Termocuple, Unul dintre senzorii de temperatură

Senzorii de temperatură sunt folosiți pe scară largă și sunt de mai multe tipuri, dar principalele tipuri comune sunt: Termocuple (PT100/PT1000), termopilele, termistori, Detectoare de temperatură de rezistență, și senzori de temperatură IC. Senzorii de temperatură IC includ două tipuri: senzori de ieșire analogică și senzori de ieșire digitale. În funcție de materialul și caracteristicile componentelor electronice ale senzorului de temperatură, se împart în două categorii: rezistențe termice și termocupluri. Termocuplurile au devenit metoda standard în industrie pentru măsurarea rentabilă a unei game largi de temperaturi cu o precizie rezonabilă. Sunt utilizate într-o varietate de aplicații până la aproximativ +2500°C în cazane, încălzitoare de apă, cuptoare, și motoare de avioane — pentru a numi doar câteva.

Tip termocuplu platină-rodiu Rezistent la temperaturi ridicate 1600 tub de corindon de grade

PT100 termocuplu sondă cu ac senzor de temperatură

3-Termocuplu cu rezistență din platină PT100 cu cablu ecranat

(1) Definiția de bază a termocuplurilor
Termocuplurile sunt unul dintre cele mai utilizate elemente de detectare a temperaturii în industrie. Principiul de funcționare al termocuplurilor se bazează pe efectul Seebeck, care este un fenomen fizic în care doi conductori de componente diferite sunt conectați la ambele capete pentru a forma o buclă. Dacă temperaturile celor două capete de legătură sunt diferite, în buclă se generează un curent termic.

Ca unul dintre cei mai folosiți senzori de temperatură în măsurarea temperaturii industriale, Termocuple, împreună cu rezistoare termice din platină, cont pentru aproximativ 60% din numărul total de senzori de temperatură. Termocuplurile sunt de obicei folosite împreună cu instrumentele de afișare pentru a măsura direct temperatura de suprafață a lichidelor, vapori, medii gazoase și solide în intervalul de -40 până la 1800°C în diferite procese de producție. Avantajele includ precizia mare de măsurare, O gamă largă de măsurare, structură simplă și utilizare ușoară.

(2) Principiul de bază al măsurării temperaturii termocuplului
Termocuplul este un element de detectare a temperaturii care poate măsura direct temperatura și o poate transforma într-un semnal de potențial termoelectric. Semnalul este convertit în temperatura mediului măsurat printr-un instrument electric. Principiul de funcționare al termocuplului este că doi conductori de componente diferite formează o buclă închisă. Când există un gradient de temperatură, curentul va trece prin buclă și va genera un potențial termoelectric, care este efectul Seebeck. Cei doi conductori ai termocuplului se numesc termocupluri, al cărui capăt este capătul de lucru (temperatură mai mare) iar celălalt capăt este capătul liber (de obicei la o temperatură constantă). După relaţia dintre potenţialul termoelectric şi temperatură, se face o scala de termocuplu. Diferitele termocupluri au scale diferite.

Când un al treilea material metalic este conectat la bucla de termocuplu, atâta timp cât temperatura celor două contacte ale materialului este aceeași, potenţialul termoelectric generat de termocuplu va rămâne neschimbat şi nu va fi afectat de al treilea metal. Prin urmare, la măsurarea temperaturii termocuplului, se poate conecta un instrument de măsurare pentru a determina temperatura mediului măsurat prin măsurarea potenţialului termoelectric. Termocuplurile sudează conductorii sau semiconductorii A și B într-o buclă închisă.

Termocuplurile sudează împreună doi conductori sau semiconductori A și B din materiale diferite pentru a forma o buclă închisă, așa cum se arată în figură.

Când există o diferență de temperatură între cele două puncte de atașare 1 și 2 a conductoarelor A și B, între cele două se generează o forță electromotoare, formând astfel un curent de o anumită mărime în buclă. Acest fenomen se numește efect termoelectric. Termocuplurile funcționează folosind acest efect.

Doi conductori din componente diferite (numite fire de termocuplu sau electrozi fierbinți) sunt conectate la ambele capete pentru a forma o buclă. Când temperaturile joncțiunilor sunt diferite, în buclă se generează o forță electromotoare. Acest fenomen se numește efect termoelectric, iar această forță electromotoare se numește potențial termoelectric. Termocuplurile folosesc acest principiu pentru a măsura temperatura. Printre ei, capătul utilizat direct pentru măsurarea temperaturii mediului se numește capăt de lucru (numit și capătul de măsurare), iar celălalt capăt se numește capătul rece (numită și sfârșitul compensației); capătul rece este conectat la instrumentul de afișare sau la instrumentul potrivit, iar instrumentul de afișare va indica potențialul termoelectric generat de termocuplu.

Termocuplurile sunt convertoare de energie care convertesc energia termică în energie electrică și măsoară temperatura prin măsurarea potențialului termoelectric generat.. La studierea potenţialului termoelectric al termocuplurilor, trebuie remarcate următoarele aspecte:
1) Potențialul termoelectric al unui termocuplu este o funcție a diferenței de temperatură dintre cele două capete ale termocuplului, nu diferența de temperatură dintre cele două capete ale termocuplului.
2) Mărimea potențialului termoelectric generat de un termocuplu nu are nimic de-a face cu lungimea și diametrul termocuplului, dar numai cu compoziția materialului termocuplului și diferența de temperatură dintre cele două capete, cu condiția ca materialul termocuplului să fie uniform.
3) După determinarea compoziției materialului celor două fire de termocuplu ale termocuplului, mărimea potențialului termoelectric al termocuplului este legată doar de diferența de temperatură a termocuplului. Dacă temperatura capătului rece al termocuplului rămâne constantă, potențialul termoelectric al termocuplului este doar o funcție cu o singură valoare a temperaturii finale de lucru.
Materialele de termocuplu utilizate în mod obișnuit sunt:
(3) Tipuri și structuri de termocupluri
Tipuri
Termocuplurile pot fi împărțite în două categorii: termocupluri standard și termocupluri non-standard. Așa-numitul termocuplu standard se referă la un termocuplu al cărui standard național stipulează relația dintre potențialul său termoelectric și temperatură., eroarea admisibilă, și are o scară standard unificată. Are un instrument de afișare potrivit pentru selecție. Termocuplurile nestandardizate sunt inferioare termocuplurilor standardizate în ceea ce privește domeniul de utilizare sau ordinul de mărime, și, în general, nu au o scară unificată. Sunt folosite în principal pentru măsurători în anumite ocazii speciale.

Structura de bază a termocuplurilor:
Structura de bază a termocuplurilor utilizate pentru măsurarea temperaturii industriale include firul de termocuplu, tub izolator, tub de protecție și cutie de joncțiune, etc.

Fire de termocuplu utilizate în mod obișnuit și proprietățile lor:
A. Termocuplu platină-rodiu 10-platină (cu un număr de absolvire S, cunoscut și sub numele de termocuplu unic platină-rodiu). Electrodul pozitiv al acestui termocuplu este un aliaj de platină-rodiu care conține 10% rodiu, iar electrodul negativ este platină pură;

Caracteristici:
(1) Performanță termoelectrică stabilă, rezistență puternică la oxidare, potrivit pentru utilizare continuă într-o atmosferă oxidantă, Temperatura de utilizare pe termen lung poate ajunge la 1300℃, când depășește 1400℃, chiar și în aer, firul de platină pură se va recristaliza, făcând boabele grosiere și rupte;
(2) Precizie înaltă. Este cel mai înalt grad de precizie dintre toate termocuplurile și este de obicei folosit ca standard sau pentru a măsura temperaturi mai ridicate.;
(3) Gamă largă de utilizare, bună uniformitate și interschimbabilitate;
(4) Principalele dezavantaje sunt: potențial termoelectric diferențial mic, sensibilitate atât de scăzută; pret scump, rezistență mecanică scăzută, nu este potrivit pentru utilizare în atmosferă reducătoare sau în condiții de vapori de metal.

B. Termocuplu platină-rodiu 13-platină (cu un număr de absolvire R, cunoscut și sub numele de termocuplu unic platină-rodiu) Electrodul pozitiv al acestui termocuplu este un aliaj de platină-rodiu care conține 13%, iar electrodul negativ este platină pură. Comparativ cu tipul S, rata sa potențială este de aproximativ 15% superior. Alte proprietăți sunt aproape aceleași. Acest tip de termocuplu este cel mai utilizat ca termocuplu de temperatură înaltă în industria japoneză, dar este mai puțin folosit în China;

C. Platină-rodiu 30-platină-rodiu 6 termocuplu (numărul de divizie B, cunoscut și sub numele de termocuplu dublu platină-rodiu) Electrodul pozitiv al acestui termocuplu este un aliaj de platină-rodiu care conține 30% rodiu, iar electrodul negativ este un aliaj platină-rodiu care conține 6% rodiu. La temperatura camerei, potenţialul său termoelectric este foarte mic, astfel încât firele de compensare nu sunt utilizate în general în timpul măsurării, iar influența schimbărilor de temperatură la capătul rece poate fi ignorată. Temperatura de utilizare pe termen lung este de 1600℃, iar temperatura de utilizare pe termen scurt este de 1800℃. Deoarece potenţialul termoelectric este mic, este necesar un instrument de afișare cu sensibilitate mai mare.

Termocuplurile de tip B sunt potrivite pentru utilizare în atmosfere oxidante sau neutre, și poate fi folosit și pentru utilizare pe termen scurt în atmosfere de vid. Chiar și într-o atmosferă reducătoare, viata lui este 10 la 20 ori mai mare decât cea de tip B. ori. Deoarece electrozii săi sunt fabricați din aliaj de platină-rodiu, nu are toate dezavantajele electrodului negativ al termocuplului platină-rodiu-platină. Există o tendință mică de cristalizare mare la temperatură ridicată, și are o rezistență mecanică mai mare. În același timp, întrucât are o influență mai mică asupra absorbției impurităților sau migrației rodiului, potențialul său termoelectric nu se modifică serios după o utilizare îndelungată. Dezavantajul este că este scump (raportat la un singur platină-rodiu).

D.. Nichel-crom-nichel-siliciu (nichel-aluminiu) termocuplu (numărul de calificare este K) Electrodul pozitiv al acestui termocuplu este un aliaj de nichel-crom care conține 10% crom, iar electrodul negativ este un aliaj de nichel-siliciu care conține 3% siliciu (electrodul negativ al produselor din unele țări este nichel pur). Poate măsura temperatura medie de 0-1300℃ și este potrivit pentru utilizare continuă în gaze oxidante și inerte. Temperatura de utilizare pe termen scurt este de 1200℃, iar temperatura de utilizare pe termen lung este de 1000℃. Potențialul său termoelectric este Relația de temperatură este aproximativ liniară, pretul este ieftin, și este cel mai utilizat termocuplu în prezent.

Termocuplul de tip K este un termocuplu din metal de bază cu rezistență puternică la oxidare. Nu este potrivit pentru utilizarea cu sârmă goală în vid, conţinând sulf, atmosferă care conține carbon, și atmosferă alternativă redox. Când presiunea parțială a oxigenului este scăzută, cromul din electrodul de nichel-crom va fi preferabil oxidat, determinând o modificare mare a potenţialului termoelectric, dar gazul metalic are un efect redus asupra lui. Prin urmare, se folosesc adesea tuburi de protecție metalice.

Cu fișă tată galbenă Termocuplu cu arc de tip K

Senzor de temperatură de tip K cu sondă din oțel inoxidabil

Senzor de temperatură cu termocuplu din oțel inoxidabil de tip K din seria WRN-K

Dezavantajele termocuplurilor de tip K:
(1) Stabilitatea la temperatură ridicată a potențialului termoelectric este mai slabă decât cea a termocuplurilor de tip N și a termocuplurilor din metale prețioase. La temperaturi mai ridicate (de exemplu, peste 1000°C), este adesea deteriorat prin oxidare.
(2) Stabilitatea ciclului termic pe termen scurt este slabă în intervalul 250-500°C, adică, în același punct de temperatură, citirile potenţialului termoelectric sunt diferite în timpul procesului de încălzire şi răcire, iar diferenta poate ajunge la 2-3°C.
(3) Electrodul negativ suferă o transformare magnetică în intervalul 150-200°C, ceea ce face ca valoarea de gradare în domeniul temperaturii camerei până la 230°C să devieze de la tabelul de gradare. În special, atunci când este utilizat într-un câmp magnetic, Adesea apare interferența potențialului termoelectric care este independentă de timp.
(4) Când este expus la iradiere de sistem mediu cu flux mare pentru o perioadă lungă de timp, elemente precum manganul (Mn) și cobalt (Co) în electrodul negativ suferă o transformare, făcându-i săraci stabilitatea, rezultând o modificare mare a potenţialului termoelectric.

E. Termocuplu nichel-crom-siliciu-nichel-siliciu (N) Principalele caracteristici ale acestui termocuplu sunt: control puternic al temperaturii și rezistență la oxidare sub 1300℃, stabilitate bună pe termen lung și reproductibilitate a ciclului termic pe termen scurt, rezistență bună la radiații nucleare și temperatură scăzută. în plus, în intervalul 400-1300℃, liniaritatea caracteristicilor termoelectrice ale termocuplului de tip N este mai bună decât cea a tipului K. Cu toate acestea, eroarea neliniară este mare în domeniul de temperatură scăzută (-200-400℃), iar materialul este greu și greu de prelucrat.

E. Termocuplu cupru-cupru-nichel (T) Termocuplu tip T, electrodul pozitiv al acestui termocuplu este cupru pur, iar electrodul negativ este aliaj de cupru-nichel (cunoscut și sub numele de constantan). Principalele sale caracteristici sunt: dintre termocuplurile de metal de bază, are cea mai mare precizie și uniformitate bună a termoelectrodului. Temperatura sa de funcționare este de -200~350℃. Deoarece termocuplul de cupru este ușor de oxidat, iar filmul de oxid este ușor de desprins, în general, nu este permis să depășească 300 ℃ atunci când este utilizat într-o atmosferă oxidantă, și se află în intervalul -200~300℃. Sunt relativ sensibili. O altă caracteristică a termocuplurilor cupru-constantan este că sunt ieftine, și sunt cele mai ieftine dintre mai multe produse standardizate utilizate în mod obișnuit.

F. Termocuplu fier-constantan (numărul de calificare este J)
Termocuplu de tip J, electrodul pozitiv al acestui termocuplu este fier pur, iar electrodul negativ este constantan (aliaj cupru-nichel), care se caracterizează prin prețul său ieftin. Este potrivit pentru reducerea sau atmosfera inertă de oxidare în vid, iar intervalul de temperatură este de la -200~800℃. Cu toate acestea, temperatura utilizată în mod obișnuit este doar sub 500℃, deoarece după depăşirea acestei temperaturi, viteza de oxidare a termocuplului de fier se accelerează. Dacă se foloseşte un diametru gros de sârmă, se poate folosi in continuare la temperaturi ridicate si are o durata de viata mai lunga. Acest termocuplu este rezistent la coroziune cu hidrogen (H2) și monoxid de carbon (CO) gazele, dar nu poate fi folosit la temperaturi ridicate (de ex. 500℃) sulf (S) atmosfere.

G. Nichel-crom-cupru-nichel (Constantan) termocuplu (cod de divizie E)
Termocuplul de tip E este un produs relativ nou, cu un electrod pozitiv din aliaj de nichel-crom și un electrod negativ din aliaj de cupru-nichel (Constantan). Cea mai mare caracteristică a sa este cea dintre termocuplurile utilizate în mod obișnuit, potenţialul său termoelectric este cel mai mare, adică, sensibilitatea sa este cea mai mare. Deși domeniul său de aplicare nu este la fel de larg ca cel de tip K, este adesea selectat în condiții care necesită o sensibilitate ridicată, conductivitate termică scăzută, și rezistență mare admisă. Restricțiile de utilizare sunt aceleași cu cele de tip K, dar nu este foarte sensibil la coroziune în atmosfere cu umiditate ridicată.

Pe lângă cele de mai sus 8 termocupluri utilizate în mod obișnuit, exista si termocupluri tungsten-reniu, termocupluri platină-rodiu, termocupluri iridiu-germaniu, termocupluri platină-molibden, și termocupluri din material nemetalic ca termocupluri nestandardizate. Următorul tabel prezintă relația dintre specificațiile materialelor și diametrul firului termocuplurilor utilizate în mod obișnuit și temperatura de utilizare.:

Numărul de clasificare al termocuplului Diametrul firului (mm) Pe termen lung Pe termen scurt
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Compensarea temperaturii capătului rece al termocuplului
Pentru a economisi costul materialelor termocuplurilor, mai ales când se folosesc metale prețioase, un fir de compensare este de obicei folosit pentru a extinde capătul rece (capăt liber) a termocuplului în camera de control unde temperatura este relativ stabilă și conectați-l la terminalul instrumentului. Ar trebui să fie clar că rolul firului de compensare a termocuplului este limitat la extinderea termocuplului și mutarea capătului rece al termocuplului la terminalul instrumentului din camera de control.. El însuși nu poate elimina influența schimbării temperaturii la capătul rece asupra măsurării temperaturii și nu poate juca un rol de compensare.

Tub izolator

Capetele de lucru ale termocuplului sunt bine sudate între ele, iar termocuplurile trebuie protejate prin tuburi izolante. Există multe materiale disponibile pentru izolarea tuburilor, care se împart în principal în izolații organice și anorganice. Pentru finalul cu temperaturi ridicate, materialele anorganice trebuie selectate ca tuburi izolante. În general, tuburile izolante din argilă pot fi selectate sub 1000℃, tuburile înalte din aluminiu pot fi selectate sub 1300℃, iar tuburile de corindon pot fi selectate sub 1600℃.

Tub de protectie

Funcția tubului de protecție este de a preveni contactul direct al electrodului termocuplului cu mediul măsurat. Funcția sa nu numai că prelungește durata de viață a termocuplului, dar asigură și funcția de susținere și fixare a termoelectrodului și de sporire a rezistenței acestuia. Prin urmare, selectarea corectă a tuburilor de protecție pentru termocuplu și a materialelor izolatoare este crucială pentru durata de viață și acuratețea măsurării termocuplului. Materialele tubului de protecție sunt împărțite în principal în două categorii: metal și nemetal.

Rezumat:
Termocuplurile sunt senzori utilizați în mod obișnuit în măsurarea temperaturii industriale, care se caracterizează printr-o precizie ridicată, economie și aplicabilitate la o gamă largă de temperaturi. Măsoară prin măsurarea diferenței de temperatură dintre capătul cald și capătul rece.

Pentru a obține temperatura punctului de detectare final fierbinte, este necesar să se măsoare temperatura finală rece și să reglați în consecință puterea termocuplului. De obicei, joncțiunea rece este menținută la aceeași temperatură cu intrarea unității de procesare a semnalului termocuplului printr-o foaie de material cu conductivitate termică ridicată. Cuprul este un material cu conductivitate termică ideală (381W/mK). Conexiunea de intrare trebuie să fie izolată electric pentru a împiedica semnalul termocuplului să interfereze cu conducerea căldurii de pe cip. Întreaga unitate de procesare a semnalului este de preferință în acest mediu izoterm.

Intervalul de semnal al termocuplului este de obicei la nivelul microvolt/℃. Unitatea de procesare a semnalului de termocuplu este foarte sensibilă la interferența electromagnetică (EMI), iar linia de termocuplu este adesea interferată de EMI. EMI crește incertitudinea semnalului recepționat și dăunează acurateței datelor de temperatură colectate. în plus, cablul de termocuplu dedicat necesar pentru conectare este, de asemenea, scump, iar dacă alte tipuri de cabluri nu sunt înlocuite cu grijă, poate cauza dificultăţi în analiză.

Deoarece EMI este proporțională cu lungimea liniei, opțiunile obișnuite pentru a minimiza interferențele sunt plasarea circuitului de control aproape de punctul de detectare, adăugați o placă la distanță aproape de punctul de detectare, sau utilizați filtrarea complexă a semnalului și ecranarea cablurilor. O soluție mai elegantă este digitizarea ieșirii termocuplului aproape de punctul de detectare.

(5) Fluxul de producție al procesului de termocuplu
Controlul procesului de producție a termocuplurilor include următoarele:
1) Inspecția firelor: verificati dimensiunile geometrice si potentialul termoelectric.
2) Verificarea firului de compensare: verificati dimensiunile geometrice si potentialul termoelectric.
3) Pregătiți și inspectați componente, cum ar fi prize de plastic, capace din aluminiu, baze refractare, tuburi de hârtie și tuburi mici de hârtie.
4) Sudare la capăt la cald: verificați rata calificată a îmbinărilor de lipit și rata calificată de lungime prin diagrama de control P.
5) Recoacerea firului: inclusiv recoacerea primară (recoacerea după spălarea alcalină și spălarea acidă) and secondary annealing (annealing after passing through the U-shaped tube), control annealing temperature and time.
6) Process inspection: including polarity judgment, loop resistance and appearance quality as well as geometric dimension inspection.
7) Cold end welding: control welding voltage, check solder joint shape and spherical size.
8) Assembly and pouring: assemble as required, including controlling the hot end position and compensation wire distance. Pouring requirements include cement preparation, baking temperature and time, and insulation resistance measurement.
9) Final inspection: Check the geometry, loop resistance, positive and negative polarity and insulation resistance.

(6) Application of thermocouple sensors
Thermocouples are formed by connecting two different conductors together. When the measurement and reference junctions are at different temperatures, the so-called thermoelectromagnetic force (EMF) is generated. Junction purpose The measurement junction is the part of the thermocouple junction that is at the measured temperature.

The reference junction plays the role of maintaining a known temperature or automatically compensating for temperature changes in the thermocouple. In conventional industrial applications, the thermocouple element is usually connected to the connector, while the reference junction is connected to a controlled environment with a relatively stable temperature through an appropriate thermocouple extension wire. The type of junction can be a shell-connected thermocouple junction or an insulated thermocouple junction.

The shell-connected thermocouple junction is connected to the probe wall by a physical connection (welding), and heat is transferred from the outside to the junction through the probe wall to achieve good heat transfer. This type of junction is suitable for measuring the temperature of static or flowing corrosive gases and liquids, as well as some high-pressure applications.

Insulated thermocouples have junctions that are separated from the probe wall and surrounded by a soft powder. Although insulated thermocouples have a slower response than shelled thermocouples, they provide electrical isolation. Insulated thermocouples are recommended for measuring in corrosive environments, where the thermocouple is completely electrically isolated from the surrounding environment by a sheath shield.

Exposed-terminal thermocouples allow the top of the junction to penetrate the surrounding environment. This type of thermocouple provides the best response time, but is only suitable for non-corrosive, non-hazardous, and non-pressurized applications. Response time can be expressed in terms of a time constant, which is defined as the time required for the sensor to change 63.2% from the initial value to the final value in the controlled environment. Exposed-terminal thermocouples have the fastest response speed, and the smaller the probe sheath diameter, the faster the response speed, but the lower the maximum allowable measurement temperature.

Extension-wire thermocouples use extension wire to transfer the reference junction from the thermocouple to a wire at the other end, which is usually located in the controlled environment and has the same temperature-electromagnetic frequency characteristics as the thermocouple. When properly connected, the extension wire transfers the reference connection point to the controlled environment.