Термодвойка, един от температурните сензори

Температурните сензори са широко използвани и се предлагат в много видове, но основните често срещани типове са: термодвойки (PT100/PT1000), термопили, термистори, съпротивителни температурни детектори, и IC температурни сензори. Сензорите за температура IC включват два типа: аналогови изходни сензори и цифрови изходни сензори. Според характеристиките на материала и електронните компоненти на температурния сензор, те са разделени на две категории: терморезистори и термодвойки. Термодвойките се превърнаха в индустриален стандартен метод за рентабилно измерване на широк диапазон от температури с разумна точност. Те се използват в различни приложения до приблизително +2500°C в котли, бойлери, фурни, и авиационни двигатели - за да назовем само няколко.

Тип платинено-родиева термодвойка Устойчив на висока температура 1600 градуса корундова тръба

PT100 температурен датчик игла сонда термодвойка

3-проводник PT100 платинена съпротивителна термодвойка с екраниран кабел

(1) Основна дефиниция на термодвойките
Термодвойките са едни от най-често използваните елементи за откриване на температура в индустрията. Принципът на работа на термодвойките се основава на ефекта на Seebeck, което е физическо явление, при което два проводника от различни компоненти са свързани в двата края, за да образуват верига. Ако температурите на двата съединителни края са различни, в контура се генерира топлинен ток.

Като един от най-широко използваните температурни сензори в индустриалното измерване на температурата, термодвойки, заедно с платинени терморезистори, сметка за около 60% от общия брой температурни сензори. Термодвойките обикновено се използват заедно с дисплеи за директно измерване на повърхностната температура на течности, изпарения, газообразни среди и твърди вещества в обхвата на -40 до 1800°C в различни производствени процеси. Предимствата включват висока точност на измерване, широк диапазон на измерване, проста структура и лесна употреба.

(2) Основен принцип на измерване на температурата с термодвойка
Термодвойка е температурен чувствителен елемент, който може директно да измерва температурата и да я преобразува в сигнал за термоелектрически потенциал. Сигналът се преобразува в температурата на измерваната среда чрез електрически уред. Принципът на работа на термодвойката е, че два проводника от различни компоненти образуват затворен контур. Когато има температурен градиент, токът ще премине през веригата и ще генерира термоелектричен потенциал, което е ефектът на Зеебек. Двата проводника на термодвойката се наричат ​​термодвойки, единият край на който е работният край (по-висока температура) а другият край е свободният край (обикновено при постоянна температура). Според връзката между термоелектрическия потенциал и температурата, прави се скала за термодвойка. Различните термодвойки имат различни скали.

Когато трети метален материал е свързан към веригата на термодвойката, стига температурата на двата контакта на материала да е еднаква, термоелектричният потенциал, генериран от термодвойката, ще остане непроменен и няма да бъде повлиян от третия метал. Следователно, при измерване на температурата на термодвойката, може да се свърже измервателен уред за определяне на температурата на измерваната среда чрез измерване на термоелектричния потенциал. Термодвойките заваряват проводници или полупроводници A и B в затворен контур.

Термодвойките заваряват два проводника или полупроводника А и В от различни материали заедно, за да образуват затворен контур, както е показано на фигурата.

Когато има температурна разлика между двете точки на закрепване 1 и 2 на проводници А и В, между двете се генерира електродвижеща сила, като по този начин се образува ток с определена големина в контура. Това явление се нарича термоелектричен ефект. Термодвойките работят, като използват този ефект.

Два проводника от различни компоненти (наречени проводници с термодвойки или горещи електроди) са свързани в двата края, за да образуват примка. Когато температурите на преходите са различни, в контура се генерира електродвижеща сила. Това явление се нарича термоелектричен ефект, и тази електродвижеща сила се нарича термоелектричен потенциал. Термодвойките използват този принцип за измерване на температурата. Сред тях, краят, използван директно за измерване на температурата на средата, се нарича работен край (наричан още измервателен край), а другият край се нарича студен край (наричан още компенсационен край); студеният край е свързан към дисплея или съответния инструмент, и инструментът на дисплея ще покаже термоелектрическия потенциал, генериран от термодвойката.

Термодвойките са преобразуватели на енергия, които преобразуват топлинната енергия в електрическа и измерват температурата чрез измерване на генерирания термоелектрически потенциал. При изследване на термоелектричния потенциал на термодвойките, трябва да се отбележат следните проблеми:
1) Термоелектричният потенциал на термодвойката е функция на температурната разлика между двата края на термодвойката, не температурната разлика между двата края на термодвойката.
2) Големината на термоелектрическия потенциал, генериран от термодвойка, няма нищо общо с дължината и диаметъра на термодвойката, но само със състава на материала на термодвойката и температурната разлика между двата края, при условие, че материалът на термодвойката е еднороден.
3) След определяне на материалния състав на двата проводника на термодвойката на термодвойката, величината на термоелектричния потенциал на термодвойката е свързана само с температурната разлика на термодвойката. Ако температурата на студения край на термодвойката остане постоянна, термоелектричният потенциал на термодвойката е само еднозначна функция на работната крайна температура.
Често използваните материали за термодвойки са:
(3) Видове и устройство на термодвойки
Видове
Термодвойките могат да бъдат разделени на две категории: стандартни термодвойки и нестандартни термодвойки. Така наречената стандартна термодвойка се отнася до термодвойка, чийто национален стандарт определя връзката между нейния термоелектрически потенциал и температура, допустимата грешка, и има унифицирана стандартна скала. Има подходящ дисплей за избор. Нестандартизираните термодвойки са по-ниски от стандартизираните термодвойки по отношение на диапазон на използване или порядък на величина, и като цяло нямат унифицирана скала. Те се използват главно за измервания при определени специални случаи.

Основна структура на термодвойките:
Основната структура на термодвойките, използвани за промишлено измерване на температурата, включва проводник от термодвойка, изолационна тръба, защитна тръба и съединителна кутия, и т.н.

Често използвани проводници за термодвойки и техните свойства:
А. Термодвойка платина-родий 10-платина (с дипломиран номер S, известен също като единична платинено-родиева термодвойка). Положителният електрод на тази термодвойка е платинено-родиева сплав, съдържаща 10% родий, а отрицателният електрод е чиста платина;

Характеристики:
(1) Стабилна термоелектрическа производителност, силна устойчивост на окисляване, подходящ за продължителна употреба в окислителна атмосфера, температурата при продължителна употреба може да достигне 1300 ℃, когато надвиши 1400 ℃, дори във въздуха, чистата платинена тел ще рекристализира, което прави зърната груби и натрошени;
(2) Висока прецизност. Това е най-високата степен на точност сред всички термодвойки и обикновено се използва като стандарт или за измерване на по-високи температури;
(3) Широк спектър на използване, добра равномерност и взаимозаменяемост;
(4) Основните недостатъци са: малък диференциален термоелектрически потенциал, толкова ниска чувствителност; скъпа цена, ниска механична якост, не е подходящ за използване в редуцираща атмосфера или при условия на метални пари.

Б. Термодвойка платина-родий 13-платина (с градуиран номер R, известен също като единична платинено-родиева термодвойка) Положителният електрод на тази термодвойка е платинено-родиева сплав, съдържаща 13%, а отрицателният електрод е чиста платина. В сравнение с тип S, неговият потенциален процент е около 15% по-високо. Останалите свойства са почти същите. Този тип термодвойка се използва най-често като високотемпературна термодвойка в японската индустрия, но се използва по-малко в Китай;

° С. Платина-родий 30-платина-родий 6 термодвойка (номер на дивизия B, известен също като двойна платинено-родиева термодвойка) Положителният електрод на тази термодвойка е платинено-родиева сплав, съдържаща 30% родий, а отрицателният електрод е платинено-родиева сплав, съдържаща 6% родий. На стайна температура, неговият термоелектрически потенциал е много малък, така че компенсационните проводници обикновено не се използват по време на измерване, и влиянието на температурните промени в студения край може да се пренебрегне. Температурата за дългосрочна употреба е 1600 ℃, и температурата за краткосрочна употреба е 1800 ℃. Тъй като термоелектрическият потенциал е малък, необходим е дисплей с по-висока чувствителност.

Термодвойките тип B са подходящи за използване в окислителни или неутрални атмосфери, и може да се използва и за краткотрайна употреба във вакуумни атмосфери. Дори в редуцираща атмосфера, животът му е 10 към 20 пъти повече от тип B. пъти. Тъй като неговите електроди са изработени от платинено-родиева сплав, няма всички недостатъци на отрицателния електрод на термодвойка платина-родий-платина. Има малка тенденция за голяма кристализация при висока температура, и има по-голяма механична якост. В същото време, тъй като има по-малко влияние върху абсорбцията на примеси или миграцията на родий, неговият термоелектрически потенциал не се променя сериозно след продължителна употреба. Недостатъкът е, че е скъп (спрямо единична платина-родий).

д. Никел-хром-никел-силиций (никел-алуминий) термодвойка (номерът за оценка е K) Положителният електрод на тази термодвойка е сплав от никел-хром, съдържаща 10% хром, а отрицателният електрод е никел-силиконова сплав, съдържаща 3% силиций (отрицателният електрод на продуктите в някои страни е чист никел). Може да измерва средна температура от 0-1300 ℃ и е подходящ за продължителна употреба в окислителни и инертни газове. Температурата за краткотрайна употреба е 1200 ℃, и температурата за дългосрочна употреба е 1000 ℃. Неговият термоелектрически потенциал е Температурната връзка е приблизително линейна, цената е евтина, и това е най-широко използваната термодвойка в момента.

K-тип термодвойка е термодвойка от неблагороден метал със силна устойчивост на окисление. Не е подходящ за използване с оголен проводник във вакуум, съдържащи сяра, атмосфера, съдържаща въглерод, и окислително-редукционна променлива атмосфера. Когато парциалното налягане на кислорода е ниско, хромът в никел-хромовия електрод ще бъде за предпочитане окислен, което води до голяма промяна в термоелектрическия потенциал, но металният газ има малък ефект върху него. Следователно, често се използват метални защитни тръби.

С жълт мъжки щепсел Пружинна термодвойка тип K

K-тип температурен датчик със сонда от неръждаема стомана

Сензор за температура с термодвойка тип K от неръждаема стомана WRN-K

Недостатъци на К-тип термодвойки:
(1) Високотемпературната стабилност на термоелектричния потенциал е по-лоша от тази на термодвойки тип N и термодвойки от благороден метал. При по-високи температури (например, над 1000°C), често се уврежда от окисляване.
(2) Стабилността на краткосрочен термичен цикъл е лоша в диапазона 250-500°C, това е, при същата температурна точка, показанията на термоелектричния потенциал са различни по време на процеса на нагряване и охлаждане, и разликата може да достигне 2-3°C.
(3) Отрицателният електрод претърпява магнитна трансформация в диапазона 150-200°C, което води до отклонение на стойността на градуирането в диапазона от стайна температура до 230°C от таблицата за градуиране. В частност, когато се използва в магнитно поле, често възникват термоелектрически потенциални смущения, които не зависят от времето.
(4) При продължително излагане на средносистемно облъчване с висок поток, елементи като манган (Мн) и кобалт (Co) в отрицателния електрод претърпяват трансформация, влошавайки стабилността му, което води до голяма промяна в термоелектричния потенциал.

д. Термодвойка никел-хром-силиций-никел-силиций (Н) Основните характеристики на тази термодвойка са: силен контрол на температурата и устойчивост на окисляване под 1300 ℃, добра дългосрочна стабилност и възпроизводимост на краткосрочен термичен цикъл, добра устойчивост на ядрена радиация и ниска температура. Освен това, в диапазона 400-1300 ℃, линейността на термоелектричните характеристики на термодвойката N-тип е по-добра от тази на K-типа. Въпреки това, нелинейната грешка е голяма в ниския температурен диапазон (-200-400℃), а материалът е твърд и труден за обработка.

д. Термодвойка мед-мед-никел (Т) Т-тип термодвойка, положителният електрод на тази термодвойка е чиста мед, а отрицателният електрод е медно-никелова сплав (известен също като константан). Основните му характеристики са: сред термодвойките от неблагородни метали, има най-висока точност и добра равномерност на термоелектрода. Работната му температура е -200 ~ 350 ℃. Тъй като медната термодвойка лесно се окислява и оксидният филм лесно пада, обикновено не се допуска превишаване на 300 ℃, когато се използва в окислителна атмосфера, и е в диапазона от -200～300℃. Те са относително чувствителни. Друга особеност на термодвойките мед-константан е, че са евтини, и те са най-евтините от няколко често използвани стандартизирани продукта.

Е. Термодвойка желязо-константан (номерът за оценка е J)
J-тип термодвойка, положителният електрод на тази термодвойка е чисто желязо, а отрицателният електрод е константан (медно-никелова сплав), който се характеризира с ниската си цена. Подходящ е за редуцираща или инертна атмосфера на вакуумно окисляване, и температурният диапазон е от -200 ~ 800 ℃. Въпреки това, често използваната температура е само под 500 ℃, защото след превишаване на тази температура, скоростта на окисляване на желязната термодвойка се ускорява. Ако се използва тел с дебел диаметър, все още може да се използва при висока температура и има по-дълъг живот. Тази термодвойка е устойчива на корозия от водород (H2) и въглероден окис (CO) газове, но не може да се използва при висока температура (e.g. 500℃) сяра (С) атмосфери.

G. Никел-хром-мед-никел (Константан) термодвойка (код на подразделение Е)
Термодвойка тип E е сравнително нов продукт, с положителен електрод от никел-хромова сплав и отрицателен електрод от медно-никелова сплав (Константан). Най-голямата му характеристика е, че е сред често използваните термодвойки, неговият термоелектрически потенциал е най-голям, това е, неговата чувствителност е най-висока. Въпреки че обхватът му на приложение не е толкова широк, колкото този на Тип К, често се избира при условия, изискващи висока чувствителност, ниска топлопроводимост, и допустимо голямо съпротивление. Ограниченията при употреба са същите като тези на Тип К, но не е много чувствителен към корозия в атмосфери с висока влажност.

В допълнение към горното 8 често използвани термодвойки, има и волфрам-рениеви термодвойки, платиново-родиеви термодвойки, иридиево-германиеви термодвойки, платиново-молибденови термодвойки, и термодвойки от неметални материали като нестандартизирани термодвойки. Следващата таблица изброява връзката между спецификациите на материала и диаметъра на проводника на често използвани термодвойки и работната температура:

Номер на степента на термодвойка Диаметър на проводника (мм) Дългосрочни Краткосрочни
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Температурна компенсация на студения край на термодвойката
За да спестите разходите за материали за термодвойки, особено при използване на благородни метали, обикновено се използва компенсационен проводник за удължаване на студения край (свободен край) на термодвойката в контролната зала, където температурата е относително стабилна, и я свържете към терминала на инструмента. Трябва да е ясно, че ролята на компенсационния проводник на термодвойката е ограничена до удължаване на термодвойката и преместване на студения край на термодвойката към терминала на инструмента в контролната зала. Самият той не може да елиминира влиянието на промяната на температурата на студения край върху измерването на температурата и не може да играе компенсационна роля.

Изолационна тръба

Работните краища на термодвойката са здраво заварени заедно, а термодвойките трябва да бъдат защитени с изолационни тръби. Има много налични материали за изолационни тръби, които се разделят основно на органични и неорганични изолации. За края на високата температура, неорганичните материали трябва да бъдат избрани като изолационни тръби. Общо взето, глинените изолационни тръби могат да бъдат избрани под 1000 ℃, високи алуминиеви тръби могат да бъдат избрани под 1300 ℃, и корундови тръби могат да бъдат избрани под 1600 ℃.

Защитна тръба

Функцията на защитната тръба е да предотврати директен контакт на електрода на термодвойката с измерваната среда. Неговата функция не само удължава живота на термодвойката, но също така осигурява функцията за поддържане и фиксиране на термоелектрода и повишаване на неговата здравина. Следователно, правилният избор на защитни тръби за термодвойка и изолационни материали е от решаващо значение за експлоатационния живот и точността на измерване на термодвойката. Материалите на защитната тръба са разделени главно на две категории: метални и неметални.

Резюме:
Термодвойките са често използвани сензори в индустриалното измерване на температурата, които се характеризират с висока точност, икономичност и приложимост в широк температурен диапазон. Той измерва чрез измерване на температурната разлика между горещия и студения край.

За да се получи температурата на сензорната точка на горещия край, необходимо е да се измери температурата на студения край и съответно да се регулира мощността на термодвойката. Типично, студеният възел се поддържа при същата температура като входа на модула за обработка на сигнала на термодвойката през лист от материал с висока топлопроводимост. Медта е материал с идеална топлопроводимост (381W/mK). Входната връзка трябва да бъде електрически изолирана, за да се предотврати намесата на сигнала на термодвойката в топлопроводимостта на чипа. Целият блок за обработка на сигнала за предпочитане е в тази изотермична среда.

Обхватът на сигнала на термодвойката обикновено е на ниво микроволт/℃. Устройството за обработка на сигнала на термодвойката е много чувствително към електромагнитни смущения (EMI), и линията на термодвойката често се смущава от EMI. EMI увеличава несигурността на получения сигнал и вреди на точността на събраните данни за температурата. Освен това, специалният кабел за термодвойка, необходим за връзката, също е скъп, и ако други видове кабели не са внимателно заменени, може да причини трудности при анализа.

Тъй като EMI е пропорционален на дължината на линията, обичайните опции за минимизиране на смущенията са да се постави управляващата верига близо до точката на наблюдение, добавете дистанционна платка близо до точката на наблюдение, или използвайте сложно филтриране на сигнала и екраниране на кабела. По-елегантно решение е да се цифровизира изходът на термодвойката близо до точката на наблюдение.

(5) Процес на производство на термодвойка
Контролът на производствения процес на термодвойка включва следното:
1) Проверка на проводника: проверете геометричните размери и термоелектрическия потенциал.
2) Проверка на компенсационния проводник: проверете геометричните размери и термоелектрическия потенциал.
3) Подгответе и проверете компоненти като пластмасови гнезда, алуминиеви капачки, огнеупорни основи, хартиени тръби и малки хартиени тръби.
4) Заваряване на горещ край: проверете квалифицирания процент на спойките и квалифицирания процент на дължина чрез P контролната диаграма.
5) Отгряване на тел: включително първично отгряване (отгряване след алкално промиване и киселинно измиване) и вторично отгряване (отгряване след преминаване през U-образната тръба), контрол на температурата и времето на отгряване.
6) Инспекция на процеса: включително преценка за полярността, съпротивление на веригата и качество на външния вид, както и проверка на геометричните размери.
7) Заваряване на студен край: контрол на заваръчното напрежение, проверете формата на спойката и сферичния размер.
8) Монтаж и изливане: сглобете според изискванията, включително контролиране на позицията на горещия край и разстоянието на компенсационния проводник. Изискванията за изливане включват подготовка на цимент, температура и време на печене, и измерване на изолационното съпротивление.
9) Окончателна проверка: Проверете геометрията, съпротивление на контура, положителна и отрицателна полярност и изолационно съпротивление.

(6) Приложение на сензори с термодвойки
Термодвойките се образуват чрез свързване на два различни проводника заедно. Когато измервателният и референтният преход са при различни температури, така наречената термоелектромагнитна сила (ЕМП) се генерира. Предназначение на съединението Преходът за измерване е частта от съединението на термодвойката, която е при измерената температура.

Референтният преход играе ролята на поддържане на известна температура или автоматично компенсиране на температурните промени в термодвойката. В конвенционални индустриални приложения, елементът на термодвойката обикновено е свързан към конектора, докато референтният преход е свързан към контролирана среда с относително стабилна температура чрез подходящ удължителен проводник за термодвойка. Типът на съединението може да бъде свързване на термодвойка, свързано с обвивка, или изолирано съединение на термодвойка.

Преходът на термодвойката, свързан с корпуса, е свързан към стената на сондата чрез физическа връзка (заваряване), и топлината се пренася отвън към кръстовището през стената на сондата, за да се постигне добър топлопренос. Този тип съединение е подходящо за измерване на температурата на статични или течащи корозивни газове и течности, както и някои приложения с високо налягане.

Изолираните термодвойки имат връзки, които са отделени от стената на сондата и са заобиколени от мек прах. Въпреки че изолираните термодвойки имат по-бавна реакция от термодвойките с обвивка, осигуряват електрическа изолация. Изолираните термодвойки се препоръчват за измерване в корозивни среди, където термодвойката е напълно електрически изолирана от заобикалящата среда чрез екранираща обвивка.

Термодвойките с открити клеми позволяват на върха на кръстовището да проникне в околната среда. Този тип термодвойка осигурява най-доброто време за реакция, но е подходящ само за некорозивни, неопасни, и приложения без налягане. Времето за реакция може да се изрази като времева константа, което се определя като времето, необходимо за промяна на сензора 63.2% от началната стойност до крайната стойност в контролираната среда. Термодвойките с открити клеми имат най-бърза скорост на реакция, и колкото по-малък е диаметърът на обвивката на сондата, толкова по-бърза е скоростта на реакция, но колкото по-ниска е максимално допустимата температура на измерване.

Термодвойките с удължителен проводник използват удължителен проводник, за да прехвърлят референтната връзка от термодвойката към проводник в другия край, който обикновено се намира в контролирана среда и има същите температурно-електромагнитни честотни характеристики като термодвойката. При правилно свързване, удължителният проводник прехвърля референтната точка на свързване към контролираната среда.