Vad är en termoelement? Funktionsprincip, grundläggande typer och typer.

Termokoppling är en anordning för temperaturmätning inom alla vetenskaps- och teknikområden. Den här artikeln ger en allmän översikt över termoelement med en uppdelning av deras konstruktion och funktionsprincip. Sorter av termoelement och deras kortfattade egenskaper beskrivs, och en utvärdering av termoelementet som mätinstrument ges.

Utformning av ett termoelement

Principen för hur en termokoppling fungerar. Seebeck-effekten

Termokopplingen bygger på den termoelektriska effekten som upptäcktes av den tyske fysikern Tomas Seebeck 1821.

Fenomenet bygger på att elektricitet uppstår i en sluten elektrisk krets när den utsätts för en viss omgivningstemperatur. Elektrisk ström genereras när det finns en temperaturskillnad mellan två ledare (termoelement) av olika sammansättning (olikfärgade metaller eller legeringar) och upprätthålls genom att deras kontaktpunkter (förbindningar) bibehålls. Enheten visar det uppmätta temperaturvärdet på skärmen på den anslutna sekundära enheten.

Utgångsspänningen och temperaturen har ett linjärt samband. Detta innebär att en ökning av den uppmätta temperaturen resulterar i ett högre millivoltvärde vid de fria ändarna av termoelementet.

Förbindelsen vid temperaturmätningspunkten kallas "varm förbindelse" och anslutningen av ledningarna till sändaren kallas "kall förbindelse".

Temperaturkompensation för kallt läge (CJC)

Kompensation av kallt förband (CJC) är en korrigering i form av en korrigering av den slutliga avläsningen vid mätning av temperaturen vid anslutningspunkten för termoelementets fria ändar. Detta beror på diskrepansen mellan den faktiska temperaturen i kallförbindelsen och de beräknade avläsningarna från kalibreringstabellen för temperaturen i kallförbindelsen vid 0 °C.

CHS är en differentiell metod där den absoluta temperaturavläsningen härleds från det kända värdet av temperaturen i den kalla förbindelsen (även kallad referensförbindelsen).

Utformning av termoelement

Vid utformningen av ett termoelement tas hänsyn till faktorer som den yttre miljöns aggressivitet, ämnets aggregattillstånd, det temperaturområde som ska mätas och andra faktorer.

Egenskaper för termokopplingens utformning:

1) Ledarpar ansluts till varandra genom att vrida eller strängar med ytterligare elektrisk bågsvetsning (sällan lödning).

VIKTIGT: Vridmetoden rekommenderas inte på grund av den snabba förlusten av kopplingsegenskaperna.

2) Termokopplingselektroderna måste vara elektriskt isolerade längs hela sin längd, utom vid kontaktpunkten.

3) Isoleringsmetoden väljs enligt den övre temperaturgränsen.

• Upp till 100-120 °C - vilken isolering som helst;
• Upp till 1300 °C - porslinsrör eller porslinsbitar;
• Upp till 1950°C - Al₂O₃;
• Över 2000 °C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Skyddskåpa.

Materialet måste vara termiskt och kemiskt beständigt och ha god värmeledningsförmåga (metall, keramik). Användningen av höljet förhindrar korrosion i vissa medier.

Förlängningskablar (kompensationskablar)

Denna typ av tråd behövs för att förlänga termokopplingens ändar till en sekundär anordning eller barriär. Trådarna används inte om termoelementet har en inbyggd sändare med en enhetlig utsignal. Den vanligaste tillämpningen är en standardtransmitter som är inrymd i ett terminalhuvud för en enhetlig 4-20 mA-signalgivare, en så kallad "tablett".

Trådmaterialet kan vara detsamma som materialet i termoelementet, men byts oftast ut mot ett billigare material, med hänsyn tagen till förhållanden som förhindrar bildandet av parasitära (inducerade) termo-ED:er. Användningen av förlängningskablar kan också bidra till att optimera produktionen.

Dina tips! För att korrekt bestämma polariteten på kompensationsledningarna och deras anslutning till termoelementet ska du komma ihåg MM-minnesregeln - minus är magnetiskt. Det vill säga, ta vilken magnet som helst och minusdelen av kompensationen kommer att vara magnetisk, till skillnad från plusdelen.

Typer och typer av termoelement

Mångfalden av termoelement beror på de olika kombinationer av metallegeringar som används. Valet av termoelement baseras på branschen och det önskade temperaturområdet.

Termokoppling av krom-aluminium (TXA)

Positiv elektrod: kromlegering (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativ elektrod: Aluminiumlegering (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Isolerande material: porslin, kvarts, metalloxider etc.

Temperaturområde från -200°C till 1300°C på kort sikt och 1100°C på lång sikt.

Driftsmiljö: inert, oxiderande (O₂=2-3 % eller helt elimineras), torr väte, kortvarigt vakuum. I en reducerande atmosfär eller redoxatmosfär i närvaro av ett skyddande hölje.

Nackdelar: lätt att deformera, reversibel instabilitet i termisk EMF.

Möjliga fall av korrosion och försprödning av alumel i närvaro av spår av svavel i atmosfären och kromel i en svagt oxiderande atmosfär ("grön lera").

Termoelement av krom-koppar (CTC)

Positiv elektrod: kromellegering (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativ elektrod: Copel-legering (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Temperaturområde -253 °C till 800 °C långvarigt och 1100 °C kortvarigt.

Driftsmedium: Inert och oxiderande, kortvarigt vakuum.

Nackdelar: Termokoppelns förvridning.

Det är möjligt att krom avdunstar under långvarigt vakuum; det kan reagera med atmosfären som innehåller svavel, krom och fluor.

Järnkonstant termokoppling (PCT)

Positiv elektrod: rent järn (mjukt stål).
Negativ elektrod: konstantanlegering (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).

Används för mätningar i reducerande, inerta och vakuummiljöer. Temperaturområde från -203°C till 750°C på lång sikt och 1100°C på kort sikt.

Tillämpningen bygger på kombinerad mätning av positiva och negativa temperaturer. Inte lämplig för enbart negativa temperaturer.

Nackdelar: deformation av termoelementet, låg korrosionsbeständighet.

Förändring av järnets fysikalisk-kemiska egenskaper vid 700°C och 900°C. Samverkar med svavel- och vattenångor för att bilda korrosion.

Termokoppling av volfram-rhenium (TVR)

Positiv elektrod: legeringar BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 med kiseldioxid och aluminiumtillsats)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativ elektrod: BP20-legeringar (80 % W, 20 % Rh).

Isolering: Keramik av kemiskt rena metalloxider.

De har bland annat mekanisk styrka, temperaturbeständighet, låg känslighet för föroreningar och enkel tillverkning.

Mäter temperaturer från 1800°C till 3000°C, den nedre gränsen är 1300°C. Mäts under inert gas, torr väte eller vakuum. Endast lämplig för mätningar i oxiderande miljöer för snabba processer.

Nackdelar: dålig reproducerbarhet av termisk EMF, dess instabilitet under bestrålning, instabil känslighet inom temperaturområdet.

Termokoppling av volfram-molybden (TM)

Positiv elektrod: Volfram (tekniskt ren).
Negativ elektrod: molybden (tekniskt ren).

Isolering: Aluminiumoxidkeramik, skyddad med kvarts spetsar.

Inert miljö, väte eller vakuum. Kortvariga mätningar i oxiderande miljöer är möjliga i närvaro av isolering. Det mätbara temperaturområdet ligger mellan 1400 och 1800 °C, med en maximal arbetstemperatur på ca 2400 °C.

Nackdelar: dålig reproducerbarhet och känslighet hos termo-EDC, polaritetsinversion, försprödning vid höga temperaturer.

Termokopplar av platina, rhodium och platina (PPT)

Positiv elektrod: Platina-Rh (Pt med 10 % eller 13 % Rh).
Negativ elektrod: Platina.

Isolering: Kvarts, porslin (normalt och eldfast). Upp till 1400 °C - keramik med ökat innehåll av Al₂O₃O, över 1400 °C - kemiskt ren Al₂O₃.

Högsta driftstemperatur 1400°C långvarigt, 1600°C kortvarigt. Mätning vid låga temperaturer utförs normalt inte.

Driftsmiljö: oxiderande och inert, reducerande miljö i närvaro av avskärmning.

Nackdelar: hög kostnad, instabilitet vid bestrålning, hög känslighet för kontaminering (särskilt platinaelektroden), tillväxt av metallkorn vid höga temperaturer.

Platina-rhodium-platina-rhodium-termokopplar (PRT)

Positiv elektrod: Pt-legering med 30 % Rh.
Negativ elektrod: Pt-legering med 6 % Rh.

Medier: Oxiderande, neutrala och vakuum. Används i reducerande och ånginnehållande metalliska eller icke-metalliska miljöer i närvaro av avskärmning.

Högsta arbetstemperatur: 1600 °C långvarigt, 1800 °C kortvarigt.

Isolering: Keramik av Al₂O₃ Al O-keramik med hög renhet.

Mindre känslig för kemisk kontaminering och korntillväxt än platinanickeltermokopplar.

Kopplingsschema för termoelement

• Anslutning av potentiometer eller galvanometer direkt till ledare.
• Anslutning med hjälp av kompensationskablar;
• Anslutning via konventionella koppartrådar till ett termoelement med en enhetlig utgång.

Färgnormer för termokopplingsledare

Färgad ledarisolering hjälper till att skilja termoelementelektroder från varandra för korrekt anslutning till terminaler. Standarderna skiljer sig från land till land och det finns inga specifika färgbeteckningar för ledarna.

VIKTIGT: Det är nödvändigt att ta reda på vilken standard företaget använder för att undvika fel.

Mätningens noggrannhet

Noggrannheten beror på typen av termoelement, det temperaturområde som ska mätas, materialets renhet, elektriskt brus, korrosion, egenskaperna hos förbindningen och tillverkningsprocessen.

Termokopplar tilldelas en toleransklass (standard eller special) som bestämmer mätningens konfidensintervall.

VIKTIGT: Egenskaperna vid tillverkningstillfället förändras under drift.

Mätningshastighet

Hastigheten bestäms av den primära givarens förmåga att reagera snabbt på temperatursprång och det efterföljande flödet av insignaler till mätinstrumentet.

Faktorer som ökar reaktionsförmågan:

1. Korrekt installation och beräkning av längden på den primära givaren;
2. När du använder en givare med en termovågsbehållare kan du minska enhetens vikt genom att välja en mindre termovågsbehållardiameter;
3. Minimera luftspalten mellan den primära givaren och termovågen;
4. Användning av en fjäderbelastad primär givare och fyllning av hålrummen i termoplattan med värmeledande fyllmedel;
5. Snabbt rörligt medium eller medium med högre densitet (vätska).

Funktionstest av en termokoppling

För att verifiera driften ansluts en särskild mätanordning (testare, galvanometer eller potentiometer) eller mät utgångsspänningen med en millivoltmeter. Om pilen eller den digitala displayen fluktuerar är termoelementet giltigt, annars måste enheten bytas ut.

Orsaker till fel på termoelement:

1. Underlåtenhet att använda en skyddsskärm;
2. Förändring av elektrodernas kemiska sammansättning;
3. Oxidationsprocesser som sker vid höga temperaturer;
4. Fel på mätinstrumentet etc.

För- och nackdelar med att använda termoelement

Fördelarna med att använda den här apparaten är bland annat:

• Stort temperaturmätningsområde;
• Hög noggrannhet;
• Enkelt och pålitligt.

Nackdelarna är:

• Ständig övervakning av den kalla förbindelsen, verifiering och kalibrering av kontrollutrustningen;
• Strukturella förändringar av metallerna under tillverkningen;
• Beroende av atmosfärens sammansättning, kostnader för tätning;
• Mätfel på grund av exponering för elektromagnetiska vågor.

Relaterade artiklar: