Termopar, jedan od temperaturnih senzora

Senzori temperature naširoko su korišteni i postoje u mnogim vrstama, ali glavni uobičajeni tipovi su: termoparovi (PT100/PT1000), termopile, termistori, Detektori temperature otpora, i IC temperaturni senzori. IC senzori temperature uključuju dvije vrste: analogni izlazni senzori i digitalni izlazni senzori. Prema karakteristikama materijala i elektroničkih komponenti senzora temperature, podijeljeni su u dvije kategorije: toplinski otpornici i termoparovi. Termoparovi su postali industrijska standardna metoda za isplativo mjerenje širokog raspona temperatura s razumnom točnošću. Koriste se u različitim primjenama do približno +2500°C u kotlovima, bojleri, pećnice, i zrakoplovni motori—da spomenemo samo neke.

Tip platina-rodij termoelement Otporan na visoke temperature 1600 stupnjeva korundna cijev

PT100 senzor temperature igla sonda termopar

3-žica PT100 platinasti otporni termoelement s oklopljenim kabelom

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

Kao jedan od najčešće korištenih temperaturnih senzora u industrijskom mjerenju temperature, termoparovi, zajedno s toplinskim otpornicima od platine, račun za oko 60% od ukupnog broja temperaturnih senzora. Termoparovi se obično koriste u kombinaciji s instrumentima za prikaz za izravno mjerenje površinske temperature tekućina, isparenja, plinoviti mediji i čvrste tvari u rasponu od -40 do 1800°C u različitim proizvodnim procesima. Prednosti uključuju visoku točnost mjerenja, širok raspon mjerenja, jednostavna struktura i jednostavna uporaba.

(2) Osnovni princip mjerenja temperature termoparom
Termopar je temperaturni senzor koji može izravno mjeriti temperaturu i pretvarati je u signal termoelektričnog potencijala. Signal se pomoću električnog instrumenta pretvara u temperaturu mjerenog medija. Princip rada termoelementa je da dva vodiča različitih komponenti tvore zatvorenu petlju. Kada postoji temperaturni gradijent, struja će proći kroz petlju i generirati termoelektrični potencijal, što je Seebeckov učinak. Dva vodiča termoelementa nazivaju se termoparovi, 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 skala termoelementa. 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 termopar ostat će nepromijenjen i na njega neće utjecati treći metal. Stoga, pri mjerenju temperature termopara, može se priključiti mjerni instrument za određivanje temperature mjerenog medija mjerenjem termoelektričnog potencijala. Termoparovi zavaruju vodiče ili poluvodiče A i B u zatvorenu petlju.

Termoparovi zavaruju dva vodiča ili poluvodiča A i B od različitih materijala kako bi formirali zatvorenu petlju, kako je prikazano na slici.

Kada postoji temperaturna razlika između dvije točke pričvršćenja 1 i 2 vodiča A i B, između njih se stvara elektromotorna sila, čime se u petlji stvara struja određene veličine. Ova pojava se naziva termoelektrični efekt. Termoparovi rade koristeći ovaj učinak.

Dva vodiča različitih komponenti (nazvane žice termoparova ili vruće elektrode) povezani su na oba kraja kako bi formirali petlju. Kada su temperature spojeva različite, u petlji se stvara elektromotorna sila. Ova pojava se naziva termoelektrični efekt, a ta se elektromotorna sila naziva termoelektrični potencijal. Termoparovi koriste ovaj princip za mjerenje temperature. Među njima, kraj koji se izravno koristi za mjerenje temperature medija naziva se radni kraj (također se naziva mjerni kraj), a drugi kraj se zove hladni kraj (također se naziva kraj kompenzacije); hladni kraj je povezan s instrumentom za prikaz ili odgovarajućim instrumentom, a instrument za prikaz će pokazati termoelektrični potencijal koji stvara termoelement.

Termoparovi su pretvarači energije koji toplinsku energiju pretvaraju u električnu i mjere temperaturu mjerenjem generiranog termoelektričnog potencijala. Pri proučavanju termoelektričnog potencijala termoparova, potrebno je uočiti 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 stvara termoelement nema nikakve veze s duljinom i promjerom termoelementa, ali samo sa sastavom materijala termoelementa i temperaturnom razlikom između dva kraja, pod uvjetom da je materijal termoelementa jednoličan.
3) Nakon utvrđivanja sastava materijala dviju žica termoelementa termoelementa, veličina termoelektričnog potencijala termopara povezana je samo s temperaturnom razlikom termopara. Ako temperatura hladnog kraja termoelementa ostane konstantna, termoelektrični potencijal termopara samo je jednovrijedna funkcija radne krajnje temperature.
Uobičajeno korišteni 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, dopuštenu grešku, i ima jedinstvenu standardnu ​​ljestvicu. Ima odgovarajući instrument za prikaz za odabir. Nestandardizirani termoparovi su inferiorni u odnosu na standardizirane termoparove u smislu raspona upotrebe ili reda veličine, i općenito nemaju jedinstvenu ljestvicu. Uglavnom se koriste za mjerenja u određenim posebnim prilikama.

Osnovna struktura termoparova:
Osnovna struktura termoparova koji se koriste za industrijsko mjerenje temperature uključuje žicu termopara, izolacijska cijev, zaštitnu cijev i razvodnu kutiju, itd.

Najčešće korištene žice termoparova i njihova svojstva:
A. Platina-rodij 10-platina termopar (s diplomskim brojem S, također poznat kao pojedinačni platina-rodij termopar). Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodija koja sadrži 10% rodij, a negativna elektroda je čista platina;

Značajke:
(1) Stabilna termoelektrična izvedba, jaka otpornost na oksidaciju, pogodan za kontinuiranu upotrebu u oksidirajućoj atmosferi, temperatura dugotrajne uporabe može doseći 1300 ℃, kada pređe 1400 ℃, čak i u zraku, čista platinasta žica će se rekristalizirati, čineći zrna krupnim i izlomljenim;
(2) Visoka preciznost. To je najviši stupanj točnosti među svim termoparovima i obično se koristi kao standard ili za mjerenje viših temperatura;
(3) Širok raspon upotrebe, dobra ujednačenost i zamjenjivost;
(4) Glavni nedostaci su: mali diferencijalni termoelektrični potencijal, tako slaba osjetljivost; skupa cijena, niska mehanička čvrstoća, nije prikladan za upotrebu u redukcijskoj atmosferi ili u uvjetima metalnih para.

B. Platina-rodij 13-platina termopar (s diplomskim brojem R, također poznat kao pojedinačni platina-rodij termopar) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodija koja sadrži 13%, a negativna elektroda je čista platina. U usporedbi s tipom S, njegova potencijalna stopa je oko 15% viši. Ostala svojstva su gotovo ista. Ova vrsta termoelementa se najviše koristi kao visokotemperaturni termoelement u japanskoj industriji, ali se manje koristi u Kini;

C. Platina-rodij 30-platina-rodij 6 termopar (broj odjeljka B, također poznat kao dvostruki termopar platina-rodij) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura platine i rodija koja sadrži 30% rodij, a negativna elektroda je legura platine i rodija koja sadrži 6% rodij. Na sobnoj temperaturi, njegov termoelektrični potencijal je vrlo mali, pa se kompenzacijske žice uglavnom ne koriste tijekom mjerenja, a utjecaj promjena temperature hladnog kraja može se zanemariti. Temperatura dugotrajne uporabe je 1600 ℃, a temperatura kratkotrajne upotrebe je 1800 ℃. Budući da je termoelektrični potencijal malen, potreban je pokazni instrument s većom osjetljivošću.

Termoparovi tipa B prikladni su za uporabu u oksidirajućim ili neutralnim atmosferama, a može se koristiti i za kratkotrajnu upotrebu u vakuumskim atmosferama. Čak iu redukcijskoj atmosferi, njegov život je 10 do 20 puta više od tipa B. puta. Budući da su njegove elektrode izrađene od legure platine i rodija, nema sve nedostatke negativne elektrode platina-rodij-platina termopara. Postoji mala tendencija velike kristalizacije na visokoj temperaturi, i ima veću mehaničku čvrstoću. Istovremeno, budući da manje utječe na apsorpciju nečistoća ili migraciju rodija, njegov se termoelektrični potencijal ne mijenja ozbiljno nakon dugotrajne uporabe. Nedostatak je što je skup (u odnosu na jednu platinu-rodij).

D. Nikal-krom-nikal-silicij (nikal-aluminij) termopar (broj ocjene je K) Pozitivna elektroda ovog termoelementa je legura nikla i kroma koja sadrži 10% krom, a negativna elektroda je legura nikal-silicij koja sadrži 3% silicij (negativna elektroda proizvoda u nekim zemljama je čisti nikal). Može mjeriti srednju temperaturu 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 najrašireniji termopar.

Termopar K-tipa je termoelement od osnovnog metala sa jakom otpornošću na oksidaciju. Nije prikladan za korištenje gole žice u vakuumu, koji sadrže sumpor, atmosfera koja sadrži ugljik, i redoks izmjeničnu atmosferu. Kad je parcijalni tlak kisika nizak, krom u nikal-kromovoj elektrodi bit će ponajprije oksidiran, uzrokujući veliku promjenu termoelektričnog potencijala, ali metalni plin malo utječe na njega. Stoga, često se koriste metalne zaštitne cijevi.

Sa žutim muškim utikačem Opružni termoelement tipa K

Senzor temperature tipa K sa sondom od nehrđajućeg čelika

Senzor temperature termoelementa serije K od nehrđajućeg čelika WRN-K

Nedostaci termoparova tipa K:
(1) Visokotemperaturna stabilnost termoelektričnog potencijala lošija je od stabilnosti N-tipa termoparova i termoparova od plemenitih metala. Pri višim temperaturama (na primjer, preko 1000°C), često je oštećena oksidacijom.
(2) Stabilnost kratkotrajnog toplinskog ciklusa je loša u rasponu od 250-500°C, to jest, na istoj temperaturnoj točki, očitanja termoelektričnog potencijala su različita tijekom procesa grijanja i hlađenja, a razlika može doseći 2-3°C.
(3) Negativna elektroda prolazi kroz magnetsku transformaciju u rasponu od 150-200°C, uzrokujući odstupanje vrijednosti stupnjevanja u rasponu od sobne temperature do 230°C od tablice stupnjevanja. Posebno, kada se koristi u magnetskom polju, često dolazi do interferencije termoelektričnog potencijala koja je neovisna o vremenu.
(4) Kada je dugotrajno izložen zračenju srednjeg sustava visokog protoka, elementi poput mangana (Mn) i kobalt (Co) u negativnoj elektrodi prolaze kroz transformaciju, čineći njegovu stabilnost lošom, što rezultira velikom promjenom termoelektričnog potencijala.

E. Nikal-krom-silicij-nikal-silicij termopar (N) Glavne karakteristike ovog termoelementa su: jaka kontrola temperature i otpornost na oksidaciju ispod 1300 ℃, dobra dugotrajna stabilnost i ponovljivost kratkotrajnog toplinskog ciklusa, dobra otpornost na nuklearno zračenje i niske temperature. Uz to, u rasponu od 400-1300 ℃, linearnost termoelektričnih karakteristika termoelementa N-tipa je bolja nego kod K-tipa. Međutim, nelinearna greška je velika u području niskih temperatura (-200-400℃), a materijal je tvrd i težak za obradu.

E. Termopar bakar-bakar-nikal (T) T-tip termoelementa, pozitivna elektroda ovog termoelementa je čisti bakar, a negativna elektroda je legura bakra i nikla (također poznat kao konstantan). Njegove glavne karakteristike su: među termoparovima od osnovnih metala, ima najveću točnost i dobru jednolikost termoelektrode. Njegova radna temperatura je -200～350℃. Budući da se bakreni termoelement lako oksidira i oksidni film lako otpada, općenito nije dopušteno prijeći 300 ℃ kada se koristi u oksidirajućoj atmosferi, i nalazi se u rasponu od -200～300℃. Relativno su osjetljivi. Još jedna značajka bakar-konstantan termoparova je njihova jeftinost, i oni su najjeftiniji od nekoliko uobičajeno korištenih standardiziranih proizvoda.

F. Željezo-konstantan termopar (broj ocjene je J)
Termopar tipa J, pozitivna elektroda ovog termoelementa je čisto željezo, a negativna elektroda je konstantan (legura bakra i nikla), koji se odlikuje jeftinom cijenom. Pogodan je za reducirajuću ili inertnu atmosferu vakuumske oksidacije, a temperaturni raspon je od -200～800℃. Međutim, uobičajeno korištena temperatura je samo ispod 500 ℃, jer nakon prekoračenja ove temperature, ubrzava se brzina oksidacije željeznog termoelementa. Ako se koristi debeli promjer žice, i dalje se može koristiti na visokim temperaturama i ima dulji vijek trajanja. Ovaj termoelement je otporan na koroziju vodikom (H2) i ugljikov monoksid (CO) plinovi, ali se ne može koristiti na visokim temperaturama (npr. 500℃) sumpor (S) atmosfere.

G. Nikal-krom-bakar-nikal (Constantan) termopar (šifra podjele E)
Termopar tipa E je relativno nov proizvod, s pozitivnom elektrodom od legure nikal-kroma i negativnom elektrodom od legure bakra i nikla (Constantan). Njegova najveća značajka je to što je među najčešće korištenim termoparovima, njegov je termoelektrični potencijal najveći, to jest, njegova je osjetljivost najveća. Iako raspon njegove primjene nije toliko širok kao kod tipa K, često se bira u uvjetima koji zahtijevaju visoku osjetljivost, niska toplinska vodljivost, i dopušteni veliki otpor. Ograničenja u uporabi ista su kao i kod tipa K, ali nije jako osjetljiv na koroziju u atmosferama koje sadrže visoku vlažnost.

Pored navedenog 8 uobičajeno korišteni termoparovi, postoje i termoparovi volfram-renij, platina-rodij termoparovi, iridij-germanijski termoparovi, platina-molibden termoparovi, a termoparovi od nemetalnih materijala kao nestandardizirani termoparovi. Sljedeća tablica navodi odnos između specifikacija materijala i promjera žice termoparova koji se obično koriste i temperature uporabe:

Broj stupnjevanja termoelementa Promjer žice (mm) Dugoročno Kratkoročno
0,513001600 SΦ
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Temperaturna kompenzacija hladnog kraja termoelementa
Kako bi se uštedio materijal za termoelemente, osobito pri korištenju plemenitih metala, obično se koristi kompenzacijska žica za produženje hladnog kraja (slobodni kraj) termoelementa u kontrolnu sobu gdje je temperatura relativno stabilna i spojite ga na terminal instrumenta. Treba biti jasno da je uloga kompenzacijske žice termoelementa ograničena na produženje termoelementa i premještanje hladnog kraja termoelementa na terminal instrumenta u kontrolnoj sobi. Sam po sebi ne može eliminirati utjecaj promjene temperature hladnog kraja na mjerenje temperature i ne može igrati ulogu kompenzacije.

Izolacijska cijev

Radni krajevi termoelementa su međusobno čvrsto zavareni, a termoelemente je potrebno zaštititi izolacijskim cijevima. Postoji mnogo dostupnih materijala za izolaciju cijevi, koje se uglavnom dijele na organske i anorganske izolacije. Za kraj visoke temperature, kao izolacijske cijevi moraju se odabrati anorganski materijali. Općenito, Glinene izolacijske cijevi mogu se odabrati ispod 1000 ℃, visoke aluminijske cijevi mogu se odabrati ispod 1300 ℃, a korundne cijevi mogu se odabrati ispod 1600 ℃.

Zaštitna cijev

Funkcija zaštitne cijevi je spriječiti izravni kontakt elektrode termopara s mjerenim medijem. Njegova funkcija ne samo da produljuje vijek trajanja termoelementa, ali također osigurava funkciju podupiranja i fiksiranja termoelektrode i povećanja njezine čvrstoće. Stoga, ispravan odabir zaštitnih cijevi termoelementa i izolacijskih materijala ključan je za životni vijek i točnost mjerenja termopara. Materijali zaštitne cijevi uglavnom se dijele u dvije kategorije: metala i nemetala.

Sažetak:
Termoparovi su senzori koji se često koriste u industrijskom mjerenju temperature, koji se odlikuju visokom preciznošću, ekonomičnost i primjenjivost u širokom temperaturnom rasponu. Mjeri se mjerenjem temperaturne razlike između vrućeg i hladnog kraja.

Kako bi se dobila temperatura osjetljive točke na vrućem kraju, potrebno je izmjeriti temperaturu hladnog kraja i prema tome prilagoditi izlaz termoelementa. Tipično, hladni spoj se održava na istoj temperaturi kao i ulaz jedinice za obradu signala termopara kroz sloj materijala visoke toplinske vodljivosti. Bakar je materijal idealne toplinske vodljivosti (381W/mK). Ulazni priključak mora biti električno izoliran kako bi se spriječilo da signal termoelementa ometa provođenje topline na čipu. Cijela jedinica za obradu signala poželjno je u ovom izotermnom okruženju.

Raspon signala termopara obično je na razini mikrovolta/℃. Jedinica za obradu signala termopara vrlo je osjetljiva na elektromagnetske smetnje (EMI), a vod termopara često ometa EMI. EMI povećava nesigurnost primljenog signala i šteti točnosti prikupljenih podataka o temperaturi. Uz to, namjenski kabel termoelementa potreban za spajanje također je skup, i ako druge vrste kabela nisu pažljivo zamijenjene, može izazvati poteškoće u analizi.

Budući da je EMI proporcionalan duljini linije, uobičajene opcije za minimiziranje smetnji su postavljanje upravljačkog kruga blizu točke osjeta, dodajte udaljenu ploču blizu točke osjeta, ili koristiti složeno filtriranje signala i zaštitu kabela. Elegantnije rješenje je digitalizacija izlaza termoelementa blizu točke osjeta.

(5) Tijek proizvodnje procesa termoelementa
Kontrola procesa proizvodnje termoelemenata uključuje sljedeće:
1) Pregled 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, aluminijske kapice, vatrostalne baze, papirnate cijevi i male papirnate cijevi.
4) Zavarivanje vrućeg kraja: provjerite kvalificiranu stopu lemljenih spojeva i kvalificiranu stopu duljine putem P kontrolne karte.
5) Žarenje žice: uključujući primarno žarenje (žarenje nakon alkalijskog ispiranja i ispiranja kiselinom) i sekundarno žarenje (žarenje nakon prolaska kroz cijev u obliku slova U), kontrolirati temperaturu i vrijeme žarenja.
6) Inspekcija procesa: uključujući prosudbu polariteta, otpor petlje i kvaliteta izgleda kao i pregled geometrijskih dimenzija.
7) Hladno zavarivanje: kontrolni napon zavarivanja, provjerite oblik lemnog spoja i veličinu sfere.
8) Sastavljanje i izlijevanje: sastavite prema potrebi, uključujući kontrolu položaja vrućeg kraja i udaljenosti kompenzacijske žice. Zahtjevi za izlijevanje uključuju pripremu cementa, temperaturu i vrijeme pečenja, i mjerenje otpora izolacije.
9) Završni pregled: Provjerite geometriju, otpor petlje, pozitivni i negativni polaritet i otpor izolacije.

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

Referentni spoj igra ulogu održavanja poznate temperature ili automatske kompenzacije temperaturnih promjena u termoparu. U konvencionalnim industrijskim primjenama, element termopara obično se spaja na konektor, dok je referentni spoj povezan s kontroliranim okruženjem s relativno stabilnom temperaturom putem odgovarajuće produžne žice termopara. Vrsta spoja može biti ljuskasti spoj termoelementa ili izolirani spoj termopara.

Spoj termoelementa spojen na školjku povezan je sa stijenkom sonde fizičkim spojem (zavarivanje), a toplina se prenosi izvana na spoj kroz stijenku sonde kako bi se postigao dobar prijenos topline. Ovaj tip spoja prikladan je za mjerenje temperature statičkih ili protočnih korozivnih plinova i tekućina, kao i neke primjene visokog tlaka.

Izolirani termoparovi imaju spojeve koji su odvojeni od stijenke sonde i okruženi mekim prahom. Iako izolirani termoparovi imaju sporiji odziv od termoparova s ​​ljuskom, osiguravaju električnu izolaciju. Za mjerenje u korozivnim sredinama preporučuju se izolirani termoparovi, gdje je termoelement potpuno električki izoliran od okolne okoline zaštitnim omotačem.

Termoparovi s izloženim terminalom dopuštaju vrhu spoja da prodre u okolno okruženje. Ovaj tip termoelementa daje najbolje vrijeme odziva, ali je prikladan samo za nekorozivne, neopasan, i aplikacije bez tlaka. Vrijeme odziva može se izraziti kao vremenska konstanta, što je definirano kao vrijeme potrebno da se senzor promijeni 63.2% od početne do konačne vrijednosti u kontroliranom okruženju. Termoparovi s otvorenim terminalima imaju najveću brzinu odziva, a što je promjer plašta sonde manji, što je veća brzina odgovora, ali što je niža najveća dopuštena temperatura mjerenja.

Termoparovi s produžnom žicom koriste produžnu žicu za prijenos referentnog spoja s termoelementa na žicu na drugom kraju, koji se obično nalazi u kontroliranom okruženju i ima iste temperaturno-elektromagnetske frekvencijske karakteristike kao i termopar. Kada je pravilno spojen, produžna žica prenosi referentnu spojnu točku u kontroliranu okolinu.