Termočlánek je zařízení pro měření teplot ve všech oborech vědy a techniky. Tento článek představuje obecný přehled termočlánků s rozborem konstrukce a principu činnosti zařízení. Jsou popsány druhy termočlánků s jejich stručnou charakteristikou a také je uvedeno posouzení termočlánku jako měřícího přístroje.
Obsah
Termočlánkové zařízení
Princip činnosti termočlánku. Seebeckův efekt
Fungování termočlánku je způsobeno výskytem termoelektrického jevu, který objevil německý fyzik Tomas Seebeck v roce 1821.
Jev je založen na výskytu elektřiny v uzavřeném elektrickém okruhu při vystavení určité okolní teplotě. Elektrický proud vzniká při teplotním rozdílu mezi dvěma vodiči (termoelektrodami) různého složení (různé kovy nebo slitiny) a je udržován udržováním místa jejich kontaktů (přechodů). Zařízení zobrazuje hodnotu naměřené teploty na obrazovce připojeného sekundárního zařízení.
Výstupní napětí a teplota jsou lineárně závislé. To znamená, že zvýšení naměřené teploty má za následek vyšší hodnotu milivoltů na volných koncích termočlánku.
Přechod umístěný v místě měření teploty se nazývá „horký“ a místo, kde jsou vodiče připojeny k převodníku, se nazývá „studené“.
Kompenzace teploty studeného konce (CJC)
Kompenzace studeného konce (CJC) je kompenzace aplikovaná jako korekce celkové hodnoty při měření teploty v místě, kde jsou připojeny vodiče termočlánku. To je způsobeno nesrovnalostmi mezi skutečnou teplotou studených konců a vypočtenými hodnotami z kalibrační tabulky pro teplotu studeného konce při 0°C.
CCS je diferenciální metoda, při které se absolutní hodnoty teploty zjišťují ze známé teploty studeného spoje (také známého jako referenční spoj).
Konstrukce termočlánku
Při návrhu termočlánku se bere v úvahu vliv takových faktorů, jako je „agresivita“ vnějšího prostředí, stav agregace látky, rozsah měřených teplot a další.
Vlastnosti designu termočlánku:
1) Spoje vodičů se propojují kroucením nebo kroucením dalším svařováním elektrickým obloukem (výjimečně pájením).
DŮLEŽITÉ: Nedoporučuje se používat metodu kroucení kvůli rychlé ztrátě vlastností přechodu.
2) Termoelektrody musí být galvanicky izolovány po celé své délce, kromě místa dotyku.
3) Způsob izolace se volí s ohledem na horní teplotní limit.
- Do 100-120°C - jakákoliv izolace;
- Do 1300°C - porcelánové trubičky nebo korálky;
- Do 1950°C - Al trubky2Ó3;
- Nad 2000°С - trubky z MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Ochranný kryt.
Materiál musí být tepelně a chemicky odolný, s dobrou tepelnou vodivostí (kov, keramika). Použití botičky zabraňuje korozi v určitých prostředích.
Prodlužovací (kompenzační) dráty
Tento typ drátu je nutný k prodloužení konců termočlánku k sekundárnímu nástroji nebo bariéře. Vodiče se nepoužívají, pokud má termočlánek vestavěný převodník s unifikovaným výstupním signálem. Nejpoužívanější je normalizační převodník, umístěný ve standardní koncové hlavici snímače s unifikovaným signálem 4-20mA, tzv. "tablet".
Materiál drátů se může shodovat s materiálem termoelektrod, ale nejčastěji se nahrazuje levnějším s přihlédnutím k podmínkám, které zabraňují vzniku parazitních (indukovaných) termoemf. Použití prodlužovacích vodičů také umožňuje optimalizovat výrobu.
Životní hack! Pro správné určení polarity kompenzačních vodičů a jejich připojení k termočlánku si zapamatujte mnemotechnické pravidlo MM - mínus je magnetizováno. To znamená, že vezmeme jakýkoli magnet a mínus kompenzace se na rozdíl od plusu zmagnetizuje.
Typy a typy termočlánků
Rozmanitost termočlánků se vysvětluje různými kombinacemi použitých kovových slitin. Volba termočlánku se provádí v závislosti na odvětví a požadovaném teplotním rozsahu.
Termočlánek chromel-alumel (TXA)
Kladná elektroda: slitina chromelu (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativní elektroda: slitina alumel (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Izolační materiál: porcelán, křemen, oxidy kovů atd.
Teplotní rozsah od -200°С do 1300°С krátkodobě a 1100°С dlouhodobé vytápění.
Pracovní prostředí: inertní, oxidační (O2=2-3% nebo zcela vyloučeno), suchý vodík, krátkodobé vakuum. V redukční nebo redoxní atmosféře za přítomnosti ochranného krytu.
Nevýhody: snadná deformace, reverzibilní nestabilita termo-EMF.
Mohou nastat případy koroze a křehnutí alumelu v přítomnosti stop síry v atmosféře a chromelu ve slabě oxidující atmosféře („zelený jíl“).
Termočlánek chromel-kopel (TKhK)
Kladná elektroda: slitina chromelu (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativní elektroda: Kopelova slitina (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Teplotní rozsah od -253°С do 800°С dlouhodobé a 1100°С krátkodobé vytápění.
Pracovní prostředí: inertní a oxidační, krátkodobé vakuum.
Nevýhody: deformace termoelektrody.
Možnost odpařování chrómu za prodlouženého vakua; reakce s atmosférou obsahující síru, chrom, fluor.
Termočlánek železo-konstantan (TGK)
Pozitivní elektroda: komerčně čisté železo (měkká ocel).
Negativní elektroda: slitina konstantanu (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Používá se pro měření v redukčních, inertních médiích a vakuu. Teplota od -203°С do 750°С dlouhodobé a 1100°С krátkodobé vytápění.
Aplikace se vyvíjí na společném měření kladných a záporných teplot. Je nerentabilní používat pouze pro záporné teploty.
Nevýhody: deformace termoelektrody, nízká odolnost proti korozi.
Změny fyzikálně-chemických vlastností železa při cca 700°C a 900°C. Reaguje se sírou a vodní párou za vzniku koroze.
Wolfram-rhenium termočlánek (TVR)
Pozitivní elektroda: slitiny BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 s přísadou oxidu křemičitého a hliníku) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativní elektroda: slitiny BP20 (80 % W, 20 % Rh).
Izolace: chemicky čistá keramika z oxidu kovu.
Zaznamenává se mechanická pevnost, tepelná odolnost, nízká citlivost na znečištění, snadná výroba.
Měření teplot od 1800°С do 3000°С, spodní hranice je 1300°С. Měření se provádějí v prostředí inertního plynu, suchého vodíku nebo vakua. V oxidačních prostředích pouze pro měření v rychlých procesech.
Nevýhody: špatná reprodukovatelnost termo-EMF, jeho nestabilita při ozařování, nestabilní citlivost v teplotním rozsahu.
Termočlánek wolfram-molybden (VM)
Pozitivní elektroda: wolfram (komerčně čistý).
Negativní elektroda: molybden (komerčně čistý).
Izolace: hliníková keramika, chráněná křemennými hroty.
Inertní, vodíkové nebo vakuové prostředí. Je možné provádět krátkodobá měření v oxidačních prostředích za přítomnosti izolace.Rozsah měřených teplot je 1400-1800°C, maximální provozní teplota je cca 2400°C.
Nevýhody: špatná reprodukovatelnost a citlivost tepelného EMF, přepólování, křehnutí při vysokých teplotách.
Termočlánky platina-rhodium-platina (TPP)
Pozitivní elektroda: platina-rhodium (Pt c 10% nebo 13% Rh).
Negativní elektroda: platina.
Izolace: křemen, porcelán (prostý a žáruvzdorný). Do 1400°C - keramika s vysokým obsahem Al2Ó3, nad 1400°C - keramika z chemicky čistého Al2Ó3.
Maximální provozní teplota 1400°C dlouhodobě, 1600°C krátkodobě. Měření nízkých teplot se většinou neprovádí.
Pracovní prostředí: oxidující a inertní, redukující za přítomnosti ochrany.
Nevýhody: vysoká cena, nestabilita při ozařování, vysoká citlivost na kontaminaci (zejména platinová elektroda), růst kovových zrn při vysokých teplotách.
Termočlánky platina-rhodium-platina-rhodium (TPR)
Kladná elektroda: slitina Pt s 30% Rh.
Negativní elektroda: slitina Pt s 6% Rh.
Střední: oxidační, neutrální a vakuové. Použití při snižování a zadržování par kovů nebo nekovů za přítomnosti ochrany.
Maximální provozní teplota 1600°C dlouhodobě, 1800°C krátkodobě.
Izolace: Al keramika2Ó3 vysoká čistota.
Méně náchylný k chemické kontaminaci a růstu zrn než termočlánek platina-rhodium-platina.
Schéma zapojení termočlánku
- Připojení potenciometru nebo galvanometru přímo na vodiče.
- Spojení s kompenzačními vodiči;
- Připojení klasickými měděnými vodiči k termočlánku s unifikovaným výstupem.
Normy barev termočlánků
Barevná izolace vodičů pomáhá rozlišit termoelektrody od sebe pro správné připojení ke svorkám. Normy se v jednotlivých zemích liší, pro vodiče neexistují žádné specifické barevné kódy.
DŮLEŽITÉ: Aby se předešlo chybám, je nutné znát standard používaný v podniku.
Přesnost měření
Přesnost závisí na typu termočlánku, teplotním rozsahu, čistotě materiálu, elektrickém šumu, korozi, vlastnostech spojení a výrobním procesu.
Termočlánkům je přiřazena třída tolerance (standardní nebo speciální), která určuje interval spolehlivosti měření.
DŮLEŽITÉ: Charakteristiky v době výroby se během provozu mění.
Rychlost měření
Rychlost je dána schopností primárního převodníku rychle reagovat na teplotní skoky a tok vstupních signálů měřicího zařízení, který je následuje.
Faktory, které zvyšují výkon:
- Správná instalace a výpočet délky primárního měniče;
- Při použití převodníku s ochranným pouzdrem je nutné snížit hmotnost jednotky volbou menšího průměru pouzder;
- Minimalizace vzduchové mezery mezi primárním měničem a ochranným pouzdrem;
- Použití odpruženého primárního měniče a vyplnění dutin v objímce teplovodivým plnivem;
- Rychle se pohybující nebo hustší médium (kapalina).
Kontrola výkonu termočlánku
Pro kontrolu výkonu připojte speciální měřicí zařízení (tester, galvanometr nebo potenciometr) nebo změřte výstupní napětí milivoltmetrem. V případě kolísání šipky nebo digitálního indikátoru je termočlánek provozuschopný, jinak je nutné zařízení vyměnit.
Příčiny selhání termočlánku:
- Nepoužití ochranného stínícího zařízení;
- Změna chemického složení elektrod;
- Oxidační procesy vznikající při vysokých teplotách;
- Porucha ovládacího a měřícího zařízení atp.
Výhody a nevýhody použití termočlánků
Výhody použití tohoto zařízení jsou:
- Velký rozsah měření teploty;
- Vysoká přesnost;
- Jednoduchost a spolehlivost.
Mezi nevýhody patří:
- Provádění kontinuálního monitorování studeného konce, ověřování a kalibrace regulačních zařízení;
- Strukturální změny kovů během výroby zařízení;
- Závislost na složení atmosféry, náklady na těsnění;
- Chyba měření způsobená elektromagnetickými vlnami.
