Par termoeléctrico, uno de los sensores de temperatura

Los sensores de temperatura se utilizan ampliamente y vienen en muchos tipos., pero los principales tipos comunes son: termopares (PT100/PT1000), termopilas, termistores, detectores de temperatura de resistencia, y sensores de temperatura IC. Los sensores de temperatura IC incluyen dos tipos: sensores de salida analógica y sensores de salida digital. Según las características del material y del componente electrónico del sensor de temperatura., se dividen en dos categorías: resistencias térmicas y termopares. Los termopares se han convertido en el método estándar de la industria para la medición rentable de una amplia gama de temperaturas con una precisión razonable.. Se utilizan en una variedad de aplicaciones hasta aproximadamente +2500°C en calderas., calentadores de agua, hornos, y motores de aviones, por nombrar sólo algunos.

Tipo termopar de platino-rodio Resistente a altas temperaturas 1600 tubo de corindón grados

Termopar de sonda de aguja del sensor de temperatura PT100

3-Termopar de resistencia de platino PT100 con cable blindado

(1) Definición básica de termopares.
Los termopares son uno de los elementos de detección de temperatura más utilizados en la industria.. El principio de funcionamiento de los termopares se basa en el efecto Seebeck., que es un fenómeno físico en el que dos conductores de diferentes componentes se conectan en ambos extremos para formar un bucle. Si las temperaturas de los dos extremos de conexión son diferentes, Se genera una corriente térmica en el bucle..

Como uno de los sensores de temperatura más utilizados en la medición de temperatura industrial., termopares, junto con resistencias térmicas de platino, cuenta por aproximadamente 60% del número total de sensores de temperatura. Los termopares se utilizan generalmente junto con instrumentos de visualización para medir directamente la temperatura de la superficie de los líquidos., vapores, medios gaseosos y sólidos en el rango de -40 hasta 1800°C en diversos procesos de producción. Las ventajas incluyen una alta precisión de medición, amplio rango de medición, estructura simple y fácil uso.

(2) Principio básico de la medición de temperatura por termopar.
El termopar es un elemento sensor de temperatura que puede medir directamente la temperatura y convertirla en una señal de potencial termoeléctrico.. La señal se convierte en la temperatura del medio medido a través de un instrumento eléctrico.. El principio de funcionamiento del termopar es que dos conductores de diferentes componentes forman un circuito cerrado.. Cuando existe un gradiente de temperatura, La corriente pasará a través del circuito y generará un potencial termoeléctrico., cual es el efecto seebeck. Los dos conductores del termopar se llaman termopares., uno de cuyos extremos es el extremo de trabajo (temperatura más alta) y el otro extremo es el extremo libre (generalmente a una temperatura constante). Según la relación entre el potencial termoeléctrico y la temperatura., se hace una escala de termopar. Diferentes termopares tienen diferentes escalas..

Cuando se conecta un tercer material metálico al bucle del termopar, siempre que la temperatura de los dos contactos del material sea la misma, El potencial termoeléctrico generado por el termopar permanecerá sin cambios y no se verá afectado por el tercer metal.. Por lo tanto, al medir la temperatura del termopar, Se puede conectar un instrumento de medición para determinar la temperatura del medio medido midiendo el potencial termoeléctrico.. Los termopares sueldan conductores o semiconductores A y B en un circuito cerrado..

Los termopares sueldan dos conductores o semiconductores A y B de diferentes materiales para formar un circuito cerrado., como se muestra en la figura.

Cuando hay una diferencia de temperatura entre los dos puntos de fijación 1 y 2 de los conductores A y B, Se genera una fuerza electromotriz entre los dos., formando así una corriente de cierto tamaño en el bucle. Este fenómeno se llama efecto termoeléctrico.. Los termopares funcionan utilizando este efecto..

Dos conductores de diferentes componentes. (llamados cables de termopar o electrodos calientes) están conectados en ambos extremos para formar un bucle. Cuando las temperaturas de las uniones son diferentes., Se genera una fuerza electromotriz en el bucle.. Este fenómeno se llama efecto termoeléctrico., y esta fuerza electromotriz se llama potencial termoeléctrico. Los termopares utilizan este principio para medir la temperatura.. Entre ellos, El extremo utilizado directamente para medir la temperatura del medio se llama extremo de trabajo. (también llamado extremo de medición), y el otro extremo se llama extremo frío (también llamado extremo de compensación); El extremo frío está conectado al instrumento de visualización o al instrumento correspondiente., y el instrumento de visualización indicará el potencial termoeléctrico generado por el termopar.

Los termopares son convertidores de energía que convierten la energía térmica en energía eléctrica y miden la temperatura midiendo el potencial termoeléctrico generado.. Al estudiar el potencial termoeléctrico de termopares., Es necesario tener en cuenta las siguientes cuestiones.:
1) El potencial termoeléctrico de un termopar es función de la diferencia de temperatura entre los dos extremos del termopar., no la diferencia de temperatura entre los dos extremos del termopar.
2) La magnitud del potencial termoeléctrico generado por un termopar no tiene nada que ver con la longitud y el diámetro del termopar., pero solo con la composición del material del termopar y la diferencia de temperatura entre los dos extremos, siempre que el material del termopar sea uniforme.
3) Después de determinar la composición del material de los dos cables del termopar, la magnitud del potencial termoeléctrico del termopar solo está relacionada con la diferencia de temperatura del termopar. Si la temperatura del extremo frío del termopar permanece constante, El potencial termoeléctrico del termopar es solo una función de un solo valor de la temperatura del extremo de trabajo..
Los materiales de termopar comúnmente utilizados son:
(3) Tipos y estructuras de termopares.
Tipos
Los termopares se pueden dividir en dos categorías.: termopares estándar y termopares no estándar. El llamado termopar estándar se refiere a un termopar cuyo estándar nacional estipula la relación entre su potencial termoeléctrico y la temperatura., el error permitido, y tiene una escala estándar unificada. Tiene un instrumento de visualización a juego para la selección.. Los termopares no estandarizados son inferiores a los termopares estandarizados en términos de rango de uso u orden de magnitud., y generalmente no tienen una escala unificada. Se utilizan principalmente para mediciones en determinadas ocasiones especiales..

Estructura básica de termopares.:
La estructura básica de los termopares utilizados para la medición de temperatura industrial incluye cable de termopar., tubo de aislamiento, tubo de protección y caja de conexiones, etc..

Cables de termopar de uso común y sus propiedades.:
A. Termopar platino-rodio 10 platino (con un número de graduación de S, también conocido como termopar simple de platino-rodio). El electrodo positivo de este termopar es una aleación de platino y rodio que contiene 10% rodio, y el electrodo negativo es platino puro;

Características:
(1) Rendimiento termoeléctrico estable, fuerte resistencia a la oxidación, Adecuado para uso continuo en atmósfera oxidante., La temperatura de uso a largo plazo puede alcanzar los 1300 ℃., cuando supera los 1400 ℃, incluso en el aire, El alambre de platino puro se recristalizará., hacer que los granos sean gruesos y quebrados;
(2) Alta precisión. Es el grado de precisión más alto entre todos los termopares y generalmente se usa como estándar o para medir temperaturas más altas.;
(3) Amplia gama de uso, buena uniformidad e intercambiabilidad;
(4) Las principales desventajas son: pequeño potencial termoeléctrico diferencial, tan baja sensibilidad; precio caro, baja resistencia mecánica, No apto para uso en atmósfera reductora o en condiciones de vapor metálico..

B. Termopar platino-rodio 13 platino (con un número de graduación de R, también conocido como termopar simple de platino-rodio) El electrodo positivo de este termopar es una aleación de platino y rodio que contiene 13%, y el electrodo negativo es platino puro. Comparado con el tipo S, su tasa potencial es aproximadamente 15% más alto. Otras propiedades son casi las mismas.. Este tipo de termopar se utiliza más como termopar de alta temperatura en la industria japonesa., pero se usa menos en China;

do. Platino-rodio 30-platino-rodio 6 par termoeléctrico (número de división B, también conocido como termopar doble platino-rodio) El electrodo positivo de este termopar es una aleación de platino y rodio que contiene 30% rodio, y el electrodo negativo es una aleación de platino-rodio que contiene 6% rodio. A temperatura ambiente, su potencial termoeléctrico es muy pequeño, Por lo tanto, los cables de compensación generalmente no se utilizan durante la medición., y se puede ignorar la influencia de los cambios de temperatura del extremo frío. La temperatura de uso a largo plazo es de 1600 ℃, y la temperatura de uso a corto plazo es de 1800 ℃. Porque el potencial termoeléctrico es pequeño., Se requiere un instrumento de visualización con mayor sensibilidad..

Los termopares tipo B son adecuados para su uso en atmósferas oxidantes o neutras., y también se puede utilizar para uso a corto plazo en atmósferas de vacío.. Incluso en una atmósfera reductora, su vida es 10 a 20 veces mayor que el tipo B. veces. Dado que sus electrodos están hechos de aleación de platino y rodio., no tiene todas las desventajas del electrodo negativo del termopar platino-rodio-platino. Hay poca tendencia a una gran cristalización a alta temperatura., y tiene mayor resistencia mecánica. Al mismo tiempo, ya que tiene menos influencia en la absorción de impurezas o en la migración del rodio, su potencial termoeléctrico no cambia seriamente después de un uso prolongado. La desventaja es que es caro. (relativo al platino-rodio único).

D. Níquel-cromo-níquel-silicio (níquel-aluminio) par termoeléctrico (el número de calificación es K) El electrodo positivo de este termopar es una aleación de níquel-cromo que contiene 10% cromo, y el electrodo negativo es una aleación de níquel-silicio que contiene 3% silicio (El electrodo negativo de los productos en algunos países es níquel puro.). Puede medir la temperatura media de 0-1300 ℃ y es adecuado para uso continuo en gases oxidantes e inertes.. La temperatura de uso a corto plazo es 1200 ℃, y la temperatura de uso a largo plazo es de 1000 ℃. Su potencial termoeléctrico es La relación de temperatura es aproximadamente lineal, el precio es barato, Y es el termopar más utilizado en la actualidad..

El termopar tipo K es un termopar de metal base con fuerte resistencia a la oxidación. No es adecuado para uso con cables desnudos en vacío., que contiene azufre, atmósfera que contiene carbono, y atmósfera alterna redox. Cuando la presión parcial de oxígeno es baja., El cromo en el electrodo de níquel-cromo se oxidará preferentemente., provocando un gran cambio en el potencial termoeléctrico, pero el gas metálico tiene poco efecto sobre él.. Por lo tanto, A menudo se utilizan tubos protectores de metal..

Con conector macho amarillo Termopar con resorte tipo K

Sensor de temperatura tipo K con sonda de acero inoxidable

Sensor de temperatura de termopar serie WRN-K de acero inoxidable tipo K

Desventajas de los termopares tipo K:
(1) La estabilidad a alta temperatura del potencial termoeléctrico es peor que la de los termopares tipo N y los termopares de metales preciosos.. A temperaturas más altas (Por ejemplo, más de 1000°C), A menudo se daña por la oxidación..
(2) La estabilidad del ciclo térmico a corto plazo es pobre en el rango de 250-500°C., eso es, al mismo punto de temperatura, Las lecturas de potencial termoeléctrico son diferentes durante el proceso de calentamiento y enfriamiento., y la diferencia puede alcanzar 2-3°C.
(3) El electrodo negativo sufre una transformación magnética en el rango de 150-200°C., provocando que el valor de graduación en el rango de temperatura ambiente a 230°C se desvíe de la tabla de graduación. En particular, cuando se utiliza en un campo magnético, A menudo se produce una interferencia de potencial termoeléctrico que es independiente del tiempo..
(4) Cuando se expone a irradiación de sistema medio de alto flujo durante mucho tiempo, los elementos como el manganeso (Minnesota) y cobalto (Co) en el electrodo negativo sufre una transformación, haciendo que su estabilidad sea pobre, lo que resulta en un gran cambio en el potencial termoeléctrico.

mi. Termopar de níquel-cromo-silicio-níquel-silicio (norte) Las principales características de este termopar son: fuerte control de temperatura y resistencia a la oxidación por debajo de 1300 ℃, Buena estabilidad a largo plazo y reproducibilidad del ciclo térmico a corto plazo., Buena resistencia a la radiación nuclear y a las bajas temperaturas.. Además, en el rango de 400-1300 ℃, la linealidad de las características termoeléctricas del termopar tipo N es mejor que la del tipo K. Sin embargo, el error no lineal es grande en el rango de baja temperatura (-200-400℃), y el material es duro y difícil de procesar.

mi. Termopar cobre-cobre-níquel (t) Termopar tipo T, El electrodo positivo de este termopar es cobre puro., Y el electrodo negativo es una aleación de cobre y níquel. (También conocido como Constantán.). Sus principales características son: entre los termopares de metal base, Tiene la mayor precisión y buena uniformidad del termoelectrodo.. Su temperatura de funcionamiento es -200～350℃. Porque el termopar de cobre es fácil de oxidar y la película de óxido se cae fácilmente, generalmente no se permite exceder los 300 ℃ cuando se usa en una atmósfera oxidante, y está dentro del rango de -200～300℃. son relativamente sensibles. Otra característica de los termopares de cobre-constantan es que son económicos., y son los más baratos de varios productos estandarizados de uso común..

F. Termopar hierro-constantan (el número de calificación es J)
Termopar tipo J, El electrodo positivo de este termopar es hierro puro., y el electrodo negativo es constante (aleación de cobre y níquel), que se caracteriza por su precio económico. Es adecuado para atmósfera reductora o inerte de oxidación al vacío., y el rango de temperatura es de -200 a 800 ℃. Sin embargo, la temperatura comúnmente utilizada es solo inferior a 500 ℃, porque después de superar esta temperatura, La tasa de oxidación del termopar de hierro se acelera.. Si se utiliza un diámetro de alambre grueso, Todavía se puede utilizar a altas temperaturas y tiene una vida más larga.. Este termopar es resistente a la corrosión por hidrógeno. (H2) y monóxido de carbono (CO) gases, Pero no se puede utilizar a altas temperaturas. (p.ej. 500℃) azufre (S) atmósferas.

GRAMO. Níquel-cromo-cobre-níquel (Constantán) par termoeléctrico (código de división E)
El termopar tipo E es un producto relativamente nuevo, con un electrodo positivo de aleación de níquel-cromo y un electrodo negativo de aleación de cobre-níquel (Constantán). Su característica más importante es que entre los termopares de uso común, su potencial termoeléctrico es el mayor, eso es, su sensibilidad es la más alta. Aunque su rango de aplicación no es tan amplio como el del Tipo K, A menudo se selecciona en condiciones que requieren alta sensibilidad., baja conductividad térmica, y resistencia grande permitida. Las restricciones de uso son las mismas que las del Tipo K., pero no es muy sensible a la corrosión en atmósferas que contienen alta humedad.

Además de lo anterior 8 termopares de uso común, También hay termopares de tungsteno-renio., termopares de platino-rodio, termopares iridio-germanio, termopares de platino-molibdeno, y termopares de materiales no metálicos como termopares no estandarizados. La siguiente tabla enumera la relación entre las especificaciones del material y el diámetro del cable de los termopares de uso común y la temperatura de uso.:

Número de clasificación del termopar Diámetro del cable (milímetros) Largo plazo Corto plazo
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0.516001800
KΦ1.28001000

(4) Compensación de temperatura del extremo frío del termopar.
Para ahorrar el costo de los materiales de termopar., especialmente cuando se utilizan metales preciosos, Generalmente se utiliza un cable de compensación para extender el extremo frío. (extremo libre) del termopar a la sala de control donde la temperatura es relativamente estable y conéctelo al terminal del instrumento. Debe quedar claro que la función del cable de compensación del termopar se limita a extender el termopar y mover el extremo frío del termopar al terminal de instrumentos en la sala de control.. Por sí solo no puede eliminar la influencia del cambio de temperatura del extremo frío en la medición de temperatura y no puede desempeñar un papel de compensación..

tubo aislante

Los extremos de trabajo del termopar están firmemente soldados entre sí., y los termopares deben estar protegidos por tubos aislantes. Hay muchos materiales disponibles para aislar tubos., que se dividen principalmente en aislamiento orgánico e inorgánico.. Para el extremo de alta temperatura, Se deben seleccionar materiales inorgánicos como tubos aislantes.. Generalmente, Los tubos aislantes de arcilla se pueden seleccionar por debajo de 1000 ℃., Los tubos altos de aluminio se pueden seleccionar por debajo de 1300 ℃, y los tubos de corindón se pueden seleccionar por debajo de 1600 ℃.

tubo protector

La función del tubo protector es evitar que el electrodo del termopar entre en contacto directo con el medio medido.. Su función no sólo prolonga la vida útil del termopar, pero también proporciona la función de soportar y fijar el termoelectrodo y mejorar su resistencia.. Por lo tanto, La selección correcta de los tubos de protección del termopar y los materiales aislantes es crucial para la vida útil y la precisión de la medición del termopar.. Los materiales del tubo protector se dividen principalmente en dos categorías.: metal y no metal.

Resumen:
Los termopares son sensores comúnmente utilizados en la medición de temperatura industrial., que se caracterizan por una alta precisión, Economía y aplicabilidad a un amplio rango de temperaturas.. Mide midiendo la diferencia de temperatura entre el extremo caliente y el extremo frío..

Para obtener la temperatura del punto de detección del extremo caliente, es necesario medir la temperatura del extremo frío y ajustar la salida del termopar en consecuencia. Típicamente, la unión fría se mantiene a la misma temperatura que la entrada de la unidad de procesamiento de señal del termopar a través de una lámina de material con alta conductividad térmica.. El cobre es un material con una conductividad térmica ideal. (381W/mK). La conexión de entrada debe estar aislada eléctricamente para evitar que la señal del termopar interfiera con la conducción de calor en el chip.. Toda la unidad de procesamiento de señales se encuentra preferentemente en este entorno isotérmico..

El rango de señal del termopar suele estar en el nivel de microvoltios/°C.. La unidad de procesamiento de señales de termopar es muy sensible a las interferencias electromagnéticas. (EMI), y la línea del termopar a menudo se ve interferida por EMI. EMI aumenta la incertidumbre de la señal recibida y daña la precisión de los datos de temperatura recopilados.. Además, el cable de termopar dedicado necesario para la conexión también es caro, y si no se sustituyen cuidadosamente otros tipos de cables, puede causar dificultades en el análisis.

Dado que EMI es proporcional a la longitud de la línea, Las opciones habituales para minimizar la interferencia son colocar el circuito de control cerca del punto de detección., agregar una placa remota cerca del punto de detección, o utilizar filtrado de señal complejo y blindaje de cable. Una solución más elegante es digitalizar la salida del termopar cerca del punto de detección..

(5) Flujo de producción del proceso de termopar
El control del proceso de producción de termopares incluye lo siguiente:
1) Inspección de cables: comprobar las dimensiones geométricas y el potencial termoeléctrico.
2) Inspección de cables de compensación: comprobar las dimensiones geométricas y el potencial termoeléctrico.
3) Prepare e inspeccione componentes como enchufes de plástico., tapas de aluminio, bases refractarias, tubos de papel y pequeños tubos de papel.
4) Soldadura por extremo caliente: Verifique la tasa calificada de uniones soldadas y la tasa calificada de longitud a través de la tabla de control P.
5) recocido de alambre: incluido el recocido primario (recocido después del lavado alcalino y lavado ácido) y recocido secundario (recocido después de pasar a través del tubo en forma de U), Controlar la temperatura y el tiempo de recocido..
6) Inspección de procesos: incluido el juicio de polaridad, resistencia del bucle y calidad de la apariencia, así como inspección de dimensiones geométricas.
7) Soldadura en frío: controlar el voltaje de soldadura, comprobar la forma de la junta de soldadura y el tamaño esférico.
8) Montaje y vertido: ensamblar según sea necesario, incluido el control de la posición del extremo caliente y la distancia del cable de compensación. Los requisitos de vertido incluyen la preparación del cemento., temperatura y tiempo de horneado, y medición de la resistencia de aislamiento.
9) Inspección final: Comprueba la geometría, resistencia de bucle, Polaridad positiva y negativa y resistencia de aislamiento..

(6) Aplicación de sensores de termopar.
Los termopares se forman conectando dos conductores diferentes entre sí.. Cuando las uniones de medida y de referencia están a diferentes temperaturas, la llamada fuerza termoelectromagnética (CEM) se genera. Propósito de la unión La unión de medición es la parte de la unión del termopar que se encuentra a la temperatura medida..

La unión de referencia desempeña la función de mantener una temperatura conocida o compensar automáticamente los cambios de temperatura en el termopar.. En aplicaciones industriales convencionales, El elemento termopar generalmente está conectado al conector., mientras que la unión de referencia está conectada a un ambiente controlado con una temperatura relativamente estable a través de un cable de extensión de termopar apropiado. El tipo de unión puede ser una unión de termopar conectada a una carcasa o una unión de termopar aislada..

La unión del termopar conectada a la carcasa está conectada a la pared de la sonda mediante una conexión física (soldadura), Y el calor se transfiere desde el exterior a la unión a través de la pared de la sonda para lograr una buena transferencia de calor.. Este tipo de unión es adecuada para medir la temperatura de gases y líquidos corrosivos estáticos o en flujo., así como algunas aplicaciones de alta presión.

Los termopares aislados tienen uniones separadas de la pared de la sonda y rodeadas por un polvo blando.. Aunque los termopares aislados tienen una respuesta más lenta que los termopares con carcasa, Proporcionan aislamiento eléctrico.. Se recomiendan termopares aislados para medir en ambientes corrosivos., donde el termopar está completamente aislado eléctricamente del entorno circundante mediante una funda protectora.

Los termopares de terminales expuestos permiten que la parte superior de la unión penetre en el entorno circundante.. Este tipo de termopar proporciona el mejor tiempo de respuesta., pero sólo es adecuado para no corrosivos, no peligroso, y aplicaciones no presurizadas. El tiempo de respuesta se puede expresar en términos de una constante de tiempo., que se define como el tiempo necesario para que el sensor cambie 63.2% desde el valor inicial hasta el valor final en el ambiente controlado. Los termopares de terminales expuestos tienen la velocidad de respuesta más rápida, y cuanto menor sea el diámetro de la funda de la sonda, cuanto más rápida sea la velocidad de respuesta, pero cuanto menor sea la temperatura de medición máxima permitida.

Los termopares de cable de extensión utilizan un cable de extensión para transferir la unión de referencia del termopar a un cable en el otro extremo., que generalmente se encuentra en un ambiente controlado y tiene las mismas características de temperatura y frecuencia electromagnética que el termopar. Cuando está conectado correctamente, el cable de extensión transfiere el punto de conexión de referencia al entorno controlado.