Термоспој, еден од сензорите за температура

Температурните сензори се широко користени и ги има во многу видови, но главните вообичаени типови се: термопарки (PT100/PT1000), термопили, Термистори, Детектори на температура на отпорност, и сензори за температура на IC. Сензорите за температура на ИЦ вклучуваат два вида: аналогни излезни сензори и сензори за дигитален излез. Според карактеристиките на материјалот и електронската компонента на сензорот за температура, тие се поделени во две категории: топлински отпорници и термопарови. Термопаровите станаа индустриски стандарден метод за рентабилно мерење на широк опсег на температури со разумна точност. Тие се користат во различни примени до приближно +2500°C во котли, грејачи на вода, печки, и авионски мотори - да наведеме само неколку.

Тип термоспој платина-родиум Отпорен на високи температури 1600 степени корунд цевка

Термоспој со игла со сензор за температура PT100

3-жичен PT100 термоспој со отпорност на платина со заштитен кабел

(1) Основна дефиниција на термопарови
Термопаровите се еден од најчесто користените елементи за откривање температура во индустријата. Принципот на работа на термопаровите се заснова на ефектот Seebeck, што е физичка појава во која два спроводници од различни компоненти се поврзани на двата краја за да формираат јамка. Ако температурите на двата сврзувачки краја се различни, во јамката се генерира топлинска струја.

Како еден од најкористените температурни сензори во индустриското мерење на температурата, термопарки, заедно со платински топлински отпорници, сметка за околу 60% од вкупниот број на сензори за температура. Термопаровите обично се користат заедно со инструментите за прикажување за директно мерење на температурата на површината на течностите, испарувања, гасовити подлоги и цврсти материи во опсегот на -40 до 1800°C во различни производни процеси. Предностите вклучуваат висока точност на мерењето, широк опсег на мерење, едноставна структура и лесна употреба.

(2) Основен принцип на мерење на температурата на термопар
Термоспој е температурен елемент кој може директно да ја мери температурата и да ја претвори во термоелектричен потенцијален сигнал. Сигналот се претвора во температура на измерениот медиум преку електричен инструмент. Принципот на работа на термоспојот е дека два проводници од различни компоненти формираат затворена јамка. Кога постои температурен градиент, струјата ќе помине низ јамката и ќе генерира термоелектричен потенцијал, што е Зебеков ефект. Двата спроводници на термоспојот се нарекуваат термопарови, чиј еден крај е работниот крај (повисока температура) а другиот крај е слободниот крај (обично на константна температура). Според односот помеѓу термоелектричниот потенцијал и температурата, се прави вага за термоспој. Различни термопарови имаат различни размери.

Кога трет метален материјал е поврзан со јамката на термоспојот, се додека температурата на двата контакти на материјалот е иста, термоелектричниот потенцијал генериран од термоспојот ќе остане непроменет и нема да биде засегнат од третиот метал. Затоа, при мерење на температурата на термоспојот, може да се поврзе мерен инструмент за да се одреди температурата на измерениот медиум со мерење на термоелектричниот потенцијал. Термопаровите заваруваат проводници или полупроводници А и Б во затворена јамка.

Термопарите заваруваат два спроводници или полупроводници А и Б од различни материјали заедно за да формираат затворена јамка, како што е прикажано на сликата.

Кога има температурна разлика помеѓу двете точки за прицврстување 1 и 2 на проводниците А и Б, меѓу двете се генерира електромоторна сила, со што се формира струја со одредена големина во јамката. Овој феномен се нарекува термоелектричен ефект. Термопарите работат со користење на овој ефект.

Два проводници од различни компоненти (наречени жици за термоспој или топли електроди) се поврзани на двата краја за да формираат јамка. Кога температурите на крстосниците се различни, во јамката се создава електромоторна сила. Овој феномен се нарекува термоелектричен ефект, а оваа електромоторна сила се нарекува термоелектричен потенцијал. Термопаровите го користат овој принцип за мерење на температурата. Меѓу нив, крајот што директно се користи за мерење на температурата на медиумот се нарекува работен крај (наречен и мерен крај), а другиот крај се нарекува студен крај (наречен и крај на компензацијата); ладниот крај е поврзан со инструментот за прикажување или со соодветниот инструмент, а инструментот за прикажување ќе го означи термоелектричниот потенцијал генериран од термоспојот.

Термопарите се енергетски конвертори кои ја претвораат топлинската енергија во електрична енергија и ја мерат температурата со мерење на создадениот термоелектричен потенцијал. При проучување на термоелектричниот потенцијал на термопаровите, треба да се забележат следните прашања:
1) Термоелектричниот потенцијал на термоспојот е функција од температурната разлика помеѓу двата краја на термоспојот, не температурната разлика помеѓу двата краја на термоспојот.
2) Големината на термоелектричниот потенцијал генериран од термоспој нема никаква врска со должината и дијаметарот на термоспојот, но само со составот на материјалот на термоспојот и температурната разлика помеѓу двата краја, под услов материјалот на термоспојот да е униформен.
3) По одредувањето на материјалниот состав на двете жици на термоспој на термоспојот, големината на термоелектричниот потенцијал на термоспојот е поврзана само со температурната разлика на термоспојот. Ако температурата на студениот крај на термоспојот остане константна, термоелектричниот потенцијал на термоспојот е само едновредна функција на работната крајна температура.
Најчесто користени материјали за термоспој се:
(3) Видови и структури на термопарови
Видови
Термопаровите може да се поделат во две категории: стандардни термопарови и нестандардни термопарови. Таканаречениот стандарден термоспој се однесува на термоспој чиј национален стандард ја одредува врската помеѓу неговиот термоелектричен потенцијал и температурата, дозволената грешка, и има унифицирана стандардна скала. Има соодветен приказ инструмент за избор. Нестандардизираните термопарови се инфериорни во однос на стандардизираните термопарови во однос на опсегот на употреба или редот на големина, и генерално немаат унифицирана скала. Тие главно се користат за мерења во одредени посебни прилики.

Основна структура на термопарови:
Основната структура на термопаровите што се користат за мерење на индустриска температура вклучува жица за термоспој, изолациона цевка, заштитна цевка и разводна кутија, итн.

Најчесто користени жици за термоспој и нивните својства:
А. Платина-родиум 10-платина термоспој (со дипломски број С, познат и како единечен термоспој платина-родиум). Позитивната електрода на овој термоспој е легура на платина-родиум која содржи 10% родиум, а негативната електрода е чиста платина;

Карактеристики:
(1) Стабилни термоелектрични перформанси, силна отпорност на оксидација, погоден за континуирана употреба во оксидирачка атмосфера, Температурата за долгорочна употреба може да достигне 1300 ℃, кога ќе надмине 1400 ℃, дури и во воздух, чиста платина жица ќе се рекристализира, правејќи ги зрната груби и скршени;
(2) Висока прецизност. Тој е највисок степен на точност меѓу сите термопарови и обично се користи како стандард или за мерење повисоки температури;
(3) Широк опсег на употреба, добра униформност и заменливост;
(4) Главните недостатоци се: мал диференцијален термоелектричен потенцијал, толку ниска чувствителност; скапа цена, ниска механичка сила, не е погоден за употреба во редуктивна атмосфера или во услови на метална пареа.

Б. Платина-родиум 13-платина термоспој (со матура Р, познат и како единечен термоспој платина-родиум) Позитивната електрода на овој термоспој е легура на платина-родиум која содржи 13%, а негативната електрода е чиста платина. Во споредба со типот S, нејзината потенцијална стапка е околу 15% повисоко. Другите својства се речиси исти. Овој тип на термоспој најмногу се користи како високотемпературен термоспој во јапонската индустрија, но помалку се користи во Кина;

В. Платина-родиум 30-платина-родиум 6 термоспој (делење број Б, познат и како двоен термоспој платина-родиум) Позитивната електрода на овој термоспој е легура на платина-родиум која содржи 30% родиум, а негативната електрода е легура на платина-родиум која содржи 6% родиум. На собна температура, неговиот термоелектричен потенцијал е многу мал, така што жиците за компензација генерално не се користат при мерењето, а влијанието на температурните промени на студениот крај може да се игнорира. Температурата за долгорочна употреба е 1600 ℃, а температурата за краткорочна употреба е 1800℃. Бидејќи термоелектричниот потенцијал е мал, потребен е инструмент за прикажување со поголема чувствителност.

Термопаровите од типот Б се погодни за употреба во оксидирачки или неутрални атмосфери, а може да се користи и за краткорочна употреба во вакуумски атмосфери. Дури и во намалена атмосфера, неговиот живот е 10 до 20 пати повеќе од типот Б. пати. Бидејќи неговите електроди се направени од легура на платина-родиум, ги нема сите недостатоци на негативната електрода на термоспој платина-родиум-платина. Постои мала тенденција за голема кристализација на висока температура, и има поголема механичка сила. Во исто време, бидејќи има помало влијание врз апсорпцијата на нечистотиите или миграцијата на родиумот, неговиот термоелектричен потенцијал не се менува сериозно по долготрајна употреба. Недостаток е што е скап (во однос на единечниот платина-родиум).

Д. Никел-хром-никел-силициум (никел-алуминиум) термоспој (број на оценување е К) Позитивната електрода на овој термоспој е легура на никел-хром која содржи 10% хром, а негативната електрода е легура на никел-силициум која содржи 3% силикон (негативната електрода на производите во некои земји е чист никел). Може да ја мери средната температура од 0-1300℃ и е погоден за континуирана употреба во оксидирачки и инертни гасови. Температурата за краткорочна употреба е 1200 ℃, а температурата за долгорочна употреба е 1000℃. Неговиот термоелектричен потенцијал е Температурниот однос е приближно линеарен, цената е евтина, и е најкористениот термоспој во моментов.

Термоспој од типот К е термоспој од основен метал со силна отпорност на оксидација. Не е погоден за употреба со гола жица во вакуум, кои содржат сулфур, атмосфера што содржи јаглерод, и редокс наизменична атмосфера. Кога парцијалниот притисок на кислородот е низок, хромот во никел-хромската електрода преференцијално ќе се оксидира, предизвикувајќи голема промена на термоелектричниот потенцијал, но металниот гас има мало влијание врз него. Затоа, често се користат метални заштитни цевки.

Со жолт машки приклучок термоспој со пружина од типот K

Температурен сензор од К-тип со сонда од нерѓосувачки челик

Температурен сензор за термоспој од нерѓосувачки челик WRN-K од типот K

Недостатоци на термопарови од тип К:
(1) Високотемпературната стабилност на термоелектричниот потенцијал е полоша од онаа на термопаровите од N-тип и термопаровите од благородни метали. На повисоки температури (на пример, над 1000°C), често се оштетува со оксидација.
(2) Стабилноста на краткорочниот термички циклус е слаба во опсег од 250-500°C, односно, во иста температурна точка, отчитувањата на термоелектричниот потенцијал се различни за време на процесот на загревање и ладење, а разликата може да достигне 2-3°C.
(3) Негативната електрода се подложува на магнетна трансформација во опсег од 150-200°C, предизвикувајќи отстапувањето на вредноста на дипломирањето во опсегот на собна температура до 230°C од табелата за дипломирање. Конкретно, кога се користи во магнетно поле, Често се јавуваат пречки на термоелектричниот потенцијал кој е независен од времето.
(4) Кога долго време се изложени на високофлуксно зрачење на среден систем, елементи како манган (Мн) и кобалт (Ко) во негативната електрода претрпуваат трансформација, правејќи ја неговата стабилност лоша, што резултира со голема промена на термоелектричниот потенцијал.

Е. Термоспој никел-хром-силициум-никел-силициум (Н) Главните карактеристики на овој термоспој се: силна контрола на температурата и отпорност на оксидација под 1300℃, добра долгорочна стабилност и краткорочна репродуктивност на термички циклус, добра отпорност на нуклеарно зрачење и ниска температура. Покрај тоа, во опсег од 400-1300℃, линеарноста на термоелектричните карактеристики на термоспојот од N-тип е подобра од онаа на К-типот. Сепак, нелинеарната грешка е голема во опсегот на ниски температури (-200-400℃), а материјалот е тврд и тежок за обработка.

Е. Термоспој бакар-бакар-никел (Т) Термоспој од типот Т, позитивната електрода на овој термоспој е чист бакар, а негативната електрода е легура на бакар-никел (познат и како константан). Нејзини главни карактеристики се: меѓу термопарови од основни метали, има најголема точност и добра униформност на термоелектродата. Неговата работна температура е -200-350℃. Бидејќи бакарниот термоспој лесно се оксидира, а оксидната фолија лесно се паѓа, генерално не е дозволено да надминува 300℃ кога се користи во оксидирачка атмосфера, и е во опсег од -200-300℃. Тие се релативно чувствителни. Друга карактеристика на термопаровите бакар-константан е тоа што тие се евтини, и тие се најевтините од неколкуте најчесто користени стандардизирани производи.

Ф. Железо-константен термоспој (број на оценување е Ј)
Термоспој од типот J, позитивната електрода на овој термоспој е чисто железо, а негативната електрода е константан (легура на бакар-никел), што се карактеризира со неговата евтина цена. Погоден е за намалување или инертна атмосфера на вакуумска оксидација, а температурниот опсег е од -200-800℃. Сепак, најчесто користената температура е само под 500℃, бидејќи по надминување на оваа температура, брзината на оксидација на железниот термоспој се забрзува. Ако се користи дебел дијаметар на жица, сè уште може да се користи на висока температура и има подолг животен век. Овој термоспој е отпорен на корозија од водород (H2) и јаглерод моноксид (CO) гасови, но не може да се користи при висока температура (на пр. 500℃) сулфур (С) атмосфери.

Г. Никел-хром-бакар-никел (Константан) термоспој (шифра на поделба Е)
Термоспојот од типот Е е релативно нов производ, со позитивна електрода од легура на никел-хром и негативна електрода од легура на бакар-никел (Константан). Неговата најголема карактеристика е тоа што меѓу најчесто користените термопарови, неговиот термоелектричен потенцијал е најголем, односно, неговата чувствителност е најголема. Иако неговиот опсег на примена не е толку широк како оној на типот К, често се избира под услови кои бараат висока чувствителност, ниска топлинска спроводливост, и дозволен голем отпор. Ограничувањата во употреба се исти како оние од типот К, но не е многу чувствителен на корозија во атмосфери кои содржат висока влажност.

Покрај горенаведеното 8 најчесто користени термопарови, има и термопарови од волфрам-рениум, термопарови од платина-родиум, термопарови иридиум-германиум, термопарови платина-молибден, и термопарови од неметален материјал како нестандардизирани термопарови. Следната табела ја наведува врската помеѓу спецификациите на материјалот и дијаметарот на жицата на најчесто користените термопарови и температурата на употреба:

Дијаметар на жица за оценување на термоспој (мм) Долгорочни Краткорочни
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0.516001800
KΦ1.28001000

(4) Температурна компензација на студениот крај на термоспојот
Со цел да се заштедат трошоците за материјали за термоспој, особено кога се користат благородни метали, жица за компензација обично се користи за продолжување на студениот крај (слободен крај) од термоспојот во контролната просторија каде што температурата е релативно стабилна и поврзете ја со терминалот на инструментот. Треба да биде јасно дека улогата на жицата за компензација на термоспојот е ограничена на продолжување на термоспојот и поместување на студениот крај на термоспојот до терминалот на инструментот во контролната соба. Самиот не може да го елиминира влијанието на промената на температурата на студениот крај врз мерењето на температурата и не може да игра компензациска улога.

Изолациона цевка

Работните краеви на термоспојот се цврсто заварени заедно, а термопаровите треба да се заштитат со изолациони цевки. Достапни се многу материјали за изолациони цевки, кои главно се делат на органска и неорганска изолација. За крај на висока температура, неоргански материјали мора да бидат избрани како изолациони цевки. Општо земено, глинените изолациони цевки може да се изберат под 1000℃, високо алуминиумските цевки може да се изберат под 1300℃, а цевките од корунд може да се изберат под 1600℃.

Заштитна цевка

Функцијата на заштитната цевка е да ја спречи електродата на термоспојот од директен контакт со измерениот медиум. Неговата функција не само што го продолжува животниот век на термоспојот, но обезбедува и функција на поддршка и фиксирање на термоелектродата и подобрување на нејзината цврстина. Затоа, правилниот избор на цевки за заштита на термоспој и изолациони материјали е од клучно значење за работниот век и точноста на мерењето на термоспојот. Материјалите на заштитната цевка главно се поделени во две категории: метални и неметални.

Резиме:
Термопаровите се најчесто користени сензори во индустриското мерење на температурата, кои се карактеризираат со висока точност, економичност и применливост на широк температурен опсег. Се мери со мерење на температурната разлика помеѓу топлиот и студениот крај.

Со цел да се добие температурата на чувствителната точка на топлиот крај, потребно е да се измери температурата на студениот крај и соодветно да се прилагоди излезот на термоспојот. Типично, ладниот спој се одржува на иста температура како влезот на единицата за обработка на сигналот на термоспој преку лист материјал со висока топлинска спроводливост. Бакарот е материјал со идеална топлинска спроводливост (381W/mK). Влезната врска треба да биде електрично изолирана за да се спречи сигналот на термоспојот да се меша со спроводливоста на топлината на чипот. Целата единица за обработка на сигнал е пожелно во оваа изотермална средина.

Опсегот на сигналот на термоспојот е обично на ниво на микроволт/℃. Единицата за обработка на сигналот со термоспој е многу чувствителна на електромагнетни пречки (ЕМИ), а линијата на термоспој често е попречена од EMI. EMI ја зголемува несигурноста на примениот сигнал и ја оштетува точноста на собраните податоци за температурата. Покрај тоа, наменскиот термоспој кабел потребен за поврзување е исто така скап, и доколку другите видови кабли не се внимателно заменети, може да предизвика потешкотии во анализата.

Бидејќи EMI е пропорционална на должината на линијата, вообичаените опции за минимизирање на пречките се да се постави контролното коло блиску до точката за сензори, додадете далечинска табла блиску до точката за сензори, или користете сложено филтрирање на сигналот и заштита на кабелот. Поелегантно решение е дигитализирање на излезот на термоспојот блиску до точката за чувствителност.

(5) Термоспој процесот на производство проток
Контролата на процесот на производство на термоспој го вклучува следново:
1) Инспекција на жица: проверете ги геометриските димензии и термоелектричниот потенцијал.
2) Инспекција на жица за компензација: проверете ги геометриските димензии и термоелектричниот потенцијал.
3) Подгответе и проверете ги компонентите како што се пластичните приклучоци, алуминиумски капачиња, огноотпорни основи, хартиени цевки и мали хартиени цевки.
4) Заварување со топол крај: проверете ја квалификуваната стапка на споеви за лемење и квалификуваната стапка на должина преку контролната табела P.
5) Греење на жица: вклучително и примарно жарење (жарење по алкално перење и киселинско перење) и секундарно жарење (жарење по минување низ цевката во форма на буквата У), контролирајте ја температурата и времето на жарење.
6) Процесна инспекција: вклучувајќи го и расудувањето за поларитетот, отпорност на јамка и квалитет на изгледот, како и проверка на геометриските димензии.
7) Заварување со ладен крај: контролирајте го напонот на заварување, проверете ја формата на спојката за лемење и сферичната големина.
8) Склопување и истурање: склопете по потреба, вклучувајќи го и контролирањето на положбата на жешкиот крај и растојанието на жицата за компензација. Барањата за истурање вклучуваат подготовка на цемент, температура и време на печење, и мерење на отпорот на изолацијата.
9) Завршен преглед: Проверете ја геометријата, отпор на јамка, позитивен и негативен поларитет и отпор на изолација.

(6) Примена на сензори за термоспој
Термопаровите се формираат со поврзување на два различни проводници заедно. Кога мерните и референтните спојници се на различни температури, таканаречената термоелектромагнетна сила (ЕМП) се генерира. Цел на спојот Мерниот спој е дел од спојот на термоспој кој е на измерената температура.

Референтниот спој игра улога на одржување на позната температура или автоматски компензирање на температурните промени во термоспојот. Во конвенционалните индустриски апликации, елементот на термоспој обично е поврзан со конекторот, додека референтниот спој е поврзан со контролирана средина со релативно стабилна температура преку соодветна жица за продолжување на термоспој. Типот на спој може да биде спој на термоспој поврзан со школка или изолиран спој на термоспој.

Спојот на термоспојот поврзан со школка е поврзан со ѕидот на сондата со физичка врска (заварување), а топлината се пренесува однадвор до спојот преку ѕидот на сондата за да се постигне добар пренос на топлина. Овој тип на спој е погоден за мерење на температурата на статични или протечни корозивни гасови и течности, како и некои апликации под висок притисок.

Изолираните термопарови имаат спојници кои се одделени од ѕидот на сондата и опкружени со мек прав. Иако изолираните термопарови имаат побавен одговор од гранатираните термопарови, тие обезбедуваат електрична изолација. Изолираните термопарови се препорачуваат за мерење во корозивни средини, каде што термоспојот е целосно електрично изолиран од околината со штитник.

Термопарите со изложени терминали овозможуваат врвот на спојот да навлезе во околината. Овој тип на термоспој обезбедува најдобро време на одговор, но е погоден само за некорозивни, неопасни, и апликации без притисок. Времето на одговор може да се изрази во смисла на временска константа, што се дефинира како време потребно за промена на сензорот 63.2% од почетната до крајната вредност во контролираната средина. Термопаровите со изложени терминали имаат најбрза брзина на одговор, и колку е помал дијаметарот на обвивката на сондата, толку е поголема брзината на одговор, но колку е помала максималната дозволена мерна температура.

Термопаровите со продолжена жица користат продолжена жица за да го пренесат референтниот спој од термоспојот на жица на другиот крај, кој обично се наоѓа во контролирана средина и ги има истите температурно-електромагнетни фреквентни карактеристики како термоспојот. Кога е правилно поврзан, продолжната жица ја пренесува референтната точка за поврзување во контролираната средина.