Mikä on termopari, toimintaperiaate, päätyypit ja tyypit

Termopari on lämpömittauslaite kaikilla tieteen ja tekniikan aloilla. Tämä artikkeli esittää yleiskatsauksen termoelementeistä ja analyysin laitteen rakenteesta ja toimintaperiaatteesta. Termoparien lajikkeet kuvaillaan lyhyine ominaisuuksineen ja annetaan myös arvio termoparista mittausvälineenä.

Termoparilaite

Termoparin toimintaperiaate. Seebeck-efekti

Termoparin toiminta johtuu termosähköisen vaikutuksen esiintymisestä, jonka saksalainen fyysikko Tomas Seebeck löysi vuonna 1821.

Ilmiö perustuu sähkön esiintymiseen suljetussa sähköpiirissä, kun se altistuu tietylle ympäristön lämpötilalle. Sähkövirta syntyy, kun kahden eri koostumukseltaan (erilaiset metallit tai metalliseokset) johtimen (lämpöelektrodin) välillä on lämpötilaero, ja sitä ylläpidetään säilyttämällä niiden kontaktien (liitoskohtien) paikka. Laite näyttää mitatun lämpötilan arvon liitetyn toissijaisen laitteen näytöllä.

Lähtöjännite ja lämpötila ovat lineaarisesti yhteydessä toisiinsa. Tämä tarkoittaa, että mitatun lämpötilan nousu johtaa korkeampaan millivolttiarvoon termoparin vapaissa päissä.

Lämpötilan mittauspisteessä olevaa liitoskohtaa kutsutaan "kuumaksi" ja paikkaa, jossa johdot on kytketty muuntimeen, kutsutaan "kylmäksi".

Kylmän liitoksen lämpötilan kompensointi (CJC)

Cold Junction Compensation (CJC) on kompensaatio, jota käytetään korjauksena kokonaislukemaan, kun mitataan lämpötilaa kohdassa, jossa termoparijohdot on kytketty. Tämä johtuu eroista kylmien päiden todellisen lämpötilan ja kalibrointitaulukon laskettujen lukemien välillä kylmäliitoksen lämpötilalle 0 °C:ssa.

CCS on differentiaalinen menetelmä, jossa absoluuttiset lämpötilalukemat löydetään tunnetusta kylmäliitoslämpötilasta (tunnetaan myös referenssiliitoksena).

Termoparin muotoilu

Termoparia suunniteltaessa otetaan huomioon sellaisten tekijöiden vaikutus kuin ulkoisen ympäristön "aggressiivisuus", aineen aggregaatiotila, mitattujen lämpötilojen alue ja muut.

Termoparin suunnitteluominaisuudet:

1) Johtimien liitokset liitetään toisiinsa kiertämällä tai kiertämällä lisäkaarihitsauksella (harvemmin juottamalla).

TÄRKEÄ: Kiertomenetelmää ei suositella käytettäväksi liitosominaisuuksien nopean menettämisen vuoksi.

2) Termoelektrodit on eristettävä sähköisesti koko pituudeltaan kosketuskohtaa lukuun ottamatta.

3) Eristysmenetelmä valitaan ottaen huomioon lämpötilan yläraja.

• Jopa 100-120 ° C - mikä tahansa eristys;
• 1300°C asti - posliiniputket tai helmet;
• 1950°C asti - Al-putket₂O₃;
• Yli 2000°С - putket MgO:sta, BeO:sta, ThO:sta₂, ZrO₂.

4) Suojakansi.

Materiaalin tulee olla lämpöä ja kemiallisesti kestävää, hyvällä lämmönjohtavuudella (metalli, keramiikka). Kengän käyttö estää korroosiota tietyissä ympäristöissä.

Jatko- (kompensointi) johdot

Tämän tyyppinen lanka tarvitaan termoparin päiden jatkamiseksi toissijaiseen instrumenttiin tai esteeseen. Johtoja ei käytetä, jos termoparissa on sisäänrakennettu muuntaja, jolla on yhtenäinen lähtösignaali. Yleisimmin käytetty on normalisointimuunnin, joka sijaitsee anturin vakiopäässä yhtenäisellä signaalilla 4-20mA, niin sanottu "tabletti".

Johtojen materiaali voi olla sama kuin termoelektrodien materiaali, mutta useimmiten se korvataan halvemmalla ottaen huomioon olosuhteet, jotka estävät loisten (indusoitujen) lämpö-emfien muodostumisen. Jatkojohtojen käyttö mahdollistaa myös tuotannon optimoinnin.

Elämän hakkerointi! Jotta voit määrittää oikein kompensointijohtojen napaisuuden ja kytkeä ne lämpöpariin, muista muistosääntö MM - miinus on magnetoitu. Eli otamme minkä tahansa magneetin ja kompensoinnin miinus magnetoidaan, toisin kuin plus.

Termoparien tyypit ja tyypit

Termoparien monimuotoisuus selittyy käytetyillä metalliseosten erilaisilla yhdistelmillä. Termoparin valinta tehdään toimialan ja vaaditun lämpötila-alueen mukaan.

Termopari kromi-alumel (TXA)

Positiivinen elektrodi: kromeliseos (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatiivinen elektrodi: alumeliseos (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Eristysmateriaali: posliini, kvartsi, metallioksidit jne.

Lämpötila-alue -200°С - 1300°С lyhytaikaisesti ja 1100°С pitkäaikainen lämmitys.

Työympäristö: inertti, hapettava (O₂=2-3 % tai kokonaan poissuljettu), kuiva vety, lyhytaikainen tyhjiö. Pelkistävässä tai redox-ilmakehässä suojakannen läsnä ollessa.

Haitat: muodonmuutosten helppous, termo-EMF:n palautuva epävakaus.

Alumelissa voi esiintyä korroosiota ja haurastumista ilmakehän rikkijäämien läsnä ollessa ja kromelin heikosti hapettavassa ilmakehässä ("vihreä savi").

Termopari kromel-kopel (TKhK)

Positiivinen elektrodi: kromeliseos (90 % Ni, 10 % Cr).
Negatiivinen elektrodi: Kopel-seos (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Lämpötila-alue -253°С - 800°С pitkäkestoinen ja 1100°С lyhytaikainen lämmitys.

Työympäristö: inertti ja hapettava, lyhytaikainen tyhjiö.

Haitat: lämpöelektrodin muodonmuutos.

Mahdollisuus kromin haihdutukseen pitkäaikaisessa tyhjiössä; reaktio rikkiä, kromia, fluoria sisältävän ilmakehän kanssa.

Lämpöparin rautakonstantaani (TGK)

Positiivinen elektrodi: kaupallisesti puhdas rauta (mieto teräs).
Negatiivinen elektrodi: konstantilejeerinki (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).

Käytetään mittauksiin pelkistävissä, inertissä väliaineessa ja tyhjiössä. Lämpötila -203°С - 750°С pitkäkestoinen ja 1100°С lyhytaikainen lämmitys.

Sovellus kehittyy positiivisten ja negatiivisten lämpötilojen yhteismittaukseen. On kannattamatonta käyttää vain negatiivisissa lämpötiloissa.

Haitat: lämpöelektrodin muodonmuutos, alhainen korroosionkestävyys.

Muutokset raudan fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa noin 700°C ja 900°C lämpötilassa. Reagoi rikin ja vesihöyryn kanssa muodostaen korroosiota.

Volframi-renium termopari (TVR)

Positiivinen elektrodi: seokset BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5, piidioksidin ja alumiinin lisäaine) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negatiivinen elektrodi: BP20-lejeeringit (80 % W, 20 % Rh).

Eristys: kemiallisesti puhdasta metallioksidikeramiikkaa.

Mekaaninen lujuus, lämmönkestävyys, alhainen herkkyys saasteille, valmistuksen helppous havaitaan.

Lämpötilojen mittaus 1800°С - 3000°С, alaraja on 1300°С. Mittaukset suoritetaan inertissä kaasussa, kuivassa vedyssä tai tyhjiöympäristössä. Hapettavissa ympäristöissä vain mittaukseen nopeissa prosesseissa.

Haitat: lämpö-EMF:n huono toistettavuus, sen epävakaus säteilytyksen aikana, epävakaa herkkyys lämpötila-alueella.

Termopari volframi-molybdeeni (VM)

Positiivinen elektrodi: volframi (kaupallisesti puhdas).
Negatiivinen elektrodi: molybdeeni (kaupallisesti puhdas).

Eristys: alumiinioksidikeramiikka, suojattu kvartsikärjeillä.

Inertti, vety- tai tyhjöympäristö. Lyhytaikaisia ​​mittauksia on mahdollista suorittaa hapettavassa ympäristössä eristyksen läsnä ollessa.Mittauslämpötila-alue on 1400-1800°C, maksimi käyttölämpötila on noin 2400°C.

Haitat: termisen EMF:n huono toistettavuus ja herkkyys, napaisuuden vaihto, haurastuminen korkeissa lämpötiloissa.

Termoparit platina-rodium-platina (TPP)

Positiivinen elektrodi: platina-rodium (Pt c 10 % tai 13 % Rh).
Negatiivinen elektrodi: platina.

Eristys: kvartsi, posliini (tavallinen ja tulenkestävä). Jopa 1400°C - keramiikka, jossa on korkea Al-pitoisuus₂O₃, yli 1400°C - keramiikka kemiallisesti puhtaasta Al₂O₃.

Maksimi käyttölämpötila 1400°C pitkällä aikavälillä, 1600°C lyhytaikaisesti. Alhaisten lämpötilojen mittausta ei yleensä tehdä.

Työympäristö: hapettava ja inertti, pelkistyy suojan läsnäollessa.

Haitat: korkea hinta, epävakaus säteilytyksen aikana, korkea herkkyys kontaminaatiolle (erityisesti platinaelektrodi), metallirakeiden kasvu korkeissa lämpötiloissa.

Termoparit platina-rodium-platina-rodium (TPR)

Positiivinen elektrodi: Pt-seos, jossa on 30 % Rh.
Negatiivinen elektrodi: Pt-seos, jossa on 6 % Rh.

Väliaine: hapettava, neutraali ja tyhjiö. Käytä metallien tai ei-metallisten höyryjen pelkistämiseen ja sisältämiseen suojan läsnä ollessa.

Maksimi käyttölämpötila 1600°C pitkällä aikavälillä, 1800°C lyhytaikaisesti.

Eristys: Al-keramiikka₂O₃ korkea puhtaus.

Vähemmän herkkä kemialliselle kontaminaatiolle ja jyvien kasvulle kuin platina-rodium-platina-termopari.

Lämpöparin kytkentäkaavio

• Potentiometrin tai galvanometrin liittäminen suoraan johtimiin.
• Liitäntä kompensoivilla johtimilla;
• Kytkentä tavanomaisilla kuparijohtimilla termopariin, jossa on yhtenäinen lähtö.

Lämpöparin johtimen väristandardit

Värillinen johtimien eristys auttaa erottamaan termoelektrodit toisistaan, jotta ne voidaan liittää kunnolla liittimiin. Standardit vaihtelevat maittain, johtimille ei ole erityisiä värikoodeja.

TÄRKEÄ: Virheiden estämiseksi on tunnettava yrityksessä käytettävä standardi.

Mittaustarkkuus

Tarkkuus riippuu termoparin tyypistä, lämpötila-alueesta, materiaalin puhtaudesta, sähköisestä melusta, korroosiosta, liitosominaisuuksista ja valmistusprosessista.

Termopareille on määritetty toleranssiluokka (standardi tai erityinen), joka määrittää mittauksen luottamusvälin.

TÄRKEÄ: Valmistushetken ominaisuudet muuttuvat käytön aikana.

Mittausnopeus

Nopeus määräytyy ensisijaisen muuntimen kyvystä reagoida nopeasti lämpötilan hyppyihin ja niitä seuraavien mittauslaitteen tulosignaalien virtaukseen.

Suoritusta lisäävät tekijät:

1. Oikea asennus ja ensisijaisen muuntimen pituuden laskeminen;
2. Käytettäessä suojaholkilla varustettua anturia on tarpeen vähentää yksikön massaa valitsemalla pienempi holkkien halkaisija;
3. Ensisijaisen muuntimen ja suojaholkin välisen ilmaraon minimoiminen;
4. Jousikuormitteisen primäärimuuntimen käyttö ja holkin tyhjien tilojen täyttäminen lämpöä johtavalla täyteaineella;
5. Nopeasti liikkuva tai tiheämpi väliaine (neste).

Termoparin suorituskyvyn tarkistus

Suorituskyvyn tarkistamiseksi kytke erityinen mittalaite (testeri, galvanometri tai potentiometri) tai mittaa lähtöjännite millivolttimittarilla. Jos nuolessa tai digitaalisessa ilmaisussa on heilahteluja, termopari on huollettavissa, muuten laite on vaihdettava.

Termoparin vian syyt:

1. Suojaavan laitteen käyttämättä jättäminen;
2. Muutos elektrodien kemiallisessa koostumuksessa;
3. Korkeissa lämpötiloissa kehittyvät hapetusprosessit;
4. Ohjaus- ja mittauslaitteen vika jne.

Termoparien käytön edut ja haitat

Tämän laitteen käytön edut ovat:

• Suuri lämpötilan mittausalue;
• Korkea tarkkuus;
• Yksinkertaisuus ja luotettavuus.

Haittoja ovat mm.

• Kylmäliitoksen jatkuvan valvonnan toteuttaminen, ohjauslaitteiden tarkastus ja kalibrointi;
• Metallien rakenteelliset muutokset laitteen valmistuksen aikana;
• Riippuvuus ilmakehän koostumuksesta, tiivistyksen kustannukset;
• Sähkömagneettisista aalloista johtuva mittausvirhe.

Samanlaisia ​​artikkeleita: