Termocoppia, uno dei sensori di temperatura

I sensori di temperatura sono ampiamente utilizzati e sono disponibili in molti tipi, Ma i principali tipi comuni sono: termocoppie (PT100/PT1000), termopili, termistori, rilevatori di temperatura a resistenza, e sensori di temperatura IC. I sensori di temperatura IC includono due tipi: Sensori di uscita analogici e sensori di uscita digitale. Secondo il materiale e le caratteristiche dei componenti elettronici del sensore di temperatura, Sono divisi in due categorie: resistori termici e termocoppie. Le termocoppie sono diventate il metodo standard del settore per la misurazione economica di una vasta gamma di temperature con ragionevole precisione. Sono utilizzati in una varietà di applicazioni fino a circa +2500 ° C nelle caldaie, scaldabagni, forni, e motori dell'aeromobile: per citarne solo alcuni.

Tipo Resistente alla temperatura di termocoppia platino-rodio 1600 DEGREI CORNDUM Tubo

Termocuple della sonda per ago per sensore di temperatura PT100

3-Filo PT100 Termocoppia di resistenza al platino con cavo schermato

(1) Definizione di base di termocoppie
Le termocoppie sono uno degli elementi di rilevamento della temperatura più comunemente usati nell'industria. Il principio di lavoro delle termocoppie si basa sull'effetto Seebeck, che è un fenomeno fisico in cui due conduttori di componenti diversi sono collegati ad entrambe le estremità per formare un loop. Se le temperature delle due estremità di collegamento sono diverse, Una corrente termica viene generata nel ciclo.

Come uno dei sensori di temperatura più utilizzati nella misurazione della temperatura industriale, termocoppie, insieme a resistori termici platino, spiegare circa 60% del numero totale di sensori di temperatura. Le termocoppie vengono generalmente utilizzate in combinazione con gli strumenti di visualizzazione per misurare direttamente la temperatura superficiale dei liquidi, vapori, media gassosi e solidi nella gamma di -40 a 1800 ° C in vari processi di produzione. I vantaggi includono un'elevata precisione di misurazione, ampio intervallo di misurazione, Struttura semplice e facile utilizzo.

(2) Principio di base della misurazione della temperatura della termocoppia
La termocoppia è un elemento di rilevamento della temperatura che può misurare direttamente la temperatura e convertirla in un segnale potenziale termoelettrico. Il segnale viene convertito nella temperatura del mezzo misurato attraverso uno strumento elettrico. Il principio di lavoro della termocoppia è che due conduttori di componenti diversi formano un ciclo chiuso. Quando esiste un gradiente di temperatura, La corrente passerà attraverso il ciclo e genererà un potenziale termoelettrico, che è l'effetto Seebeck. I due conduttori della termocoppia sono chiamati termocoppie, Un'estremità della quale è la fine di lavoro (temperatura più alta) E l'altra estremità è la fine libera (di solito a una temperatura costante). Secondo la relazione tra potenziale termoelettrico e temperatura, Viene realizzata una scala di termocoppia. Diverse termocoppie hanno scale diverse.

Quando un terzo materiale metallico è collegato al loop della termocoppia, Finché la temperatura dei due contatti del materiale è la stessa, Il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia rimarrà invariato e non sarà influenzato dal terzo metallo. Perciò, Quando si misura la temperatura della termocoppia, Uno strumento di misurazione può essere collegato per determinare la temperatura del mezzo misurato misurando il potenziale termoelettrico. Termocoppia conduttori di saldatura o semiconduttori a e b in un ciclo chiuso.

Termocoppies salda due conduttori o semiconduttori a e b di diversi materiali insieme per formare un ciclo chiuso, come mostrato nella figura.

Quando c'è una differenza di temperatura tra i due punti di attacco 1 E 2 di conduttori A e B, Una forza elettromotrice viene generata tra i due, Così formando una corrente di una certa dimensione nel ciclo. Questo fenomeno è chiamato effetto termoelettrico. Le termocoppie funzionano usando questo effetto.

Due conduttori di componenti diversi (Chiamati fili della termocoppia o elettrodi caldi) sono collegati ad entrambe le estremità per formare un ciclo. Quando le temperature delle giunzioni sono diverse, Una forza elettromotrice viene generata nel ciclo. Questo fenomeno è chiamato effetto termoelettrico, e questa forza elettromotiva è chiamata potenziale termoelettrico. Le termocoppie utilizzano questo principio per misurare la temperatura. Tra loro, L'estremità usata direttamente per misurare la temperatura del mezzo è chiamata estremità di lavoro (Chiamata anche la fine di misurazione), E l'altra estremità è chiamata fine fredda (Chiamata anche la fine del risarcimento); L'estremità fredda è collegata allo strumento di visualizzazione o allo strumento corrispondente, e lo strumento di visualizzazione indicherà il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia.

Le termocoppie sono convertitori di energia che convertono l'energia termica in energia elettrica e misurano la temperatura misurando il potenziale termoelettrico generato. Quando si studio il potenziale termoelettrico delle termocoppie, È necessario annotare i seguenti problemi:
1) Il potenziale termoelettrico di una termocoppia è una funzione della differenza di temperatura tra le due estremità della termocoppia, non la differenza di temperatura tra le due estremità della termocoppia.
2) L'entità del potenziale termoelettrico generato da una termocoppia non ha nulla a che fare con la lunghezza e il diametro della termocoppia, ma solo con la composizione del materiale della termocoppia e la differenza di temperatura tra le due estremità, a condizione che il materiale della termocoppia sia uniforme.
3) Dopo aver determinato la composizione del materiale dei due fili della termocoppia della termocoppia, L'entità del potenziale termoelettrico della termocoppia è correlata solo alla differenza di temperatura della termocoppia. Se la temperatura dell'estremità fredda della termocoppia rimane costante, Il potenziale termoelettrico della termocoppia è solo una funzione a valore singolo della temperatura di lavoro.
I materiali di termocoppia comunemente usati sono:
(3) Tipi e strutture di termocoppie
Tipi
Le termocoppie possono essere divise in due categorie: termocoppie standard e termocoppie non standard. La cosiddetta termocoppia standard si riferisce a una termocoppia il cui standard nazionale stabilisce la relazione tra il suo potenziale termoelettrico e la temperatura, l'errore consentito, e ha una scala standard unificata. Ha uno strumento di visualizzazione corrispondente per la selezione. Le termocoppie non standardizzate sono inferiori alle termocoppie standardizzate in termini di intervallo di utilizzo o ordine di grandezza, e generalmente non hanno una scala unificata. Sono utilizzati principalmente per le misurazioni in alcune occasioni speciali.

Struttura di base delle termocoppie:
La struttura di base delle termocoppie utilizzate per la misurazione della temperatura industriale include il filo della termocoppia, tubo di isolamento, tubo di protezione e scatola di giunzione, ecc.

I fili della termocoppia comunemente usati e le loro proprietà:
UN. Termocuple a 10 piatino di platino-rodio (con un numero di laurea di S, noto anche come singola termocoppia platino-rodio). L'elettrodo positivo di questa termocoppia è una lega di platino-rodio contenente 10% Rhodium, e l'elettrodo negativo è puro platino;

Caratteristiche:
(1) Prestazioni termoelettriche stabili, forte resistenza all'ossidazione, Adatto per l'uso continuo in un'atmosfera ossidante, La temperatura di uso a lungo termine può raggiungere 1300 ℃, Quando supera 1400 ℃, anche in aria, Il filo di platino puro si ricristallizzerà, Rendere i cereali grosso e rotti;
(2) Alta precisione. È il grado di precisione più alto tra tutte le termocoppie e di solito viene utilizzato come standard o per misurare temperature più elevate;
(3) Ampia gamma di utilizzo, Buona uniformità e intercambiabilità;
(4) Gli svantaggi principali sono: Piccolo potenziale termoelettrico differenziale, Così bassa sensibilità; Prezzo costoso, Bassa resistenza meccanica, Non è adatto per l'uso in un'atmosfera riducente o in condizioni di vapore metallico.

B. Termocuple a 13 platino di platino-rodio (con un numero di laurea di R, noto anche come singola termocoppia platino-rodio) L'elettrodo positivo di questa termocoppia è una lega di platino-rodio contenente 13%, e l'elettrodo negativo è puro platino. Rispetto al tipo S, Il suo potenziale tasso è circa 15% più alto. Altre proprietà sono quasi le stesse. Questo tipo di termocoppia è più utilizzato come termocoppia ad alta temperatura nell'industria giapponese, Ma è meno usato in Cina;

C. Platinum-Rhodium 30-Platinum-Rhodium 6 termocoppia (Numero di divisione b, Conosciuto anche come doppio thermocuple platino-rodio) L'elettrodo positivo di questa termocoppia è una lega di platino-rodio contenente 30% Rhodium, e l'elettrodo negativo è una lega di platino-rodio contenente 6% Rhodium. A temperatura ambiente, Il suo potenziale termoelettrico è molto piccolo, Quindi i cavi di compensazione non vengono generalmente utilizzati durante la misurazione, e l'influenza delle variazioni della temperatura del freddo può essere ignorata. La temperatura di uso a lungo termine è di 1600 ℃, e la temperatura di uso a breve termine è 1800 ℃. Perché il potenziale termoelettrico è piccolo, È richiesto uno strumento di visualizzazione con maggiore sensibilità.

Le termocoppie di tipo B sono adatte per l'uso in atmosfere ossidanti o neutre, e può anche essere utilizzato per l'uso a breve termine nelle atmosfere di vuoto. Anche in un'atmosfera riducente, La sua vita è 10 A 20 volte quello del tipo B. volte. Poiché i suoi elettrodi sono realizzati in lega di platino-rodio, Non ha tutti gli svantaggi dell'elettrodo negativo della termocoppia platino-rodio-piatino. C'è poca tendenza di grande cristallizzazione ad alta temperatura, E ha una maggiore resistenza meccanica. Allo stesso tempo, Poiché ha meno influenza sull'assorbimento delle impurità o sulla migrazione del rodio, Il suo potenziale termoelettrico non cambia seriamente dopo l'uso a lungo termine. Lo svantaggio è che è costoso (relativo al singolo platino-rodio).

D. Nichel-cromo-nichel-silicio (nichel-alluminio) termocoppia (Il numero di classificazione è k) L'elettrodo positivo di questa termocoppia è una lega di nichel-cromo contenente 10% cromo, e l'elettrodo negativo è una lega di nichel-silicio contenente 3% silicio (L'elettrodo negativo dei prodotti in alcuni paesi è puro nichel). Può misurare la temperatura media di 0-1300 ℃ ed è adatto per l'uso continuo nei gas ossidanti e inerti. La temperatura di uso a breve termine è di 1200 ℃, e la temperatura di uso a lungo termine è di 1000 ℃. Il suo potenziale termoelettrico è che la relazione di temperatura è approssimativamente lineare, Il prezzo è economico, ed è attualmente la termocoppia più utilizzata.

La termocoppia di tipo K è una termocoppia di metallo di base con una forte resistenza all'ossidazione. Non è adatto per l'uso a filo nudo nel vuoto, contenente zolfo, Atmosfera contenente carbonio, e atmosfera alternante redox. Quando la pressione parziale dell'ossigeno è bassa, Il cromo nell'elettrodo di nichel-cromo sarà preferibilmente ossidato, causando un grande cambiamento nel potenziale termoelettrico, Ma il gas metallico ha scarso effetto su di esso. Perciò, Vengono spesso utilizzati tubi protettivi in ​​metallo.

Con tappa gialla a spina maschile Termocoppia K caricato a molla K

Sensore di temperatura di tipo k con sonda in acciaio inossidabile

Sensore di temperatura termocoppia serie WRN-K in acciaio inossidabile di tipo k

Svantaggi di termocoppie di tipo K:
(1) La stabilità ad alta temperatura del potenziale termoelettrico è peggiore di quella delle termocoppie di tipo n e delle termocoppie metalliche preziose. A temperature più elevate (Per esempio, oltre 1000 ° C.), è spesso danneggiato dall'ossidazione.
(2) La stabilità del ciclo termico a breve termine è scarsa nell'intervallo di 250-500 ° C, questo è, Nello stesso punto di temperatura, Le letture potenziali termoelettriche sono diverse durante il processo di riscaldamento e raffreddamento, e la differenza può raggiungere 2-3 ° C.
(3) L'elettrodo negativo subisce una trasformazione magnetica nell'intervallo di 150-200 ° C, causando il valore di laurea nell'intervallo di temperatura ambiente a 230 ° C per discostarsi dalla tabella di laurea. In particolare, Se usato in un campo magnetico, L'interferenza potenziale termoelettrica che è indipendente dal tempo si verifica spesso.
(4) Se esposto all'irradiazione di medio sistema ad alto flusso per lungo tempo, Gli elementi come il manganese (Mn) e cobalto (Co) Nell'elettrodo negativo subisce una trasformazione, Rendere la sua stabilità scarsa, con conseguente grande variazione del potenziale termoelettrico.

E. Termocuple nichel-cromo-silicio-nichel-silicio (N) Le caratteristiche principali di questa termocoppia sono: forte controllo della temperatura e resistenza all'ossidazione al di sotto di 1300 ℃, Buona stabilità a lungo termine e riproducibilità del ciclo termico a breve termine, Buona resistenza alle radiazioni nucleari e bassa temperatura. Inoltre, Nell'intervallo 400-1300 ℃, La linearità delle caratteristiche termoelettriche della termocoppia di tipo n è migliore di quella del tipo K. Tuttavia, L'errore non lineare è grande nell'intervallo a bassa temperatura (-200-400℃), e il materiale è difficile e difficile da elaborare.

E. Termocoppia di rame-rame-nickel (T) Termocoppia di tipo T., L'elettrodo positivo di questa termocoppia è rame puro, e l'elettrodo negativo è in lega di nichel in rame (Conosciuto anche come Costantan). Le sue caratteristiche principali sono: Tra le termocoppie di metallo di base, Ha la massima precisione e una buona uniformità del termoelettrodo. La sua temperatura operativa è -200 ～ 350 ℃. Perché la termocoppia di rame è facile da ossidare e il film di ossido è facile cadere, In genere non è consentito superare i 300 ℃ se utilizzato in un'atmosfera ossidante, ed è nell'intervallo di -200 ～ 300 ℃. Sono relativamente sensibili. Un'altra caratteristica delle termocoppie di rame-contantan è che sono economici, e sono i più economici di diversi prodotti standardizzati comunemente usati.

F. Termocoppia di ferro-contantan (Il numero di classificazione è j)
Termocoppia di tipo J., L'elettrodo positivo di questa termocoppia è il ferro puro, e l'elettrodo negativo è Costantan (lega di rame-nichel), che è caratterizzato dal suo prezzo economico. È adatto per ridurre o inerte l'atmosfera di ossidazione del vuoto, e l'intervallo di temperatura è compreso tra -200 ～ 800 ℃. Tuttavia, La temperatura comunemente usata è solo inferiore a 500 ℃, Perché dopo aver superato questa temperatura, Il tasso di ossidazione della termocoppia di ferro accelera. Se viene utilizzato un diametro del filo spesso, Può ancora essere usato ad alta temperatura e ha una vita più lunga. Questa termocoppia è resistente alla corrosione per idrogeno (H2) e monossido di carbonio (Co) gas, ma non può essere usato ad alta temperatura (per esempio. 500℃) zolfo (S) atmosfere.

G. Nichel-cromium-raspe-nickel (Costantan) termocoppia (Codice di divisione e)
La termocoppia di tipo E è un prodotto relativamente nuovo, con un elettrodo positivo di lega di nichel-cromo e un elettrodo negativo di lega di rame-nichel (Costantan). La sua più grande caratteristica è quella tra le termocoppie comunemente usate, Il suo potenziale termoelettrico è il più grande, questo è, La sua sensibilità è la più alta. Sebbene la sua gamma di applicazioni non sia ampia come quella del tipo K, è spesso selezionato in condizioni che richiedono un'alta sensibilità, bassa conducibilità termica, e una grande resistenza ammissibile. Le restrizioni in uso sono le stesse di quelle di tipo K, Ma non è molto sensibile alla corrosione nelle atmosfere contenenti elevata umidità.

Oltre a quanto sopra 8 termocoppie comunemente usate, Ci sono anche termocoppie di tungsteno-rhenium, termocoppie di platino-rodio, termocoppie di iridio-germanio, Termocoppie di platino-molibdeno, termocoppie di materiale non metallico come termocoppie non standardizzate. La tabella seguente elenca la relazione tra le specifiche del materiale e il diametro del filo delle termocoppie comunemente usate e la temperatura dell'uso:

Numero di classificazione della termocoppia Diametro (mm) A breve termine a breve termine
Sφ0.513001600
RF0.513001600
Bφ0.516001800
Kφ1.28001000

(4) Compensazione della temperatura dell'estremità fredda della termocoppia
Al fine di risparmiare il costo dei materiali della termocoppia, Soprattutto quando si usano metalli preziosi, Un filo di compensazione viene generalmente utilizzato per estendere l'estremità fredda (fine libera) della termocoppia nella sala di controllo in cui la temperatura è relativamente stabile e la collega al terminale dello strumento. Dovrebbe essere chiaro che il ruolo del filo di compensazione della termocoppia è limitato all'estensione della termocoppia e allo spostamento dell'estremità fredda della termocoppia al terminale dello strumento nella sala di controllo. Non può eliminare l'influenza della variazione della temperatura della fine del freddo sulla misurazione della temperatura e non può svolgere un ruolo di compensazione.

Tubo isolante

Le estremità di lavoro della termocoppia sono saldamente saldate insieme, e le termocoppie devono essere protette mediante tubi isolanti. Ci sono molti materiali disponibili per i tubi isolanti, che sono principalmente divisi in isolamento organico e inorganico. Per la fine ad alta temperatura, I materiali inorganici devono essere selezionati come tubi isolanti. Generalmente, Le provette isolanti in argilla possono essere selezionate al di sotto di 1000 ℃, Le provette in alluminio elevate possono essere selezionate al di sotto di 1300 ℃, e i tubi di Cordundio possono essere selezionati sotto 1600 ℃.

Tubo protettivo

La funzione del tubo protettivo è impedire all'elettrodo della termocoppia di contatto diretto con il mezzo misurato. La sua funzione non solo prolunga la vita della termocoppia, ma fornisce anche la funzione di supporto e fissare il termoelettrodo e migliorare la sua resistenza. Perciò, La corretta selezione di tubi di protezione della termocoppia e materiali isolanti è cruciale per la durata della durata e l'accuratezza della misurazione della termocoppia. I materiali del tubo protettivo sono principalmente divisi in due categorie: metallo e non metal.

Riepilogo:
Le termocoppie sono sensori comunemente usati nella misurazione della temperatura industriale, che sono caratterizzati da alta precisione, economia e applicabilità a un ampio intervallo di temperatura. Misura misurando la differenza di temperatura tra l'estremità calda e l'estremità del freddo.

Al fine di ottenere la temperatura del punto di rilevamento dell'estremità calda, è necessario misurare la temperatura del freddo e regolare di conseguenza l'uscita della termocoppia. In genere, La giunzione fredda è mantenuta alla stessa temperatura dell'ingresso dell'unità di elaborazione del segnale della termocoppia attraverso un foglio di materiale con alta conducibilità termica. Il rame è un materiale con conducibilità termica ideale (381Con Mk). La connessione di ingresso deve essere isolata elettricamente per evitare che il segnale della termocoppia interferisca con la conduzione del calore sul chip. L'intera unità di elaborazione del segnale è preferibilmente in questo ambiente isotermico.

L'intervallo di segnale della termocoppia è generalmente a livello di microvolt/℃. L'unità di elaborazione del segnale della termocoppia è molto sensibile alle interferenze elettromagnetiche (Emi), e la linea della termocoppia è spesso interferita da EMI. EMI aumenta l'incertezza del segnale ricevuto e danneggia l'accuratezza dei dati di temperatura raccolti. Inoltre, Anche il cavo dedicato alla termocoppia richiesta per la connessione è costoso, e se altri tipi di cavi non vengono sostituiti con cura, Potrebbe causare difficoltà nell'analisi.

Poiché l'EMI è proporzionale alla lunghezza della linea, Le solite opzioni per ridurre al minimo l'interferenza sono di posizionare il circuito di controllo vicino al punto di rilevamento, Aggiungi una tavola remota vicino al punto di rilevamento, o utilizzare filtraggio del segnale complesso e schermatura dei cavi. Una soluzione più elegante è digitalizzare l'uscita della termocoppia vicino al punto di rilevamento.

(5) Flusso di produzione del processo di termocoppia
Il controllo del processo di produzione della termocoppia include quanto segue:
1) Ispezione del filo: Controllare le dimensioni geometriche e il potenziale termoelettrico.
2) Ispezione del filo di compensazione: Controllare le dimensioni geometriche e il potenziale termoelettrico.
3) Preparare e ispezionare i componenti come le prese in plastica, tappi in alluminio, basi refrattarie, tubi di carta e piccoli tubi di carta.
4) Saldatura a caldo: Verificare la tariffa qualificata dei giunti di saldatura e il tasso di lunghezza qualificato attraverso il grafico del controllo P.
5) Ricottura in filo: compresa la ricottura primaria (ricottura dopo il lavaggio degli alcali e il lavaggio dell'acido) e ricottura secondaria (ricottura dopo aver attraversato il tubo a forma di U), Controllare la temperatura e il tempo di ricottura.
6) Ispezione del processo: compreso il giudizio di polarità, Resistenza al ciclo e qualità dell'aspetto nonché ispezione della dimensione geometrica.
7) Saldatura a freddo: Controllare la tensione di saldatura, Controllare la forma del giunto di saldatura e le dimensioni sferiche.
8) Assemblaggio e versamento: assemblare come richiesto, incluso il controllo della posizione di estremità calda e della distanza del filo di compensazione. I requisiti di versamento includono la preparazione del cemento, Temperatura e tempo di cottura, e misurazione della resistenza all'isolamento.
9) Ispezione finale: Controlla la geometria, Resistenza al ciclo, Polarità positiva e negativa e resistenza all'isolamento.

(6) Applicazione di sensori di termocoppia
Le termocoppie si formano collegando due diversi conduttori insieme. Quando le giunzioni di misurazione e di riferimento sono a temperature diverse, La cosiddetta forza termoelettromagnetica (EMF) è generato. Scopo della giunzione La giunzione di misurazione è la parte della giunzione della termocoppia che si trova alla temperatura misurata.

La giunzione di riferimento svolge il ruolo del mantenimento di una temperatura nota o compensando automaticamente le variazioni di temperatura nella termocoppia. In applicazioni industriali convenzionali, L'elemento termocoppia è generalmente collegato al connettore, Mentre la giunzione di riferimento è collegata a un ambiente controllato con una temperatura relativamente stabile attraverso un filo di estensione della termocoppia appropriata. Il tipo di giunzione può essere una giunzione della termocoppia collegata a conchiglie o una giunzione della termocoppia isolata.

La giunzione della termocoppia connessa a shell è collegata alla parete della sonda da una connessione fisica (saldatura), e il calore viene trasferito dall'esterno alla giunzione attraverso la parete della sonda per ottenere un buon trasferimento di calore. Questo tipo di giunzione è adatto per misurare la temperatura di gas corrosivi statici o fluidi, così come alcune applicazioni ad alta pressione.

Le termocoppie isolate hanno giunzioni separate dalla parete della sonda e circondate da una polvere morbida. Sebbene le termocoppie isolate abbiano una risposta più lenta rispetto alle termocoppie intagliate, Forniscono isolamento elettrico. Le termocoppie isolate sono raccomandate per la misurazione in ambienti corrosivi, dove la termocoppia è completamente isolata elettricamente dall'ambiente circostante da uno scudo di guaina.

Le termocoppie esposte al terminale consentono alla parte superiore della giunzione di penetrare nell'ambiente circostante. Questo tipo di termocoppia fornisce il miglior tempo di risposta, ma è adatto solo per non corrosivo, non pericoloso, e applicazioni non pressurizzate. Il tempo di risposta può essere espresso in termini di costante di tempo, che è definito come il tempo richiesto per cambiare il sensore 63.2% Dal valore iniziale al valore finale nell'ambiente controllato. Le termocoppie esposte al terminale hanno la velocità di risposta più rapida, e più piccolo è il diametro della guaina della sonda, più veloce la velocità di risposta, ma più basso è la temperatura di misurazione massima consentita.

Le termocoppie di estensione usano il filo di estensione per trasferire la giunzione di riferimento dalla termocoppia in un filo all'altra estremità, che di solito si trova nell'ambiente controllato e ha le stesse caratteristiche di frequenza elettromagnetica della termocoppia. Se correttamente collegato, Il filo di estensione trasferisce il punto di connessione di riferimento all'ambiente controllato.