Et termoelement er en enhed til måling af temperaturer inden for alle grene af videnskab og teknologi. Denne artikel præsenterer en generel oversigt over termoelementer med en analyse af enhedens design og funktionsprincip. Varianter af termoelementer med deres korte karakteristika beskrives, ligesom der gives en vurdering af termoelementet som måleinstrument.
Indhold
Termoelement enhed
Princippet om drift af et termoelement. Seebeck effekt
Driften af et termoelement skyldes forekomsten af den termoelektriske effekt, opdaget af den tyske fysiker Tomas Seebeck i 1821.
Fænomenet er baseret på forekomsten af elektricitet i et lukket elektrisk kredsløb, når det udsættes for en bestemt omgivelsestemperatur. En elektrisk strøm opstår, når der er en temperaturforskel mellem to ledere (termoelektroder) af forskellig sammensætning (forskellige metaller eller legeringer) og opretholdes ved at opretholde stedet for deres kontakter (forbindelser). Enheden viser værdien af den målte temperatur på skærmen på den tilsluttede sekundære enhed.
Udgangsspændingen og temperaturen er lineært relaterede. Det betyder, at en stigning i den målte temperatur resulterer i en højere millivoltværdi i termoelementets frie ender.
Forbindelsen, der er placeret ved temperaturmålingspunktet, kaldes "varm", og stedet, hvor ledningerne er forbundet til konverteren, kaldes "kold".
Cold junction temperaturkompensation (CJC)
Cold junction compensation (CJC) er en kompensation, der anvendes som en korrektion af den samlede aflæsning ved måling af temperaturen på det punkt, hvor termoelementkablerne er tilsluttet. Dette skyldes uoverensstemmelser mellem den faktiske temperatur af de kolde ender og de beregnede aflæsninger i kalibreringstabellen for temperaturen i det kolde kryds ved 0°C.
CCS er en differentiel metode, hvor absolutte temperaturaflæsninger findes fra en kendt kold overgangstemperatur (også kendt som et referencekryds).
Termoelement design
Når man designer et termoelement, tages der hensyn til indflydelsen af sådanne faktorer som "aggressiviteten" af det ydre miljø, stoffets aggregeringstilstand, intervallet af målte temperaturer og andre.
Termoelement design funktioner:
1) Ledningsforbindelser er indbyrdes forbundet ved vridning eller vridning med yderligere elektrisk lysbuesvejsning (sjældent ved lodning).
VIGTIG: Det anbefales ikke at bruge vridningsmetoden på grund af det hurtige tab af forbindelsesegenskaber.
2) Termoelektroder skal være elektrisk isolerede i hele deres længde, undtagen berøringspunktet.
3) Isoleringsmetoden vælges under hensyntagen til den øvre temperaturgrænse.
- Op til 100-120°C - enhver isolering;
- Op til 1300°C - porcelænsrør eller perler;
- Op til 1950°C - Al-rør2O3;
- Over 2000°С - rør lavet af MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Beskyttelsesdæksel.
Materialet skal være termisk og kemisk modstandsdygtigt, med god varmeledningsevne (metal, keramik). Brugen af en støvle forhindrer korrosion i visse miljøer.
Forlænger (kompensation) ledninger
Denne type ledning er påkrævet for at forlænge termoelementets ender til det sekundære instrument eller barriere. Ledninger bruges ikke, hvis termoelementet har en indbygget konverter med et samlet udgangssignal. Den mest udbredte er normaliseringskonverteren, der er placeret i sensorens standardterminalhoved med et samlet signal 4-20mA, den såkaldte "tablet".
Materialet af ledningerne kan falde sammen med materialet af termoelektroder, men oftest erstattes det med en billigere under hensyntagen til de forhold, der forhindrer dannelsen af parasitære (inducerede) termo-emfs. Brugen af forlængerledninger giver dig også mulighed for at optimere produktionen.
Life hack! For korrekt at bestemme polariteten af de kompenserende ledninger og forbinde dem til termoelementet, husk den mnemoniske regel MM - minus er magnetiseret. Det vil sige, at vi tager enhver magnet, og minus af kompensationen vil blive magnetiseret, i modsætning til plus.
Typer og typer af termoelementer
Variationen af termoelementer forklares af forskellige kombinationer af anvendte metallegeringer. Valget af termoelement udføres afhængigt af industrien og det nødvendige temperaturområde.
Termoelement krom-alumel (TXA)
Positiv elektrode: kromlegering (90% Ni, 10% Cr).
Negativ elektrode: alumellegering (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Isoleringsmateriale: porcelæn, kvarts, metaloxider osv.
Temperaturområde fra -200 ° С til 1300 ° С kortsigtet og 1100 ° С langsigtet opvarmning.
Arbejdsmiljø: inert, oxiderende (O2=2-3 % eller helt udelukket), tør brint, korttidsvakuum. I en reducerende eller redox atmosfære i nærværelse af et beskyttende dæksel.
Ulemper: let deformation, reversibel ustabilitet af termo-EMF.
Der kan være tilfælde af korrosion og skørhed af alumel ved tilstedeværelse af svovlspor i atmosfæren og chromel i en svagt oxiderende atmosfære ("grøn ler").
Termoelement chromel-kopel (TKhK)
Positiv elektrode: kromlegering (90% Ni, 10% Cr).
Negativ elektrode: Kopel-legering (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperaturområde fra -253 ° С til 800 ° С langsigtet og 1100 ° С kortvarig opvarmning.
Arbejdsmiljø: inert og oxiderende, kortvarigt vakuum.
Ulemper: termoelektrodedeformation.
Mulighed for chromfordampning under længerevarende vakuum; reaktion med en atmosfære indeholdende svovl, krom, fluor.
Termoelement jern-konstantan (TGK)
Positiv elektrode: kommercielt rent jern (blødt stål).
Negativ elektrode: konstantan-legering (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Anvendes til målinger i reducerende, inaktive medier og vakuum. Temperatur fra -203°С til 750°С langsigtet og 1100°С kortvarig opvarmning.
Applikationen udvikles ved fælles måling af positive og negative temperaturer. Det er urentabelt kun at bruge til negative temperaturer.
Ulemper: termoelektrodedeformation, lav korrosionsbestandighed.
Ændringer i jerns fysisk-kemiske egenskaber ved omkring 700°C og 900°C. Reagerer med svovl og vanddamp og danner korrosion.
Tungsten-rhenium termoelement (TVR)
Positiv elektrode: legeringer BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 med silica og aluminiumsadditiv) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativ elektrode: BP20-legeringer (80% W, 20% Rh).
Isolering: kemisk ren metaloxidkeramik.
Mekanisk styrke, varmebestandighed, lav følsomhed over for forurening, let fremstilling er noteret.
Måling af temperaturer fra 1800°С til 3000°С, den nedre grænse er 1300°С. Målinger udføres i et miljø med inert gas, tør brint eller vakuum. I oxiderende miljøer kun til måling i hurtige processer.
Ulemper: dårlig reproducerbarhed af termo-EMF, dens ustabilitet under bestråling, ustabil følsomhed i temperaturområdet.
Termoelement wolfram-molybdæn (VM)
Positiv elektrode: wolfram (kommercielt ren).
Negativ elektrode: molybdæn (kommercielt ren).
Isolering: alumina keramik, beskyttet med kvartsspidser.
Inert, brint eller vakuummiljø. Det er muligt at udføre korttidsmålinger i oxiderende miljøer ved tilstedeværelse af isolering.Området for målte temperaturer er 1400-1800°C, den maksimale driftstemperatur er omkring 2400°C.
Ulemper: dårlig reproducerbarhed og følsomhed af termisk EMF, polaritetsvending, skørhed ved høje temperaturer.
Termoelementer platin-rhodium-platin (TPP)
Positiv elektrode: platin-rhodium (Pt c 10% eller 13% Rh).
Negativ elektrode: platin.
Isolering: kvarts, porcelæn (almindeligt og ildfast). Op til 1400°C - keramik med højt indhold af Al2O3, over 1400°C - keramik fra kemisk ren Al2O3.
Maksimal driftstemperatur 1400°C på lang sigt, 1600°C på kort sigt. Måling af lave temperaturer udføres normalt ikke.
Arbejdsmiljø: oxiderende og inert, reducerende i nærvær af beskyttelse.
Ulemper: høje omkostninger, ustabilitet under bestråling, høj følsomhed over for forurening (især platinelektroden), metalkornvækst ved høje temperaturer.
Termoelementer platin-rhodium-platin-rhodium (TPR)
Positiv elektrode: Pt-legering med 30% Rh.
Negativ elektrode: Pt-legering med 6% Rh.
Medium: oxiderende, neutral og vakuum. Bruges til at reducere og begrænse dampe af metaller eller ikke-metaller i nærvær af beskyttelse.
Maksimal driftstemperatur 1600°C på lang sigt, 1800°C på kort sigt.
Isolering: Al keramik2O3 høj renhed.
Mindre modtagelig for kemisk forurening og kornvækst end et platin-rhodium-platin termoelement.
Termoelement ledningsdiagram
- Tilslutning af potentiometer eller galvanometer direkte til lederne.
- Forbindelse med kompenserende ledninger;
- Tilslutning med konventionelle kobberledninger til et termoelement med en ensartet udgang.
Termoelementlederfarvestandarder
Farvet lederisolering hjælper med at skelne termoelektroder fra hinanden for korrekt forbindelse til terminalerne. Standarder varierer fra land til land, der er ingen specifikke farvekoder for ledere.
VIGTIG: Det er nødvendigt at kende den standard, der anvendes i virksomheden for at forhindre fejl.
Målenøjagtighed
Nøjagtighed afhænger af termoelementtype, temperaturområde, materialets renhed, elektrisk støj, korrosion, forbindelsesegenskaber og fremstillingsprocessen.
Termoelementer er tildelt en toleranceklasse (standard eller speciel), der etablerer et målekonfidensinterval.
VIGTIG: Karakteristika på fremstillingstidspunktet ændres under drift.
Målehastighed
Hastigheden bestemmes af den primære konverters evne til hurtigt at reagere på temperaturspring og strømmen af indgangssignaler fra den måleanordning, der følger dem.
Faktorer, der øger ydeevnen:
- Korrekt installation og beregning af længden af den primære konverter;
- Når du bruger en transducer med en beskyttende ærme, er det nødvendigt at reducere enhedens masse ved at vælge en mindre diameter af ærmerne;
- Minimering af luftgabet mellem den primære konverter og beskyttelseshylsteret;
- Brugen af en fjederbelastet primær konverter og udfyldning af hulrummene i hylsteret med et varmeledende fyldstof;
- Et hurtigt bevægende eller tættere medium (væske).
Termoelement Performance Check
For at kontrollere ydeevnen skal du tilslutte en speciel måleenhed (tester, galvanometer eller potentiometer) eller måle udgangsspændingen med et millivoltmeter. Hvis der er udsving i pilen eller den digitale indikator, kan termoelementet serviceres, ellers skal enheden udskiftes.
Årsager til termoelementsvigt:
- Manglende brug af en beskyttende afskærmningsanordning;
- Ændring i den kemiske sammensætning af elektroderne;
- Oxidative processer udvikles ved høje temperaturer;
- Nedbrud af styre- og måleapparat mv.
Fordele og ulemper ved at bruge termoelementer
Fordelene ved at bruge denne enhed er:
- Stort temperaturmåleområde;
- Høj nøjagtighed;
- Enkelhed og pålidelighed.
Ulemperne omfatter:
- Implementering af kontinuerlig overvågning af det kolde kryds, verifikation og kalibrering af kontroludstyr;
- Strukturelle ændringer i metaller under fremstillingen af enheden;
- Afhængighed af atmosfærens sammensætning, omkostningerne ved tætning;
- Målefejl på grund af elektromagnetiske bølger.
