Termopar, um dos sensores de temperatura

Sensores de temperatura são amplamente utilizados e vêm em vários tipos, mas os principais tipos comuns são: termopares (PT100/PT1000), Termopilos, termistores, detectores de temperatura de resistência, e sensores de temperatura IC. Os sensores de temperatura IC incluem dois tipos: sensores de saída analógica e sensores de saída digital. De acordo com as características do material e dos componentes eletrônicos do sensor de temperatura, eles são divididos em duas categorias: resistores térmicos e termopares. Os termopares tornaram-se o método padrão da indústria para medição econômica de uma ampla faixa de temperaturas com precisão razoável. Eles são usados ​​em uma variedade de aplicações até aproximadamente +2500°C em caldeiras, aquecedores de água, fornos, e motores de aeronaves - para citar apenas alguns.

Termopar tipo platina-ródio Resistente a altas temperaturas 1600 tubo de corindo graus

Termopar da sonda da agulha do sensor de temperatura PT100

3-fio PT100 termopar de resistência de platina com cabo blindado

(1) Definição básica de termopares
Os termopares são um dos elementos de detecção de temperatura mais comumente usados ​​na indústria. O princípio de funcionamento dos termopares é baseado no efeito Seebeck, que é um fenômeno físico no qual dois condutores de componentes diferentes são conectados em ambas as extremidades para formar um laço. Se as temperaturas das duas extremidades de conexão forem diferentes, uma corrente térmica é gerada no circuito.

Como um dos sensores de temperatura mais utilizados na medição de temperatura industrial, termopares, juntamente com resistores térmicos de platina, contabilizar cerca de 60% do número total de sensores de temperatura. Os termopares são geralmente usados ​​em conjunto com instrumentos de exibição para medir diretamente a temperatura da superfície de líquidos., vapores, meios gasosos e sólidos na faixa de -40 até 1800°C em vários processos de produção. As vantagens incluem alta precisão de medição, ampla faixa de medição, estrutura simples e fácil utilização.

(2) Princípio básico de medição de temperatura por termopar
O termopar é um elemento sensor de temperatura que pode medir diretamente a temperatura e convertê-la em um sinal de potencial termoelétrico. O sinal é convertido na temperatura do meio medido através de um instrumento elétrico. O princípio de funcionamento do termopar é que dois condutores de componentes diferentes formam um circuito fechado. Quando existe um gradiente de temperatura, a corrente passará pelo circuito e gerará um potencial termoelétrico, qual é o efeito Seebeck. Os dois condutores do termopar são chamados termopares, uma extremidade da qual é a extremidade funcional (temperatura mais alta) e a outra extremidade é a extremidade livre (geralmente a uma temperatura constante). De acordo com a relação entre potencial termoelétrico e temperatura, uma escala de termopar é feita. Diferentes termopares têm escalas diferentes.

Quando um terceiro material metálico é conectado ao circuito do termopar, desde que a temperatura dos dois contatos do material seja a mesma, o potencial termoelétrico gerado pelo termopar permanecerá inalterado e não será afetado pelo terceiro metal. Portanto, ao medir a temperatura do termopar, um instrumento de medição pode ser conectado para determinar a temperatura do meio medido medindo o potencial termoelétrico. Os termopares soldam condutores ou semicondutores A e B em um circuito fechado.

Os termopares soldam dois condutores ou semicondutores A e B de materiais diferentes para formar um circuito fechado., como mostrado na figura.

Quando há uma diferença de temperatura entre os dois pontos de fixação 1 e 2 dos condutores A e B, uma força eletromotriz é gerada entre os dois, formando assim uma corrente de um certo tamanho no loop. Este fenômeno é chamado de efeito termoelétrico. Os termopares funcionam usando este efeito.

Dois condutores de componentes diferentes (chamados fios de termopar ou eletrodos quentes) estão conectados em ambas as extremidades para formar um loop. Quando as temperaturas das junções são diferentes, uma força eletromotriz é gerada no circuito. Este fenômeno é chamado de efeito termoelétrico, e esta força eletromotriz é chamada de potencial termoelétrico. Os termopares usam este princípio para medir a temperatura. Entre eles, a extremidade usada diretamente para medir a temperatura do meio é chamada de extremidade de trabalho (também chamada de extremidade de medição), e a outra extremidade é chamada de extremidade fria (também chamado de fim de compensação); a extremidade fria está conectada ao instrumento de exibição ou ao instrumento correspondente, e o instrumento de exibição indicará o potencial termoelétrico gerado pelo termopar.

Termopares são conversores de energia que convertem energia térmica em energia elétrica e medem a temperatura medindo o potencial termoelétrico gerado. Ao estudar o potencial termoelétrico de termopares, as seguintes questões precisam ser observadas:
1) O potencial termoelétrico de um termopar é uma função da diferença de temperatura entre as duas extremidades do termopar, não a diferença de temperatura entre as duas extremidades do termopar.
2) A magnitude do potencial termoelétrico gerado por um termopar não tem nada a ver com o comprimento e diâmetro do termopar, mas apenas com a composição do material do termopar e a diferença de temperatura entre as duas extremidades, desde que o material do termopar seja uniforme.
3) Depois de determinar a composição do material dos dois fios do termopar, a magnitude do potencial termoelétrico do termopar está relacionada apenas à diferença de temperatura do termopar. Se a temperatura da extremidade fria do termopar permanecer constante, o potencial termoelétrico do termopar é apenas uma função de valor único da temperatura final de trabalho.
Os materiais de termopar comumente usados ​​são:
(3) Tipos e estruturas de termopares
Tipos
Os termopares podem ser divididos em duas categorias: termopares padrão e termopares não padrão. O chamado termopar padrão refere-se a um termopar cujo padrão nacional estipula a relação entre seu potencial termoelétrico e temperatura, o erro permitido, e tem uma escala padrão unificada. Possui um instrumento de exibição correspondente para seleção. Os termopares não padronizados são inferiores aos termopares padronizados em termos de faixa de uso ou ordem de grandeza, e geralmente não têm uma escala unificada. Eles são usados ​​principalmente para medições em certas ocasiões especiais.

Estrutura básica de termopares:
A estrutura básica dos termopares usados ​​para medição de temperatura industrial inclui fio de termopar, tubo de isolamento, tubo de proteção e caixa de junção, etc..

Fios de termopar comumente usados ​​e suas propriedades:
UM. Termopar de platina-ródio 10-platina (com um número de graduação de S, também conhecido como termopar único de platina-ródio). O eletrodo positivo deste termopar é uma liga de platina-ródio contendo 10% ródio, e o eletrodo negativo é platina pura;

Características:
(1) Desempenho termoelétrico estável, forte resistência à oxidação, adequado para uso contínuo em uma atmosfera oxidante, a temperatura de uso a longo prazo pode chegar a 1300 ℃, quando excede 1400 ℃, mesmo no ar, fio de platina pura irá recristalizar, tornando os grãos grossos e quebrados;
(2) Alta precisão. É o grau de precisão mais alto entre todos os termopares e geralmente é usado como padrão ou para medir temperaturas mais altas.;
(3) Ampla gama de uso, boa uniformidade e intercambialidade;
(4) As principais desvantagens são: pequeno potencial termoelétrico diferencial, sensibilidade tão baixa; preço caro, baixa resistência mecânica, não é adequado para uso em atmosfera redutora ou sob condições de vapor metálico.

B. Termopar de platina-ródio 13-platina (com um número de graduação de R, também conhecido como termopar único de platina-ródio) O eletrodo positivo deste termopar é uma liga de platina-ródio contendo 13%, e o eletrodo negativo é platina pura. Comparado com o tipo S, sua taxa potencial é de cerca de 15% mais alto. Outras propriedades são quase as mesmas. Este tipo de termopar é mais utilizado como termopar de alta temperatura na indústria japonesa, mas é menos usado na China;

C. Platina-ródio 30-platina-ródio 6 termopar (número da divisão B, também conhecido como termopar duplo de platina-ródio) O eletrodo positivo deste termopar é uma liga de platina-ródio contendo 30% ródio, e o eletrodo negativo é uma liga de platina-ródio contendo 6% ródio. À temperatura ambiente, seu potencial termoelétrico é muito pequeno, portanto, fios de compensação geralmente não são usados ​​durante a medição, e a influência das mudanças de temperatura na extremidade fria pode ser ignorada. A temperatura de uso a longo prazo é 1600 ℃, e a temperatura de uso a curto prazo é 1800℃. Como o potencial termoelétrico é pequeno, é necessário um instrumento de exibição com maior sensibilidade.

Os termopares tipo B são adequados para uso em atmosferas oxidantes ou neutras, e também pode ser usado para uso de curto prazo em atmosferas de vácuo. Mesmo em uma atmosfera redutora, sua vida é 10 para 20 vezes maior do que o Tipo B. vezes. Como seus eletrodos são feitos de liga de platina-ródio, não tem todas as desvantagens do eletrodo negativo do termopar platina-ródio-platina. Há pouca tendência de grande cristalização em alta temperatura, e tem maior resistência mecânica. Ao mesmo tempo, pois tem menor influência na absorção de impurezas ou na migração do ródio, seu potencial termoelétrico não muda seriamente após uso prolongado. A desvantagem é que é caro (em relação ao único platina-ródio).

D. Níquel-cromo-níquel-silício (níquel-alumínio) termopar (o número da classificação é K) O eletrodo positivo deste termopar é uma liga de níquel-cromo contendo 10% cromo, e o eletrodo negativo é uma liga de níquel-silício contendo 3% silício (o eletrodo negativo dos produtos em alguns países é níquel puro). Pode medir a temperatura média de 0-1300°C e é adequado para uso contínuo em gases oxidantes e inertes. A temperatura de uso de curto prazo é 1200 ℃, e a temperatura de uso a longo prazo é 1000 ℃. Seu potencial termoelétrico é A relação de temperatura é aproximadamente linear, o preço é barato, e é o termopar mais utilizado atualmente.

O termopar tipo K é um termopar de metal básico com forte resistência à oxidação. Não é adequado para uso com fio desencapado em vácuo, contendo enxofre, atmosfera contendo carbono, e atmosfera alternada redox. Quando a pressão parcial de oxigênio é baixa, o cromo no eletrodo de níquel-cromo será preferencialmente oxidado, causando uma grande mudança no potencial termoelétrico, mas o gás metálico tem pouco efeito sobre ele. Portanto, tubos protetores de metal são frequentemente usados.

Com plugue macho amarelo Termopar com mola tipo K

Sensor de temperatura tipo K com sonda de aço inoxidável

Sensor de temperatura do termopar da série WRN-K de aço inoxidável tipo K

Desvantagens dos termopares tipo K:
(1) A estabilidade do potencial termoelétrico em alta temperatura é pior do que a dos termopares do tipo N e dos termopares de metais preciosos. Em temperaturas mais altas (por exemplo, acima de 1000°C), muitas vezes é danificado pela oxidação.
(2) A estabilidade do ciclo térmico a curto prazo é fraca na faixa de 250-500°C, aquilo é, no mesmo ponto de temperatura, as leituras do potencial termoelétrico são diferentes durante o processo de aquecimento e resfriamento, e a diferença pode chegar a 2-3°C.
(3) O eletrodo negativo sofre uma transformação magnética na faixa de 150-200°C, fazendo com que o valor de graduação na faixa de temperatura ambiente até 230°C se desvie da tabela de graduação. Em particular, quando usado em um campo magnético, interferência de potencial termoelétrico que é independente do tempo ocorre frequentemente.
(4) Quando exposto à irradiação do sistema médio de alto fluxo por um longo período, os elementos como o manganês (Mn) e cobalto (Co) no eletrodo negativo sofre uma transformação, tornando sua estabilidade ruim, resultando em uma grande mudança no potencial termoelétrico.

E. Termopar de níquel-cromo-silício-níquel-silício (N) As principais características deste termopar são: forte controle de temperatura e resistência à oxidação abaixo de 1300 ℃, boa estabilidade a longo prazo e reprodutibilidade do ciclo térmico a curto prazo, boa resistência à radiação nuclear e baixa temperatura. Além disso, na faixa de 400-1300 ℃, a linearidade das características termoelétricas do termopar tipo N é melhor que a do tipo K. No entanto, o erro não linear é grande na faixa de baixa temperatura (-200-400℃), e o material é duro e difícil de processar.

E. Termopar cobre-cobre-níquel (T) Termopar tipo T, o eletrodo positivo deste termopar é cobre puro, e o eletrodo negativo é uma liga de cobre-níquel (também conhecido como Constantan). Suas principais características são: entre os termopares de metal básico, possui a mais alta precisão e boa uniformidade do termoeletrodo. Sua temperatura operacional é de -200~350°C. Porque o termopar de cobre é fácil de oxidar e o filme de óxido é fácil de cair, geralmente não é permitido exceder 300 ℃ quando usado em uma atmosfera oxidante, e está dentro da faixa de -200~300℃. Eles são relativamente sensíveis. Outra característica dos termopares de cobre-constantan é que eles são baratos, e são os mais baratos de vários produtos padronizados comumente usados.

F. Termopar ferro-constantano (o número da classificação é J)
Termopar tipo J, o eletrodo positivo deste termopar é ferro puro, e o eletrodo negativo é constante (liga de cobre-níquel), que se caracteriza pelo seu preço barato. É adequado para atmosfera redutora ou inerte de oxidação a vácuo, e a faixa de temperatura é de -200~800°C. No entanto, a temperatura comumente usada é apenas abaixo de 500 ℃, porque depois de ultrapassar esta temperatura, a taxa de oxidação do termopar de ferro acelera. Se um diâmetro de fio grosso for usado, ainda pode ser usado em alta temperatura e tem uma vida útil mais longa. Este termopar é resistente à corrosão por hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO) gases, mas não pode ser usado em alta temperatura (E.G.. 500℃) enxofre (S) atmosferas.

G. Níquel-cromo-cobre-níquel (Constantan) termopar (código de divisão E)
O termopar tipo E é um produto relativamente novo, com um eletrodo positivo de liga de níquel-cromo e um eletrodo negativo de liga de cobre-níquel (Constantan). Sua maior característica é que entre os termopares comumente usados, seu potencial termoelétrico é o maior, aquilo é, sua sensibilidade é a mais alta. Embora a sua gama de aplicações não seja tão ampla como a do Tipo K, muitas vezes é selecionado sob condições que exigem alta sensibilidade, baixa condutividade térmica, e grande resistência permitida. As restrições de uso são as mesmas do Tipo K, mas não é muito sensível à corrosão em atmosferas contendo alta umidade.

Além do acima 8 termopares comumente usados, também existem termopares de tungstênio-rênio, termopares de platina-ródio, termopares irídio-germânio, termopares de platina-molibdênio, e termopares de materiais não metálicos como termopares não padronizados. A tabela a seguir lista a relação entre as especificações do material e o diâmetro do fio dos termopares comumente usados ​​e a temperatura de uso:

Diâmetro do fio do número de classificação do termopar (milímetros) Longo prazo Curto prazo
SΦ0.513001600
RF0.513001600
BΦ0,516001800
KΦ1.28001000

(4) Compensação de temperatura da extremidade fria do termopar
Para economizar o custo dos materiais do termopar, especialmente ao usar metais preciosos, um fio de compensação é geralmente usado para estender a extremidade fria (fim livre) do termopar na sala de controle onde a temperatura é relativamente estável e conecte-o ao terminal do instrumento. Deve ficar claro que a função do fio de compensação do termopar está limitada a estender o termopar e mover a extremidade fria do termopar para o terminal do instrumento na sala de controle. Ele próprio não pode eliminar a influência da mudança de temperatura da extremidade fria na medição de temperatura e não pode desempenhar um papel de compensação.

Tubo isolante

As extremidades de trabalho do termopar estão firmemente soldadas entre si, e os termopares precisam ser protegidos por tubos isolantes. Existem muitos materiais disponíveis para tubos isolantes, que são divididos principalmente em isolamento orgânico e inorgânico. Para o fim de alta temperatura, materiais inorgânicos devem ser selecionados como tubos isolantes. Geralmente, tubos isolantes de argila podem ser selecionados abaixo de 1000 ℃, tubos de alto alumínio podem ser selecionados abaixo de 1300 ℃, e tubos de corindo podem ser selecionados abaixo de 1600 ℃.

Tubo protetor

A função do tubo protetor é evitar que o eletrodo do termopar entre em contato direto com o meio medido. Sua função não apenas prolonga a vida útil do termopar, mas também tem a função de apoiar e fixar o termoeletrodo e aumentar sua resistência. Portanto, a seleção correta dos tubos de proteção do termopar e dos materiais isolantes é crucial para a vida útil e a precisão da medição do termopar. Os materiais do tubo protetor são divididos principalmente em duas categorias: metálico e não metálico.

Resumo:
Termopares são sensores comumente usados ​​em medição de temperatura industrial, que são caracterizados por alta precisão, economia e aplicabilidade a uma ampla faixa de temperatura. Ele mede medindo a diferença de temperatura entre a extremidade quente e a extremidade fria.

Para obter a temperatura do ponto de detecção da extremidade quente, é necessário medir a temperatura final fria e ajustar a saída do termopar de acordo. Tipicamente, a junta fria é mantida na mesma temperatura da entrada da unidade de processamento de sinal do termopar através de uma folha de material com alta condutividade térmica. O cobre é um material com condutividade térmica ideal (381C/mK). A conexão de entrada precisa ser eletricamente isolada para evitar que o sinal do termopar interfira na condução de calor no chip. Toda a unidade de processamento de sinal está preferencialmente neste ambiente isotérmico.

A faixa de sinal do termopar geralmente está no nível microvolt/℃. A unidade de processamento de sinal do termopar é muito sensível à interferência eletromagnética (EMI), e a linha do termopar costuma sofrer interferência de EMI. A EMI aumenta a incerteza do sinal recebido e prejudica a precisão dos dados de temperatura coletados. Além disso, o cabo de termopar dedicado necessário para a conexão também é caro, e se outros tipos de cabos não forem cuidadosamente substituídos, pode causar dificuldades na análise.

Como o EMI é proporcional ao comprimento da linha, as opções usuais para minimizar a interferência são colocar o circuito de controle próximo ao ponto de detecção, adicione uma placa remota perto do ponto de detecção, ou use filtragem de sinal complexa e blindagem de cabo. Uma solução mais elegante é digitalizar a saída do termopar próximo ao ponto de detecção.

(5) Fluxo de produção do processo de termopar
O controle do processo de produção de termopares inclui o seguinte:
1) Inspeção de fios: verificar dimensões geométricas e potencial termoelétrico.
2) Inspeção do fio de compensação: verificar dimensões geométricas e potencial termoelétrico.
3) Preparar e inspecionar componentes como soquetes de plástico, tampas de alumínio, bases refratárias, tubos de papel e pequenos tubos de papel.
4) Soldagem a quente: verifique a taxa qualificada de juntas de solda e a taxa qualificada de comprimento através da tabela de controle P.
5) Recozimento de fio: incluindo recozimento primário (recozimento após lavagem alcalina e lavagem ácida) e recozimento secundário (recozimento após passar pelo tubo em forma de U), controlar a temperatura e o tempo de recozimento.
6) Inspeção de processo: incluindo julgamento de polaridade, resistência do laço e qualidade da aparência, bem como inspeção de dimensões geométricas.
7) Soldagem a frio: controlar a tensão de soldagem, verifique o formato da junta de solda e o tamanho esférico.
8) Montagem e vazamento: montar conforme necessário, incluindo o controle da posição da extremidade quente e da distância do fio de compensação. Os requisitos de vazamento incluem preparação de cimento, temperatura e tempo de cozimento, e medição de resistência de isolamento.
9) Inspeção final: Verifique a geometria, resistência do circuito, polaridade positiva e negativa e resistência de isolamento.

(6) Aplicação de sensores termopares
Os termopares são formados conectando dois condutores diferentes entre si. Quando as junções de medição e de referência estão em temperaturas diferentes, a chamada força termoeletromagnética (CEM) é gerado. Finalidade da junção A junção de medição é a parte da junção do termopar que está na temperatura medida.

A junção de referência desempenha o papel de manter uma temperatura conhecida ou compensar automaticamente as mudanças de temperatura no termopar.. Em aplicações industriais convencionais, o elemento termopar geralmente é conectado ao conector, enquanto a junção de referência está conectada a um ambiente controlado com uma temperatura relativamente estável através de um fio de extensão de termopar apropriado. O tipo de junção pode ser uma junção de termopar conectada ao invólucro ou uma junção de termopar isolada.

A junção do termopar conectado à carcaça é conectada à parede da sonda por uma conexão física (soldagem), e o calor é transferido de fora para a junção através da parede da sonda para obter uma boa transferência de calor. Este tipo de junção é adequado para medir a temperatura de gases e líquidos corrosivos estáticos ou em fluxo, bem como algumas aplicações de alta pressão.

Os termopares isolados possuem junções separadas da parede da sonda e rodeadas por um pó macio. Embora os termopares isolados tenham uma resposta mais lenta do que os termopares revestidos, eles fornecem isolamento elétrico. Termopares isolados são recomendados para medição em ambientes corrosivos, onde o termopar é completamente isolado eletricamente do ambiente circundante por uma blindagem.

Termopares com terminal exposto permitem que a parte superior da junção penetre no ambiente circundante. Este tipo de termopar oferece o melhor tempo de resposta, mas é adequado apenas para não corrosivos, não perigoso, e aplicações não pressurizadas. O tempo de resposta pode ser expresso em termos de uma constante de tempo, que é definido como o tempo necessário para o sensor mudar 63.2% do valor inicial ao valor final no ambiente controlado. Termopares com terminal exposto têm a velocidade de resposta mais rápida, e quanto menor o diâmetro da bainha da sonda, quanto mais rápida for a velocidade de resposta, mas quanto menor for a temperatura máxima de medição permitida.

Termopares com fio de extensão usam fio de extensão para transferir a junção de referência do termopar para um fio na outra extremidade, que geralmente está localizado no ambiente controlado e tem as mesmas características de frequência eletromagnética de temperatura que o termopar. Quando conectado corretamente, o fio de extensão transfere o ponto de conexão de referência para o ambiente controlado.