente l'elettrodo di platino), crescita dei grani di metallo ad alte temperature.
Termocoppie al platino-rodio (PRT)
Elettrodo positivo: lega di Pt con il 30% di Rh.
Elettrodo negativo: lega di Pt con 6% di Rh.
Mezzi: ossidanti, neutri e sottovuoto. Utilizzo in ambienti metallici o non metallici riducenti e contenenti vapore in presenza di schermatura.
Temperatura massima di lavoro: 1600°C a lungo termine, 1800°C a breve termine.
Isolamento: Ceramica in Al2O3 Ceramica Al O ad alta purezza.
Meno suscettibile alla contaminazione chimica e alla crescita dei grani rispetto alla termocoppia in platino-nichel.
Schema di cablaggio per la termocoppia
- Collegamento del potenziometro o galvanometro direttamente ai conduttori.
- Collegamento per mezzo di fili di compensazione;
- Collegamento con fili di rame convenzionali a una termocoppia con uscita unificata.
Standard di colore del conduttore della termocoppia
L'isolamento colorato del conduttore aiuta a distinguere gli elettrodi della termocoppia l'uno dall'altro per una corretta connessione ai terminali. Gli standard variano a seconda del paese, non ci sono designazioni di colori specifici per i conduttori.
IMPORTANTE: È necessario scoprire lo standard utilizzato dall'azienda per evitare errori.
Precisione della misurazione
La precisione dipende dal tipo di termocoppia, dall'intervallo di temperatura da misurare, dalla purezza del materiale, dal rumore elettrico, dalla corrosione, dalle proprietà della giunzione e dal processo di fabbricazione.
Alle termocoppie viene assegnata una classe di tolleranza (standard o speciale) che determina l'intervallo di fiducia della misura.
IMPORTANTE: Le caratteristiche al momento della fabbricazione cambiano durante il funzionamento.
Velocità di misurazione
La velocità è determinata dalla capacità del trasduttore primario di reagire rapidamente ai salti di temperatura e al successivo flusso di segnali di ingresso allo strumento di misura.
Fattori che aumentano la reattività:
- Installazione corretta e calcolo della lunghezza del trasduttore primario;
- Quando si usa un trasmettitore con un pozzetto, ridurre la massa dell'unità scegliendo un diametro del pozzetto più piccolo;
- Ridurre al minimo lo spazio d'aria tra il trasduttore primario e il pozzetto;
- Utilizzando un trasduttore primario caricato a molla e riempiendo le cavità del pozzetto con un riempitivo termicamente conduttivo;
- Mezzo che si muove velocemente o mezzo con densità maggiore (liquido).
Test funzionale di una termocoppia
Per verificare il funzionamento, collegare un dispositivo di misurazione speciale (tester, galvanometro o potenziometro) o misurare la tensione di uscita con un millivoltmetro. Se la freccia o il display digitale fluttuano, la termocoppia è valida, altrimenti il dispositivo deve essere sostituito.
Cause di guasto della termocoppia:
- Mancato utilizzo di un dispositivo di schermatura protettiva;
- Alterazione della composizione chimica degli elettrodi;
- Processi di ossidazione che avvengono ad alte temperature;
- Guasto dello strumento di misura, ecc.
Vantaggi e svantaggi dell'uso delle termocoppie
I vantaggi dell'uso di questo dispositivo includono:
- Ampia gamma di misurazione della temperatura;
- Alta precisione;
- Semplice e affidabile.
Gli svantaggi sono:
- Monitoraggio costante della giunzione fredda, verifica e calibrazione dell'attrezzatura di controllo;
- Modifiche strutturali dei metalli durante la fabbricazione;
- Dipendenza dalla composizione atmosferica, costi di sigillatura;
- Errori di misurazione dovuti all'esposizione alle onde elettromagnetiche.
