Termoelements ir ierīce temperatūras mērīšanai visās zinātnes un tehnoloģijas jomās. Šajā rakstā sniegts vispārīgs pārskats par termopāriem, kā arī to konstrukcijas un darbības principa sadalījums. Aprakstītas termopāru šķirnes ar to īsu raksturojumu un sniegts termopāru kā mērierīces novērtējums.
Saturs
Termoelementa konstrukcija
Termoelementa darbības princips. Seebecka efekts
Termoelementa pamatā ir termoelektriskais efekts, ko 1821. gadā atklāja vācu fiziķis Tomass Sībeks.
Šīs parādības pamatā ir elektrības rašanās slēgtā elektriskajā ķēdē, kad tā ir pakļauta noteiktai apkārtējās vides temperatūrai. Elektriskā strāva rodas, kad starp diviem dažāda sastāva (atšķirīgu metālu vai sakausējumu) vadītājiem (termopāriem) ir temperatūras starpība, un tā tiek uzturēta, saglabājot to kontaktpunktus (savienojumus). Ierīce parāda mērāmo temperatūru uz pievienotās sekundārās ierīces ekrāna.
Izvades spriegumam un temperatūrai ir lineāra sakarība. Tas nozīmē, ka, palielinoties mērītajai temperatūrai, termopāra brīvajos galos rodas lielāka milivoltu vērtība.
Savienojumu temperatūras mērīšanas punktā sauc par "karsto savienojumu", bet vadu savienojumu ar raidītāju - par "auksto savienojumu".
Aukstā savienojuma temperatūras kompensācija (CJC)
Aukstā savienojuma kompensācija (CJC) ir korekcija, kas tiek veikta kā galīgā rādījuma korekcija, mērot temperatūru termopāra brīvo galu savienojuma punktā. Tas ir saistīts ar neatbilstību starp faktisko aukstā savienojuma temperatūru un kalibrēšanas tabulā aprēķinātajiem rādījumiem aukstā savienojuma temperatūrai pie 0°C.
CHS ir diferenciālā metode, kurā absolūto temperatūras rādījumu iegūst no zināmās aukstā savienojuma temperatūras vērtības (citādi pazīstama kā atskaites savienojums).
Termoelementa konstrukcija
Termoelementa konstrukcijā tiek ņemta vērā tādu faktoru ietekme kā ārējās vides "agresivitāte", vielas agregātstāvoklis, mērāmo temperatūru diapazons un citi.
Termoelementu konstrukcijas iezīmes:
1) Vadītāju pāri tiek savienoti viens ar otru, tos savijot vai savijot ar tālāku elektriskā loka metināšanu (retāk ar lodēšanu).
SVARĪGI: Virpošanas metode nav ieteicama, jo ātri zūd savienojuma īpašības.
2) Termoelementa elektrodiem jābūt elektriski izolētiem visā to garumā, izņemot saskares punktu.
3) Izolācijas metodi izvēlas atkarībā no augšējās temperatūras robežas.
- Līdz 100-120°C - jebkura izolācija;
- Līdz 1300°C - porcelāna caurulītes vai lodītes;
- Līdz 1950°C - Al2O3;
- virs 2000°C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Aizsargapvalks.
Materiālam jābūt termiski un ķīmiski izturīgam, ar labu siltumvadītspēju (metāls, keramika). Apvalka lietošana novērš koroziju noteiktās vidēs.
Pagarināšanas (kompensācijas) kabeļi
Šis vadu veids ir nepieciešams, lai pagarinātu termopāra galus līdz sekundārajai ierīcei vai barjerai. Vadi netiek izmantoti, ja termopāram ir iebūvēts raidītājs ar vienotu izejas signālu. Visizplatītākais pielietojums ir standarta raidītājam, kas iebūvēts 4-20 mA vienotā signāla sensora termināla galviņā, tā sauktajā "tabletē".
Vada materiāls var būt tāds pats kā termoelementa materiāls, bet visbiežāk to aizstāj ar lētāku, ņemot vērā nosacījumus, kas novērš parazītisku (inducētu) termoelektronu veidošanos. Arī pagarinošo vadu izmantošana var palīdzēt optimizēt ražošanu.
Jūsu padomi! Lai pareizi noteiktu kompensācijas vadu polaritāti un to savienojumu ar termopāri, atcerieties MM mnemonikas noteikumu - mīnuss ir magnētiskais. Tas nozīmē, ka ņemiet jebkuru magnētu, un kompensācijas mīnuss būs magnētisks, atšķirībā no plusa.
Termoelementu tipi un veidi
Termoelementu daudzveidība ir saistīta ar dažādām izmantoto metālu sakausējumu kombinācijām. Termoelementu izvēle ir atkarīga no nozares un nepieciešamā temperatūras diapazona.
Hroma-alumēla termopara (TXA)
Pozitīvais elektrods: hroma sakausējums (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatīvais elektrods: Alumēla sakausējums (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 2 % Al, 1 % Si).
Izolācijas materiāls: porcelāns, kvarcs, metālu oksīdi u. c.
Temperatūras diapazons no -200°C līdz 1300°C īstermiņā un 1100°C ilgtermiņā.
Darba vide: inerta, oksidējoša (O2=2-3% vai pilnībā izslēgts), sausais ūdeņradis, īstermiņa vakuums. reducējošā vai redoks atmosfērā aizsargapvalka klātbūtnē.
Trūkumi: viegli deformējas, atgriezeniska termiskās EML nestabilitāte.
Iespējami aluzeļa korozijas un trausluma gadījumi, ja atmosfērā ir sēra pēdas, un hroma vāji oksidējošā atmosfērā ("zaļais māls").
Hroma-vara termopara (CTC)
Pozitīvais elektrods: hroma sakausējums (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatīvais elektrods: Copel sakausējums (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Temperatūras diapazons -253°C līdz 800°C ilgtermiņā un 1100°C īstermiņā.
Darba vide: inerta un oksidējoša, īstermiņa vakuums.
Trūkumi: termopāra deformācija.
Ilgstoša vakuuma laikā hroms var iztvaikot; tas var reaģēt ar atmosfēru, kas satur sēru, hromu, fluoru.
Dzelzs konstantāna termopārs (PCT)
Pozitīvais elektrods: tīrs dzelzs (mīksts tērauds).
Negatīvais elektrods: konstantāna sakausējums (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Izmanto mērījumiem reducējošā, inertā un vakuuma vidē. Temperatūras diapazons no -203°C līdz 750°C ilgtermiņā un 1100°C īstermiņā.
Lietojumprogrammas pamatā ir pozitīvo un negatīvo temperatūru kombinēta mērīšana. Nav piemērots tikai negatīvām temperatūrām.
Trūkumi: termopāra deformācija, zema izturība pret koroziju.
Dzelzs fizikāli ķīmisko īpašību izmaiņas 700°C un 900°C temperatūrā. mijiedarbojas ar sēra un ūdens tvaikiem, veidojot koroziju.
Volframa-renija termopāris (TVR)
Pozitīvais elektrods: sakausējumi BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 ar silīcija dioksīda un alumīnija piedevu)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negatīvais elektrods: BP20 sakausējums (80 % W, 20 % Rh).
Izolācija: ķīmiski tīru metālu oksīdu keramika.
Īpašības ir mehāniskā izturība, izturība pret temperatūru, zema jutība pret piesārņojumu un vienkārša izgatavošana.
Mēra temperatūru no 1800°C līdz 3000°C, apakšējā robeža ir 1300°C. Mērījumu veic inertas gāzes, sausa ūdeņraža vai vakuuma apstākļos. Piemērots tikai mērījumiem oksidējošā vidē ātru procesu laikā.
Trūkumi: slikta siltuma EML reproducējamība, tā nestabilitāte apstarošanas laikā, nestabila jutība temperatūras diapazonā.
Volframa-molibdēna (TM) termopāris
Pozitīvais elektrods: volframs (tehniski tīrs).
Negatīvais elektrods: molibdēns (tehniski tīrs).
Izolācija: Alumīnija keramika, aizsargāta ar kvarca uzgaļiem.
Inerta, ūdeņraža vai vakuuma vide. Īstermiņa mērījumi oksidējošā vidē iespējami izolācijas klātbūtnē. Mērāmās temperatūras diapazons ir no 1400 līdz 1800°C, maksimālā darba temperatūra ir aptuveni 2400°C.
Trūkumi: slikta reproducējamība un termo-EDC jutība, polaritātes inversija, trauslums augstā temperatūrā.
Platīna-rodija-platīna termopāri (PPT)
Pozitīvais elektrods: Platīna-Rh (Pt ar 10 % vai 13 % Rh).
Negatīvais elektrods: platīns.
Izolācija: kvarcs, porcelāns (parasts un ugunsizturīgs). Līdz 1400°C - keramika ar paaugstinātu Al saturu2O3O, virs 1400°C - ķīmiski tīrs Al2O3.
Maksimālā darba temperatūra 1400°C ilgtermiņā, 1600°C īstermiņā. Mērījumus zemās temperatūrās parasti neveic.
Darba vide: oksidējoša un inerta, reducējoša vide, ja ir ekranējums.
Trūkumi: augstas izmaksas, nestabilitāte apstarošanas laikā, augsta jutība pret piesārņojumu (īpaši platīna elektrods), metāla graudu veidošanās augstā temperatūrā.
Platīna-rodija-platīna-rodija termopāri (PRT)
Pozitīvais elektrods: Pt sakausējums ar 30 % Rh.
Negatīvais elektrods: Pt sakausējums ar 6 % Rh.
Vide: oksidējoša, neitrāla un vakuuma. Lietošanai reducējošā un tvaikus saturošā metālu vai nemetālu vidē, ja ir ekranējums.
Maksimālā darba temperatūra: 1600°C ilgtermiņā, 1800°C īstermiņā.
Izolācija: Keramika no Al2O3 Augstas tīrības pakāpes Al O keramika.
Mazāk uzņēmīgi pret ķīmisko piesārņojumu un graudu veidošanos nekā platīna-niķeļa termopāri.
Termoelementa elektroinstalācijas shēma
- Potenciometra vai galvanometra savienojums tieši ar vadiem.
- Savienojums ar kompensācijas vadiem;
- Savienojums ar parastajiem vara vadiem ar termopāri ar vienotu izeju.
Termoelementu vadītāju krāsu standarti
Krāsaina vadu izolācija palīdz atšķirt termopāru elektrodus vienu no otra, lai tos pareizi savienotu ar spailēm. Standarti dažādās valstīs ir atšķirīgi, un vadiem nav īpašu krāsu apzīmējumu.
SVARĪGI: Lai izvairītos no kļūdām, ir jānoskaidro uzņēmuma izmantotais standarts.
Mērījumu precizitāte
Precizitāte ir atkarīga no termopāra tipa, mērāmās temperatūras diapazona, materiāla tīrības, elektriskā trokšņa, korozijas, savienojuma īpašībām un ražošanas procesa.
Termoelementiem tiek piešķirta pielaides klase (standarta vai speciālā), kas nosaka mērījuma ticamības intervālu.
SVARĪGI: Ražošanas laikā raksturlielumi ekspluatācijas laikā mainās.
Mērīšanas ātrums
Ātrumu nosaka primārā pārveidotāja spēja ātri reaģēt uz temperatūras lēcieniem un tam sekojošo ieejas signālu plūsmu uz mērinstrumentu.
Faktori, kas palielina reaģētspēju:
- Pareiza primārā devēja uzstādīšana un garuma aprēķināšana;
- Ja izmantojat raidītāju ar termisko serdi, samaziniet ierīces masu, izvēloties mazāku termiskā serdeņa diametru;
- Samaziniet gaisa spraugu starp primāro pārveidotāju un termokameru;
- Izmantojot primāro sensoru ar atsperi un aizpildot dobumus termokamerā ar siltumvadošu pildījumu;
- Ātri kustīga vide vai vide ar lielāku blīvumu (šķidrums).
Termoelementa funkcionālā pārbaude
Lai pārbaudītu darbību, pievienojiet speciālu mērierīci (testeri, galvanometru vai potenciometru) vai izmēriet izejas spriegumu ar milivoltmetru. Ja bultiņa vai digitālais displejs svārstās, termopara ir derīga, pretējā gadījumā ierīce ir jānomaina.
Termoelementu atteices cēloņi:
- Aizsardzības aizsarglīdzekļa neizmantošana;
- Elektrodu ķīmiskā sastāva izmaiņas;
- Oksidācijas procesi, kas notiek augstā temperatūrā;
- mērinstrumenta atteice utt.
Termoelementu izmantošanas priekšrocības un trūkumi
Šīs ierīces lietošanas priekšrocības ir šādas:
- Liels temperatūras mērījumu diapazons;
- Augsta precizitāte;
- Vienkāršs un uzticams.
Trūkumi ir šādi:
- Pastāvīga aukstā savienojuma uzraudzība, kontroles iekārtu verifikācija un kalibrēšana;
- Metālu struktūras izmaiņas ražošanas laikā;
- Atmosfēras sastāva atkarība, blīvēšanas izmaksas;
- Mērījumu kļūdas elektromagnētisko viļņu iedarbības dēļ.
