Kaj je termoelement, načelo delovanja, glavne vrste in vrste

Termoelement je naprava za merjenje temperatur v vseh vejah znanosti in tehnike. Ta članek predstavlja splošen pregled termoelementov z analizo zasnove in principa delovanja naprave. Opisane so sorte termočlenov z njihovimi kratkimi značilnostmi, podana je tudi ocena termoelementa kot merilnega instrumenta.

Naprava s termoelementom

Načelo delovanja termoelementa. Seebeckov učinek

Delovanje termoelementa je posledica pojava termoelektričnega učinka, ki ga je leta 1821 odkril nemški fizik Tomas Seebeck.

Pojav temelji na pojavu elektrike v zaprtem električnem tokokrogu, ko je izpostavljen določeni temperaturi okolice. Električni tok nastane, ko obstaja temperaturna razlika med dvema prevodnikoma (termoelektrodama) različne sestave (različne kovine ali zlitine) in se vzdržuje z ohranjanjem mesta njunih stikov (stičišča). Naprava prikaže vrednost izmerjene temperature na zaslonu priključene sekundarne naprave.

Izhodna napetost in temperatura sta linearno povezani. To pomeni, da povečanje izmerjene temperature povzroči višjo milivoltno vrednost na prostih koncih termoelementa.

Spoj, ki se nahaja na točki merjenja temperature, se imenuje "vroče", mesto, kjer so žice priključene na pretvornik, pa "hladno".

Temperaturna kompenzacija hladnega spoja (CJC)

Kompenzacija hladnega spoja (CJC) je kompenzacija, ki se uporablja kot popravek celotnega odčitka pri merjenju temperature na mestu, kjer so priključeni kabli termoelementa. To je posledica neskladja med dejansko temperaturo hladnih koncev in izračunanimi odčitki kalibracijske tabele za temperaturo hladnega spoja pri 0°C.

CCS je diferencialna metoda, pri kateri se odčitki absolutne temperature najdejo iz znane temperature hladnega spoja (znane tudi kot referenčno stičišče).

Zasnova termoelementa

Pri načrtovanju termoelementa se upošteva vpliv dejavnikov, kot so "agresivnost" zunanjega okolja, agregacijsko stanje snovi, razpon izmerjenih temperatur in drugi.

Značilnosti oblikovanja termoelementa:

1) Spoji vodnikov so med seboj povezani z zvijanjem ali zvijanjem z nadaljnjim elektroobločnim varjenjem (redko s spajkanjem).

POMEMBNO: Zaradi hitre izgube lastnosti spoja ni priporočljivo uporabljati metode zvijanja.

2) Termoelektrode morajo biti električno izolirane po celotni dolžini, razen na kontaktni 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 - Al cevi₂O₃;
• Nad 2000°C - cevi iz MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Zaščitni pokrov.

Material mora biti toplotno in kemično odporen, z dobro toplotno prevodnostjo (kovina, keramika). Uporaba čevlja preprečuje korozijo v določenih okoljih.

Podaljške (kompenzacijske) žice

Ta vrsta žice je potrebna za razširitev koncev termoelementa na sekundarni instrument ali pregrado. Žice se ne uporabljajo, če ima termoelement vgrajen pretvornik z enotnim izhodnim signalom. Najbolj razširjen je normalizacijski pretvornik, ki se nahaja v standardni terminalski glavi senzorja z enotnim signalom 4-20mA, tako imenovana "tableta".

Material žic lahko sovpada z materialom termoelektrod, vendar se najpogosteje zamenja s cenejšim, ob upoštevanju pogojev, ki preprečujejo nastanek parazitskih (induciranih) termo-emf. Uporaba podaljškov vam omogoča tudi optimizacijo proizvodnje.

Life hack! Če želite pravilno določiti polarnost izravnalnih žic in jih povezati s termoelementom, si zapomnite mnemonično pravilo MM - minus je magnetiziran. To pomeni, da vzamemo kateri koli magnet in minus kompenzacije bo magnetiziran, za razliko od plusa.

Vrste in vrste termoelementov

Raznolikost termočlenov je razložena z različnimi kombinacijami uporabljenih kovinskih zlitin. Izbira termoelementa se izvaja glede na industrijo in zahtevano temperaturno območje.

Termoelement kromel-alumel (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), suh vodik, kratkotrajni vakuum. V redukcijski ali redoks atmosferi ob prisotnosti zaščitnega pokrova.

Slabosti: enostavnost deformacije, reverzibilna nestabilnost termo-EMF.

Obstajajo lahko primeri korozije in krhkosti alumela v prisotnosti sledi žvepla v atmosferi in kromela v šibko oksidirajoči atmosferi ("zelena glina").

Termoelement kromel-kopel (TKhK)

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

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

Delovno okolje: inertno in oksidativno, kratkotrajni vakuum.

Slabosti: deformacija termoelektrode.

Možnost izhlapevanja kroma v daljšem vakuumu; reakcija z atmosfero, ki vsebuje žveplo, krom, fluor.

Termočlen železo-konstantan (TGK)

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

Uporablja se za meritve v reducirnih, inertnih medijih in vakuumu. Temperatura od -203°C do 750°C dolgotrajno in 1100°C kratkotrajno ogrevanje.

Aplikacija se razvija na skupnem merjenju pozitivnih in negativnih temperatur. Nedonosno je uporabljati samo pri negativnih temperaturah.

Slabosti: deformacija termoelektrode, nizka odpornost proti koroziji.

Spremembe fizikalno-kemijskih lastnosti železa pri približno 700°C in 900°C. Reagira z žveplom in vodno paro, da tvori korozijo.

Volfram-renijev termoelement (TVR)

Pozitivna elektroda: zlitine BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 z dodatkom silicijevega dioksida in aluminija) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativna elektroda: zlitine BP20 (80 % W, 20 % Rh).

Izolacija: kemično čista kovinska oksidna keramika.

Opažene so mehanska trdnost, toplotna odpornost, nizka občutljivost na onesnaženje, enostavnost izdelave.

Merjenje temperatur od 1800°С do 3000°С, spodnja meja je 1300°С. Meritve se izvajajo v inertnem plinu, suhem vodiku ali vakuumskem okolju. V oksidacijskih okoljih samo za merjenje v hitrih procesih.

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

Termoelement volfram-molibden (VM)

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

Izolacija: aluminijeva keramika, zaščitena s kremenovimi konicami.

Inertno, vodikovo ali vakuumsko okolje. Možno je izvajati kratkotrajne meritve v oksidacijskih okoljih ob prisotnosti izolacije.Območje izmerjenih temperatur je 1400-1800°C, najvišja delovna temperatura je približno 2400°C.

Slabosti: slaba obnovljivost in občutljivost toplotnega EMF, obrnjena polarnost, krhkost pri visokih temperaturah.

Termoelementi platina-rodij-platina (TPP)

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

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

Maksimalna delovna temperatura 1400°C dolgoročno, 1600°C kratkoročno. Merjenje nizkih temperatur se običajno ne izvaja.

Delovno okolje: oksidativno in inertno, redukcijsko ob prisotnosti zaščite.

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

Termoelementi platina-rodij-platina-rodij (TPR)

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

Medij: oksidirajoči, nevtralni in vakuumski. Uporaba za zmanjšanje in zadrževanje hlapov kovin ali nekovin ob prisotnosti zaščite.

Maksimalna delovna temperatura 1600°C dolgoročno, 1800°C kratkoročno.

Izolacija: Al keramika₂O₃ visoka čistost.

Manj občutljiv na kemično onesnaženje in rast zrn kot termoelement platina-rodij-platina.

Shema ožičenja termoelementov

• Priključitev potenciometra ali galvanometra neposredno na vodnike.
• Povezava z izravnalnimi žicami;
• Povezava z običajnimi bakrenimi žicami na termoelement z enotnim izhodom.

Barvni standardi prevodnikov termoelementov

Barvna izolacija prevodnikov pomaga razlikovati termoelektrode med seboj za pravilno povezavo s sponkami. Standardi se razlikujejo glede na državo, za vodnike ni posebnih barvnih kod.

POMEMBNO: Za preprečevanje napak je treba poznati standard, ki se uporablja v podjetju.

Natančnost merjenja

Natančnost je odvisna od tipa termoelementa, temperaturnega območja, čistosti materiala, električnega hrupa, korozije, lastnosti spoja in proizvodnega procesa.

Termoelementom je dodeljen tolerančni razred (standardni ali posebni), ki določa interval zaupanja meritev.

POMEMBNO: Značilnosti v času izdelave se med delovanjem spreminjajo.

Hitrost merjenja

Hitrost je določena s sposobnostjo primarnega pretvornika, da se hitro odzove na temperaturne skoke in tok vhodnih signalov merilne naprave, ki jim sledi.

Dejavniki, ki povečajo učinkovitost:

1. Pravilna namestitev in izračun dolžine primarnega pretvornika;
2. Pri uporabi pretvornika z zaščitnim tulcem je potrebno zmanjšati maso enote z izbiro manjšega premera rokavov;
3. Zmanjšanje zračne reže med primarnim pretvornikom in zaščitnim tulcem;
4. Uporaba vzmetnega primarnega pretvornika in zapolnjevanje praznin v tulcu s toplotno prevodnim polnilom;
5. Hitro premikajoči se ali gostejši medij (tekočina).

Preverjanje delovanja termoelementa

Za preverjanje delovanja priključite posebno merilno napravo (tester, galvanometer ali potenciometer) ali izmerite izhodno napetost z milivoltmetrom. Če pride do nihanja puščice ali digitalnega indikatorja, je termoelement servisiran, sicer je treba napravo zamenjati.

Vzroki za okvaro termoelementa:

1. Neuporaba zaščitne zaščitne naprave;
2. Sprememba kemične sestave elektrod;
3. Oksidativni procesi, ki se razvijajo pri visokih temperaturah;
4. Okvara kontrolno-merne naprave itd.

Prednosti in slabosti uporabe termoelementov

Prednosti uporabe te naprave so:

• Veliko območje merjenja temperature;
• Visoka natančnost;
• Preprostost in zanesljivost.

Slabosti vključujejo:

• Izvajanje stalnega spremljanja hladnega spoja, verifikacija in kalibracija krmilne opreme;
• Strukturne spremembe kovin med izdelavo naprave;
• Odvisnost od sestave atmosfere, stroškov tesnjenja;
• Merilna napaka zaradi elektromagnetnih valov.

Podobni članki: