Termočlánek, jeden z teplotních čidel

Teplotní senzory jsou široce používané a existují v mnoha typech, ale hlavní běžné typy jsou: termočlánky (PT100/PT1000), termočlánky, termistory, Detektory teploty odporu, a IC teplotní senzory. IC teplotní senzory zahrnují dva typy: analogové výstupní senzory a digitální výstupní senzory. Podle vlastností materiálu a elektronických součástí snímače teploty, jsou rozděleny do dvou kategorií: tepelné odpory a termočlánky. Termočlánky se staly průmyslovou standardní metodou pro nákladově efektivní měření širokého rozsahu teplot s přiměřenou přesností. Používají se v různých aplikacích až do cca +2500°C v kotlích, ohřívače vody, trouby, a letecké motory – abychom jmenovali jen některé.

Typ platino-rhodiový termočlánek Odolný vysokým teplotám 1600 stupně korundová trubice

PT100 teplotní senzor jehlový termočlánek

3-drát PT100 platinový odporový termočlánek se stíněným kabelem

(1) Základní definice termočlánků
Termočlánky jsou jedním z nejčastěji používaných prvků pro detekci teploty v průmyslu. Princip činnosti termočlánků je založen na Seebeckově jevu, což je fyzikální jev, při kterém jsou na obou koncích spojeny dva vodiče různých součástek a tvoří smyčku. Pokud jsou teploty obou spojovacích konců rozdílné, ve smyčce vzniká tepelný proud.

Jako jeden z nejpoužívanějších snímačů teploty v průmyslovém měření teploty, termočlánky, spolu s platinovými tepelnými odpory, účtu asi 60% z celkového počtu teplotních čidel. Termočlánky se obvykle používají ve spojení se zobrazovacími přístroji k přímému měření povrchové teploty kapalin, páry, plynná média a pevné látky v rozmezí -40 do 1800°C v různých výrobních procesech. Mezi výhody patří vysoká přesnost měření, široký rozsah měření, jednoduchá konstrukce a snadné použití.

(2) Základní princip měření teploty termočlánkem
Termočlánek je prvek snímající teplotu, který může přímo měřit teplotu a převádět ji na signál termoelektrického potenciálu. Signál je pomocí elektrického přístroje převáděn na teplotu měřeného média. Princip činnosti termočlánku spočívá v tom, že dva vodiče různých součástí tvoří uzavřenou smyčku. Když existuje teplotní gradient, proud bude procházet smyčkou a generovat termoelektrický potenciál, což je Seebeckův efekt. Dva vodiče termočlánku se nazývají termočlánky, jehož jeden konec je pracovní konec (vyšší teplota) a druhý konec je volný konec (obvykle při konstantní teplotě). Podle vztahu mezi termoelektrickým potenciálem a teplotou, je vyrobena termočlánková stupnice. Různé termočlánky mají různá měřítka.

Když je ke smyčce termočlánku připojen třetí kovový materiál, pokud je teplota dvou kontaktů materiálu stejná, termoelektrický potenciál generovaný termočlánkem zůstane nezměněn a nebude ovlivněn třetím kovem. Proto, při měření teploty termočlánku, lze připojit měřicí přístroj pro stanovení teploty měřeného média měřením termoelektrického potenciálu. Termočlánky svařují vodiče nebo polovodiče A a B do uzavřené smyčky.

Termočlánky svařují dva vodiče nebo polovodiče A a B z různých materiálů dohromady a vytvářejí uzavřenou smyčku, jak je znázorněno na obrázku.

Když je teplotní rozdíl mezi dvěma upevňovacími body 1 a 2 vodičů A a B, mezi nimi vzniká elektromotorická síla, čímž se ve smyčce vytvoří proud o určité velikosti. Tento jev se nazývá termoelektrický jev. Pomocí tohoto efektu fungují termočlánky.

Dva vodiče z různých součástí (nazývané termočlánkové dráty nebo horké elektrody) jsou na obou koncích spojeny a tvoří smyčku. Když jsou teploty přechodů různé, ve smyčce vzniká elektromotorická síla. Tento jev se nazývá termoelektrický jev, a tato elektromotorická síla se nazývá termoelektrický potenciál. Tento princip využívají termočlánky k měření teploty. Mezi nimi, konec přímo používaný k měření teploty média se nazývá pracovní konec (také nazývaný měřicí konec), a druhý konec se nazývá studený konec (také nazývané jako odškodnění konec); studený konec je připojen k zobrazovacímu přístroji nebo k odpovídajícímu přístroji, a zobrazovací přístroj bude indikovat termoelektrický potenciál generovaný termočlánkem.

Termočlánky jsou měniče energie, které přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii a měří teplotu měřením generovaného termoelektrického potenciálu. Při studiu termoelektrického potenciálu termočlánků, je třeba upozornit na následující problémy:
1) Termoelektrický potenciál termočlánku je funkcí teplotního rozdílu mezi dvěma konci termočlánku, ne rozdíl teplot mezi dvěma konci termočlánku.
2) Velikost termoelektrického potenciálu generovaného termočlánkem nemá nic společného s délkou a průměrem termočlánku, ale pouze se složením materiálu termočlánku a teplotním rozdílem mezi oběma konci, za předpokladu, že materiál termočlánku je jednotný.
3) Po určení materiálového složení dvou termočlánkových drátů termočlánku, velikost termoelektrického potenciálu termočlánku souvisí pouze s rozdílem teplot termočlánku. Pokud teplota studeného konce termočlánku zůstane konstantní, termoelektrický potenciál termočlánku je pouze jednohodnotovou funkcí pracovní koncové teploty.
Běžně používané termočlánkové materiály jsou:
(3) Typy a konstrukce termočlánků
Typy
Termočlánky lze rozdělit do dvou kategorií: standardní termočlánky a nestandardní termočlánky. Takzvaný standardní termočlánek označuje termočlánek, jehož národní norma stanoví vztah mezi jeho termoelektrickým potenciálem a teplotou., přípustná chyba, a má jednotnou standardní stupnici. Má odpovídající zobrazovací nástroj pro výběr. Nestandardizované termočlánky jsou horší než standardizované termočlánky, pokud jde o rozsah použití nebo řádovou velikost., a obecně nemají jednotné měřítko. Používají se hlavně pro měření při určitých zvláštních příležitostech.

Základní struktura termočlánků:
Základní konstrukce termočlánků používaných pro průmyslové měření teploty zahrnuje termočlánkový drát, izolační trubice, ochranná trubka a spojovací krabice, atd.

Běžně používané termočlánkové dráty a jejich vlastnosti:
A. Platino-rhodium 10-platinový termočlánek (s maturitou S, také známý jako jednoduchý platino-rhodiový termočlánek). Kladnou elektrodou tohoto termočlánku je slitina platiny a rhodia 10% rhodium, a záporná elektroda je čistá platina;

Funkce:
(1) Stabilní termoelektrický výkon, silná oxidační odolnost, vhodné pro nepřetržité použití v oxidační atmosféře, teplota při dlouhodobém používání může dosáhnout 1300 ℃, když překročí 1400 ℃, dokonce i ve vzduchu, čistý platinový drát bude rekrystalizovat, takže zrna jsou hrubá a lámaná;
(2) Vysoká přesnost. Je to nejvyšší stupeň přesnosti mezi všemi termočlánky a obvykle se používá jako standard nebo pro měření vyšších teplot;
(3) Široký rozsah použití, dobrá jednotnost a zaměnitelnost;
(4) Hlavní nevýhody jsou: malý diferenciální termoelektrický potenciál, tak nízká citlivost; drahá cena, nízká mechanická pevnost, není vhodný pro použití v redukční atmosféře nebo v podmínkách kovových par.

B. Platino-rhodium 13-platinový termočlánek (s maturitou R, také známý jako jednoduchý platino-rhodiový termočlánek) Kladnou elektrodou tohoto termočlánku je slitina platiny a rhodia 13%, a záporná elektroda je čistá platina. Ve srovnání s typem S, jeho potenciální míra je asi 15% vyšší. Ostatní vlastnosti jsou téměř stejné. Tento typ termočlánku se nejvíce používá jako vysokoteplotní termočlánek v japonském průmyslu, ale v Číně se používá méně;

C. Platina-rhodium 30-platina-rhodium 6 termočlánek (číslo divize B, také známý jako dvojitý platino-rhodiový termočlánek) Kladnou elektrodou tohoto termočlánku je slitina platiny a rhodia 30% rhodium, a záporná elektroda je slitina platiny a rhodia obsahující 6% rhodium. Při pokojové teplotě, jeho termoelektrický potenciál je velmi malý, takže kompenzační vodiče se při měření obecně nepoužívají, a vliv teplotních změn na studeném konci lze ignorovat. Teplota pro dlouhodobé použití je 1600 ℃, a teplota pro krátkodobé použití je 1800 ℃. Protože termoelektrický potenciál je malý, je vyžadován zobrazovací přístroj s vyšší citlivostí.

Termočlánky typu B jsou vhodné pro použití v oxidační nebo neutrální atmosféře, a může být také použit pro krátkodobé použití ve vakuové atmosféře. I v redukční atmosféře, jeho život je 10 na 20 krát větší než u typu B. časy. Protože jeho elektrody jsou vyrobeny ze slitiny platiny a rhodia, nemá všechny nevýhody záporné elektrody termočlánku platina-rhodium-platina. Je zde malá tendence k velké krystalizaci při vysoké teplotě, a má větší mechanickou pevnost. Ve stejnou dobu, protože má menší vliv na absorpci nečistot nebo migraci rhodia, jeho termoelektrický potenciál se po dlouhodobém používání vážně nemění. Nevýhodou je, že je drahý (ve srovnání s jedinou platinou-rhodiem).

D. Nikl-chrom-nikl-křemík (nikl-hliník) termočlánek (klasifikační číslo je K) Kladná elektroda tohoto termočlánku je obsahující slitinu niklu a chrómu 10% chrom, a záporná elektroda je slitina niklu a křemíku obsahující 3% křemík (zápornou elektrodou výrobků v některých zemích je čistý nikl). Dokáže měřit teplotu média 0-1300 ℃ a je vhodný pro nepřetržité použití v oxidačních a inertních plynech. Teplota pro krátkodobé použití je 1200 ℃, a teplota dlouhodobého používání je 1000 ℃. Jeho termoelektrický potenciál je Teplotní vztah je přibližně lineární, cena je levná, a je to v současnosti nejpoužívanější termočlánek.

Termočlánek typu K je termočlánek z obecného kovu se silnou odolností proti oxidaci. Není vhodný pro použití s ​​holým drátem ve vakuu, obsahující síru, atmosféra obsahující uhlík, a redoxní střídavá atmosféra. Když je parciální tlak kyslíku nízký, chrom v nikl-chromové elektrodě bude přednostně oxidován, způsobuje velkou změnu termoelektrického potenciálu, ale kovový plyn na to má malý vliv. Proto, často se používají kovové ochranné trubky.

Se žlutou zástrčkou Odpružený termočlánek typu K

Teplotní senzor typu K s nerezovou sondou

Termočlánkové teplotní čidlo řady WRN-K z nerezové oceli

Nevýhody termočlánků typu K:
(1) Vysokoteplotní stabilita termoelektrického potenciálu je horší než u termočlánků typu N a termočlánků z drahých kovů. Při vyšších teplotách (například, nad 1000°C), je často poškozen oxidací.
(2) Krátkodobá stabilita tepelného cyklu je špatná v rozmezí 250-500 °C, to je, ve stejném teplotním bodě, hodnoty termoelektrického potenciálu se během procesu ohřevu a chlazení liší, a rozdíl může dosáhnout 2-3°C.
(3) Záporná elektroda prochází magnetickou transformací v rozsahu 150-200°C, způsobí, že se hodnota stupnice v rozsahu pokojové teploty až 230 °C odchyluje od stupnice. Zejména, při použití v magnetickém poli, často dochází k rušení termoelektrického potenciálu, které je nezávislé na čase.
(4) Při dlouhodobém vystavení ozáření středního systému s vysokým tokem, prvky, jako je mangan (Mn) a kobalt (spol) v záporné elektrodě procházejí transformací, což snižuje jeho stabilitu, což má za následek velkou změnu termoelektrického potenciálu.

E. Nikl-chrom-silikon-nikl-silikonový termočlánek (N) Hlavní vlastnosti tohoto termočlánku jsou: silná regulace teploty a odolnost proti oxidaci pod 1300 ℃, dobrá dlouhodobá stabilita a krátkodobá reprodukovatelnost tepelného cyklu, dobrá odolnost vůči jadernému záření a nízkým teplotám. Navíc, v rozmezí 400-1300 ℃, linearita termoelektrických charakteristik termočlánku typu N je lepší než u termočlánku typu K. Však, nelineární chyba je velká v rozsahu nízkých teplot (-200-400℃), a materiál je tvrdý a obtížně zpracovatelný.

E. Termočlánek měď-měď-nikl (T) Termočlánek typu T, kladná elektroda tohoto termočlánku je čistá měď, a záporná elektroda je slitina mědi a niklu (také známý jako konstantan). Jeho hlavní rysy jsou: mezi termočlánky obecných kovů, má nejvyšší přesnost a dobrou rovnoměrnost termoelektrody. Jeho provozní teplota je -200-350 ℃. Protože měděný termočlánek snadno oxiduje a oxidový film snadno odpadává, obecně není dovoleno překročit 300 ℃ při použití v oxidační atmosféře, a je v rozmezí -200 až 300 ℃. Jsou poměrně citliví. Další vlastností měděno-konstantních termočlánků je, že jsou levné, a jsou nejlevnější z několika běžně používaných standardizovaných produktů.

F. Železo-konstantní termočlánek (klasifikační číslo je J)
Termočlánek typu J, kladná elektroda tohoto termočlánku je čisté železo, a záporná elektroda je konstantan (slitina mědi a niklu), který se vyznačuje nízkou cenou. Je vhodný pro redukční nebo inertní atmosféru vakuové oxidace, a teplotní rozsah je od -200 do 800 ℃. Však, běžně používaná teplota je pouze pod 500 ℃, protože po překročení této teploty, rychlost oxidace železného termočlánku se zrychluje. Pokud je použit tlustý průměr drátu, lze jej stále používat při vysoké teplotě a má delší životnost. Tento termočlánek je odolný vůči korozi vodíkem (H2) a oxid uhelnatý (CO) plyny, ale nelze použít při vysokých teplotách (např. 500℃) síra (S) atmosféry.

G. Nikl-chrom-měď-nikl (Konstantan) termočlánek (kód divize E)
Termočlánek typu E je relativně nový produkt, s kladnou elektrodou ze slitiny niklu a chrómu a zápornou elektrodou ze slitiny mědi a niklu (Konstantan). Jeho největší vlastností je, že patří mezi běžně používané termočlánky, jeho termoelektrický potenciál je největší, to je, jeho citlivost je nejvyšší. Ačkoli jeho rozsah použití není tak široký jako u typu K, často se volí za podmínek, které vyžadují vysokou citlivost, nízká tepelná vodivost, a přípustný velký odpor. Omezení použití jsou stejná jako u typu K, ale není příliš citlivý na korozi v atmosférách s vysokou vlhkostí.

Kromě výše uvedeného 8 běžně používané termočlánky, existují také termočlánky wolfram-rhenium, platino-rhodiové termočlánky, iridium-germaniové termočlánky, platino-molybdenové termočlánky, a termočlánky z nekovových materiálů jako nestandardizované termočlánky. Následující tabulka uvádí vztah mezi materiálovými specifikacemi a průměrem drátu běžně používaných termočlánků a teplotou použití:

Termočlánek Třídění Číslo Průměr drátu (mm) Dlouhodobý Krátkodobý
SΦ0,513001600
0,513001600 RF
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Teplotní kompenzace studeného konce termočlánku
Aby se ušetřily náklady na materiály termočlánků, zejména při použití drahých kovů, k prodloužení studeného konce se obvykle používá kompenzační drát (volný konec) termočlánku do velínu, kde je teplota relativně stabilní a připojte jej ke svorce přístroje. Mělo by být jasné, že role kompenzačního drátu termočlánku je omezena na prodloužení termočlánku a přesunutí studeného konce termočlánku k terminálu přístroje v řídicí místnosti.. Sama nemůže eliminovat vliv změny teploty studeného konce na měření teploty a nemůže hrát kompenzační roli.

Izolační trubice

Pracovní konce termočlánku jsou k sobě pevně svařeny, a termočlánky musí být chráněny izolačními trubicemi. Existuje mnoho dostupných materiálů pro izolační trubky, které se dělí především na organické a anorganické izolace. Pro konec s vysokou teplotou, anorganické materiály musí být zvoleny jako izolační trubky. Obvykle, hliněné izolační trubky lze vybrat pod 1000 ℃, vysoké hliníkové trubky lze vybrat pod 1300 ℃, a korundové trubky lze vybrat pod 1600 ℃.

Ochranná trubka

Funkcí ochranné trubice je zabránit přímému kontaktu termočlánkové elektrody s měřeným médiem. Jeho funkce nejen prodlužuje životnost termočlánku, ale také poskytuje funkci podpory a upevnění termoelektrody a zvýšení její pevnosti. Proto, správný výběr ochranných trubek termočlánku a izolačních materiálů je rozhodující pro životnost a přesnost měření termočlánku. Materiály ochranné trubky se dělí především do dvou kategorií: kovové i nekovové.

Shrnutí:
Termočlánky jsou běžně používané senzory v průmyslovém měření teploty, které se vyznačují vysokou přesností, hospodárnost a použitelnost v širokém teplotním rozsahu. Měří měřením teplotního rozdílu mezi horkým a studeným koncem.

Za účelem získání teploty snímacího bodu horkého konce, je nutné změřit teplotu studeného konce a podle toho upravit výkon termočlánku. Obvykle, studený spoj je udržován na stejné teplotě jako vstup jednotky pro zpracování signálu termočlánku přes vrstvu materiálu s vysokou tepelnou vodivostí. Měď je materiál s ideální tepelnou vodivostí (381W/mK). Vstupní připojení musí být elektricky izolováno, aby se zabránilo rušení signálu termočlánku s vedením tepla na čipu. Celá jednotka zpracování signálu je přednostně v tomto izotermickém prostředí.

Rozsah signálu termočlánku je obvykle v úrovni mikrovoltů/℃. Jednotka pro zpracování termočlánkového signálu je velmi citlivá na elektromagnetické rušení (EMI), a vedení termočlánku je často rušeno EMI. EMI zvyšuje nejistotu přijímaného signálu a poškozuje přesnost shromážděných teplotních dat. Navíc, vyhrazený termočlánkový kabel potřebný pro připojení je také drahý, a pokud nejsou pečlivě nahrazeny jiné typy kabelů, může způsobit potíže při analýze.

Protože EMI je úměrné délce vedení, obvyklou možností, jak minimalizovat rušení, je umístit řídicí obvod do blízkosti snímacího bodu, přidejte vzdálenou desku blízko snímacího bodu, nebo použijte komplexní filtrování signálu a stínění kabelů. Elegantnějším řešením je digitalizace výstupu termočlánku v blízkosti snímacího bodu.

(5) Tok výroby termočlánkového procesu
Řízení výrobního procesu termočlánku zahrnuje následující:
1) Kontrola drátu: zkontrolujte geometrické rozměry a termoelektrický potenciál.
2) Kontrola kompenzačního drátu: zkontrolujte geometrické rozměry a termoelektrický potenciál.
3) Připravte a zkontrolujte součásti, jako jsou plastové zásuvky, hliníkové čepice, žáruvzdorné základny, papírové trubice a malé papírové trubice.
4) Svařování za tepla: ověřte kvalifikovanou rychlost pájených spojů a kvalifikovanou rychlost délky pomocí regulačního diagramu P.
5) Žíhání drátu: včetně primárního žíhání (žíhání po alkalickém praní a kyselém praní) a sekundární žíhání (žíhání po průchodu trubicí ve tvaru U), ovládání teploty a času žíhání.
6) Kontrola procesu: včetně posouzení polarity, smyčkový odpor a kvalita vzhledu, stejně jako kontrola geometrických rozměrů.
7) Svařování za studena: ovládání svařovacího napětí, zkontrolujte tvar pájeného spoje a velikost koule.
8) Montáž a nalévání: sestavit podle potřeby, včetně ovládání polohy horkého konce a vzdálenosti kompenzačního drátu. Požadavky na lití zahrnují přípravu cementu, teplota a čas pečení, a měření izolačního odporu.
9) Závěrečná kontrola: Zkontrolujte geometrii, smyčkový odpor, kladná a záporná polarita a izolační odpor.

(6) Aplikace termočlánkových senzorů
Termočlánky jsou tvořeny spojením dvou různých vodičů dohromady. Když jsou měřicí a referenční spoje při různých teplotách, tzv. termoelektromagnetická síla (EMF) je generován. Účel přechodu Měřicí přechod je část termočlánkového přechodu, která je na měřené teplotě.

Referenční přechod hraje roli udržování známé teploty nebo automatické kompenzace teplotních změn v termočlánku. V konvenčních průmyslových aplikacích, termočlánek je obvykle připojen ke konektoru, zatímco referenční spoj je připojen k řízenému prostředí s relativně stabilní teplotou pomocí vhodného prodlužovacího vodiče termočlánku. Typ přechodu může být termočlánkový přechod nebo izolovaný termočlánkový přechod.

Přechod termočlánku připojený k plášti je spojen se stěnou sondy fyzickým spojením (svařování), a teplo se přenáší z vnějšku do spoje přes stěnu sondy, aby se dosáhlo dobrého přenosu tepla. Tento typ přechodu je vhodný pro měření teploty statických nebo proudících korozivních plynů a kapalin, stejně jako některé vysokotlaké aplikace.

Izolované termočlánky mají spoje, které jsou odděleny od stěny sondy a obklopeny měkkým práškem. I když izolované termočlánky mají pomalejší odezvu než termočlánky s pláštěm, poskytují elektrickou izolaci. Pro měření v korozivním prostředí se doporučují izolované termočlánky, kde je termočlánek zcela elektricky izolován od okolního prostředí plášťovým štítem.

Termočlánky s odkrytými koncovkami umožňují horní části spoje proniknout do okolního prostředí. Tento typ termočlánku poskytuje nejlepší dobu odezvy, ale je vhodný pouze pro nekorozivní, není nebezpečný, a aplikace bez tlaku. Doba odezvy může být vyjádřena pomocí časové konstanty, která je definována jako čas potřebný pro změnu senzoru 63.2% od počáteční hodnoty po konečnou hodnotu v řízeném prostředí. Nejrychlejší rychlost odezvy mají termočlánky s odkrytými svorkami, a čím menší je průměr pláště sondy, tím rychlejší je rychlost odezvy, ale čím nižší je maximální přípustná teplota měření.

Termočlánky s prodlužovacím drátem používají prodlužovací drát k přenosu referenčního spoje z termočlánku na drát na druhém konci, který se obvykle nachází v řízeném prostředí a má stejné teplotně-elektromagnetické frekvenční charakteristiky jako termočlánek. Při správném připojení, prodlužovací kabel přenáší referenční bod připojení do kontrolovaného prostředí.