Termoelement, en av temperatursensorene

Temperatursensorer er mye brukt og finnes i mange typer, men de viktigste vanlige typene er: termoelementer (PT100/PT1000), termopiler, termistorer, Motstandstemperaturdetektorer, og IC temperatursensorer. IC temperatursensorer inkluderer to typer: analoge utgangssensorer og digitale utgangssensorer. I henhold til materialet og elektroniske komponentegenskapene til temperatursensoren, de er delt inn i to kategorier: termiske motstander og termoelementer. Termoelementer har blitt industristandardmetoden for kostnadseffektiv måling av et bredt spekter av temperaturer med rimelig nøyaktighet. De brukes i en rekke bruksområder opp til ca. +2500°C i kjeler, varmtvannsberedere, ovner, og flymotorer – for bare å nevne noen.

Type platina-rhodium termoelement Høy temperaturbestandig 1600 grader korundrør

PT100 temperatursensor nålsonde termoelement

3-wire PT100 platina motstand termoelement med skjermet kabel

(1) Grunnleggende definisjon av termoelementer
Termoelementer er et av de mest brukte temperaturdeteksjonselementene i industrien. Arbeidsprinsippet til termoelementer er basert på Seebeck-effekten, som er et fysisk fenomen der to ledere av forskjellige komponenter er koblet i begge ender for å danne en sløyfe. Hvis temperaturene på de to koplingsendene er forskjellige, det genereres en termisk strøm i sløyfen.

Som en av de mest brukte temperatursensorene innen industriell temperaturmåling, termoelementer, sammen med platina termiske motstander, står for ca 60% av det totale antallet temperaturfølere. Termoelementer brukes vanligvis sammen med displayinstrumenter for å måle overflatetemperaturen til væsker direkte, damper, gassformige medier og faste stoffer i området -40 til 1800°C i ulike produksjonsprosesser. Fordelene inkluderer høy målenøyaktighet, bredt måleområde, enkel struktur og enkel bruk.

(2) Grunnleggende prinsipp for termoelementtemperaturmåling
Termoelement er et temperaturfølende element som direkte kan måle temperatur og konvertere den til et termoelektrisk potensialsignal. Signalet konverteres til temperaturen på det målte mediet gjennom et elektrisk instrument. Arbeidsprinsippet til termoelementet er at to ledere av forskjellige komponenter danner en lukket sløyfe. Når en temperaturgradient eksisterer, strøm vil passere gjennom sløyfen og generere et termoelektrisk potensial, som er Seebeck-effekten. De to lederne til termoelementet kalles termoelementer, den ene enden er arbeidsenden (høyere temperatur) og den andre enden er den frie enden (vanligvis ved konstant temperatur). I henhold til forholdet mellom termoelektrisk potensial og temperatur, en termoelementvekt er laget. Ulike termoelementer har forskjellige skalaer.

Når et tredje metallmateriale er koblet til termoelementsløyfen, så lenge temperaturen på de to kontaktene til materialet er den samme, det termoelektriske potensialet generert av termoelementet vil forbli uendret og vil ikke bli påvirket av det tredje metallet. Derfor, når man måler temperaturen på termoelementet, et måleinstrument kan kobles til for å bestemme temperaturen på det målte mediet ved å måle det termoelektriske potensialet. Termoelementer sveiser ledere eller halvledere A og B til en lukket sløyfe.

Termoelementer sveiser to ledere eller halvledere A og B av forskjellige materialer sammen for å danne en lukket sløyfe, som vist på figuren.

Når det er en temperaturforskjell mellom de to festepunktene 1 og 2 av lederne A og B, en elektromotorisk kraft genereres mellom de to, dermed danne en strøm av en viss størrelse i sløyfen. Dette fenomenet kalles den termoelektriske effekten. Termoelementer fungerer ved å bruke denne effekten.

To ledere av forskjellige komponenter (kalt termoelementledninger eller varme elektroder) er koblet sammen i begge ender for å danne en løkke. Når temperaturene i kryssene er forskjellige, en elektromotorisk kraft genereres i sløyfen. Dette fenomenet kalles den termoelektriske effekten, og denne elektromotoriske kraften kalles det termoelektriske potensialet. Termoelementer bruker dette prinsippet for å måle temperatur. Blant dem, enden som brukes direkte til å måle temperaturen på mediet kalles arbeidsenden (også kalt måleenden), og den andre enden kalles den kalde enden (også kalt erstatningsslutt); den kalde enden kobles til displayinstrumentet eller det matchende instrumentet, og displayinstrumentet vil indikere det termoelektriske potensialet generert av termoelementet.

Termoelementer er energiomformere som konverterer termisk energi til elektrisk energi og måler temperaturen ved å måle det genererte termoelektriske potensialet. Når man studerer det termoelektriske potensialet til termoelementer, følgende problemer må noteres:
1) Det termoelektriske potensialet til et termoelement er en funksjon av temperaturforskjellen mellom de to endene av termoelementet, ikke temperaturforskjellen mellom de to endene av termoelementet.
2) Størrelsen på det termoelektriske potensialet generert av et termoelement har ingenting å gjøre med lengden og diameteren til termoelementet, men bare med sammensetningen av termoelementmaterialet og temperaturforskjellen mellom de to endene, forutsatt at termoelementmaterialet er jevnt.
3) Etter å ha bestemt materialsammensetningen til de to termoelementtrådene til termoelementet, størrelsen på det termoelektriske potensialet til termoelementet er bare relatert til temperaturforskjellen til termoelementet. Hvis temperaturen på den kalde enden av termoelementet forblir konstant, det termoelektriske potensialet til termoelementet er bare en enkeltverdi funksjon av arbeidsendetemperaturen.
Vanlige termoelementmaterialer er:
(3) Typer og strukturer av termoelementer
Typer
Termoelementer kan deles inn i to kategorier: standard termoelementer og ikke-standard termoelementer. Det såkalte standard termoelementet refererer til et termoelement hvis nasjonale standard fastsetter forholdet mellom dets termoelektriske potensial og temperatur, den tillatte feilen, og har en enhetlig standardskala. Den har et matchende displayinstrument for valg. Ikke-standardiserte termoelementer er dårligere enn standardiserte termoelementer når det gjelder bruksområde eller størrelsesorden, og har generelt ikke en enhetlig skala. De brukes hovedsakelig til målinger i visse spesielle anledninger.

Grunnleggende struktur av termoelementer:
Den grunnleggende strukturen til termoelementer som brukes til industriell temperaturmåling inkluderer termoelementtråd, isolasjonsrør, beskyttelsesrør og koblingsboks, osv.

Vanlig brukte termoelementledninger og deres egenskaper:
EN. Platina-rhodium 10-platina termoelement (med et eksamensnummer på S, også kjent som enkelt platina-rhodium termoelement). Den positive elektroden til dette termoelementet er en platina-rhodium-legering som inneholder 10% rhodium, og den negative elektroden er ren platina;

Funksjoner:
(1) Stabil termoelektrisk ytelse, sterk oksidasjonsmotstand, egnet for kontinuerlig bruk i en oksiderende atmosfære, Langtidsbrukstemperatur kan nå 1300 ℃, når den overstiger 1400 ℃, selv i luften, ren platinatråd vil rekrystallisere, gjør kornene grove og knuste;
(2) Høy presisjon. Det er den høyeste nøyaktighetsgraden blant alle termoelementer og brukes vanligvis som standard eller for å måle høyere temperaturer;
(3) Bredt bruksområde, god ensartethet og utskiftbarhet;
(4) De største ulempene er: lite termoelektrisk differensialpotensial, så lav følsomhet; dyr pris, lav mekanisk styrke, ikke egnet for bruk i en reduserende atmosfære eller under forhold med metalldamp.

B. Platina-rhodium 13-platina termoelement (med et eksamensnummer på R, også kjent som enkelt platina-rhodium termoelement) Den positive elektroden til dette termoelementet er en platina-rhodium-legering som inneholder 13%, og den negative elektroden er ren platina. Sammenlignet med S-typen, dens potensielle rate er ca 15% høyere. Andre egenskaper er nesten de samme. Denne typen termoelement er mest brukt som høytemperatur termoelement i japansk industri, men det er mindre brukt i Kina;

C. Platina-rhodium 30-platina-rhodium 6 termoelement (divisjonsnummer B, også kjent som dobbelt platina-rhodium termoelement) Den positive elektroden til dette termoelementet er en platina-rhodium-legering som inneholder 30% rhodium, og den negative elektroden er en platina-rhodium-legering som inneholder 6% rhodium. Ved romtemperatur, det termoelektriske potensialet er veldig lite, så kompensasjonsledninger brukes vanligvis ikke under måling, og påvirkningen av endringer i kalde slutttemperaturer kan ignoreres. Langtidsbrukstemperaturen er 1600 ℃, og korttidsbrukstemperaturen er 1800 ℃. Fordi det termoelektriske potensialet er lite, et displayinstrument med høyere følsomhet er nødvendig.

Type B termoelementer er egnet for bruk i oksiderende eller nøytrale atmosfærer, og kan også brukes til kortvarig bruk i vakuumatmosfærer. Selv i en reduserende atmosfære, dets liv er 10 til 20 ganger type B. ganger. Siden elektrodene er laget av platina-rhodium-legering, den har ikke alle ulempene til den negative elektroden til platina-rhodium-platina termoelement. Det er liten tendens til stor krystallisering ved høy temperatur, og den har større mekanisk styrke. Samtidig, siden det har mindre innflytelse på absorpsjon av urenheter eller migrering av rhodium, det termoelektriske potensialet endres ikke alvorlig etter langvarig bruk. Ulempen er at det er dyrt (i forhold til enkelt platina-rhodium).

D. Nikkel-krom-nikkel-silisium (nikkel-aluminium) termoelement (karakternummer er K) Den positive elektroden til dette termoelementet er en nikkel-kromlegering som inneholder 10% krom, og den negative elektroden er en nikkel-silisiumlegering som inneholder 3% silisium (den negative elektroden til produkter i noen land er rent nikkel). Den kan måle middels temperatur på 0-1300 ℃ og er egnet for kontinuerlig bruk i oksiderende og inerte gasser. Den kortsiktige brukstemperaturen er 1200 ℃, og langtidsbrukstemperaturen er 1000 ℃. Dets termoelektriske potensial er Temperaturforholdet er omtrent lineært, prisen er billig, og det er det mest brukte termoelementet for tiden.

K-type termoelement er et termoelement av uedelt metall med sterk oksidasjonsmotstand. Den er ikke egnet for bruk med bare ledning i vakuum, svovelholdig, karbonholdig atmosfære, og redoks vekslende atmosfære. Når oksygenpartialtrykket er lavt, krom i nikkel-krom-elektroden vil fortrinnsvis oksideres, forårsaker en stor endring i det termoelektriske potensialet, men metallgassen har liten effekt på den. Derfor, metallbeskyttelsesrør brukes ofte.

Med gul hannplugg Fjærbelastet termoelement K type

K-type temperatursensor med sonde i rustfritt stål

K-type rustfritt stål WRN-K serie termoelement temperatursensor

Ulemper med termoelementer av K-type:
(1) Høytemperaturstabiliteten til termoelektrisk potensial er dårligere enn for N-type termoelementer og edelt metall termoelementer. Ved høyere temperaturer (for eksempel, over 1000°C), det er ofte skadet av oksidasjon.
(2) Den kortsiktige termiske syklusstabiliteten er dårlig i området 250-500°C, det er, ved samme temperaturpunkt, de termoelektriske potensialavlesningene er forskjellige under oppvarmings- og avkjølingsprosessen, og forskjellen kan nå 2-3°C.
(3) Den negative elektroden gjennomgår en magnetisk transformasjon i området 150-200°C, som får graderingsverdien i området romtemperatur til 230°C til å avvike fra graderingstabellen. Spesielt, når den brukes i et magnetfelt, termoelektrisk potensiell interferens som er uavhengig av tid oppstår ofte.
(4) Når den utsettes for høyflux middels systembestråling i lang tid, grunnstoffene som mangan (Mn) og kobolt (Co) i den negative elektroden gjennomgå en transformasjon, gjør stabiliteten dårlig, resulterer i en stor endring i termoelektrisk potensial.

E. Nikkel-krom-silisium-nikkel-silisium termoelement (N) Hovedtrekkene til dette termoelementet er: sterk temperaturkontroll og oksidasjonsmotstand under 1300 ℃, god langtidsstabilitet og kortsiktig termisk syklusreproduserbarhet, god motstand mot kjernefysisk stråling og lav temperatur. I tillegg, i området 400-1300 ℃, lineariteten til de termoelektriske egenskapene til N-type termoelementet er bedre enn for K-typen. Imidlertid, den ikke-lineære feilen er stor i lavtemperaturområdet (-200-400℃), og materialet er hardt og vanskelig å bearbeide.

E. Kobber-kobber-nikkel termoelement (T) T-type termoelement, den positive elektroden til dette termoelementet er rent kobber, og den negative elektroden er kobber-nikkel-legering (også kjent som konstantan). Hovedtrekkene er: blant termoelementene i uedelt metall, den har den høyeste nøyaktigheten og god ensartethet av termoelektroden. Driftstemperaturen er -200 ~ 350 ℃. Fordi kobbertermoelementet er lett å oksidere og oksidfilmen er lett å falle av, det er generelt ikke tillatt å overstige 300 ℃ når det brukes i en oksiderende atmosfære, og er innenfor området -200–300 ℃. De er relativt følsomme. Et annet trekk ved kobber-konstantan termoelementer er at de er billige, og de er de billigste av flere vanlig brukte standardiserte produkter.

F. Jern-konstantan termoelement (karakternummer er J)
J-type termoelement, den positive elektroden til dette termoelementet er rent jern, og den negative elektroden er konstantan (kobber-nikkel legering), som er preget av sin billige pris. Den er egnet for å redusere eller inert atmosfære av vakuumoksidasjon, og temperaturområdet er fra -200 ~ 800 ℃. Imidlertid, den vanlige temperaturen er bare under 500 ℃, fordi etter å ha overskredet denne temperaturen, oksidasjonshastigheten til jerntermoelementet akselererer. Hvis en tykk tråddiameter brukes, den kan fortsatt brukes ved høy temperatur og har lengre levetid. Dette termoelementet er motstandsdyktig mot korrosjon av hydrogen (H2) og karbonmonoksid (CO) gasser, men kan ikke brukes i høy temperatur (f.eks. 500℃) svovel (S) atmosfærer.

G. Nikkel-krom-kobber-nikkel (Constantan) termoelement (divisjonskode E)
Type E termoelement er et relativt nytt produkt, med en positiv elektrode av nikkel-krom-legering og en negativ elektrode av kobber-nikkel-legering (Constantan). Dens største funksjon er den blant de mest brukte termoelementene, dens termoelektriske potensial er størst, det er, dens følsomhet er høyest. Selv om bruksområdet ikke er så bredt som for Type K, det velges ofte under forhold som krever høy følsomhet, lav varmeledningsevne, og tillatt stor motstand. Begrensningene i bruk er de samme som for Type K, men det er ikke særlig følsomt for korrosjon i atmosfærer med høy luftfuktighet.

I tillegg til ovennevnte 8 ofte brukte termoelementer, det finnes også wolfram-rhenium termoelementer, platina-rhodium termoelementer, iridium-germanium termoelementer, platina-molybden termoelementer, og termoelementer av ikke-metallisk materiale som ikke-standardiserte termoelementer. Følgende tabell viser forholdet mellom materialspesifikasjonene og tråddiameteren til vanlige termoelementer og brukstemperaturen:

Termoelement Graderingsnummer Ledningsdiameter (mm) Langsiktig Kortsiktig
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Temperaturkompensasjon av den kalde enden av termoelementet
For å spare kostnadene for termoelementmaterialer, spesielt ved bruk av edle metaller, en kompensasjonstråd brukes vanligvis for å forlenge den kalde enden (fri ende) av termoelementet inn i kontrollrommet hvor temperaturen er relativt stabil og koble den til instrumentterminalen. Det skal være klart at rollen til termoelementkompensasjonsledningen er begrenset til å forlenge termoelementet og flytte den kalde enden av termoelementet til instrumentterminalen i kontrollrommet. Den kan i seg selv ikke eliminere påvirkningen av den kalde slutttemperaturendringen på temperaturmålingen og kan ikke spille en kompensasjonsrolle.

Isolerende rør

Arbeidsendene til termoelementet er godt sveiset sammen, og termoelementene må beskyttes av isolerende rør. Det er mange materialer tilgjengelig for isolering av rør, som hovedsakelig er delt inn i organisk og uorganisk isolasjon. For den høye temperaturen, uorganiske materialer skal velges som isolasjonsrør. Generelt, leire isolasjonsrør kan velges under 1000 ℃, høye aluminiumsrør kan velges under 1300 ℃, og korundrør kan velges under 1600 ℃.

Beskyttelsesrør

Funksjonen til beskyttelsesrøret er å forhindre at termoelementelektroden kommer i direkte kontakt med det målte mediet. Dens funksjon forlenger ikke bare levetiden til termoelementet, men gir også funksjonen til å støtte og fikse termoelektroden og forbedre dens styrke. Derfor, riktig valg av termoelementbeskyttelsesrør og isolasjonsmaterialer er avgjørende for termoelementets levetid og målenøyaktighet. Materialene til beskyttelsesrøret er hovedsakelig delt inn i to kategorier: metall og ikke-metall.

Sammendrag:
Thermocouples are commonly used sensors in industrial temperature measurement, which are characterized by high accuracy, economy and applicability to a wide temperature range. It measures by measuring the temperature difference between the hot end and the cold end.

In order to obtain the temperature of the hot end sensing point, it is necessary to measure the cold end temperature and adjust the output of the thermocouple accordingly. Vanligvis, the cold junction is kept at the same temperature as the input of the thermocouple signal processing unit through a sheet of material with high thermal conductivity. Copper is a material with ideal thermal conductivity (381W/mK). The input connection needs to be electrically isolated to prevent the thermocouple signal from interfering with the heat conduction on the chip. Hele signalbehandlingsenheten befinner seg fortrinnsvis i dette isotermiske miljøet.

Signalområdet til termoelementet er vanligvis i mikrovolt/℃-nivået. Termoelementets signalbehandlingsenhet er svært følsom for elektromagnetisk interferens (EMI), og termoelementlinjen blir ofte forstyrret av EMI. EMI øker usikkerheten til det mottatte signalet og skader nøyaktigheten til de innsamlede temperaturdataene. I tillegg, den dedikerte termoelementkabelen som kreves for tilkoblingen er også dyr, og hvis andre typer kabler ikke er nøye erstattet, det kan føre til vanskeligheter med analyse.

Siden EMI er proporsjonal med lengden på linjen, de vanlige alternativene for å minimere interferens er å plassere kontrollkretsen nær sensorpunktet, legg til et eksternt bord nær sensingspunktet, eller bruk kompleks signalfiltrering og kabelskjerming. En mer elegant løsning er å digitalisere termoelementutgangen nær sensorpunktet.

(5) Termoelement prosess produksjonsflyt
Termoelement produksjonsprosesskontroll inkluderer følgende:
1) Trådinspeksjon: sjekk geometriske dimensjoner og termoelektrisk potensial.
2) Inspeksjon av kompensasjonsledning: sjekk geometriske dimensjoner og termoelektrisk potensial.
3) Klargjør og inspiser komponenter som plaststikkontakter, aluminiumskapsler, ildfaste baser, papirrør og små papirrør.
4) Hot end sveising: verifiser den kvalifiserte graden av loddeforbindelser og den kvalifiserte lengden gjennom P-kontrolldiagrammet.
5) Trådgløding: inkludert primær gløding (gløding etter alkalivasking og syrevasking) og sekundær gløding (gløding etter å ha passert gjennom det U-formede røret), kontrollere glødetemperatur og tid.
6) Prosess inspeksjon: inkludert polaritetsvurdering, sløyfemotstand og utseendekvalitet samt geometrisk dimensjonsinspeksjon.
7) Kald ende sveising: kontrollere sveisespenningen, sjekk loddeskjøtens form og sfæriske størrelse.
8) Montering og helling: montere etter behov, inkludert kontroll av den varme endeposisjonen og kompensasjonsledningsavstanden. Hellekrav inkluderer sementpreparering, steketemperatur og -tid, og isolasjonsmotstandsmåling.
9) Sluttkontroll: Sjekk geometrien, sløyfemotstand, positiv og negativ polaritet og isolasjonsmotstand.

(6) Anvendelse av termoelementsensorer
Termoelementer dannes ved å koble to forskjellige ledere sammen. Når måle- og referansekryssene er ved forskjellige temperaturer, den såkalte termoelektromagnetiske kraften (EMF) er generert. Koblingsformål Målekrysset er den delen av termoelementkrysset som har den målte temperaturen.

Referansekrysset spiller rollen som å opprettholde en kjent temperatur eller automatisk kompensere for temperaturendringer i termoelementet. I konvensjonelle industrielle applikasjoner, termoelementet er vanligvis koblet til kontakten, mens referansekrysset er koblet til et kontrollert miljø med en relativt stabil temperatur gjennom en passende termoelementforlengelsesledning. Krysstypen kan være et skallkoblet termoelementkryss eller et isolert termoelementkryss.

Den skalltilkoblede termoelementforbindelsen er koblet til sondeveggen med en fysisk tilkobling (sveising), og varme overføres fra utsiden til krysset gjennom sondeveggen for å oppnå god varmeoverføring. Denne typen kryss er egnet for å måle temperaturen på statiske eller strømmende etsende gasser og væsker, samt noen høytrykksapplikasjoner.

Isolerte termoelementer har koblinger som er adskilt fra sondeveggen og omgitt av et mykt pulver. Selv om isolerte termoelementer har en langsommere respons enn termoelementer med skall, de gir elektrisk isolasjon. Isolerte termoelementer anbefales for måling i korrosive miljøer, hvor termoelementet er fullstendig elektrisk isolert fra omgivelsene ved hjelp av et kappeskjold.

Termoelementer med eksponerte terminaler lar toppen av krysset trenge inn i det omkringliggende miljøet. Denne typen termoelement gir best responstid, men er kun egnet for ikke-korrosive, ikke-farlig, og ikke-trykksatte applikasjoner. Responstid kan uttrykkes i form av en tidskonstant, som er definert som tiden det tar før sensoren endres 63.2% fra startverdien til sluttverdien i det kontrollerte miljøet. Termoelementer med eksponerte terminaler har den raskeste responshastigheten, og jo mindre diameter på sondehylsteret, jo raskere er responshastigheten, men jo lavere maksimalt tillatt måletemperatur.

Termoelementer med forlengerledning bruker forlengelsesledning for å overføre referanseforbindelsen fra termoelementet til en ledning i den andre enden, som vanligvis er plassert i det kontrollerte miljøet og har samme temperatur-elektromagnetiske frekvenskarakteristikk som termoelementet. Når riktig tilkoblet, skjøteledningen overfører referansetilkoblingspunktet til det kontrollerte miljøet.