Thermocouple, jedan od temperaturnih senzora

Senzori temperature se široko koriste i dolaze u više vrsta, ali glavni uobičajeni tipovi su: termoelementi (PT100/PT1000), termopile, termistori, otporni temperaturni detektori, i IC senzori temperature. IC senzori temperature uključuju dva tipa: analogni izlazni senzori i digitalni izlazni senzori. Prema karakteristikama materijala i elektronske komponente temperaturnog senzora, podijeljeni su u dvije kategorije: termalni otpornici i termoelementi. Termoparovi su postali industrijski standardni metod za ekonomično mjerenje širokog raspona temperatura sa razumnom preciznošću. Koriste se u raznim aplikacijama do približno +2500°C u kotlovima, bojleri, peći, i motori aviona – da spomenemo samo neke.

Tip platina-rodijum termoelementa Otporan na visoke temperature 1600 stepeni korundska cijev

PT100 termoelement senzora temperature igle

3-žica PT100 platinasti termoelement sa oklopljenim kablom

(1) Osnovna definicija termoparova
Termoparovi su jedan od najčešće korištenih elemenata za detekciju temperature u industriji. Princip rada termoparova zasniva se na Seebeck efektu, što je fizički fenomen u kojem su dva provodnika različitih komponenti spojena na oba kraja da formiraju petlju. Ako su temperature dva spojna kraja različite, toplinska struja se stvara u petlji.

Kao jedan od najčešće korištenih temperaturnih senzora u industrijskom mjerenju temperature, termoelementi, zajedno sa platinskim termičkim otpornicima, račun za oko 60% od ukupnog broja temperaturnih senzora. Termoparovi se obično koriste zajedno sa instrumentima za prikaz za direktno mjerenje površinske temperature tekućina, isparenja, gasovitih medija i čvrstih materija u opsegu od -40 do 1800°C u različitim proizvodnim procesima. Prednosti uključuju visoku preciznost mjerenja, širok raspon mjerenja, jednostavna struktura i laka upotreba.

(2) Osnovni princip mjerenja temperature termoelementom
Termoelement je senzorski element koji može direktno izmjeriti temperaturu i pretvoriti je u signal termoelektričnog potencijala. Signal se preko električnog instrumenta pretvara u temperaturu mjerenog medija. Princip rada termoelementa je da dva provodnika različitih komponenti formiraju zatvorenu petlju. Kada postoji temperaturni gradijent, struja će proći kroz petlju i stvoriti termoelektrični potencijal, što je Seebeck efekat. Dva provodnika termoelementa nazivaju se termoelementi, čiji je jedan kraj radni kraj (viša temperatura) a drugi kraj je slobodni kraj (obično na konstantnoj temperaturi). Prema odnosu između termoelektričnog potencijala i temperature, izrađuje se vaga za termopar. Različiti termoparovi imaju različite skale.

Kada je treći metalni materijal spojen na petlju termoelementa, sve dok je temperatura dva kontakta materijala ista, termoelektrični potencijal koji stvara termoelement ostat će nepromijenjen i neće biti pod utjecajem trećeg metala. Stoga, prilikom mjerenja temperature termoelementa, može se priključiti mjerni instrument za određivanje temperature mjerenog medija mjerenjem termoelektričnog potencijala. Termoparovi zavaruju provodnike ili poluprovodnike A i B u zatvorenu petlju.

Termoparovi zavaruju dva provodnika ili poluprovodnika A i B od različitih materijala zajedno da formiraju zatvorenu petlju, kao što je prikazano na slici.

Kada postoji temperaturna razlika između dvije tačke pričvršćivanja 1 i 2 provodnika A i B, između njih se stvara elektromotorna sila, formirajući tako struju određene veličine u petlji. Ovaj fenomen se naziva termoelektrični efekat. Termoparovi rade koristeći ovaj efekat.

Dva provodnika različitih komponenti (koje se nazivaju žice termoelementa ili vruće elektrode) spojeni su na oba kraja da formiraju petlju. Kada su temperature spojeva različite, u petlji se stvara elektromotorna sila. Ovaj fenomen se naziva termoelektrični efekat, a ova elektromotorna sila se naziva termoelektrični potencijal. Termoparovi koriste ovaj princip za mjerenje temperature. Među njima, kraj koji se direktno koristi za mjerenje temperature medija naziva se radni kraj (naziva se i mjerni kraj), a drugi kraj se zove hladni kraj (naziva se i kompenzacijski kraj); hladni kraj je povezan sa instrumentom za prikaz ili odgovarajućim instrumentom, a instrument za prikaz će pokazati termoelektrični potencijal koji generira termoelement.

Termoparovi su pretvarači energije koji pretvaraju toplinsku energiju u električnu energiju i mjere temperaturu mjerenjem generiranog termoelektričnog potencijala. Prilikom proučavanja termoelektričnog potencijala termoparova, potrebno je napomenuti sljedeća pitanja:
1) Termoelektrični potencijal termoelementa je funkcija temperaturne razlike između dva kraja termoelementa, ne temperaturna razlika između dva kraja termoelementa.
2) Veličina termoelektričnog potencijala koji generiše termoelement nema nikakve veze sa dužinom i prečnikom termoelementa, ali samo sa sastavom materijala termoelementa i temperaturnom razlikom između dva kraja, pod uslovom da je materijal termoelementa ujednačen.
3) Nakon određivanja sastava materijala dvije žice termoelementa termoelementa, veličina termoelektričnog potencijala termoelementa povezana je samo s temperaturnom razlikom termoelementa. Ako temperatura hladnog kraja termoelementa ostane konstantna, termoelektrični potencijal termoelementa je samo jednovrijedna funkcija radne temperature.
Uobičajeni materijali za termoelemente su:
(3) Vrste i strukture termoparova
Vrste
Termoparovi se mogu podijeliti u dvije kategorije: standardni termoparovi i nestandardni termoparovi. Takozvani standardni termoelement odnosi se na termoelement čiji nacionalni standard propisuje odnos između njegovog termoelektričnog potencijala i temperature, dozvoljenu grešku, i ima jedinstvenu standardnu ​​skalu. Ima odgovarajući instrument za prikaz za odabir. Nestandardizirani termoparovi su inferiorni u odnosu na standardizirane termoelemente u smislu opsega upotrebe ili reda veličine, i generalno nemaju jedinstvenu skalu. Uglavnom se koriste za mjerenja u određenim posebnim prilikama.

Osnovna struktura termoparova:
Osnovna struktura termoparova koji se koriste za industrijsko mjerenje temperature uključuje termoelementnu žicu, izolaciona cijev, zaštitna cijev i razvodna kutija, itd.

Najčešće korištene žice termoelementa i njihova svojstva:
A. Platina-rodijum 10-platina termoelement (sa maturskim brojem S, poznat i kao pojedinačni platina-rodijum termoelement). Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodijuma koja sadrži 10% rodijum, a negativna elektroda je čista platina;

Karakteristike:
(1) Stabilne termoelektrične performanse, jaka otpornost na oksidaciju, pogodan za kontinuiranu upotrebu u oksidirajućoj atmosferi, temperatura dugotrajne upotrebe može doseći 1300℃, kada pređe 1400℃, čak iu vazduhu, čista platinasta žica će se rekristalizirati, čineći zrna grubim i slomljenim;
(2) Visoka preciznost. To je najviši stepen tačnosti među svim termoparovima i obično se koristi kao standard ili za merenje viših temperatura;
(3) Širok spektar upotrebe, dobra uniformnost i zamenljivost;
(4) Glavni nedostaci su: mali diferencijalni termoelektrični potencijal, tako niska osetljivost; skupa cijena, niska mehanička čvrstoća, nije pogodan za upotrebu u redukcionoj atmosferi ili u uslovima metalne pare.

B. Platina-rodijum 13-platina termoelement (sa diplomskim brojem R, poznat i kao pojedinačni platina-rodijum termoelement) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodijuma koja sadrži 13%, a negativna elektroda je čista platina. U poređenju sa tipom S, njegova potencijalna stopa je oko 15% viši. Ostale nekretnine su skoro iste. Ovaj tip termoelementa se najčešće koristi kao termoelement za visoke temperature u japanskoj industriji, ali se manje koristi u Kini;

C. Platina-rodijum 30-platina-rodijum 6 termoelement (odjeljenje broj B, također poznat kao dvostruki platina-rodij termoelement) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodijuma koja sadrži 30% rodijum, a negativna elektroda je legura platine i rodija koja sadrži 6% rodijum. Na sobnoj temperaturi, njegov termoelektrični potencijal je vrlo mali, tako da se kompenzacijske žice uglavnom ne koriste tokom mjerenja, a uticaj promjena temperature na hladnom kraju se može zanemariti. Temperatura dugotrajne upotrebe je 1600℃, a temperatura kratkotrajne upotrebe je 1800℃. Zato što je termoelektrični potencijal mali, potreban je instrument za prikaz veće osetljivosti.

Termoparovi tipa B su pogodni za upotrebu u oksidirajućim ili neutralnim atmosferama, a može se koristiti i za kratkotrajnu upotrebu u vakuumskim atmosferama. Čak iu opuštenoj atmosferi, njen život jeste 10 to 20 puta više od tipa B. puta. Pošto su njegove elektrode napravljene od legure platine i rodijuma, nema sve nedostatke negativne elektrode platina-rodij-platina termoelementa. Postoji mala tendencija velike kristalizacije na visokoj temperaturi, i ima veću mehaničku čvrstoću. U isto vreme, budući da ima manji uticaj na apsorpciju nečistoća ili migraciju rodijuma, njegov termoelektrični potencijal se ne mijenja ozbiljno nakon dugotrajne upotrebe. Nedostatak je što je skup (u odnosu na pojedinačnu platinu-rodijum).

D. Nikl-hrom-nikl-silicijum (nikl-aluminijum) termoelement (broj ocjene je K) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura nikl-hrom koja sadrži 10% hrom, a negativna elektroda je legura nikla i silicija koja sadrži 3% silicijum (negativna elektroda proizvoda u nekim zemljama je čisti nikl). Može mjeriti temperaturu medija od 0-1300℃ i pogodan je za kontinuiranu upotrebu u oksidirajućim i inertnim plinovima. Temperatura kratkotrajne upotrebe je 1200℃, a temperatura dugotrajne upotrebe je 1000℃. Njegov termoelektrični potencijal je. Temperaturni odnos je približno linearan, cijena je jeftina, i to je trenutno najčešće korišteni termoelement.

Termopar K-tipa je termoelement od običnih metala sa jakom otpornošću na oksidaciju. Nije pogodan za upotrebu golih žica u vakuumu, koji sadrže sumpor, atmosfera koja sadrži ugljenik, i redoks naizmjenična atmosfera. Kada je parcijalni pritisak kiseonika nizak, hrom u nikl-hrom elektrodi će prvenstveno biti oksidiran, uzrokujući veliku promjenu termoelektričnog potencijala, ali metalni gas ima mali uticaj na njega. Stoga, često se koriste metalne zaštitne cijevi.

Sa žutim muškim utikačem. Opružni termoelement K tipa

Senzor temperature tipa K sa sondom od nerđajućeg čelika

Senzor temperature termoelementa serije K-tip od nerđajućeg čelika WRN-K

Nedostaci termoparova tipa K:
(1) Visokotemperaturna stabilnost termoelektričnog potencijala lošija je od termoelementa N tipa i termoelementa od plemenitih metala. Na višim temperaturama (na primjer, preko 1000°C), često je oštećen oksidacijom.
(2) Kratkoročna stabilnost termičkog ciklusa je loša u rasponu od 250-500°C, to jest, na istoj temperaturnoj tački, očitavanja termoelektričnog potencijala su različita tokom procesa grijanja i hlađenja, a razlika može doseći 2-3°C.
(3) Negativna elektroda prolazi kroz magnetnu transformaciju u rasponu od 150-200°C, uzrokujući odstupanje vrijednosti gradacije u rasponu od sobne temperature do 230°C od tablice gradacije. Posebno, kada se koristi u magnetnom polju, često se javljaju termoelektrične potencijalne interferencije koje su nezavisne od vremena.
(4) Kada je dugo izložen zračenju srednjeg sistema visokog fluksa, elemente kao što je mangan (Mn) i kobalt (Co) u negativnoj elektrodi prolazi kroz transformaciju, čineći njegovu stabilnost lošom, što rezultira velikom promjenom termoelektričnog potencijala.

E. Nikl-hrom-silicijum-nikl-silicijum termoelement (N) Glavne karakteristike ovog termoelementa su: jaka kontrola temperature i otpornost na oksidaciju ispod 1300℃, dobra dugoročna stabilnost i kratkoročna ponovljivost termičkog ciklusa, dobra otpornost na nuklearno zračenje i niske temperature. Osim toga, u rasponu od 400-1300℃, linearnost termoelektričnih karakteristika termoelementa N tipa je bolja od one kod K-tipa. Međutim, nelinearna greška je velika u opsegu niskih temperatura (-200-400℃), a materijal je tvrd i težak za obradu.

E. Bakar-bakar-nikl termoelement (T) T-tip termoelementa, pozitivna elektroda ovog termoelementa je čisti bakar, a negativna elektroda je legura bakra i nikla (poznat i kao konstantan). Njegove glavne karakteristike su: među termoelementima od osnovnih metala, ima najveću preciznost i dobru uniformnost termoelektrode. Njegova radna temperatura je -200～350℃. Budući da se bakreni termoelement lako oksidira, a oksidni film lako otpada, općenito nije dozvoljeno da prelazi 300℃ kada se koristi u oksidirajućoj atmosferi, i nalazi se u rasponu od -200～300℃. Relativno su osjetljivi. Još jedna karakteristika bakar-konstantan termoparova je da su jeftini, i oni su najjeftiniji od nekoliko uobičajenih standardiziranih proizvoda.

F. Gvožđe-konstantan termoelement (broj ocjene je J)
J-tip termoelementa, pozitivna elektroda ovog termoelementa je čisto gvožđe, a negativna elektroda je konstantna (legura bakra i nikla), koju karakteriše niska cena. Pogodan je za redukciju ili inertnu atmosferu vakuumske oksidacije, a temperaturni raspon je od -200～800℃. Međutim, uobičajena temperatura je samo ispod 500℃, jer nakon prekoračenja ove temperature, ubrzava se brzina oksidacije željeznog termoelementa. Ako se koristi deblji prečnik žice, i dalje se može koristiti na visokim temperaturama i ima duži vijek trajanja. Ovaj termopar je otporan na koroziju vodonikom (H2) i ugljični monoksid (CO) gasovi, ali se ne može koristiti na visokim temperaturama (npr. 500℃) sumpor (S) atmosfere.

G. Nikl-hrom-bakar-nikl (Constantan) termoelement (kod odjeljenja E)
Termopar tipa E je relativno nov proizvod, sa pozitivnom elektrodom od legure nikl-hrom i negativnom elektrodom od legure bakra i nikla (Constantan). Njegova najveća karakteristika je da među najčešće korišćenim termoparovima, njegov termoelektrični potencijal je najveći, to jest, njegova osjetljivost je najveća. Iako njegov raspon primjene nije tako širok kao kod tipa K, često se bira u uslovima koji zahtevaju visoku osetljivost, niska toplotna provodljivost, i dozvoljeni veliki otpor. Ograničenja u upotrebi su ista kao i kod tipa K, ali nije jako osjetljiv na koroziju u atmosferama s visokom vlažnošću.

Pored navedenog 8 najčešće korišćeni termoparovi, postoje i termoelementi volfram-renijum, platina-rodijum termoelementi, iridijum-germanijum termoparovi, platina-molibden termoelementi, i termoelementi od nemetalnog materijala kao nestandardizovani termoparovi. Sljedeća tabela navodi odnos između specifikacija materijala i promjera žice najčešće korištenih termoparova i temperature upotrebe:

Prečnik žice za ocenjivanje termoelementa (mm) Dugoročno Kratkoročno
SΦ0,513001600
RF0.513001600
BΦ0,516001800
KΦ1.28001000

(4) Temperaturna kompenzacija hladnog kraja termoelementa
Kako bi se uštedjeli troškovi materijala za termoelemente, posebno kada se koriste plemeniti metali, kompenzacijska žica se obično koristi za produženje hladnog kraja (slobodan kraj) termoelementa u kontrolnu sobu gdje je temperatura relativno stabilna i spojite ga na terminal instrumenta. Trebalo bi biti jasno da je uloga žice za kompenzaciju termoelementa ograničena na proširenje termoelementa i premještanje hladnog kraja termoelementa na terminal instrumenta u kontrolnoj sobi. Ona sama po sebi ne može eliminirati utjecaj promjene temperature hladnog kraja na mjerenje temperature i ne može igrati ulogu kompenzacije.

Izolaciona cijev

Radni krajevi termoelementa su čvrsto zavareni, a termoparovi moraju biti zaštićeni izolacijskim cijevima. Dostupni su mnogi materijali za izolacijske cijevi, koji se uglavnom dijele na organsku i neorgansku izolaciju. Za kraj visoke temperature, anorganski materijali moraju biti odabrani kao izolacijske cijevi. Generalno, glinene izolacijske cijevi mogu se odabrati ispod 1000℃, visoke aluminijske cijevi mogu se odabrati ispod 1300℃, i korundne cijevi se mogu odabrati ispod 1600℃.

Zaštitna cijev

Funkcija zaštitne cijevi je spriječiti direktan kontakt elektrode termoelementa s mjerenim medijem. Njegova funkcija ne samo da produžava vijek trajanja termoelementa, ali također pruža funkciju potpore i fiksiranja termoelektrode i povećanja njene čvrstoće. Stoga, pravilan odabir zaštitnih cijevi termoelementa i izolacijskih materijala je ključan za vijek trajanja i točnost mjerenja termoelementa. Materijali zaštitne cijevi uglavnom su podijeljeni u dvije kategorije: metala i nemetala.

Rezime:
Termoparovi su senzori koji se obično koriste u industrijskom mjerenju temperature, koje karakteriše visoka preciznost, ekonomičnost i primjenjivost u širokom temperaturnom rasponu. Mjeri mjerenjem temperaturne razlike između vrućeg i hladnog kraja.

Da bi se dobila temperatura senzorske tačke vrućeg kraja, potrebno je izmjeriti temperaturu hladnog kraja i shodno tome prilagoditi izlaz termoelementa. Tipično, hladni spoj se održava na istoj temperaturi kao i ulaz u jedinicu za obradu signala termoelementa kroz list materijala visoke toplotne provodljivosti. Bakar je materijal sa idealnom toplotnom provodljivošću (381W/mK). The input connection needs to be electrically isolated to prevent the thermocouple signal from interfering with the heat conduction on the chip. The entire signal processing unit is preferably in this isothermal environment.

The signal range of the thermocouple is usually in the microvolt/℃ level. The thermocouple signal processing unit is very sensitive to electromagnetic interference (EMI), and the thermocouple line is often interfered by EMI. EMI increases the uncertainty of the received signal and damages the accuracy of the collected temperature data. Osim toga, the dedicated thermocouple cable required for the connection is also expensive, and if other types of cables are not carefully substituted, it may cause difficulties in analysis.

Since EMI is proportional to the length of the line, Uobičajene opcije za minimiziranje smetnji su postavljanje kontrolnog kruga blizu točke osjetljivosti, dodajte udaljenu ploču blizu tačke zahvata, ili koristite kompleksno filtriranje signala i zaštitu kabla. Elegantnije rješenje je digitalizacija izlaza termoelementa blizu točke osjetljivosti.

(5) Tok proizvodnje termoelementa
Kontrola procesa proizvodnje termoelementa uključuje sljedeće:
1) Inspekcija žice: provjeriti geometrijske dimenzije i termoelektrični potencijal.
2) Pregled kompenzacijske žice: provjeriti geometrijske dimenzije i termoelektrični potencijal.
3) Pripremite i pregledajte komponente kao što su plastične utičnice, aluminijumske kape, vatrostalne baze, papirne cijevi i male papirne cijevi.
4) Vruće zavarivanje: provjerite kvalifikovanu stopu lemnih spojeva i kvalifikovanu stopu dužine kroz P kontrolnu kartu.
5) Žarenje žice: uključujući primarno žarenje (žarenje nakon alkalnog i kiselog pranja) i sekundarno žarenje (žarenje nakon prolaska kroz cijev u obliku slova U), kontrolirati temperaturu i vrijeme žarenja.
6) Inspekcija procesa: uključujući prosuđivanje polariteta, otpornost petlje i kvalitet izgleda kao i pregled geometrijskih dimenzija.
7) Hladno zavarivanje: kontrolni napon zavarivanja, provjerite oblik lemnog spoja i sfernu veličinu.
8) Montaža i izlivanje: sastaviti po potrebi, uključujući kontrolu vrućeg krajnjeg položaja i udaljenosti žice za kompenzaciju. Zahtjevi za izlijevanje uključuju pripremu cementa, temperatura i vrijeme pečenja, i mjerenje otpora izolacije.
9) Završni pregled: Provjerite geometriju, otpor petlje, pozitivni i negativni polaritet i otpor izolacije.

(6) Primjena senzora termoelementa
Termoparovi se formiraju spajanjem dva različita vodiča zajedno. Kada su mjerni i referentni spojevi na različitim temperaturama, takozvana termoelektromagnetna sila (EMF) se generiše. Svrha spoja Mjerni spoj je dio spoja termoelementa koji je na izmjerenoj temperaturi.

Referentni spoj igra ulogu održavanja poznate temperature ili automatske kompenzacije temperaturnih promjena u termoelementu. U konvencionalnim industrijskim aplikacijama, termoelement se obično spaja na konektor, dok je referentni spoj povezan na kontrolirano okruženje s relativno stabilnom temperaturom preko odgovarajuće produžne žice termoelementa. Vrsta spoja može biti spoj termoelementa spojen na školjku ili izolirani spoj termoelementa.

Spoj termoelementa spojen na školjku je fizički spojen sa zidom sonde (zavarivanje), a toplina se prenosi izvana na spoj kroz zid sonde kako bi se postigao dobar prijenos topline. Ovaj tip spoja je pogodan za mjerenje temperature statičkih ili tekućih korozivnih plinova i tekućina, kao i neke aplikacije pod visokim pritiskom.

Izolirani termoelementi imaju spojeve koji su odvojeni od zida sonde i okruženi mekim prahom. Iako izolirani termoelementi imaju sporiji odziv od termoelementa sa omotačem, pružaju električnu izolaciju. Izolovani termoparovi se preporučuju za merenje u korozivnim sredinama, gdje je termoelement potpuno električni izolovan od okolnog okruženja zaštitnim omotačem.

Termoparovi sa otvorenim terminalima omogućavaju vrhu spoja da prodre u okolinu. Ovaj tip termoelementa pruža najbolje vrijeme odziva, ali je pogodan samo za nekorozivne, neopasan, i aplikacije bez pritiska. Vrijeme odziva se može izraziti u terminima vremenske konstante, što je definisano kao vreme potrebno da se senzor promeni 63.2% od početne vrijednosti do konačne vrijednosti u kontroliranom okruženju. Termoparovi sa otvorenim terminalima imaju najveću brzinu odziva, i što je manji prečnik omotača sonde, što je brzina odgovora veća, ali što je niža maksimalna dozvoljena temperatura mjerenja.

Termoparovi sa produžnim žicama koriste produžnu žicu za prijenos referentnog spoja s termoelementa na žicu na drugom kraju, koji se obično nalazi u kontrolisanom okruženju i ima iste temperaturno-elektromagnetne frekvencijske karakteristike kao termopar. Kada je pravilno povezan, produžna žica prenosi referentnu tačku veze u kontrolirano okruženje.