Ce este un termocuplu? Principiul de funcționare, tipuri de bază și tipuri

Termocuplul este un dispozitiv pentru măsurarea temperaturilor în toate domeniile științei și tehnologiei. Acest articol oferă o prezentare generală a termocuplelor, cu o defalcare a designului și a principiului de funcționare a acestora. Se descriu varietățile de termocuple cu caracteristicile lor scurte și se oferă o evaluare a termocuplului ca dispozitiv de măsurare.

Proiectarea unui termocuplu

Principiul de funcționare al unui termocuplu. Efectul Seebeck

Termocuplul se bazează pe efectul termoelectric descoperit de fizicianul german Tomas Seebeck în 1821.

Fenomenul se bazează pe producerea de electricitate într-un circuit electric închis atunci când este expus la o anumită temperatură ambiantă. Curentul electric este generat atunci când există o diferență de temperatură între doi conductori (termocuple) de compoziție diferită (metale sau aliaje diferite) și este menținut prin menținerea punctelor de contact ale acestora (joncțiuni). Aparatul afișează temperatura care urmează să fie măsurată pe ecranul dispozitivului secundar conectat.

Tensiunea de ieșire și temperatura se află într-o relație liniară. Aceasta înseamnă că o creștere a temperaturii măsurate are ca rezultat o valoare mai mare a milivoltului la capetele libere ale termocuplului.

Joncțiunea de la punctul de măsurare a temperaturii se numește "joncțiune caldă", iar conexiunea firelor la transmițător se numește "joncțiune rece".

Compensarea temperaturii joncțiunii reci (CJC)

Compensarea joncțiunii reci (CJC) este o corecție efectuată sub forma unei corecții la citirea finală atunci când se măsoară temperatura la punctul de conectare a capetelor libere ale termocuplului. Acest lucru se datorează discrepanței dintre temperatura reală a joncțiunii reci și valorile calculate din tabelul de calibrare pentru temperatura joncțiunii reci la 0°C.

CHS este o metodă diferențială în care citirea temperaturii absolute este derivată din valoarea cunoscută a temperaturii joncțiunii reci (cunoscută și sub numele de joncțiunea de referință).

Proiectarea termocuplului

Proiectarea unui termocuplu ia în considerare influența unor factori cum ar fi "agresivitatea" mediului extern, starea agregată a substanței, intervalul de temperaturi care trebuie măsurate și altele.

Caracteristicile de proiectare a termocuplului:

1) Perechile de conductoare sunt conectate între ele prin răsucire sau împletire cu sudare ulterioară cu arc electric (rareori prin lipire).

IMPORTANT: Metoda de răsucire nu este recomandată din cauza pierderii rapide a proprietăților de joncțiune.

2) Electrozii termocuplului trebuie să fie izolați electric pe toată lungimea lor, cu excepția punctului de contact.

3) Metoda de izolare este selectată în funcție de limita superioară de temperatură.

• Până la 100-120°C - orice izolație;
• Până la 1300°C - tuburi sau bile de porțelan;
• Până la 1950°C - Al₂O₃;
• Peste 2000°C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Capac de protecție.

Materialul trebuie să fie rezistent din punct de vedere termic și chimic, cu o bună conductivitate termică (metal, ceramică). Utilizarea tecii previne coroziunea în anumite medii.

Cabluri de extensie (de compensare)

Acest tip de cablu este necesar pentru a extinde capetele termocuplului la un dispozitiv secundar sau la o barieră. Firele nu sunt utilizate dacă termocuplul are un emițător încorporat cu un semnal de ieșire unificat. Cea mai frecventă aplicație este pentru un transmițător standard găzduit într-un cap terminal de senzor cu semnal unificat 4-20mA, așa-numita "tabletă".

Materialul firului poate fi același cu cel al termocuplului, dar cel mai adesea este înlocuit cu unul mai ieftin, ținând cont de condițiile care împiedică formarea de termoelectrozi parazite (induse). Utilizarea firelor de prelungire poate contribui, de asemenea, la optimizarea producției.

Sfaturile tale! Pentru a determina corect polaritatea firelor de compensare și conectarea lor la termocuplu, amintiți-vă regula mnemonică MM - minus este magnetic. Adică, luați un magnet oarecare și minusurile din compensare vor fi magnetice, spre deosebire de plus.

Tipuri și tipuri de termocupluri

Diversitatea termocuplurilor se datorează diferitelor combinații de aliaje metalice utilizate. Selectarea termocuplului se bazează pe industria și pe domeniul de temperatură necesar.

Termocuplu din crom-alumel (TXA)

Electrod pozitiv: aliaj de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Electrod negativ: aliaj Alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Material izolator: porțelan, cuarț, oxizi metalici etc.

Interval de temperatură de la -200°C la 1300°C pe termen scurt și 1100°C pe termen lung.

Mediu de operare: inert, oxidant (O₂=2-3% sau eliminat în totalitate), hidrogen uscat, vid de scurtă durată. Într-o atmosferă reducătoare sau redox în prezența unui înveliș protector.

Dezavantaje: ușor de deformat, instabilitate reversibilă a câmpului electromagnetic termic.

Posibile cazuri de coroziune și fragilizare a aluminiului în prezența urmelor de sulf în atmosferă și a cromului într-o atmosferă slab oxidantă ("argilă verde").

Termocuplu crom-cupru (CTC)

Electrod pozitiv: aliaj de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Electrod negativ: aliaj Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Intervalul de temperatură de la -253°C la 800°C pe termen lung și 1100°C pe termen scurt.

Mediu de operare: Inert și oxidant, vid de scurtă durată.

Dezavantaje: deformarea termocuplului.

Este posibilă evaporarea cromului în timpul vidului prelungit; reacția cu atmosfera care conține sulf, crom, fluor.

Termocuplu fier-constantan (PCT)

Electrod pozitiv: fier pur (oțel moale).
Electrod negativ: aliaj constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Utilizat pentru măsurători în medii de reducere, inerție și vid. Gama de temperaturi de la -203°C la 750°C pe termen lung și 1100°C pe termen scurt.

Aplicația se bazează pe măsurarea combinată a temperaturilor pozitive și negative. Nu este potrivit doar pentru temperaturi negative.

Dezavantaje: deformarea termocuplului, rezistență scăzută la coroziune.

Modificarea proprietăților fizico-chimice ale fierului în jurul valorii de 700°C și 900°C. Interacționează cu vaporii de sulf și apă pentru a forma coroziune.

Termocuplu tungsten-reniu (TVR)

Electrod pozitiv: aliaje BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 cu adaos de siliciu și aluminiu)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Electrod negativ: aliaje BP20 (80% W, 20% Rh).

Izolație: Ceramică din oxizi metalici chimic puri.

Caracteristicile includ rezistența mecanică, rezistența la temperatură, sensibilitatea scăzută la contaminare și ușurința de fabricare.

Măsoară temperaturi de la 1800°C la 3000°C, limita inferioară fiind de 1300°C. Se măsoară în condiții de gaz inert, hidrogen uscat sau vid. Potrivit numai pentru măsurători în medii oxidante pentru procese rapide.

Dezavantaje: reproductibilitatea slabă a EMF termic, instabilitatea acestuia în timpul iradierii, sensibilitate instabilă în intervalul de temperatură.

Termocuplu din tungsten-molibden (TM)

Electrod pozitiv: Tungsten (pur din punct de vedere tehnic).
Electrod negativ: molibden (pur din punct de vedere tehnic).

Izolație: ceramică de alumină, protecție cu vârfuri de cuarț.

Mediu inert, hidrogen sau vid. Măsurătorile pe termen scurt în medii oxidante sunt posibile în prezența izolației. Domeniul de temperatură măsurabil este cuprins între 1400 și 1800°C, cu o temperatură maximă de lucru de aproximativ 2400°C.

Dezavantaje: reproductibilitate și sensibilitate scăzută a termo-EDC, inversiune de polaritate, fragilizare la temperaturi ridicate.

Termocuple platină-rodiu-platină (PPT)

Electrod pozitiv: Platină-Rh (Pt cu 10% sau 13% Rh)
Electrod negativ: platină.

Izolație: cuarț, porțelan (normal și refractar). Până la 1400°C - ceramică cu un conținut crescut de Al₂O₃O, la temperaturi de peste 1400°C - Al chimic pur Al₂O₃.

Temperatura maximă de funcționare 1400°C pe termen lung, 1600°C pe termen scurt. În mod normal, nu se efectuează măsurători la temperaturi scăzute.

Mediu de operare: mediu oxidant și inert, mediu reducător în prezența unui ecran de protecție.

Dezavantaje: cost ridicat, instabilitate la iradiere, sensibilitate ridicată la contaminare (în special la electrodul de platină), creștere a granulelor de metal la temperaturi ridicate.

Termocupluri platină-rodiu-platină-rodiu (PRT)

Electrod pozitiv: aliaj de Pt cu 30% Rh.
Electrod negativ: aliaj de Pt cu 6% Rh.

Mediu: oxidant, neutru și vid. Se utilizează în medii metalice sau nemetalice cu conținut de vapori și reducătoare, în prezența unui ecran de protecție.

Temperatura maximă de lucru: 1600°C pe termen lung, 1800°C pe termen scurt.

Izolație: Ceramică din Al₂O₃ Ceramică Al O de înaltă puritate.

Mai puțin susceptibil la contaminare chimică și la creșterea granulației decât termocuplul din platină-nichel.

Schema de cablare pentru termocuplu

• Conectarea potențiometrului sau a galvanometrului direct la conductoare.
• Conectarea prin intermediul firelor de compensare;
• Conectarea cu fire de cupru convenționale la un termocuplu cu ieșire unificată.

Standarde de culoare a conductorului termocuplului

Izolația colorată a conductorului ajută la distingerea electrozilor termocuplului unul de celălalt pentru conectarea corectă la terminale. Standardele diferă de la o țară la alta și nu există denumiri specifice de culoare pentru conductori.

IMPORTANT: Este necesar să se afle care este standardul utilizat de companie pentru a preveni erorile.

Precizia măsurării

Precizia depinde de tipul de termocuplu, de intervalul de temperatură care urmează să fie măsurat, de puritatea materialului, de zgomotul electric, de coroziune, de proprietățile joncțiunii și de procesul de fabricație.

Termocuplurilor li se atribuie o clasă de toleranță (standard sau specială) care determină intervalul de încredere al măsurătorii.

IMPORTANT: Caracteristicile din momentul fabricării se modifică în timpul funcționării.

Viteza de măsurare

Viteza este determinată de capacitatea traductorului primar de a reacționa rapid la salturile de temperatură și de fluxul ulterior de semnale de intrare către instrumentul de măsurare.

Factori care sporesc capacitatea de reacție:

1. Instalarea corectă și calcularea corectă a lungimii traductorului primar;
2. Atunci când utilizați un emițător cu un radiator, reduceți masa unității prin selectarea unui diametru mai mic al radiatorului;
3. Reduceți la minimum spațiul de aer dintre transductorul primar și termovacuza;
4. Folosirea unui traductor primar cu arc și umplerea cavităților din godeul termic cu material de umplere termoconductor;
5. Mediu cu mișcare rapidă sau mediu cu densitate mai mare (lichid).

Încercarea funcțională a unui termocuplu

Pentru a verifica funcționarea, conectați un dispozitiv de măsurare special (tester, galvanometru sau potențiometru) sau măsurați tensiunea de ieșire cu un milivoltmetru. Dacă săgeata sau afișajul digital fluctuează, termocuplul este valabil, în caz contrar dispozitivul trebuie înlocuit.

Cauzele defecțiunilor termocuplurilor:

1. Neutilizarea unui dispozitiv de protecție;
2. Alterarea compoziției chimice a electrozilor;
3. Procese de oxidare care au loc la temperaturi ridicate;
4. Defectarea instrumentului de măsurare etc.

Avantajele și dezavantajele utilizării termocuplurilor

Avantajele utilizării acestui dispozitiv includ:

• Interval mare de măsurare a temperaturii;
• Precizie ridicată;
• Simplu și fiabil.

Dezavantajele sunt:

• Monitorizarea constantă a joncțiunii reci, verificarea și calibrarea echipamentului de control;
• Modificări structurale ale metalelor în timpul fabricării aparatului;
• Dependența de compoziția atmosferică, costurile de etanșare;
• Erorile de măsurare datorate expunerii la unde electromagnetice.

Articole conexe: