Termočlánok je zariadenie na meranie teploty vo všetkých oblastiach vedy a techniky. Tento článok poskytuje všeobecný prehľad termočlánkov s rozdelením ich konštrukcie a princípu fungovania. Opisujú sa druhy termočlánkov s ich stručnými charakteristikami a uvádza sa hodnotenie termočlánku ako meracieho zariadenia.
Obsah
Návrh termočlánku
Princíp činnosti termočlánku. Seebeckov efekt
Termočlánok je založený na termoelektrickom efekte, ktorý objavil nemecký fyzik Tomas Seebeck v roku 1821.
Tento jav je založený na výskyte elektriny v uzavretom elektrickom obvode pri vystavení určitej teplote okolia. Elektrický prúd vzniká pri rozdiele teplôt medzi dvoma vodičmi (termočlánkami) rôzneho zloženia (rôznorodé kovy alebo zliatiny) a udržiava sa udržiavaním ich styčných bodov (spojov). Zariadenie zobrazí nameranú hodnotu teploty na obrazovke pripojeného sekundárneho zariadenia.
Výstupné napätie a teplota sú v lineárnom vzťahu. To znamená, že zvýšenie meranej teploty má za následok vyššiu hodnotu milivoltov na voľných koncoch termočlánku.
Spojenie v mieste merania teploty sa nazýva "horúci spoj" a pripojenie vodičov k vysielaču sa nazýva "studený spoj".
Kompenzácia teploty studeného spoja (CJC)
Kompenzácia studeného spoja (Cold junction compensation - CJC) je korekcia vo forme korekcie na konečný údaj pri meraní teploty v mieste pripojenia voľných koncov termočlánku. Je to spôsobené rozdielom medzi skutočnou teplotou studeného spoja a vypočítanými hodnotami z kalibračnej tabuľky pre teplotu studeného spoja pri 0 °C.
CHS je diferenčná metóda, pri ktorej sa absolútny údaj teploty odvodzuje od známej hodnoty teploty studeného spoja (inak nazývaného referenčný spoj).
Konštrukcia termočlánku
Pri návrhu termočlánku sa zohľadňuje vplyv faktorov, ako je "agresivita" vonkajšieho prostredia, skupenstvo látky, rozsah meraných teplôt a iné.
Vlastnosti konštrukcie termočlánku:
1) Páry vodičov sa navzájom spájajú skrútením alebo spletaním s ďalším zváraním elektrickým oblúkom (zriedkavo spájkovaním).
DÔLEŽITÉ: Metóda krútenia sa neodporúča z dôvodu rýchlej straty vlastností spoja.
2) Elektródy termočlánku musia byť elektricky izolované po celej dĺžke, okrem miesta kontaktu.
3) Spôsob izolácie sa volí podľa hornej hranice teploty.
- Do 100-120 °C - akákoľvek izolácia;
- Do 1300 °C - porcelánové rúrky alebo guľôčky;
- Do 1950 °C - Al2O3;
- Nad 2000 °C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Ochranný kryt.
Materiál musí byť tepelne a chemicky odolný, s dobrou tepelnou vodivosťou (kov, keramika). Použitie plášťa zabraňuje korózii v určitých médiách.
Predlžovacie (kompenzačné) káble
Tento typ vodiča je potrebný na predĺženie koncov termočlánku k sekundárnemu zariadeniu alebo bariére. Vodiče sa nepoužívajú, ak má termočlánok zabudovaný vysielač s jednotným výstupným signálom. Najbežnejšia aplikácia je pre štandardný prevodník umiestnený v hlave svorkovnice snímača unifikovaného signálu 4-20 mA, tzv. "tabletu".
Materiál drôtu môže byť rovnaký ako materiál termočlánku, ale najčastejšie sa nahrádza lacnejším, pričom sa zohľadňujú podmienky zabraňujúce vzniku parazitných (indukovaných) termočlánkov. Optimalizácii výroby môže pomôcť aj používanie predlžovacích drôtov.
Vaše tipy! Ak chcete správne určiť polaritu kompenzačných vodičov a ich pripojenie k termočlánku, zapamätajte si mnemotechnické pravidlo MM - mínus je magnetický. To znamená, že ak vezmete akýkoľvek magnet, mínus kompenzácie bude magnetický, na rozdiel od plusu.
Typy a druhy termočlánkov
Rozmanitosť termočlánkov je spôsobená rôznymi kombináciami použitých kovových zliatin. Výber termočlánku závisí od odvetvia a požadovaného teplotného rozsahu.
Chróm-hliníkový termočlánok (TXA)
Kladná elektróda: zliatina chrómu (90 % Ni, 10 % Cr).
Záporná elektróda: zliatina hliníka (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Izolačný materiál: porcelán, kremeň, oxidy kovov atď.
Teplotný rozsah od -200 °C do 1300 °C krátkodobo a 1100 °C dlhodobo.
Prevádzkové prostredie: inertné, oxidačné (O2=2-3 % alebo úplne vylúčiť), suchý vodík, krátkodobé vákuum. V redukčnej alebo redoxnej atmosfére v prítomnosti ochranného plášťa.
Nevýhody: ľahko sa deformuje, vratná nestabilita tepelného EMP.
Možné prípady korózie a krehkosti hliníka v prítomnosti stopových množstiev síry v atmosfére a chrómu v slabo oxidačnej atmosfére ("zelený íl").
Chróm-medený termočlánok (CTC)
Kladná elektróda: zliatina chrómu (90 % Ni, 10 % Cr).
Záporná elektróda: zliatina Copel (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Teplotný rozsah -253 °C až 800 °C dlhodobo a 1100 °C krátkodobo.
Prevádzkové médium: Inertné a oxidačné, krátkodobé vákuum.
Nevýhody: deformácia termočlánku.
Je možné, že sa chróm počas dlhodobého vákua vyparí; môže reagovať s atmosférou obsahujúcou síru, chróm, fluór.
Železo-konštantný termočlánok (PCT)
Kladná elektróda: čisté železo (mäkká oceľ).
Záporná elektróda: zliatina konštantánu (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Používa sa na merania v redukčnom, inertnom a vákuovom prostredí. Teplotný rozsah od -203 °C do 750 °C dlhodobo a 1100 °C krátkodobo.
Aplikácia je založená na kombinovanom meraní kladných a záporných teplôt. Nie je vhodný len pre záporné teploty.
Nevýhody: deformácia termočlánku, nízka odolnosť proti korózii.
Zmena fyzikálno-chemických vlastností železa pri teplotách okolo 700 °C a 900 °C. Interaguje so sírou a vodnými parami a vytvára koróziu.
Volfrám-réniový termočlánok (TVR)
Kladná elektróda: zliatiny BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 s prídavkom oxidu kremičitého a hliníka)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Záporná elektróda: zliatiny BP20 (80 % W, 20 % Rh).
Izolácia: Keramika z chemicky čistých oxidov kovov.
Medzi ich vlastnosti patrí mechanická pevnosť, teplotná odolnosť, nízka citlivosť na znečistenie a jednoduchá výroba.
Meria teploty od 1800 °C do 3000 °C, spodná hranica je 1300 °C. Meria sa v podmienkach inertného plynu, suchého vodíka alebo vákua. Vhodné len na merania v oxidačnom prostredí pre rýchle procesy.
Nevýhody: zlá reprodukovateľnosť tepelného EMP, jeho nestabilita počas ožarovania, nestabilná citlivosť v teplotnom rozsahu.
Volfrám-molybdénový (TM) termočlánok
Kladná elektróda: volfrám (technicky čistý).
Záporná elektróda: molybdén (technicky čistý).
Izolácia: Hliníková keramika, chránená kremennými hrotmi.
Inertné, vodíkové alebo vákuové prostredie. Krátkodobé merania v oxidačnom prostredí sú možné za prítomnosti izolácie. Rozsah meraných teplôt je od 1400 do 1800 °C, s maximálnou pracovnou teplotou približne 2400 °C.
Nevýhody: slabá reprodukovateľnosť a citlivosť termo-EDC, inverzia polarity, krehnutie pri vysokých teplotách.
Platinovo-rádiovo-platinové termočlánky (PPT)
Kladná elektróda: platina-Rh (Pt s 10 % alebo 13 % Rh)
Záporná elektróda: platina.
Izolácia: Kremeň, porcelán (normálny a žiaruvzdorný). do 1400 °C - keramika so zvýšeným obsahom Al2O3O, nad 1400 °C - chemicky čistý Al2O3.
Maximálna prevádzková teplota 1400 °C dlhodobo, 1600 °C krátkodobo. Meranie pri nízkych teplotách sa bežne nevykonáva.
Prevádzkové prostredie: oxidačné a inertné, redukčné prostredie v prítomnosti tienenia.
Nevýhody: vysoká cena, nestabilita pri ožarovaní, vysoká citlivosť na kontamináciu (najmä platinovej elektródy), rast kovových zŕn pri vysokých teplotách.
Platinovo-rádiové-platinovo-rádiové termočlánky (PRT)
Kladná elektróda: zliatina Pt s 30 % Rh.
Záporná elektróda: zliatina Pt so 6 % Rh.
Médiá: Oxidačné, neutrálne a vákuové. Používajte v redukujúcom a paru obsahujúcom kovovom alebo nekovovom prostredí za prítomnosti tienenia.
Maximálna pracovná teplota: 1600 °C dlhodobo, 1800 °C krátkodobo.
Izolácia: Keramika z Al2O3 Keramika Al O vysokej čistoty.
Je menej náchylný na chemickú kontamináciu a rast zrniek ako platinovo-niklový termočlánok.
Schéma zapojenia pre termočlánok
- Pripojenie potenciometra alebo galvanometra priamo k vodičom.
- Pripojenie pomocou kompenzačných vodičov;
- Pripojenie pomocou bežných medených vodičov k termočlánku s unifikovaným výstupom.
Štandardy farieb vodičov termočlánkov
Farebná izolácia vodičov pomáha odlíšiť termočlánkové elektródy od seba na správne pripojenie ku svorkám. Normy sa v jednotlivých krajinách líšia, neexistujú žiadne špecifické farebné označenia vodičov.
DÔLEŽITÉ: Je potrebné zistiť, aký štandard spoločnosť používa, aby sa predišlo chybám.
Presnosť merania
Presnosť závisí od typu termočlánku, meraného teplotného rozsahu, čistoty materiálu, elektrického šumu, korózie, vlastností spoja a výrobného procesu.
Termočlánky majú priradenú triedu tolerancie (štandardnú alebo špeciálnu), ktorá určuje interval spoľahlivosti merania.
DÔLEŽITÉ: Vlastnosti v čase výroby sa počas prevádzky menia.
Rýchlosť merania
Rýchlosť je daná schopnosťou primárneho snímača rýchlo reagovať na teplotné skoky a následný tok vstupných signálov do meracieho prístroja.
Faktory, ktoré zvyšujú schopnosť reagovať:
- Správna inštalácia a výpočet dĺžky primárneho snímača;
- Ak používate prevodník s termočlánkom, znížte hmotnosť jednotky výberom menšieho priemeru termočlánku;
- Minimalizujte vzduchovú medzeru medzi primárnym snímačom a tepelnou jamkou;
- Použitie primárneho snímača s pružinou a vyplnenie dutín v termálnej jamke tepelne vodivou výplňou;
- Rýchlo sa pohybujúce médium alebo médium s vyššou hustotou (kvapalina).
Funkčná skúška termočlánku
Na overenie činnosti pripojte špeciálne meracie zariadenie (tester, galvanometer alebo potenciometer) alebo zmerajte výstupné napätie milivoltmetrom. Ak šípka alebo digitálny displej kolíše, termočlánok je platný, inak je potrebné zariadenie vymeniť.
Príčiny poruchy termočlánku:
- Nepoužívanie ochranného tieniaceho zariadenia;
- Zmena chemického zloženia elektród;
- Oxidačné procesy prebiehajúce pri vysokých teplotách;
- porucha meracieho prístroja atď.
Výhody a nevýhody používania termočlánkov
Medzi výhody používania tohto zariadenia patria:
- Veľký rozsah merania teploty;
- Vysoká presnosť;
- Jednoduché a spoľahlivé.
Nevýhody sú:
- Neustále monitorovanie studeného spoja, overovanie a kalibrácia regulačného zariadenia;
- Štrukturálne zmeny kovov počas výroby prístroja;
- Závislosť od zloženia atmosféry, náklady na tesnenie;
- Chyby merania spôsobené pôsobením elektromagnetických vĺn.
