Termočlen, enega od temperaturnih senzorjev

Senzorji temperature se pogosto uporabljajo in so na voljo v številnih vrstah, vendar so glavne pogoste vrste: termoelementi (PT100/PT1000), termopili, termistorji, Detektorji temperature odpornosti, in senzorji temperature IC. Senzorji temperature IC vključujejo dve vrsti: analogni izhodni senzorji in digitalni izhodni senzorji. Glede na značilnosti materiala in elektronskih komponent temperaturnega senzorja, razdeljeni so v dve kategoriji: toplotni upori in termoelementi. Termočleni so postali standardna metoda v industriji za stroškovno učinkovito merjenje širokega razpona temperatur z razumno natančnostjo. Uporabljajo se v različnih aplikacijah do približno +2500 °C v kotlih, grelniki vode, pečice, in letalski motorji – če naštejemo le nekatere.

Vrsta termoelementa platina-rodij, odporen na visoke temperature 1600 stopinj korundne cevi

PT100 temperaturni senzor igelni termočlen sonde

3-žica PT100 platinasti uporovni termočlen z oklopljenim kablom

(1) Osnovna definicija termočlenov
Termoelementi so eden najpogosteje uporabljenih elementov za zaznavanje temperature v industriji. Princip delovanja termočlenov temelji na Seebeckovem učinku, ki je fizikalni pojav, pri katerem sta dva prevodnika različnih komponent povezana na obeh koncih in tvorita zanko. Če sta temperaturi obeh povezovalnih koncev različni, v zanki nastane toplotni tok.

Kot eden najpogosteje uporabljenih temperaturnih senzorjev pri industrijskem merjenju temperature, termoelementi, skupaj s platinastimi termičnimi upori, račun za približno 60% skupnega števila temperaturnih senzorjev. Termočleni se običajno uporabljajo v povezavi z zaslonskimi instrumenti za neposredno merjenje površinske temperature tekočin, hlapi, plinasti mediji in trdne snovi v območju -40 do 1800°C v različnih proizvodnih procesih. Prednosti vključujejo visoko natančnost merjenja, široko merilno območje, enostavna struktura in enostavna uporaba.

(2) Osnovni princip merjenja temperature s termočlenom
Termočlen je element za zaznavanje temperature, ki lahko neposredno meri temperaturo in jo pretvori v signal termoelektričnega potenciala. Signal se preko električnega instrumenta pretvori v temperaturo merjenega medija. Načelo delovanja termočlena je, da dva vodnika iz različnih komponent tvorita zaprto zanko. Ko obstaja temperaturni gradient, tok bo šel skozi zanko in ustvaril termoelektrični potencial, kar je Seebeckov učinek. Oba vodnika termočlena imenujemo termočleni, katerega en konec je delovni konec (višja temperatura) in drugi konec je prosti konec (ponavadi pri konstantni temperaturi). Glede na razmerje med termoelektričnim potencialom in temperaturo, izdelana je skala termoelementa. Različni termočleni imajo različne lestvice.

Ko je tretji kovinski material povezan z zanko termočlena, dokler je temperatura obeh stikov materiala enaka, termoelektrični potencial, ki ga ustvari termočlen, bo ostal nespremenjen in nanj ne bo vplivala tretja kovina. Zato, pri merjenju temperature termočlena, lahko priključimo merilni instrument za določanje temperature merjenega medija z merjenjem termoelektričnega potenciala. Termoelementi zvarijo prevodnike ali polprevodnike A in B v zaprto zanko.

Termočleni zvarijo dva prevodnika ali polprevodnika A in B iz različnih materialov skupaj, da tvorijo zaprto zanko, kot je prikazano na sliki.

Kadar obstaja temperaturna razlika med obema točkama pritrditve 1 in 2 vodnikov A in B, med njima nastane elektromotorna sila, tako se v zanki tvori tok določene velikosti. Ta pojav imenujemo termoelektrični učinek. Termoelementi delujejo z uporabo tega učinka.

Dva prevodnika različnih komponent (imenovane žice termočlenov ali vroče elektrode) so na obeh koncih povezani v zanko. Ko so temperature stikov različne, v zanki nastane elektromotorna sila. Ta pojav imenujemo termoelektrični učinek, in to elektromotorno silo imenujemo termoelektrični potencial. Termoelementi uporabljajo ta princip za merjenje temperature. Med njimi, konec, ki se neposredno uporablja za merjenje temperature medija, se imenuje delovni konec (imenovan tudi merilni konec), in drugi konec se imenuje hladni konec (imenovan tudi kompenzacijski konec); hladni konec je povezan s prikazovalnim instrumentom ali ustreznim instrumentom, in prikazovalni instrument bo prikazal termoelektrični potencial, ki ga ustvari termočlen.

Termočleni so pretvorniki energije, ki pretvarjajo toplotno energijo v električno in merijo temperaturo z merjenjem ustvarjenega termoelektričnega potenciala.. Pri proučevanju termoelektričnega potenciala termoelementov, opozoriti je treba na naslednja vprašanja:
1) Termoelektrični potencial termočlena je funkcija temperaturne razlike med obema koncema termočlena, ne temperaturna razlika med obema koncema termočlena.
2) Velikost termoelektričnega potenciala, ki ga ustvari termočlen, nima nobene zveze z dolžino in premerom termočlena, vendar le s sestavo materiala termočlena in temperaturno razliko med obema koncema, pod pogojem, da je material termočlena enoten.
3) Po določitvi materialne sestave dveh žic termočlena termočlena, velikost termoelektričnega potenciala termočlena je povezana le s temperaturno razliko termočlena. Če temperatura hladnega konca termočlena ostane konstantna, termoelektrični potencial termočlena je le enovrednostna funkcija delovne končne temperature.
Običajno uporabljeni materiali za termočlene so:
(3) Vrste in strukture termočlenov
Vrste
Termoelemente lahko razdelimo v dve kategoriji: standardni termoelementi in nestandardni termoelementi. Tako imenovani standardni termočlen se nanaša na termočlen, katerega nacionalni standard določa razmerje med njegovim termoelektričnim potencialom in temperaturo, dovoljeno napako, in ima enotno standardno lestvico. Ima ustrezen prikazovalni instrument za izbiro. Nestandardizirani termočleni so slabši od standardiziranih termočlenov glede obsega uporabe ali reda velikosti, in na splošno nimajo enotne lestvice. Uporabljajo se predvsem za meritve ob določenih posebnih priložnostih.

Osnovna zgradba termočlenov:
Osnovna struktura termočlenov, ki se uporabljajo za industrijsko merjenje temperature, vključuje žico termočlena, izolacijska cev, zaščitna cev in priključna omarica, itd.

Običajno uporabljene žice termočlenov in njihove lastnosti:
A. Platina-rodij 10-platinasti termoelement (z diplomsko številko S, znan tudi kot enojni termočlen platina-rodij). Pozitivna elektroda tega termočlena je zlitina platine in rodija, ki vsebuje 10% rodij, in negativna elektroda je čista platina;

Lastnosti:
(1) Stabilna termoelektrična zmogljivost, močna odpornost proti oksidaciji, primeren za neprekinjeno uporabo v oksidativni atmosferi, temperatura dolgotrajne uporabe lahko doseže 1300 ℃, ko preseže 1400 ℃, tudi v zraku, čista platinasta žica bo rekristalizirala, zaradi česar so zrna groba in zlomljena;
(2) Visoka natančnost. Je najvišja stopnja natančnosti med vsemi termočleni in se običajno uporablja kot standard ali za merjenje višjih temperatur;
(3) Širok spekter uporabe, dobra enotnost in zamenljivost;
(4) Glavne slabosti so: majhen diferenčni termoelektrični potencial, tako nizka občutljivost; draga cena, nizka mehanska trdnost, ni primeren za uporabo v redukcijski atmosferi ali v pogojih kovinskih hlapov.

B. Platinum-rodij 13-platina termoelement (z diplomsko številko R, znan tudi kot enojni termočlen platina-rodij) Pozitivna elektroda tega termočlena je zlitina platine in rodija, ki vsebuje 13%, in negativna elektroda je čista platina. V primerjavi s tipom S, njegova potencialna stopnja je približno 15% višji. Druge lastnosti so skoraj enake. Ta vrsta termočlena se v japonski industriji najbolj uporablja kot visokotemperaturni termočlen, manj pa se uporablja na Kitajskem;

C. Platina-rodij 30-platina-rodij 6 termočlen (številka razdelka B, znan tudi kot dvojni termočlen platina-rodij) Pozitivna elektroda tega termočlena je zlitina platine in rodija, ki vsebuje 30% rodij, in negativna elektroda je zlitina platine in rodija, ki vsebuje 6% rodij. Pri sobni temperaturi, njen termoelektrični potencial je zelo majhen, zato se med merjenjem na splošno ne uporabljajo kompenzacijske žice, in vpliv temperaturnih sprememb hladnega konca je mogoče zanemariti. Temperatura dolgotrajne uporabe je 1600 ℃, temperatura za kratkotrajno uporabo pa je 1800 ℃. Ker je termoelektrični potencial majhen, potreben je prikazovalni instrument z večjo občutljivostjo.

Termoelementi tipa B so primerni za uporabo v oksidativnih ali nevtralnih atmosferah, in se lahko uporablja tudi za kratkotrajno uporabo v vakuumskih atmosferah. Tudi v redukcijski atmosferi, njegovo življenje je 10 do 20 krat več kot pri tipu B. krat. Ker so njegove elektrode izdelane iz zlitine platine in rodija, nima vseh slabosti negativne elektrode termoelementa platina-rodij-platina. Pri visoki temperaturi je majhna nagnjenost k veliki kristalizaciji, in ima večjo mehansko trdnost. Hkrati, saj manj vpliva na absorpcijo nečistoč ali migracijo rodija, njegov termoelektrični potencial se po dolgotrajni uporabi ne spremeni resneje. Pomanjkljivost je, da je drago (glede na enojno platino-rodij).

D. Nikelj-krom-nikelj-silicij (nikelj-aluminij) termočlen (razredna številka je K) Pozitivna elektroda tega termočlena je zlitina niklja in kroma, ki vsebuje 10% krom, in negativna elektroda je zlitina niklja in silicija, ki vsebuje 3% silicij (negativna elektroda izdelkov v nekaterih državah je čisti nikelj). Izmeri lahko srednjo temperaturo 0-1300 ℃ in je primeren za stalno uporabo v oksidativnih in inertnih plinih. Temperatura za kratkotrajno uporabo je 1200 ℃, in temperatura dolgotrajne uporabe je 1000 ℃. Njegov termoelektrični potencial je Temperaturno razmerje je približno linearno, cena je ugodna, in je najbolj razširjen termočlen trenutno.

Termočlen tipa K je termočlen iz navadne kovine z močno odpornostjo proti oksidaciji. Ni primeren za uporabo z golo žico v vakuumu, ki vsebujejo žveplo, ozračje, ki vsebuje ogljik, in redoks izmenična atmosfera. Ko je parcialni tlak kisika nizek, bo krom v nikelj-kromovi elektrodi prednostno oksidiran, povzroči veliko spremembo termoelektričnega potenciala, vendar kovinski plin malo vpliva nanj. Zato, pogosto se uporabljajo kovinske zaščitne cevi.

Z rumenim moškim vtičem Vzmetni termoelement tipa K

Temperaturni senzor tipa K s sondo iz nerjavečega jekla

Temperaturni senzor s termočlenom serije K iz nerjavečega jekla WRN-K

Slabosti termočlenov tipa K:
(1) Visokotemperaturna stabilnost termoelektričnega potenciala je slabša kot pri termoelementih tipa N in termoelementih iz plemenitih kovin. Pri višjih temperaturah (na primer, nad 1000°C), pogosto ga poškoduje oksidacija.
(2) Stabilnost kratkoročnega toplotnega cikla je slaba v območju 250-500 °C, to je, na isti temperaturni točki, odčitki termoelektričnega potenciala so med postopkom segrevanja in hlajenja različni, in razlika lahko doseže 2-3°C.
(3) Negativna elektroda je podvržena magnetni transformaciji v območju 150-200 °C, kar povzroči odstopanje vrednosti graduacije v območju od sobne temperature do 230 °C od gradacijske tabele. Zlasti, pri uporabi v magnetnem polju, pogosto pride do motenj termoelektričnega potenciala, ki je neodvisen od časa.
(4) Pri dolgotrajni izpostavljenosti sevanju srednjega sistema z visokim pretokom, elementov, kot je mangan (Mn) in kobalt (Co) v negativni elektrodi se transformirajo, zaradi česar je njegova stabilnost slaba, kar povzroči veliko spremembo termoelektričnega potenciala.

E. Nikelj-krom-silicij-nikelj-silicij termočlen (N) Glavne značilnosti tega termoelementa so: močan nadzor temperature in odpornost proti oksidaciji pod 1300 ℃, dobra dolgoročna stabilnost in ponovljivost kratkoročnega toplotnega cikla, dobra odpornost na jedrsko sevanje in nizke temperature. Poleg tega, v območju 400-1300 ℃, linearnost termoelektričnih karakteristik termoelementa tipa N je boljša kot pri termoelementu tipa K. Vendar, nelinearna napaka je velika v območju nizkih temperatur (-200-400℃), material pa je trd in ga je težko obdelati.

E. Termoelement baker-baker-nikelj (T) T-tip termoelementa, pozitivna elektroda tega termočlena je čisti baker, in negativna elektroda je zlitina bakra in niklja (znan tudi kot konstantan). Njegove glavne značilnosti so: med termoelementi iz navadnih kovin, ima najvišjo natančnost in dobro enakomernost termoelektrode. Njegova delovna temperatura je -200 ~ 350 ℃. Ker je bakreni termočlen enostavno oksidirati in oksidni film zlahka odpade, na splošno ni dovoljeno preseči 300 ℃ pri uporabi v oksidativni atmosferi, in je v območju -200 ~ 300 ℃. So razmeroma občutljivi. Druga značilnost termoelementov baker-konstantan je, da so poceni, in so najcenejši od več pogosto uporabljenih standardiziranih izdelkov.

F. Termočlen železo-konstant (razredna številka je J)
Termočlen tipa J, pozitivna elektroda tega termočlena je čisto železo, negativna elektroda pa je konstantan (zlitina bakra in niklja), za katerega je značilna nizka cena. Primeren je za redukcijsko ali inertno atmosfero vakuumske oksidacije, in temperaturno območje je od -200 ~ 800 ℃. Vendar, običajno uporabljena temperatura je le pod 500 ℃, ker po prekoračitvi te temperature, hitrost oksidacije železovega termočlena se pospeši. Če je uporabljen premer debele žice, še vedno se lahko uporablja pri visoki temperaturi in ima daljšo življenjsko dobo. Ta termočlen je odporen proti vodikovi koroziji (H2) in ogljikov monoksid (CO) plini, vendar ga ni mogoče uporabiti pri visokih temperaturah (npr. 500℃) žveplo (S) atmosfere.

G. Nikelj-krom-baker-nikelj (Constantan) termočlen (šifra razdelka E)
Termočlen tipa E je razmeroma nov izdelek, s pozitivno elektrodo iz zlitine nikelj-krom in negativno elektrodo iz zlitine bakra in niklja (Constantan). Njegova največja odlika je, da je med pogosto uporabljenimi termočleni, njen termoelektrični potencial je največji, to je, njegova občutljivost je največja. Čeprav obseg njegove uporabe ni tako širok kot pri tipu K, pogosto je izbran v pogojih, ki zahtevajo visoko občutljivost, nizka toplotna prevodnost, in dovoljen velik upor. Omejitve pri uporabi so enake kot pri tipu K, vendar ni zelo občutljiv na korozijo v ozračju z visoko vlažnostjo.

Poleg naštetega 8 običajno uporabljeni termočleni, obstajajo tudi termoelementi volfram-renij, termoelementi platina-rodij, iridij-germanijevi termoelementi, platina-molibden termoelementi, in termočleni iz nekovinskih materialov kot nestandardizirani termočleni. Naslednja tabela navaja razmerje med specifikacijami materiala in premerom žice običajno uporabljenih termočlenov ter temperaturo uporabe:

Številka razvrščanja termoelementa Premer žice (mm) Dolgoročno Kratkoročno
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Temperaturna kompenzacija hladnega konca termočlena
Da bi prihranili stroške materialov za termočlene, predvsem pri uporabi plemenitih kovin, za podaljšanje hladnega konca se običajno uporablja kompenzacijska žica (prosti konec) termočlena v kontrolno sobo, kjer je temperatura razmeroma stabilna, in ga priključite na terminal instrumenta. Jasno mora biti, da je vloga kompenzacijske žice termočlena omejena na podaljšanje termočlena in premik hladnega konca termočlena na instrumentni terminal v kontrolni sobi.. Sama ne more odpraviti vpliva spremembe temperature hladnega konca na merjenje temperature in ne more igrati kompenzacijske vloge.

Izolacijska cev

Delovni konci termočlena so trdno zvarjeni skupaj, in termoelemente je treba zaščititi z izolacijskimi cevmi. Na voljo je veliko materialov za izolacijo cevi, ki jih v glavnem delimo na organske in anorganske izolacije. Za konec pri visokih temperaturah, kot izolacijske cevi je treba izbrati anorganske materiale. Na splošno, glinene izolacijske cevi je mogoče izbrati pod 1000 ℃, visoke aluminijaste cevi je mogoče izbrati pod 1300 ℃, in korundne cevi je mogoče izbrati pod 1600 ℃.

Zaščitna cev

Funkcija zaščitne cevi je preprečiti neposreden stik elektrode termočlena z merjenim medijem.. Njegova funkcija ne podaljšuje le življenjske dobe termočlena, ampak zagotavlja tudi funkcijo podpore in pritrditve termoelektrode ter poveča njeno trdnost. Zato, pravilna izbira zaščitnih cevi termočlena in izolacijskih materialov je ključnega pomena za življenjsko dobo in natančnost merjenja termočlena. Materiali zaščitne cevi so v glavnem razdeljeni v dve kategoriji: kovine in nekovine.

Povzetek:
Termoelementi so običajno uporabljeni senzorji pri industrijskem merjenju temperature, za katere je značilna visoka natančnost, ekonomičnost in uporabnost v širokem temperaturnem območju. Meri z merjenjem temperaturne razlike med vročim in hladnim delom.

Za pridobitev temperature zaznavne točke vročega konca, potrebno je izmeriti hladno končno temperaturo in ustrezno prilagoditi izhod termočlena. Običajno, hladni spoj se ohranja pri isti temperaturi kot vhod enote za obdelavo signala termočlena skozi list materiala z visoko toplotno prevodnostjo. Baker je material z idealno toplotno prevodnostjo (381W/mK). Vhodna povezava mora biti električno izolirana, da preprečite, da bi signal termočlena oviral toplotno prevodnost na čipu. Celotna enota za obdelavo signalov je po možnosti v tem izotermnem okolju.

Območje signala termočlena je običajno na ravni mikrovoltov/℃. Enota za obdelavo signala termočlena je zelo občutljiva na elektromagnetne motnje (EMI), in linijo termočlena pogosto moti EMI. EMI poveča negotovost prejetega signala in zmanjša točnost zbranih podatkov o temperaturi. Poleg tega, drag je tudi namenski kabel s termočlenom, potreben za povezavo, in če druge vrste kablov niso skrbno zamenjane, lahko povzroči težave pri analizi.

Ker je EMI sorazmeren z dolžino črte, običajne možnosti za zmanjšanje motenj so namestitev krmilnega vezja blizu točke zaznavanja, dodajte oddaljeno ploščo blizu točke zaznavanja, ali uporabite zapleteno filtriranje signala in oklop kabla. Elegantnejša rešitev je digitalizacija izhoda termočlena blizu točke zaznavanja.

(5) Proizvodni tok procesa termoelementa
Nadzor proizvodnega procesa termočlenov vključuje naslednje:
1) Pregled žice: preverite geometrijske dimenzije in termoelektrični potencial.
2) Pregled kompenzacijske žice: preverite geometrijske dimenzije in termoelektrični potencial.
3) Pripravite in preglejte komponente, kot so plastične vtičnice, aluminijasti pokrovčki, ognjevarne baze, papirnate tulce in majhne papirnate tulce.
4) Varjenje vročega konca: preverite kvalificirano stopnjo spajkanih spojev in kvalificirano stopnjo dolžine s pomočjo kontrolne karte P.
5) Žarjenje žice: vključno s primarnim žarjenjem (žarjenje po alkalnem pranju in kislinskem pranju) in sekundarno žarjenje (žarjenje po prehodu skozi cev v obliki črke U), nadzor temperature in časa žarjenja.
6) Pregled procesa: vključno s presojo polarnosti, odpornost na zanke in kakovost videza ter pregled geometrijskih dimenzij.
7) Hladno končno varjenje: nadzor varilne napetosti, preverite obliko spajkalnega spoja in sferično velikost.
8) Montaža in vlivanje: sestavite po potrebi, vključno z nadzorom položaja vročega konca in razdalje kompenzacijske žice. Zahteve za vlivanje vključujejo pripravo cementa, temperaturo in čas pečenja, in merjenje izolacijske upornosti.
9) Končni pregled: Preverite geometrijo, odpornost zanke, pozitivna in negativna polariteta ter izolacijski upor.

(6) Uporaba termočlenskih senzorjev
Termočleni nastanejo s povezovanjem dveh različnih vodnikov. Ko sta merilni in referenčni spoj pri različnih temperaturah, tako imenovana termoelektromagnetna sila (EMF) se ustvari. Namen spoja Merilni spoj je del spoja termoelementa, ki ima izmerjeno temperaturo.

Referenčni spoj ima vlogo vzdrževanja znane temperature ali samodejne kompenzacije temperaturnih sprememb v termočlenu. V običajnih industrijskih aplikacijah, element termočlena je običajno priključen na konektor, medtem ko je referenčni spoj povezan z nadzorovanim okoljem z relativno stabilno temperaturo prek ustreznega podaljška s termočlenom. Tip spoja je lahko spoj termočlena, povezan z lupino, ali izoliran termočlen spoj.

Spoj termočlena, povezan z lupino, je s fizično povezavo povezan s steno sonde (varjenje), in toplota se prenaša od zunaj na stičišče skozi steno sonde, da se doseže dober prenos toplote. Ta vrsta spoja je primerna za merjenje temperature statičnih ali tekočih jedkih plinov in tekočin, kot tudi nekatere visokotlačne aplikacije.

Izolirani termočleni imajo spoje, ki so ločeni od stene sonde in obdani z mehkim prahom. Čeprav imajo izolirani termočleni počasnejši odziv kot termočleni z lupino, zagotavljajo električno izolacijo. Za merjenje v jedkih okoljih se priporočajo izolirani termočleni, pri čemer je termočlen popolnoma električno izoliran od okolice z ovojnim ščitom.

Termočleni z izpostavljenimi sponkami omogočajo, da vrh spoja prodre v okolico. Ta vrsta termočlena zagotavlja najboljši odzivni čas, vendar je primeren le za nekorozivne, nenevarno, in aplikacije brez tlaka. Odzivni čas je mogoče izraziti s časovno konstanto, ki je opredeljen kot čas, potreben za spremembo senzorja 63.2% od začetne vrednosti do končne vrednosti v nadzorovanem okolju. Termočleni z izpostavljenimi sponkami imajo najhitrejšo hitrost odziva, in manjši je premer plašča sonde, večja je odzivna hitrost, vendar čim nižja je najvišja dovoljena temperatura merjenja.

Termočleni s podaljškom uporabljajo podaljšek za prenos referenčnega spoja s termočlena na žico na drugem koncu, ki se običajno nahaja v nadzorovanem okolju in ima enake temperaturno-elektromagnetne frekvenčne karakteristike kot termočlen. Ko je pravilno priključen, podaljšek prenese referenčno priključno točko v nadzorovano okolje.