Termočlánok je zariadenie na meranie teplôt vo všetkých odvetviach vedy a techniky. Tento článok predstavuje všeobecný prehľad termočlánkov s analýzou konštrukcie a princípu činnosti zariadenia. Popísané sú rôzne druhy termočlánkov s ich stručnou charakteristikou, ako aj posúdenie termočlánku ako meracieho prístroja.
Obsah
Termočlánkové zariadenie
Princíp činnosti termočlánku. Seebeckov efekt
Fungovanie termočlánku je spôsobené výskytom termoelektrického javu, 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 teplotnom rozdiele medzi dvoma vodičmi (termoelektródami) rôzneho zloženia (rôzne kovy alebo zliatiny) a udržiava sa udržiavaním miesta ich kontaktov (spojov). Zariadenie zobrazuje hodnotu nameranej teploty na obrazovke pripojeného sekundárneho zariadenia.
Výstupné napätie a teplota sú lineárne závislé. To znamená, že zvýšenie nameranej teploty má za následok vyššiu hodnotu milivoltov na voľných koncoch termočlánku.
Spojenie umiestnené v mieste merania teploty sa nazýva „horúce“ a miesto, kde sú vodiče pripojené k prevodníku, sa nazýva „studené“.
Kompenzácia teploty studených spojov (CJC)
Kompenzácia studeného spoja (CJC) je kompenzácia aplikovaná ako korekcia celkovej hodnoty pri meraní teploty v bode, kde sú pripojené vodiče termočlánku. Je to spôsobené nezrovnalosťami medzi skutočnou teplotou studených koncov a vypočítanými hodnotami v kalibračnej tabuľke pre teplotu studeného konca pri 0 °C.
CCS je diferenciálna metóda, pri ktorej sa namerané hodnoty absolútnej teploty zisťujú zo známej teploty studeného spoja (tiež známeho ako referenčný spoj).
Dizajn termočlánku
Pri návrhu termočlánku sa berie do úvahy vplyv takých faktorov, ako je „agresivita“ vonkajšieho prostredia, stav agregácie látky, rozsah nameraných teplôt a iné.
Vlastnosti dizajnu termočlánku:
1) Spoje vodičov sa prepájajú krútením alebo krútením ďalším zváraním elektrickým oblúkom (zriedkavo spájkovaním).
DÔLEŽITÉ: Neodporúča sa používať metódu krútenia kvôli rýchlej strate vlastností spojenia.
2) Termoelektródy musia byť elektricky izolované po celej svojej dĺžke, okrem bodu kontaktu.
3) Spôsob izolácie sa vyberá s prihliadnutím na hornú hranicu teploty.
- Do 100-120°C - akákoľvek izolácia;
- Do 1300°C - porcelánové rúrky alebo korálky;
- Do 1950°C - Al rúrky2O3;
- Nad 2000°С - rúrky vyrobené z MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Ochranný kryt.
Materiál musí byť tepelne a chemicky odolný, s dobrou tepelnou vodivosťou (kov, keramika). Použitie topánok zabraňuje korózii v určitých prostrediach.
Predlžovacie (kompenzačné) drôty
Tento typ drôtu je potrebný na predĺženie koncov termočlánku k sekundárnemu nástroju alebo bariére. Vodiče sa nepoužívajú, ak má termočlánok zabudovaný prevodník s jednotným výstupným signálom. Najpoužívanejší je normalizačný prevodník, umiestnený v štandardnej koncovej hlavici snímača s unifikovaným signálom 4-20mA, takzvaný "tablet".
Materiál drôtov sa môže zhodovať s materiálom termoelektród, ale najčastejšie sa nahrádza lacnejším, berúc do úvahy podmienky, ktoré bránia vzniku parazitných (indukovaných) termoemf. Použitie predlžovacích káblov tiež umožňuje optimalizovať výrobu.
Životný hack! Ak chcete správne určiť polaritu kompenzačných vodičov a pripojiť ich k termočlánku, nezabudnite na mnemotechnické pravidlo MM - mínus je magnetizované. To znamená, že vezmeme akýkoľvek magnet a mínus kompenzácie bude magnetizovaný, na rozdiel od plusu.
Typy a typy termočlánkov
Rozmanitosť termočlánkov sa vysvetľuje rôznymi kombináciami použitých kovových zliatin. Voľba termočlánku sa vykonáva v závislosti od odvetvia a požadovaného teplotného rozsahu.
Termočlánok chromel-alumel (TXA)
Pozitívna elektróda: chrómová zliatina (90% Ni, 10% Cr).
Záporná elektróda: zliatina alumelu (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Izolačný materiál: porcelán, kremeň, oxidy kovov atď.
Teplotný rozsah od -200°С do 1300°С krátkodobo a 1100°С dlhodobé vykurovanie.
Pracovné prostredie: inertné, oxidujúce (O2=2-3% alebo úplne vylúčené), suchý vodík, krátkodobé vákuum. V redukčnej alebo redoxnej atmosfére za prítomnosti ochranného krytu.
Nevýhody: ľahká deformácia, reverzibilná nestabilita termo-EMF.
Môžu sa vyskytnúť prípady korózie a skrehnutia alumelu v prítomnosti stôp síry v atmosfére a chrómu v slabo oxidačnej atmosfére („zelený íl“).
Termočlánok chromel-kopel (TKhK)
Pozitívna elektróda: chrómová zliatina (90% Ni, 10% Cr).
Negatívna elektróda: Kopelova zliatina (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Teplotný rozsah od -253°С do 800°С dlhodobé a 1100°С krátkodobé vykurovanie.
Pracovné prostredie: inertné a oxidačné, krátkodobé vákuum.
Nevýhody: deformácia termoelektródy.
Možnosť odparovania chrómu pri dlhodobom vákuu; reakcia s atmosférou obsahujúcou síru, chróm, fluór.
Termočlánok železo-konštantant (TGK)
Pozitívna elektróda: komerčne čisté železo (mäkká oceľ).
Negatívna elektróda: zliatina konštantánu (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Používa sa na merania v redukčných, inertných médiách a vo vákuu. Teplota od -203°С do 750°С dlhodobé a 1100°С krátkodobé vykurovanie.
Aplikácia sa vyvíja na spoločné meranie kladných a záporných teplôt. Je nerentabilné používať iba pri negatívnych teplotách.
Nevýhody: deformácia termoelektródy, nízka odolnosť proti korózii.
Zmeny fyzikálno-chemických vlastností železa pri asi 700 °C a 900 °C. Reaguje so sírou a vodnou parou za vzniku korózie.
Volfrámovo-réniový termočlánok (TVR)
Pozitívna elektróda: zliatiny BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 s prísadou oxidu kremičitého a hliníka) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Záporná elektróda: zliatiny BP20 (80 % W, 20 % Rh).
Izolácia: chemicky čistá keramika z oxidu kovu.
Zaznamenáva sa mechanická pevnosť, tepelná odolnosť, nízka citlivosť na znečistenie, jednoduchosť výroby.
Meranie teplôt od 1800°С do 3000°С, spodná hranica je 1300°С. Merania sa vykonávajú v inertnom plyne, suchom vodíku alebo vákuovom prostredí. V oxidačnom prostredí len na meranie v rýchlych procesoch.
Nevýhody: zlá reprodukovateľnosť termo-EMF, jeho nestabilita počas ožarovania, nestabilná citlivosť v teplotnom rozsahu.
Termočlánok volfrám-molybdén (VM)
Pozitívna elektróda: volfrám (komerčne čistý).
Záporná elektróda: molybdén (komerčne čistý).
Izolácia: hliníková keramika, chránená kremennými hrotmi.
Inertné, vodíkové alebo vákuové prostredie. Je možné vykonávať krátkodobé merania v oxidačnom prostredí v prítomnosti izolácie.Rozsah meraných teplôt je 1400-1800°C, maximálna prevádzková teplota je cca 2400°C.
Nevýhody: slabá reprodukovateľnosť a citlivosť tepelného EMF, prepólovanie, krehnutie pri vysokých teplotách.
Termočlánky platina-ródium-platina (TPP)
Pozitívna elektróda: platina-ródium (Pt c 10% alebo 13% Rh).
Záporná elektróda: platina.
Izolácia: kremeň, porcelán (obyčajný a žiaruvzdorný). Do 1400°C - keramika s vysokým obsahom Al2O3, nad 1400°C - keramika z chemicky čistého Al2O3.
Maximálna prevádzková teplota 1400°C dlhodobo, 1600°C krátkodobo. Meranie nízkych teplôt sa zvyčajne nevykonáva.
Pracovné prostredie: oxidujúce a inertné, redukujúce v prítomnosti ochrany.
Nevýhody: vysoká cena, nestabilita pri ožarovaní, vysoká citlivosť na kontamináciu (najmä platinová elektróda), rast kovových zŕn pri vysokých teplotách.
Termočlánky platina-rhodium-platina-rhodium (TPR)
Pozitívna elektróda: zliatina Pt s 30% Rh.
Záporná elektróda: zliatina Pt so 6 % Rh.
Médium: oxidačné, neutrálne a vákuové. Použitie pri znižovaní a zadržiavaní pár kovov alebo nekovov v prítomnosti ochrany.
Maximálna prevádzková teplota 1600°C dlhodobo, 1800°C krátkodobo.
Izolácia: Al keramika2O3 vysoká čistota.
Menej náchylný na chemickú kontamináciu a rast zŕn ako termočlánok platina-ródium-platina.
Schéma zapojenia termočlánku
- Pripojenie potenciometra alebo galvanometra priamo na vodiče.
- Spojenie s kompenzačnými vodičmi;
- Pripojenie bežnými medenými drôtmi k termočlánku s jednotným výstupom.
Normy farieb termočlánkov
Farebná izolácia vodičov pomáha rozlíšiť termoelektródy od seba pre správne pripojenie ku svorkám. Normy sa líšia v závislosti od krajiny, neexistujú žiadne špecifické farebné kódy pre vodiče.
DÔLEŽITÉ: Aby sa predišlo chybám, je potrebné poznať štandard používaný v podniku.
Presnosť merania
Presnosť závisí od typu termočlánku, teplotného rozsahu, čistoty materiálu, elektrického šumu, korózie, vlastností spojenia a výrobného procesu.
Termočlánkom je priradená trieda tolerancie (štandardná alebo špeciálna), ktorá určuje interval spoľahlivosti merania.
DÔLEŽITÉ: Charakteristiky v čase výroby sa počas prevádzky menia.
Rýchlosť merania
Rýchlosť je určená schopnosťou primárneho meniča rýchlo reagovať na teplotné skoky a tok vstupných signálov meracieho zariadenia, ktorý ich nasleduje.
Faktory, ktoré zvyšujú výkon:
- Správna inštalácia a výpočet dĺžky primárneho meniča;
- Pri použití prevodníka s ochranným puzdrom je potrebné znížiť hmotnosť jednotky výberom menšieho priemeru puzdier;
- Minimalizácia vzduchovej medzery medzi primárnym meničom a ochranným puzdrom;
- Použitie pružinového primárneho meniča a vyplnenie dutín v puzdre teplovodivou výplňou;
- Rýchlo sa pohybujúce alebo hustejšie médium (kvapalina).
Kontrola výkonu termočlánku
Na kontrolu výkonu pripojte špeciálny merací prístroj (tester, galvanometer alebo potenciometer) alebo zmerajte výstupné napätie milivoltmetrom. Ak dôjde k výkyvom šípky alebo digitálneho indikátora, termočlánok je prevádzkyschopný, inak je potrebné zariadenie vymeniť.
Príčiny zlyhania termočlánku:
- Nepoužitie ochranného tieniaceho zariadenia;
- Zmena chemického zloženia elektród;
- Oxidačné procesy vznikajúce pri vysokých teplotách;
- Porucha kontrolného a meracieho zariadenia a pod.
Výhody a nevýhody použitia termočlánkov
Výhody používania tohto zariadenia sú:
- Veľký rozsah merania teploty;
- Vysoká presnosť;
- Jednoduchosť a spoľahlivosť.
Medzi nevýhody patrí:
- Realizácia kontinuálneho monitorovania studeného konca, overovanie a kalibrácia riadiacich zariadení;
- Štrukturálne zmeny kovov počas výroby zariadenia;
- Závislosť od zloženia atmosféry, náklady na tesnenie;
- Chyba merania v dôsledku elektromagnetických vĺn.
