Termoparell, un dels sensors de temperatura

Els sensors de temperatura s'utilitzen àmpliament i n'hi ha de molts tipus, però els principals tipus comuns són: termoparells (PT100/PT1000), termòpiles, termistors, detectors de temperatura de resistència, i sensors de temperatura IC. Els sensors de temperatura IC inclouen dos tipus: sensors de sortida analògics i sensors de sortida digitals. Segons les característiques del material i dels components electrònics del sensor de temperatura, es divideixen en dues categories: resistències tèrmiques i termoparells. Els termoparells s'han convertit en el mètode estàndard de la indústria per a la mesura rendible d'una àmplia gamma de temperatures amb una precisió raonable.. S'utilitzen en una varietat d'aplicacions fins a aproximadament +2500 °C en calderes, escalfadors d'aigua, forns, i motors d'avions, per citar-ne només alguns.

Tipus termoparell platí-rodi Resistent a altes temperatures 1600 tub de corindó de graus

Termoparell de sonda d'agulla del sensor de temperatura PT100

3-Termoparell de resistència de platí PT100 amb cable apantallat

(1) Definició bàsica de termoparells
Els termoparells són un dels elements de detecció de temperatura més utilitzats a la indústria. El principi de funcionament dels termoparells es basa en l'efecte Seebeck, que és un fenomen físic en el qual dos conductors de components diferents es connecten als dos extrems per formar un bucle.. Si les temperatures dels dos extrems de connexió són diferents, es genera un corrent tèrmic al bucle.

Com un dels sensors de temperatura més utilitzats en la mesura de temperatura industrial, termoparells, juntament amb resistències tèrmiques de platí, compte aproximadament 60% del nombre total de sensors de temperatura. Els termoparells s'utilitzen generalment juntament amb instruments de visualització per mesurar directament la temperatura superficial dels líquids, vapors, medis gasosos i sòlids en el rang de -40 fins a 1800 °C en diversos processos de producció. Els avantatges inclouen una alta precisió de mesura, ampli rang de mesura, estructura senzilla i fàcil ús.

(2) Principi bàsic de la mesura de la temperatura del termoparell
El termoparell és un element sensor de temperatura que pot mesurar directament la temperatura i convertir-la en un senyal de potencial termoelèctric. El senyal es converteix en la temperatura del medi mesurat mitjançant un instrument elèctric. El principi de funcionament del termoparell és que dos conductors de components diferents formen un bucle tancat. Quan existeix un gradient de temperatura, El corrent passarà pel bucle i generarà un potencial termoelèctric, que és l'efecte Seebeck. Els dos conductors del termoparell s'anomenen termoparells, un dels quals és l'extrem de treball (temperatura més alta) i l'altre extrem és l'extrem lliure (generalment a temperatura constant). Segons la relació entre el potencial termoelèctric i la temperatura, es fa una escala de termoparell. Els diferents termoparells tenen escales diferents.

Quan un tercer material metàl·lic està connectat al bucle del termopar, sempre que la temperatura dels dos contactes del material sigui la mateixa, el potencial termoelèctric generat pel termoparell es mantindrà sense canvis i no es veurà afectat pel tercer metall. Per tant, quan es mesura la temperatura del termopar, Es pot connectar un instrument de mesura per determinar la temperatura del medi mesurat mitjançant la mesura del potencial termoelèctric. Els termoparells solden els conductors o semiconductors A i B en un bucle tancat.

Els termoparells solden dos conductors o semiconductors A i B de diferents materials junts per formar un bucle tancat, tal com es mostra a la figura.

Quan hi ha una diferència de temperatura entre els dos punts de fixació 1 i 2 dels conductors A i B, es genera una força electromotriu entre ambdues, formant així un corrent de certa mida en el bucle. Aquest fenomen s'anomena efecte termoelèctric. Els termoparells funcionen utilitzant aquest efecte.

Dos conductors de components diferents (anomenats cables de termoparell o elèctrodes calents) estan connectats als dos extrems per formar un bucle. Quan les temperatures de les unions són diferents, es genera una força electromotriu al bucle. Aquest fenomen s'anomena efecte termoelèctric, i aquesta força electromotriu s'anomena potencial termoelèctric. Els termoparells utilitzen aquest principi per mesurar la temperatura. Entre ells, l'extrem que s'utilitza directament per mesurar la temperatura del medi s'anomena extrem de treball (també anomenat extrem de mesura), i l'altre extrem s'anomena extrem fred (també anomenat final de compensació); l'extrem fred està connectat a l'instrument de visualització o a l'instrument corresponent, i l'instrument de visualització indicarà el potencial termoelèctric generat pel termoparell.

Els termoparells són convertidors d'energia que converteixen l'energia tèrmica en energia elèctrica i mesuren la temperatura mitjançant la mesura del potencial termoelèctric generat.. Quan s'estudia el potencial termoelèctric dels termoparells, cal tenir en compte les qüestions següents:
1) El potencial termoelèctric d'un termoparell és una funció de la diferència de temperatura entre els dos extrems del termoparell, no la diferència de temperatura entre els dos extrems del termopar.
2) La magnitud del potencial termoelèctric generat per un termoparell no té res a veure amb la longitud i el diàmetre del termoparell., però només amb la composició del material del termopar i la diferència de temperatura entre els dos extrems, sempre que el material del termopar sigui uniforme.
3) Després de determinar la composició del material dels dos cables del termoparell del termopar, la magnitud del potencial termoelèctric del termoparell només està relacionada amb la diferència de temperatura del termoparell. Si la temperatura de l'extrem fred del termopar es manté constant, el potencial termoelèctric del termoparell és només una funció d'un sol valor de la temperatura final de treball.
Els materials de termoparell utilitzats habitualment són:
(3) Tipus i estructures de termoparells
Tipus
Els termoparells es poden dividir en dues categories: termoparells estàndard i termoparells no estàndard. L'anomenat termoparell estàndard es refereix a un termoparell la norma nacional del qual estipula la relació entre el seu potencial termoelèctric i la temperatura., l'error admissible, i té una escala estàndard unificada. Té un instrument de visualització coincident per a la selecció. Els termoparells no estandarditzats són inferiors als termoparells estandarditzats en termes de rang d'ús o ordre de magnitud, i generalment no tenen una escala unificada. S'utilitzen principalment per a mesures en determinades ocasions especials.

Estructura bàsica dels termoparells:
L'estructura bàsica dels termoparells utilitzats per a la mesura de la temperatura industrial inclou el cable de termoparells, tub d'aïllament, tub de protecció i caixa de connexió, etc.

Els cables de termoparell utilitzats habitualment i les seves propietats:
Una. Termoparell de platí-rodi 10 platí (amb un número de graduació de S, també conegut com a termoparell únic platí-rodi). L'elèctrode positiu d'aquest termopar és un aliatge de platí-rodi que conté 10% rodi, i l'elèctrode negatiu és platí pur;

Característiques:
(1) Rendiment termoelèctric estable, forta resistència a l'oxidació, adequat per a un ús continuat en atmosfera oxidant, La temperatura d'ús a llarg termini pot arribar als 1300 ℃, quan superi els 1400 ℃, fins i tot a l'aire, filferro de platí pur es recristal·litzarà, fent els grans gruixuts i trencats;
(2) Alta precisió. És el grau de precisió més alt entre tots els termoparells i normalment s'utilitza com a estàndard o per mesurar temperatures més altes.;
(3) Ampli ventall d'ús, bona uniformitat i intercanviabilitat;
(4) Els principals desavantatges són: petit potencial termoelèctric diferencial, tan baixa sensibilitat; preu car, baixa resistència mecànica, no apte per al seu ús en atmosfera reductora o en condicions de vapor metàl·lic.

B. Termoparell de platí-rodi 13-platí (amb un número de graduació R, també conegut com a termoparell únic platí-rodi) L'elèctrode positiu d'aquest termopar és un aliatge de platí-rodi que conté 13%, i l'elèctrode negatiu és platí pur. En comparació amb el tipus S, la seva taxa potencial és d'aproximadament 15% més alt. Altres propietats són gairebé les mateixes. Aquest tipus de termoparell s'utilitza més com a termoparell d'alta temperatura a la indústria japonesa, però s'utilitza menys a la Xina;

C. Platí-rodi 30-platí-rodi 6 termoparell (divisió número B, també conegut com a termoparell doble platí-rodi) L'elèctrode positiu d'aquest termopar és un aliatge de platí-rodi que conté 30% rodi, i l'elèctrode negatiu és un aliatge de platí-rodi que conté 6% rodi. A temperatura ambient, el seu potencial termoelèctric és molt petit, de manera que generalment no s'utilitzen cables de compensació durant la mesura, i la influència dels canvis de temperatura final freda es pot ignorar. La temperatura d'ús a llarg termini és de 1600 ℃, i la temperatura d'ús a curt termini és de 1800 ℃. Perquè el potencial termoelèctric és petit, es requereix un instrument de visualització amb una sensibilitat més alta.

Els termoparells tipus B són adequats per al seu ús en atmosferes oxidants o neutres, i també es pot utilitzar per a ús a curt termini en atmosferes de buit. Fins i tot en una atmosfera reductora, la seva vida és 10 a 20 vegades la del tipus B. vegades. Atès que els seus elèctrodes estan fets d'aliatge de platí-rodi, no té tots els inconvenients de l'elèctrode negatiu del termoparell platí-rodi-platí. Hi ha poca tendència a una gran cristal·lització a alta temperatura, i té una major resistència mecànica. Al mateix temps, ja que influeix menys en l'absorció d'impureses o en la migració del rodi, el seu potencial termoelèctric no canvia seriosament després d'un ús a llarg termini. El desavantatge és que és car (respecte al platí-rodi únic).

D. Níquel-crom-níquel-silici (níquel-alumini) termoparell (El número de qualificació és K) L'elèctrode positiu d'aquest termopar és un aliatge de níquel-crom que conté 10% crom, i l'elèctrode negatiu és un aliatge de níquel-silici que conté 3% silici (l'elèctrode negatiu dels productes en alguns països és níquel pur). Pot mesurar la temperatura mitjana de 0-1300 ℃ i és adequat per a un ús continu en gasos oxidants i inerts. La temperatura d'ús a curt termini és de 1200 ℃, i la temperatura d'ús a llarg termini és de 1000 ℃. El seu potencial termoelèctric és La relació de temperatura és aproximadament lineal, el preu és barat, i és el termoparell més utilitzat actualment.

El termoparell de tipus K és un termoparell de metall base amb una forta resistència a l'oxidació. No és adequat per a l'ús de cable nu al buit, que conté sofre, atmosfera que conté carboni, i atmosfera alternant redox. Quan la pressió parcial d'oxigen és baixa, el crom de l'elèctrode de níquel-crom s'oxidarà preferentment, provocant un gran canvi en el potencial termoelèctric, però el gas metàl·lic hi té poc efecte. Per tant, Sovint s'utilitzen tubs de protecció metàl·lics.

Amb endoll masculí groc Termoparell de molla tipus K

Sensor de temperatura tipus K amb sonda d'acer inoxidable

Sensor de temperatura de termoparell de la sèrie WRN-K d'acer inoxidable tipus K

Inconvenients dels termoparells tipus K:
(1) L'estabilitat a alta temperatura del potencial termoelèctric és pitjor que la dels termoparells de tipus N i els termoparells de metalls preciosos. A temperatures més altes (per exemple, més de 1000 °C), sovint es fa malbé per oxidació.
(2) L'estabilitat del cicle tèrmic a curt termini és deficient en el rang de 250-500 °C, és a dir, al mateix punt de temperatura, les lectures del potencial termoelèctric són diferents durant el procés de calefacció i refrigeració, i la diferència pot arribar als 2-3°C.
(3) L'elèctrode negatiu experimenta una transformació magnètica en el rang de 150-200 °C, fent que el valor de graduació en el rang de temperatura ambient a 230 °C es desviï de la taula de graduació. En particular, quan s'utilitza en un camp magnètic, Sovint es produeix una interferència de potencial termoelèctric que és independent del temps.
(4) Quan s'exposa a la irradiació del sistema mitjà d'alt flux durant molt de temps, elements com el manganès (Mn) i cobalt (Co) a l'elèctrode negatiu pateixen una transformació, fent deficient la seva estabilitat, provocant un gran canvi en el potencial termoelèctric.

E. Termoparell níquel-crom-silici-níquel-silici (N) Les principals característiques d'aquest termopar són: fort control de temperatura i resistència a l'oxidació per sota de 1300 ℃, bona estabilitat a llarg termini i reproductibilitat del cicle tèrmic a curt termini, bona resistència a la radiació nuclear i baixa temperatura. A més, en el rang de 400-1300 ℃, la linealitat de les característiques termoelèctriques del termoparell de tipus N és millor que la del tipus K. No obstant això, l'error no lineal és gran en el rang de baixa temperatura (-200-400℃), i el material és dur i difícil de processar.

E. Termoparell coure-coure-níquel (T) Termoparell tipus T, l'elèctrode positiu d'aquest termopar és coure pur, i l'elèctrode negatiu és un aliatge de coure-níquel (també conegut com constantan). Les seves principals característiques són: entre els termoparells de metall base, té la màxima precisió i bona uniformitat del termoelèctrode. La seva temperatura de funcionament és de -200 ~ 350 ℃. Com que el termoparell de coure és fàcil d'oxidar i la pel·lícula d'òxid és fàcil de caure, generalment no es permet superar els 300 ℃ quan s'utilitza en una atmosfera oxidant, i es troba dins del rang de -200 ~ 300 ℃. Són relativament sensibles. Una altra característica dels termoparells de coure-constantà és que són barats, i són els més barats de diversos productes estandarditzats d'ús habitual.

F. Termoparell ferro-constantà (El número de qualificació és J)
Termoparell tipus J, l'elèctrode positiu d'aquest termopar és ferro pur, i l'elèctrode negatiu és constantan (aliatge de coure-níquel), que es caracteritza pel seu preu barat. És adequat per a atmosfera reductora o inert d'oxidació al buit, i el rang de temperatura és de -200 ~ 800 ℃. No obstant això, la temperatura d'ús habitual és només per sota dels 500 ℃, perquè després de superar aquesta temperatura, la velocitat d'oxidació del termoparell de ferro s'accelera. Si s'utilitza un diàmetre de fil gruixut, encara es pot utilitzar a alta temperatura i té una vida útil més llarga. Aquest termoparell és resistent a la corrosió per hidrogen (H2) i monòxid de carboni (CO) gasos, però no es pot utilitzar a alta temperatura (p. ex. 500℃) sofre (S) atmosferes.

G. Níquel-crom-coure-níquel (Constantan) termoparell (codi de divisió E)
El termoparell tipus E és un producte relativament nou, amb un elèctrode positiu d'aliatge de níquel-crom i un elèctrode negatiu d'aliatge de coure-níquel (Constantan). La seva característica més important és que entre els termoparells d'ús habitual, el seu potencial termoelèctric és el més gran, és a dir, la seva sensibilitat és la més alta. Tot i que el seu rang d'aplicació no és tan ampli com el del tipus K, sovint es selecciona en condicions que requereixen una alta sensibilitat, baixa conductivitat tèrmica, i una gran resistència admissible. Les restriccions d'ús són les mateixes que les del tipus K, però no és molt sensible a la corrosió en atmosferes amb alta humitat.

A més de l'anterior 8 termoparells d'ús habitual, també hi ha termoparells tungstè-reni, termoparells de platí-rodi, termoparells iridi-germani, termoparells de platí-molibdè, i termoparells de material no metàl·lic com a termoparells no estandarditzats. La taula següent enumera la relació entre les especificacions del material i el diàmetre del cable dels termoparells d'ús habitual i la temperatura d'ús.:

Número de classificació del termoparell Diàmetre del cable (mm) Llarg termini A curt termini
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Compensació de temperatura de l'extrem fred del termopar
Per tal d'estalviar el cost dels materials de termoparell, sobretot quan s'utilitzen metalls preciosos, generalment s'utilitza un cable de compensació per estendre l'extrem fred (final lliure) del termopar a la sala de control on la temperatura és relativament estable i connecteu-lo al terminal de l'instrument. Ha de quedar clar que el paper del cable de compensació del termopar es limita a estendre el termopar i moure l'extrem fred del termopar al terminal de l'instrument de la sala de control.. Ell mateix no pot eliminar la influència del canvi de temperatura final fred en la mesura de la temperatura i no pot jugar un paper de compensació.

Tub aïllant

Els extrems de treball del termoparell estan fermament soldats, i els termoparells s'han de protegir amb tubs aïllants. Hi ha molts materials disponibles per a aïllar tubs, que es divideixen principalment en aïllants orgànics i inorgànics. Per al final d'alta temperatura, Els materials inorgànics s'han de seleccionar com a tubs aïllants. En general, Els tubs aïllants d'argila es poden seleccionar per sota de 1000 ℃, Els tubs d'alumini alts es poden seleccionar per sota de 1300 ℃, i els tubs de corindó es poden seleccionar per sota de 1600 ℃.

Tub protector

La funció del tub protector és evitar el contacte directe de l'elèctrode del termopar amb el medi mesurat. La seva funció no només allarga la vida útil del termopar, però també proporciona la funció de suport i fixació del termoelèctrode i augmentar la seva força. Per tant, La selecció correcta dels tubs de protecció del termopar i dels materials aïllants és crucial per a la vida útil i la precisió de mesura del termoparell.. Els materials del tub protector es divideixen principalment en dues categories: metall i no metàl·lic.

Resum:
Els termoparells són sensors d'ús habitual en la mesura de la temperatura industrial, que es caracteritzen per una gran precisió, economia i aplicabilitat a un ampli rang de temperatures. Mesura mesurant la diferència de temperatura entre l'extrem calent i l'extrem fred.

Per obtenir la temperatura del punt de detecció final calent, cal mesurar la temperatura final freda i ajustar la sortida del termopar en conseqüència. Típicament, la unió freda es manté a la mateixa temperatura que l'entrada de la unitat de processament de senyal de termoparell a través d'una làmina de material amb alta conductivitat tèrmica. El coure és un material amb conductivitat tèrmica ideal (381W/mK). La connexió d'entrada ha d'estar aïllada elèctricament per evitar que el senyal del termopar interfereixi amb la conducció de calor al xip. Tota la unitat de processament de senyal es troba preferentment en aquest entorn isotèrmic.

L'interval de senyal del termoparell sol estar en el nivell de microvolts/℃. La unitat de processament de senyal de termoparell és molt sensible a les interferències electromagnètiques (EMI), i la línia de termoparell sovint està interferida per EMI. L'EMI augmenta la incertesa del senyal rebut i perjudica la precisió de les dades de temperatura recollides. A més, el cable de termoparell dedicat necessari per a la connexió també és car, i si no es substitueixen amb cura altres tipus de cables, pot provocar dificultats en l'anàlisi.

Com que l'EMI és proporcional a la longitud de la línia, les opcions habituals per minimitzar les interferències són col·locar el circuit de control a prop del punt de detecció, afegiu una placa remota a prop del punt de detecció, o utilitzeu filtres de senyal complexos i blindatge de cables. Una solució més elegant és digitalitzar la sortida del termopar a prop del punt de detecció.

(5) Flux de producció del procés de termoparell
El control del procés de producció de termoparells inclou el següent:
1) Inspecció de cables: comprovar les dimensions geomètriques i el potencial termoelèctric.
2) Inspecció del cable de compensació: comprovar les dimensions geomètriques i el potencial termoelèctric.
3) Prepareu i inspeccioneu components com ara endolls de plàstic, taps d'alumini, bases refractàries, tubs de paper i petits tubs de paper.
4) Soldadura en calent: verifiqueu la taxa qualificada de les juntes de soldadura i la velocitat qualificada de longitud mitjançant el gràfic de control P.
5) Recuit de filferro: inclòs el recuit primari (recuit després del rentat alcalí i el rentat àcid) i recuit secundari (recuit després de passar pel tub en forma d'U), controlar la temperatura i el temps de recuit.
6) Inspecció del procés: inclòs el judici de polaritat, resistència al bucle i qualitat d'aspecte, així com inspecció de dimensions geomètriques.
7) Soldadura d'extrem en fred: control de la tensió de soldadura, comproveu la forma de la junta de soldadura i la mida esfèrica.
8) Muntatge i abocament: muntar segons sigui necessari, inclòs el control de la posició final calenta i la distància del cable de compensació. Els requisits d'abocament inclouen la preparació del ciment, temperatura i temps de cocció, i mesura de la resistència d'aïllament.
9) Inspecció final: Comproveu la geometria, resistència de bucle, polaritat positiva i negativa i resistència d'aïllament.

(6) Aplicació de sensors de termoparells
Els termoparells es formen connectant dos conductors diferents entre si. Quan les unions de mesura i referència es troben a temperatures diferents, l'anomenada força termoelectromagnètica (EMF) es genera. Propòsit de la unió La unió de mesura és la part de la unió del termoparell que es troba a la temperatura mesurada.

La unió de referència té el paper de mantenir una temperatura coneguda o compensar automàticament els canvis de temperatura en el termoparell.. En aplicacions industrials convencionals, l'element de termoparell sol estar connectat al connector, mentre que la unió de referència està connectada a un entorn controlat amb una temperatura relativament estable mitjançant un cable d'extensió de termoparell adequat. El tipus d'unió pot ser una unió de termoparell connectada amb carcassa o una unió de termoparell aïllada.

La unió del termoparell connectada a la carcassa està connectada a la paret de la sonda mitjançant una connexió física (soldadura), i la calor es transfereix de l'exterior a la unió a través de la paret de la sonda per aconseguir una bona transferència de calor. Aquest tipus d'unió és adequat per mesurar la temperatura de gasos i líquids corrosius estàtics o en flux, així com algunes aplicacions d'alta pressió.

Els termoparells aïllats tenen unions que estan separades de la paret de la sonda i envoltades per una pols suau.. Tot i que els termoparells aïllats tenen una resposta més lenta que els termoparells amb closca, proporcionen aïllament elèctric. Els termoparells aïllats es recomanen per mesurar en ambients corrosius, on el termoparell està completament aïllat elèctricament de l'entorn circumdant mitjançant un escut de funda.

Els termoparells de terminals exposats permeten que la part superior de la unió penetri en l'entorn circumdant. Aquest tipus de termoparell ofereix el millor temps de resposta, però només és apte per a no corrosius, no perillós, i aplicacions sense pressió. El temps de resposta es pot expressar en termes d'una constant de temps, que es defineix com el temps necessari perquè el sensor canviï 63.2% des del valor inicial fins al valor final en l'entorn controlat. Els termoparells de terminals exposats tenen la velocitat de resposta més ràpida, i com més petit sigui el diàmetre de la funda de la sonda, més ràpida és la velocitat de resposta, però com més baixa sigui la temperatura màxima de mesura permesa.

Els termoparells de cable d'extensió utilitzen un cable d'extensió per transferir la unió de referència del termopar a un cable a l'altre extrem, que normalment es troba a l'entorn controlat i té les mateixes característiques de temperatura i freqüència electromagnètica que el termoparell. Quan estigui ben connectat, el cable d'extensió transfereix el punt de connexió de referència a l'entorn controlat.