Kaj je termočlen, princip delovanja, osnovne vrste in tipi

Termočlen je naprava za merjenje temperature v vseh vejah znanosti in tehnike. Ta članek ponuja splošen pregled termočlenov z razčlenitvijo zasnove in načela delovanja naprave. Opisane so vrste termočlenov z njihovimi kratkimi značilnostmi in podana ocena termočlena kot merilne naprave.

Zasnova termoelementa

Načelo delovanja termoelementa. Seebeckov učinek

Termočlen temelji na termoelektričnem učinku, ki ga je leta 1821 odkril nemški fizik Tomas Seebeck.

Pojav temelji na nastanku elektrike v sklenjenem električnem krogu, ko je izpostavljen določeni temperaturi okolja. Električni tok nastane, ko obstaja temperaturna razlika med dvema prevodnikoma (termoelektrodama) različnih sestav (različne kovine ali zlitine) in se vzdržuje tako, da ostanejo njuni stiki (stičišča) na mestu. Naprava prikazuje izmerjeno vrednost temperature na zaslonu priključene sekundarne naprave.

Izhodna napetost in temperatura sta v linearni povezavi. To pomeni, da zvišanje izmerjene temperature povzroči višjo vrednost v milivoltih na prostih koncih termočlena.

Spoj na točki merjenja temperature se imenuje "vroč spoj", točka, kjer so žice priključene na oddajnik, pa se imenuje "hladni spoj".

Temperaturna kompenzacija hladnega spoja (CJC)

Kompenzacija hladnega spoja (CJC) je popravek v obliki popravka končnega odčitka pri merjenju temperature na priključni točki prostih koncev termočlena. To je posledica odstopanj med dejansko temperaturo hladnega spoja in izračunanimi odčitki iz kalibracijske karte za temperaturo hladnega spoja pri 0 °C.

CHS je diferencialna metoda, pri kateri odčitek absolutne temperature izhaja iz znane vrednosti temperature hladnega spoja (drugo ime za referenčni spoj).

Zasnova termoelementa

Zasnova termoelementa upošteva vpliv dejavnikov, kot so "agresivnost" zunanjega okolja, agregatno stanje snovi, razpon temperatur, ki jih je treba izmeriti, in drugi.

Značilnosti zasnove termoelementa:

1) Pari prevodnikov so med seboj povezani z zvijanjem ali navijanjem z nadaljnjim obločnim varjenjem (redko spajkanjem).

POMEMBNO: Metoda zvijanja ni priporočljiva zaradi hitre izgube spojnih lastnosti.

2) Elektrode termočlena morajo biti električno izolirane po celotni dolžini, razen na dotični točki.

3) Metoda izolacije je izbrana ob upoštevanju zgornje meje temperature.

• Do 100-120°C - katera koli izolacija;
• Do 1300°C - porcelanaste cevi ali kroglice;
• Do 1950°C - Al₂O₃;
• Nad 2000 ° C - cevi iz MgO, BeO, ThO₂ThO, ZrO₂.

4) Zaščitni pokrov.

Material mora biti toplotno in kemično odporen, z dobro toplotno prevodnostjo (kovina, keramika). Uporaba ovoja preprečuje korozijo v nekaterih medijih.

Razširitvene (razširitvene) žice

Ta vrsta žice je potrebna za podaljšanje koncev termočlena do sekundarne naprave ali pregrade. Žice se ne uporabljajo, če ima termočlen vgrajen oddajnik z enotnim izhodnim signalom. Najbolj razširjena uporaba je normalizacijski pretvornik, nameščen v standardno senzorsko priključno glavo z enotnim signalom 4-20 mA, tako imenovana "tablica".

Material žic lahko sovpada z materialom termoelektrod, vendar se najpogosteje zamenja s cenejšim, ob upoštevanju pogojev, ki preprečujejo nastanek parazitskih (induciranih) termoelektrod. Tudi uporaba podaljševalnih žic pomaga optimizirati proizvodnjo.

Namigi in triki! Če želite pravilno določiti polarnost kompenzacijskih žic in njihovo povezavo s termočlenom, si zapomnite mnemonično pravilo MM - minus je magneten. To pomeni, da vzemite kateri koli magnet in minus kompenzacije bo magneten, za razliko od plusa.

Vrste in vrste termočlenov

Raznolikost termoelementov je posledica različnih kombinacij uporabljenih kovinskih zlitin. Izbira termoelementa temelji na industriji in zahtevanem temperaturnem območju.

Kromel-alumel termoelement (TXA)

Pozitivna elektroda: kromelna zlitina (90% Ni, 10% Cr).
Negativna elektroda: alumelna zlitina (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Izolacijski material: porcelan, kremen, kovinski oksidi itd.

Temperaturno območje od -200 °C do 1300 °C kratkotrajno in 1100 °C dolgotrajno ogrevanje.

Delovno okolje: inertno, oksidativno (O₂=2-3 % ali popolnoma izključeno), suhi vodik, kratkotrajni vakuum. V redukcijski ali redoks atmosferi v prisotnosti zaščitnega ovoja.

Slabosti: enostavno deformiranje, reverzibilna nestabilnost termičnega EMF.

Možni primeri korozije in krhkosti alumela v prisotnosti sledi žvepla v atmosferi in kromala v šibko oksidativni atmosferi ("zelena glina").

Termoelement krom-baker (TCC)

Pozitivna elektroda: kromelna zlitina (90% Ni, 10% Cr).
Negativna elektroda: copelova zlitina (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Temperaturno območje od -253°C do 800°C dolgotrajno in 1100°C kratkotrajno segrevanje.

Delovno okolje: inertno in oksidativno, kratkotrajni vakuum.

Slabosti: deformacija termočlena.

Morda izhlapevanje kroma v dolgem vakuumu; reakcija z atmosfero, ki vsebuje žveplo, krom, fluor.

Železo-konstantan termoelement (PCT).

Pozitivna elektroda: tehnično čisto železo (blago jeklo).
Negativna elektroda: konstantanska zlitina (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Uporablja se za meritve v redukcijskih, inertnih medijih in vakuumu. Temperature od -203 °C do 750 °C dolgo in 1100 °C kratkotrajno segrevanje.

Aplikacija je zložena na skupnem merjenju pozitivnih in negativnih temperatur. Ni ugodno uporabljati samo za negativne temperature.

Slabosti: deformacija termočlena, nizka odpornost proti koroziji.

Sprememba fizikalnih in kemijskih lastnosti železa okoli 700 °С in 900 °С. Interagira z žveplom in vodno paro s tvorbo korozije.

Volfram-renijev termoelement (TVR)

Pozitivna elektroda: zlitine BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 s silicijevim dioksidom in dodatkom aluminija)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativna elektroda: zlitine BP20 (80 % W, 20 % Rh).

Izolacija: keramika iz kemično čistih kovinskih oksidov.

Lastnosti vključujejo mehansko trdnost, temperaturno odpornost, nizko občutljivost na kontaminacijo in enostavnost izdelave.

Merjenje temperatur od 1800 ° C do 3000 ° C, spodnja meja - 1300 ° C. Meritve se izvajajo v inertnem plinu, suhem vodiku ali vakuumskem okolju. V oksidacijskih medijih samo za meritve v hitro tekočih procesih.

Slabosti: slaba obnovljivost termičnega EMF, njegova nestabilnost med obsevanjem, nestabilna občutljivost v temperaturnem območju.

Termočlen volfram-molibden (TM).

Pozitivna elektroda: volfram (tehnično čist).
Negativna elektroda: molibden (tehnično čist).

Izolacija: aluminijeva keramika, zaščita s kremenčevimi konicami.

Inertno, vodikovo ali vakuumsko okolje. Kratkotrajne meritve v oksidativnih okoljih so možne ob prisotnosti izolacije. Območje izmerjenih temperatur je 1400-1800 °C, mejna delovna temperatura je okoli 2400 °C.

Slabosti: slaba ponovljivost in občutljivost termo-EDC, inverzija polarnosti, krhkost pri visokih temperaturah.

Termoelementi platina-rodij-platina (TPP)

Pozitivna elektroda: platina-rodij (Pt z 10% ali 13% Rh).
Negativna elektroda: platina.

Izolacija: kremen, porcelan (navaden in ognjevzdržen). Do 1400 °C - keramika z visoko vsebnostjo Al₂O₃O, nad 1400 °С - kemično čist Al₂O₃.

Najvišja delovna temperatura 1400 ° C za daljši čas, 1600 ° C za kratek čas. Merjenje pri nizkih temperaturah se običajno ne izvaja.

Delovno okolje: oksidacijsko in inertno, redukcijsko okolje v prisotnosti zaščite.

Slabosti: visoka cena, nestabilnost pri obsevanju, visoka občutljivost na kontaminacijo (zlasti platinasta elektroda), rast kovinskih zrn pri visokih temperaturah.

Termočleni platina-rodij-platina-rodij (PRT)

Pozitivna elektroda: Pt zlitina s 30% Rh.
Negativna elektroda: Pt zlitina s 6% Rh.

Medij: oksidacijski, nevtralni in vakuumski. Uporaba v redukcijskih in kovinskih ali nekovinskih okoljih, ki vsebujejo hlape, ob prisotnosti zaščite.

Najvišja delovna temperatura: 1600°C dolgoročno, 1800°C kratkotrajno.

Izolacija: Keramika iz Al₂O₃ visoka čistost.

Manj dovzeten za kemično onesnaženje in rast zrn kot termočlen platina-rodij.

Shema povezave termoelementa

• Priključitev potenciometra ali galvanometra neposredno na vodnike.
• Povezava s kompenzacijskimi žicami;
• Povezava s konvencionalnimi bakrenimi žicami na termočlen z enotnim izhodom.

Barvni standardi prevodnikov termočlenov

Barvno označena izolacija prevodnika pomaga razlikovati elektrode termoelementa med seboj za pravilno povezavo s sponkami. Standardi se razlikujejo glede na državo; za prevodnike ni posebnih barvnih oznak.

POMEMBNO: Treba je ugotoviti standard, ki se uporablja v tovarni, da preprečite napake.

Natančnost merjenja

Natančnost je odvisna od vrste termoelementa, izmerjenega temperaturnega območja, čistosti materiala, električnega šuma, korozije, lastnosti spoja in proizvodnega procesa.

Termočlenom je dodeljen razred tolerance (standardni ali posebni), ki določa interval zaupanja meritve.

POMEMBNO: Lastnosti ob izdelavi se med delovanjem spreminjajo.

Hitrost merjenja

Odzivnost je določena s sposobnostjo primarnega pretvornika, da se hitro odzove na temperaturne skoke in kasnejši pretok vhodnih signalov iz merilnega instrumenta.

Dejavniki, ki povečajo odzivnost:

1. Pravilna namestitev in izračun dolžine primarnega pretvornika;
2. Pri uporabi oddajnika z zaščitnim zaščitnim tulcem zmanjšajte maso sklopa z izbiro manjšega premera zaščitnega tulca;
3. Zmanjšajte zračno režo med primarnim pretvornikom in zaščitnim vložkom;
4. Uporaba vzmetnega primarnega pretvornika in polnjenje votlin v zaščitni vdolbini s toplotno prevodnim polnilom;
5. Hitro premikajoči se mediji ali mediji z večjo gostoto (tekočina).

Preverjanje delovanja termoelementa

Za preverjanje delovanja priključite posebno merilno napravo (tester, galvanometer ali potenciometer) ali izmerite izhodno napetost z milivoltmetrom. Če puščica ali digitalni indikator niha, je termočlen v redu, sicer je treba napravo zamenjati.

Vzroki za okvaro termočlena:

1. Neuporaba zaščitne naprave;
2. Spreminjanje kemične sestave elektrod;
3. Oksidativni procesi, ki se pojavljajo pri visokih temperaturah;
4. Okvara merilnega instrumenta ipd.

Prednosti in slabosti uporabe termočlenov

Prednosti uporabe te naprave lahko imenujemo:

• Veliko temperaturno območje meritev;
• Visoka natančnost;
• Enostavnost in zanesljivost.

Slabosti morajo vključevati:

• Izvajanje kontinuiranega nadzora hladnega spoja, verifikacija in kalibracija krmilne opreme;
• Strukturne spremembe kovin med izdelavo naprave;
• Odvisnost od atmosferske sestave, stroški tesnjenja;
• Merilna napaka zaradi izpostavljenosti elektromagnetnemu valovanju.

Povezani članki: