Et termoelement er en enhet for å måle temperaturer i alle grener av vitenskap og teknologi. Denne artikkelen presenterer en generell oversikt over termoelementer med en analyse av enhetens design og operasjonsprinsipp. Varianter av termoelementer med deres korte egenskaper beskrives, og det gis også en vurdering av termoelementet som måleinstrument.
Innhold
Termoelement enhet
Prinsippet for drift av et termoelement. Seebeck-effekt
Driften av et termoelement skyldes forekomsten av den termoelektriske effekten, oppdaget av den tyske fysikeren Tomas Seebeck i 1821.
Fenomenet er basert på forekomsten av elektrisitet i en lukket elektrisk krets når den utsettes for en viss omgivelsestemperatur. En elektrisk strøm oppstår når det er en temperaturforskjell mellom to ledere (termoelektroder) med forskjellig sammensetning (ulik metall eller legeringer) og opprettholdes ved å opprettholde stedet for deres kontakter (kryss). Enheten viser verdien av den målte temperaturen på skjermen til den tilkoblede sekundære enheten.
Utgangsspenningen og temperaturen er lineært relatert. Dette betyr at en økning i den målte temperaturen gir en høyere millivoltverdi i de frie endene av termoelementet.
Krysset som befinner seg på punktet for temperaturmåling kalles "varmt", og stedet der ledningene er koblet til omformeren kalles "kaldt".
Kaldkrysstemperaturkompensasjon (CJC)
Cold junction compensation (CJC) er en kompensasjon som brukes som en korreksjon av den totale avlesningen ved måling av temperaturen på punktet der termoelementledningene er koblet til. Dette skyldes avvik mellom den faktiske temperaturen til de kalde endene og de beregnede avlesningene i kalibreringstabellen for temperaturen til det kalde krysset ved 0°C.
CCS er en differensialmetode der absolutte temperaturavlesninger blir funnet fra en kjent kald overgangstemperatur (også kjent som et referansekryss).
Termoelementdesign
Ved utforming av et termoelement blir påvirkningen av slike faktorer som "aggressiviteten" til det ytre miljøet, stoffets aggregeringstilstand, området for målte temperaturer og andre tatt hensyn til.
Termoelementdesignfunksjoner:
1) Ledere kobles sammen ved å vri eller vri med ytterligere elektrisk lysbuesveising (sjelden ved lodding).
VIKTIG: Det anbefales ikke å bruke vridningsmetoden på grunn av det raske tapet av kryssegenskaper.
2) Termoelektroder må være elektrisk isolert i hele lengden, bortsett fra kontaktpunktet.
3) Isolasjonsmetoden velges under hensyntagen til øvre temperaturgrense.
- Opptil 100-120°C - eventuell isolasjon;
- Opptil 1300°C - porselensrør eller perler;
- Opptil 1950°C - Al-rør2O3;
- Over 2000°С - rør laget av MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Beskyttelsesdeksel.
Materialet må være termisk og kjemisk bestandig, med god varmeledningsevne (metall, keramikk). Bruken av en støvel forhindrer korrosjon i visse miljøer.
Forlengelse (kompensasjon) ledninger
Denne typen ledning er nødvendig for å forlenge endene av termoelementet til det sekundære instrumentet eller barrieren. Ledninger brukes ikke hvis termoelementet har en innebygd omformer med et enhetlig utgangssignal. Den mest brukte er normaliseringsomformeren, plassert i standardterminalhodet til sensoren med et enhetlig signal 4-20mA, den såkalte "nettbrettet".
Materialet til ledningene kan falle sammen med materialet til termoelektroder, men oftest erstattes det med en billigere, under hensyntagen til forholdene som forhindrer dannelsen av parasittiske (induserte) termo-emfs. Bruken av skjøteledninger lar deg også optimere produksjonen.
Life hack! For riktig å bestemme polariteten til kompensasjonsledningene og koble dem til termoelementet, husk den mnemoniske regelen MM - minus er magnetisert. Det vil si at vi tar en hvilken som helst magnet og minus av kompensasjonen vil bli magnetisert, i motsetning til pluss.
Typer og typer termoelementer
Variasjonen av termoelementer forklares av forskjellige kombinasjoner av metalllegeringer som brukes. Valget av termoelement utføres avhengig av industrien og det nødvendige temperaturområdet.
Termoelement krom-alumel (TXA)
Positiv elektrode: kromlegering (90 % Ni, 10 % Cr).
Negativ elektrode: alumellegering (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Isolasjonsmateriale: porselen, kvarts, metalloksider, etc.
Temperaturområde fra -200 ° С til 1300 ° С kortsiktig og 1100 ° С langsiktig oppvarming.
Arbeidsmiljø: inert, oksiderende (O2=2-3 % eller helt utelukket), tørt hydrogen, korttidsvakuum. I en reduserende eller redoksatmosfære i nærvær av et beskyttende deksel.
Ulemper: enkel deformasjon, reversibel ustabilitet av termo-EMF.
Det kan være tilfeller av korrosjon og sprøhet av alumel i nærvær av spor av svovel i atmosfæren og krom i en svakt oksiderende atmosfære ("grønn leire").
Termoelement krom-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 langsiktig og 1100 ° С kortsiktig oppvarming.
Arbeidsmiljø: inert og oksiderende, kortvarig vakuum.
Ulemper: termoelektrodedeformasjon.
Mulighet for kromfordampning under langvarig vakuum; reaksjon med en atmosfære som inneholder svovel, krom, fluor.
Termoelement jern-konstantan (TGK)
Positiv elektrode: kommersielt rent jern (mykt stål).
Negativ elektrode: konstantan-legering (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Brukes til målinger i reduserende, inerte medier og vakuum. Temperatur fra -203°С til 750°С langsiktig og 1100°С kortvarig oppvarming.
Applikasjonen utvikles ved felles måling av positive og negative temperaturer. Det er ulønnsomt å bruke bare for negative temperaturer.
Ulemper: termoelektrodedeformasjon, lav korrosjonsmotstand.
Endringer i de fysisk-kjemiske egenskapene til jern ved ca. 700°C og 900°C. Reagerer med svovel og vanndamp for å danne korrosjon.
Tungsten-rhenium termoelement (TVR)
Positiv elektrode: legeringer BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 med silika og aluminiumsadditiv) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativ elektrode: BP20-legeringer (80 % W, 20 % Rh).
Isolasjon: kjemisk ren metalloksidkeramikk.
Mekanisk styrke, varmebestandighet, lav følsomhet for forurensning, enkel fremstilling er notert.
Måling av temperaturer fra 1800 ° С til 3000 ° С, den nedre grensen er 1300 ° С. Målinger utføres i et inertgass, tørt hydrogen eller vakuummiljø. I oksiderende miljøer kun for måling i raske prosesser.
Ulemper: dårlig reproduserbarhet av termo-EMF, dens ustabilitet under bestråling, ustabil følsomhet i temperaturområdet.
Termoelement wolfram-molybden (VM)
Positiv elektrode: wolfram (kommersielt ren).
Negativ elektrode: molybden (kommersielt ren).
Isolasjon: alumina keramikk, beskyttet med kvartsspisser.
Inert, hydrogen eller vakuummiljø. Det er mulig å utføre korttidsmålinger i oksiderende miljøer i nærvær av isolasjon.Området for målte temperaturer er 1400-1800°C, maksimal driftstemperatur er ca. 2400°C.
Ulemper: dårlig reproduserbarhet og følsomhet for termisk EMF, polaritetsreversering, sprøhet ved høye temperaturer.
Termoelementer platina-rhodium-platina (TPP)
Positiv elektrode: platina-rhodium (Pt c 10 % eller 13 % Rh).
Negativ elektrode: platina.
Isolasjon: kvarts, porselen (vanlig og ildfast). Opp til 1400°C - keramikk med høyt innhold av Al2O3, over 1400°C - keramikk fra kjemisk ren Al2O3.
Maksimal driftstemperatur 1400°C langsiktig, 1600°C kortsiktig. Måling av lave temperaturer utføres vanligvis ikke.
Arbeidsmiljø: oksiderende og inert, reduserende i nærvær av beskyttelse.
Ulemper: høye kostnader, ustabilitet under bestråling, høy følsomhet for forurensning (spesielt platinaelektroden), metallkornvekst ved høye temperaturer.
Termoelementer platina-rhodium-platina-rhodium (TPR)
Positiv elektrode: Pt-legering med 30 % Rh.
Negativ elektrode: Pt-legering med 6 % Rh.
Medium: oksiderende, nøytral og vakuum. Bruk for å redusere og inneholde damp av metaller eller ikke-metaller i nærvær av beskyttelse.
Maksimal driftstemperatur 1600°C langsiktig, 1800°C kortsiktig.
Isolasjon: Al keramikk2O3 høy renhet.
Mindre utsatt for kjemisk forurensning og kornvekst enn et platina-rhodium-platina termoelement.
Koblingsskjema for termoelement
- Koble et potensiometer eller galvanometer direkte til lederne.
- Tilkobling med kompenserende ledninger;
- Tilkobling med konvensjonelle kobberledninger til et termoelement med enhetlig utgang.
Fargestandarder for termoelementledere
Farget lederisolasjon hjelper til med å skille termoelektroder fra hverandre for riktig tilkobling til terminalene. Standarder varierer fra land til land, det er ingen spesifikke fargekoder for ledere.
VIKTIG: Det er nødvendig å kjenne til standarden som brukes i virksomheten for å forhindre feil.
Målenøyaktighet
Nøyaktigheten avhenger av termoelementtype, temperaturområde, materialrenhet, elektrisk støy, korrosjon, koblingsegenskaper og produksjonsprosess.
Termoelementer er tildelt en toleranseklasse (standard eller spesiell) som etablerer et målekonfidensintervall.
VIKTIG: Egenskaper på produksjonstidspunktet endres under drift.
Målehastighet
Hastigheten bestemmes av primæromformerens evne til raskt å reagere på temperaturhopp og flyten av inngangssignaler til måleenheten som følger dem.
Faktorer som øker ytelsen:
- Riktig installasjon og beregning av lengden på primæromformeren;
- Når du bruker en transduser med en beskyttelseshylse, er det nødvendig å redusere enhetens masse ved å velge en mindre diameter på hylsene;
- Minimere luftgapet mellom primæromformeren og beskyttelseshylsen;
- Bruk av en fjærbelastet primær omformer og fylling av hulrommene i hylsen med et varmeledende fyllstoff;
- Et medium som beveger seg raskt eller tettere (væske).
Termoelementets ytelsessjekk
For å kontrollere ytelsen, koble til en spesiell måleenhet (tester, galvanometer eller potensiometer) eller mål utgangsspenningen med et millivoltmeter. Hvis det er svingninger i pilen eller den digitale indikatoren, kan termoelementet repareres, ellers må enheten skiftes ut.
Årsaker til termoelementfeil:
- Unnlatelse av å bruke en beskyttende skjermingsenhet;
- Endring i den kjemiske sammensetningen av elektrodene;
- Oksidative prosesser som utvikler seg ved høye temperaturer;
- Nedbryting av kontroll- og måleapparat mv.
Fordeler og ulemper ved å bruke termoelementer
Fordelene ved å bruke denne enheten er:
- Stort temperaturmålingsområde;
- Høy presisjon;
- Enkelhet og pålitelighet.
Ulempene inkluderer:
- Implementering av kontinuerlig overvåking av det kalde krysset, verifisering og kalibrering av kontrollutstyr;
- Strukturelle endringer i metaller under produksjonen av enheten;
- Avhengighet av sammensetningen av atmosfæren, kostnadene ved forsegling;
- Målefeil på grunn av elektromagnetiske bølger.
