Thermokoppel is een apparaat voor het meten van temperaturen op alle gebieden van wetenschap en technologie. Dit artikel geeft een algemeen overzicht van thermokoppels met een uitsplitsing van hun ontwerp en werkingsprincipe. Verschillende soorten thermokoppels met hun korte kenmerken worden beschreven, en een evaluatie van het thermokoppel als meetinstrument wordt gegeven.
Inhoud
Ontwerp van een thermokoppel
Het werkingsprincipe van een thermokoppel. Seebeck-effect
Het thermokoppel is gebaseerd op het thermo-elektrisch effect dat in 1821 door de Duitse natuurkundige Tomas Seebeck werd ontdekt.
Het verschijnsel is gebaseerd op het optreden van elektriciteit in een gesloten elektrisch circuit bij blootstelling aan een bepaalde omgevingstemperatuur. Elektrische stroom wordt opgewekt wanneer er een temperatuurverschil bestaat tussen twee geleiders (thermokoppels) van verschillende samenstelling (ongelijke metalen of legeringen) en wordt gehandhaafd door hun contactpunten (juncties) in stand te houden. Het toestel geeft de te meten temperatuur weer op het scherm van het aangesloten secundaire toestel.
De uitgangsspanning en de temperatuur staan in een lineair verband. Dit betekent dat een stijging van de gemeten temperatuur resulteert in een hogere millivoltwaarde aan de vrije uiteinden van het thermokoppel.
Het knooppunt bij het temperatuurmeetpunt wordt de "hete junctie" genoemd en de aansluiting van de draden op de zender wordt de "koude junctie" genoemd.
Koude junctie temperatuurcompensatie (CJC)
Koude-junctiecompensatie (CJC) is een correctie in de vorm van een correctie op de eindaflezing bij meting van de temperatuur op het aansluitpunt van de vrije uiteinden van het thermokoppel. Dit is te wijten aan de discrepantie tussen de werkelijke temperatuur van de koude junctie en de berekende aflezingen uit de ijkingstabel voor de temperatuur van de koude junctie bij 0°C.
De CHS is een differentiële methode waarbij de absolute temperatuurmeting wordt afgeleid van de bekende waarde van de temperatuur van de koude junctie (ook bekend als de referentiel junctie).
Thermokoppel ontwerp
Bij het ontwerp van een thermokoppel wordt rekening gehouden met de invloed van factoren zoals de "agressiviteit" van de externe omgeving, de aggregatietoestand van de stof, het bereik van de te meten temperaturen en andere.
Kenmerken van thermokoppel ontwerp:
1) De aderparen worden met elkaar verbonden door twisten of strengen met verder elektrisch booglassen (zelden solderen).
BELANGRIJK: De twijnmethode wordt niet aanbevolen vanwege het snelle verlies van de verbindingseigenschappen.
2) De elektroden van het thermokoppel moeten over hun gehele lengte elektrisch geïsoleerd zijn, behalve op het contactpunt.
3) De wijze van isoleren wordt gekozen aan de hand van de hoogste temperatuurgrens.
- Tot 100-120°C - elke isolatie;
- Tot 1300°C - porseleinen buizen of parels;
- Tot 1950°C - Al2O3;
- Boven 2000°C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Beschermhoes.
Het materiaal moet thermisch en chemisch resistent zijn, met een goed warmtegeleidingsvermogen (metaal, keramiek). Het gebruik van de mantel voorkomt corrosie in bepaalde media.
Verlengkabels (compensatiekabels)
Dit type draad is nodig om de uiteinden van het thermokoppel te verlengen naar een secundair apparaat of barrière. De draden worden niet gebruikt als het thermokoppel een ingebouwde zender heeft met een eenvormig uitgangssignaal. De meest gebruikelijke toepassing is die van een standaardzender die is ondergebracht in een 4-20mA sensor-aansluitkop met enkelvoudige signalen, het zogenaamde "tablet".
Het materiaal van de draad kan hetzelfde zijn als dat van het thermokoppel, maar wordt meestal vervangen door een goedkoper materiaal, rekening houdend met de voorwaarden ter voorkoming van de vorming van parasitaire (geïnduceerde) thermo-ED's. Het gebruik van verlengdraden kan ook helpen om de productie te optimaliseren.
Jullie tips! Om de polariteit van de compensatiedraden en hun aansluiting op het thermokoppel correct te bepalen, moet u de MM-kengetallenregel onthouden - min is magnetisch. Dat wil zeggen, neem een willekeurige magneet en de min van de compensatie zal magnetisch zijn, in tegenstelling tot de plus.
Soorten en types thermokoppels
De verscheidenheid aan thermokoppels is te wijten aan de verschillende combinaties van gebruikte metaallegeringen. De keuze van het thermokoppel is gebaseerd op de industrie en het vereiste temperatuurbereik.
Chroom-alumel thermokoppel (TXA)
Positieve elektrode: Chromel-legering (90% Ni, 10% Cr).
Negatieve elektrode: Alumel-legering (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Isolatiemateriaal: porselein, kwarts, metaaloxiden enz.
Temperatuurbereik van -200°C tot 1300°C op korte termijn en 1100°C op lange termijn.
Gebruiksomgeving: inert, oxiderend (O2=2-3% of volledig geëlimineerd), droge waterstof, kortstondig vacuüm. In een reducerende of redox atmosfeer in aanwezigheid van een beschermend omhulsel.
Nadelen: gemakkelijk te vervormen, omkeerbare instabiliteit van thermische EMF.
Mogelijke gevallen van corrosie en verbrossing van alumel in aanwezigheid van sporen zwavel in de atmosfeer en chromel in een zwak oxiderende atmosfeer ("groene klei").
Chroom-koper thermokoppel (CTC)
Positieve elektrode: chromellegering (90% Ni, 10% Cr).
Negatieve elektrode: Copel-legering (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperatuurbereik -253°C tot 800°C op lange termijn en 1100°C op korte termijn.
Gebruiksmedium: Inert en oxiderend, kortstondig vacuüm.
Nadelen: kromtrekken van het thermokoppel.
Het is mogelijk chroom te verdampen bij langdurig vacuüm; reactie met zwavel-, chroom-, fluorhoudende atmosfeer.
IJzerconstante thermokoppel (PCT)
Positieve elektrode: zuiver ijzer (zacht staal).
Negatieve elektrode: constantaanlegering (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Gebruikt voor metingen in reducerende, inerte en vacuümomgevingen. Temperatuurbereik van -203°C tot 750°C op lange termijn en 1100°C op korte termijn.
De toepassing is gebaseerd op de gecombineerde meting van positieve en negatieve temperaturen. Niet geschikt voor alleen negatieve temperaturen.
Nadelen: vervorming van het thermokoppel, lage corrosiebestendigheid.
Verandering in de fysisch-chemische eigenschappen van ijzer rond 700°C en 900°C. Reageert met zwavel- en waterdampen om corrosie te vormen.
Wolfraam-renium thermokoppel (TVR)
Positieve elektrode: legeringen BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 met siliciumdioxide- en aluminiumtoevoeging)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Negatieve elektrode: BP20-legeringen (80% W, 20% Rh).
Isolatie: Keramiek van chemisch zuivere metaaloxiden.
Kenmerkend zijn de mechanische sterkte, de temperatuurbestendigheid, de geringe gevoeligheid voor verontreiniging en het fabricagegemak.
Meet temperaturen van 1800°C tot 3000°C, met een ondergrens van 1300°C. Gemeten onder inert gas, droge waterstof of vacuüm. Alleen geschikt voor metingen in oxiderende omgevingen voor snelle processen.
Nadelen : slechte reproduceerbaarheid van de thermische EMF, instabiliteit ervan tijdens de bestraling, onstabiele gevoeligheid in het temperatuurbereik.
Wolfraam-molybdeen (TM) thermokoppel
Positieve elektrode: wolfraam (technisch zuiver).
Negatieve elektrode: molybdeen (technisch zuiver).
Isolatie: Aluminiumoxide keramiek, beschermd met kwartsuiteinden.
Inerte, waterstof- of vacuümomgeving. Kortstondige metingen in oxiderende omgevingen mogelijk in aanwezigheid van isolatie. Het meetbare temperatuurbereik ligt tussen 1400 en 1800°C, met een grenstemperatuur van ca. 2400°C.
Nadelen: slechte reproduceerbaarheid en gevoeligheid van thermo-EDC, polariteitsinversie, verbrossing bij hoge temperaturen.
Platina-Rhodium-Platina Thermokoppels (PPT)
Positieve elektrode: platina-Rh (Pt met 10% of 13% Rh)
Negatieve elektrode: platina.
Isolatie: Kwarts, porselein (normaal en vuurvast). Tot 1400°C - keramiek met verhoogd gehalte aan Al2O3O, boven 1400°C - chemisch zuiver Al2O3.
Maximale bedrijfstemperatuur 1400°C op lange termijn, 1600°C op korte termijn. Metingen bij lage temperaturen worden gewoonlijk niet verricht.
Gebruiksomgeving: oxiderend en inert, reducerend milieu in aanwezigheid van afscherming.
Nadelen: hoge kosten, instabiliteit bij bestraling, grote gevoeligheid voor vervuiling (vooral platina-elektrode), metaalkorrelgroei bij hoge temperaturen.
Platina-Rhodium-Platina-Rhodium Thermokoppels (PRT)
Positieve elektrode: Pt-legering met 30% Rh.
Negatieve elektrode: Pt-legering met 6% Rh.
Media: Oxiderend, neutraal en vacuüm. Gebruik in reducerende en dampen bevattende metallische of niet-metallische omgevingen in aanwezigheid van afscherming.
Maximale bedrijfstemperatuur: 1600°C op lange termijn, 1800°C op korte termijn.
Isolatie: Keramiek van Al2O3 Hoge zuiverheids Al O keramiek.
Minder gevoelig voor chemische contaminatie en korrelgroei dan platina-nikkel thermokoppels.
Bedradingsschema voor thermokoppel
- Aansluiting van potentiometer of galvanometer rechtstreeks op geleiders.
- Aansluiting door middel van compensatiedraden;
- Aansluiting met conventionele koperdraden op een thermokoppel met een uniforme uitgang.
Normen voor de kleur van thermokoppels
Gekleurde aderisolatie helpt de thermokoppelelektroden van elkaar te onderscheiden voor een correcte aansluiting op de aansluitklemmen. De normen verschillen van land tot land, er zijn geen specifieke kleuraanduidingen voor de geleiders.
BELANGRIJK: Om fouten te voorkomen, moet worden nagegaan welke norm door het bedrijf wordt gehanteerd.
Nauwkeurigheid van de meting
De nauwkeurigheid hangt af van het type thermokoppel, het te meten temperatuurbereik, de zuiverheid van het materiaal, elektrische ruis, corrosie, junctie-eigenschappen en het fabricageproces.
Thermokoppels krijgen een tolerantieklasse toegewezen (standaard of speciaal) die het betrouwbaarheidsinterval van de meting bepaalt.
BELANGRIJK: De kenmerken op het ogenblik van de fabricage veranderen tijdens de werking.
Meetsnelheid
De snelheid wordt bepaald door het vermogen van de primaire omvormer om snel te reageren op temperatuursprongen en de daaropvolgende stroom van ingangssignalen naar het meetinstrument.
Factoren die het reactievermogen verhogen:
- Correcte installatie en berekening van de lengte van de primaire omvormer;
- Wanneer een zender met een thermowell wordt gebruikt, verminder dan de massa van het apparaat door een kleinere diameter van de thermowell te kiezen;
- Beperk de luchtspleet tussen de primaire omvormer en de thermowell tot een minimum;
- Gebruik een veerbelaste primaire omvormer en vul de holtes in de thermowell met thermisch geleidend vulmiddel;
- Snel bewegend medium of medium met hogere dichtheid (vloeistof).
Functionele test van een thermokoppel
Om de werking te controleren, sluit u een speciaal meettoestel aan (tester, galvanometer of potentiometer) of meet u de uitgangsspanning met een millivoltmeter. Als de pijl of de digitale display schommelt, is het thermokoppel geldig, anders moet het apparaat worden vervangen.
Oorzaken van thermokoppel falen:
- Het niet gebruiken van een beschermende afscherming;
- Wijziging van de chemische samenstelling van de elektroden;
- Oxidatieprocessen die bij hoge temperaturen plaatsvinden;
- Defect aan het meetinstrument, enz.
Voor- en nadelen van het gebruik van thermokoppels
Voordelen van het gebruik van dit apparaat zijn:
- Groot temperatuur meetbereik;
- Hoge nauwkeurigheid;
- Eenvoudig en betrouwbaar.
De nadelen zijn:
- Constante bewaking van de koude junctie, verificatie en ijking van de regelapparatuur;
- Structurele veranderingen van de metalen tijdens de fabricage van het apparaat;
- Afhankelijkheid van de atmosferische samenstelling, afdichtingskosten;
- Meetfouten door blootstelling aan elektromagnetische golven.
