Тхермоцоупле, један од температурних сензора

Сензори температуре се широко користе и долазе у више врста, али су главни уобичајени типови: термо-колач (ПТ100/ПТ1000), термопиле, термистори, Отпорност детектори температуре, и ИЦ сензори температуре. ИЦ сензори температуре укључују два типа: аналогни излазни сензори и дигитални излазни сензори. Према карактеристикама материјала и електронске компоненте температурног сензора, деле се у две категорије: термички отпорници и термопарови. Термопарови су постали индустријски стандардни метод за економично мерење широког опсега температура са разумном тачношћу. Користе се у разним применама до приближно +2500°Ц у котловима, бојлери, пећи, и авионски мотори — да споменемо само неке.

Тип платина-родијум термоелемента Отпоран на високе температуре 1600 степени корундна цев

ПТ100 сензор температуре игле сонде термоелемент

3-жичани ПТ100 платинасти отпорни термоелемент са оклопљеним каблом

(1) Основна дефиниција термопарова
Термопарови су један од најчешће коришћених елемената за детекцију температуре у индустрији. Принцип рада термопарова је заснован на Сеебецк ефекту, што је физички феномен у коме су два проводника различитих компоненти повезана на оба краја да формирају петљу. Ако су температуре два спојна краја различите, у петљи се ствара топлотна струја.

Као један од најчешће коришћених температурних сензора у индустријском мерењу температуре, термо-колач, заједно са платинским термичким отпорницима, рачун за око 60% од укупног броја температурних сензора. Термопарови се обично користе заједно са инструментима за приказ за директно мерење површинске температуре течности, испарења, гасовитих медија и чврстих материја у опсегу од -40 до 1800°Ц у различитим производним процесима. Предности укључују високу тачност мерења, широк опсег мерења, једноставна структура и лака употреба.

(2) Основни принцип мерења температуре термопаром
Термопар је елемент за сензор температуре који може директно да мери температуру и претвара је у сигнал термоелектричног потенцијала. Сигнал се преко електричног инструмента претвара у температуру мерене средине. Принцип рада термоелемента је да два проводника различитих компоненти формирају затворену петљу. Када постоји температурни градијент, струја ће проћи кроз петљу и створити термоелектрични потенцијал, што је Зебеков ефекат. Два проводника термоелемента називају се термопарови, чији је један крај радни крај (виша температура) а други крај је слободни крај (обично на константној температури). Према односу термоелектричног потенцијала и температуре, израђује се вага за термопар. Различити термопарови имају различите скале.

Када се трећи метални материјал повеже на петљу термоелемента, све док је температура два контакта материјала иста, термоелектрични потенцијал који генерише термоелемент ће остати непромењен и неће бити под утицајем трећег метала. Стога, при мерењу температуре термоелемента, може се прикључити мерни инструмент за одређивање температуре мереног медијума мерењем термоелектричног потенцијала. Термопарови заварују проводнике или полупроводнике А и Б у затворену петљу.

Термопарови заварују два проводника или полупроводника А и Б од различитих материјала заједно да формирају затворену петљу, као што је приказано на слици.

Када постоји температурна разлика између две тачке причвршћивања 1 и 2 проводника А и Б, између њих се ствара електромоторна сила, формирајући тако струју одређене величине у петљи. Овај феномен се назива термоелектрични ефекат. Термопарови раде користећи овај ефекат.

Два проводника различитих компоненти (које се називају жице термоелемента или вруће електроде) повезани су на оба краја да формирају петљу. Када су температуре спојева различите, у петљи се ствара електромоторна сила. Овај феномен се назива термоелектрични ефекат, а ова електромоторна сила се назива термоелектрични потенцијал. Термопарови користе овај принцип за мерење температуре. Међу њима, крај који се директно користи за мерење температуре медијума назива се радни крај (назива се и мерни крај), а други крај се зове хладан крај (назива се и компензациони крај); хладни крај је повезан са инструментом за приказ или одговарајућим инструментом, а инструмент за приказ ће показати термоелектрични потенцијал који генерише термопар.

Термопарови су претварачи енергије који претварају топлотну енергију у електричну енергију и мере температуру мерењем генерисаног термоелектричног потенцијала. При проучавању термоелектричног потенцијала термопарова, потребно је напоменути следећа питања:
1) Термоелектрични потенцијал термоелемента је функција температурне разлике између два краја термоелемента, не температурна разлика између два краја термоелемента.
2) Величина термоелектричног потенцијала који генерише термопар нема никакве везе са дужином и пречником термоелемента, али само са саставом материјала термоелемента и температурном разликом између два краја, под условом да је материјал термоелемента уједначен.
3) Након одређивања материјалног састава две жице термоелемента термоелемента, величина термоелектричног потенцијала термоелемента је повезана само са температурном разликом термопара. Ако температура хладног краја термоелемента остане константна, термоелектрични потенцијал термоелемента је само једнозначна функција температуре радног краја.
Уобичајени материјали за термоелементе су:
(3) Врсте и структуре термопарова
Врсте
Термопарови се могу поделити у две категорије: стандардни термопарови и нестандардни термопарови. Такозвани стандардни термопар се односи на термопар чији национални стандард предвиђа однос између његовог термоелектричног потенцијала и температуре, дозвољена грешка, и има јединствену стандардну скалу. Има одговарајући инструмент за приказ за избор. Нестандардизовани термопарови су инфериорни у односу на стандардизоване термопарове у погледу опсега употребе или реда величине, и углавном немају јединствену скалу. Углавном се користе за мерења у одређеним посебним приликама.

Основна структура термопарова:
Основна структура термопарова који се користе за индустријско мерење температуре укључује термоелементну жицу, изолациона цев, заштитна цев и разводна кутија, итд.

Најчешће коришћене жице термоелемента и њихова својства:
А. Платина-родијум 10-платина термоелемент (са матурским бројем С, такође познат као појединачни платина-родијум термопар). Позитивна електрода овог термоелемента је легура платине и родијума која садржи 10% родијум, а негативна електрода је чиста платина;

Карактеристике:
(1) Стабилне термоелектричне перформансе, јака отпорност на оксидацију, погодан за континуирану употребу у оксидационој атмосфери, температура дуготрајне употребе може да достигне 1300 ℃, када пређе 1400 ℃, чак и у ваздуху, чиста платинаста жица ће се рекристализовати, чинећи зрна грубим и сломљеним;
(2) Висока прецизност. То је највиши степен тачности међу свим термопаровима и обично се користи као стандард или за мерење виших температура;
(3) Широк спектар употребе, добра униформност и заменљивост;
(4) Главни недостаци су: мали диференцијални термоелектрични потенцијал, тако ниску осетљивост; скупа цена, ниска механичка чврстоћа, није погодан за употребу у редукционој атмосфери или у условима металне паре.

Б. Платина-родијум 13-платина термоелемент (са матурским бројем Р, такође познат као појединачни платина-родијум термопар) Позитивна електрода овог термоелемента је легура платине и родијума која садржи 13%, а негативна електрода је чиста платина. У поређењу са типом С, његова потенцијална стопа је око 15% виши. Остала својства су скоро иста. Овај тип термоелемента се највише користи као високотемпературни термопар у јапанској индустрији, али се мање користи у Кини;

Ц. Платина-родијум 30-платина-родијум 6 термоелемент (дивизија број Б, такође познат као двоструки платина-родијум термоелемент) Позитивна електрода овог термоелемента је легура платине и родијума која садржи 30% родијум, а негативна електрода је легура платине и родијума која садржи 6% родијум. На собној температури, његов термоелектрични потенцијал је веома мали, тако да се компензационе жице углавном не користе током мерења, а утицај промена температуре хладног краја се може занемарити. Температура дуготрајне употребе је 1600 ℃, а температура краткотрајне употребе је 1800 ℃. Пошто је термоелектрични потенцијал мали, потребан је инструмент за приказ веће осетљивости.

Термопарови типа Б су погодни за употребу у оксидирајућим или неутралним атмосферама, а може се користити и за краткотрајну употребу у вакуумским атмосферама. Чак иу опуштеној атмосфери, њен живот је 10 до 20 пута више од типа Б. пролаз. Пошто су његове електроде направљене од легуре платине и родијума, нема све недостатке негативне електроде платина-родијум-платина термоелемента. Постоји мала тенденција велике кристализације на високој температури, и има већу механичку чврстоћу. У исто време, пошто мање утиче на апсорпцију нечистоћа или миграцију родијума, његов термоелектрични потенцијал се не мења озбиљно након дуготрајне употребе. Недостатак је што је скупо (у односу на појединачну платину-родијум).

Д. Никл-хром-никл-силицијум (никл-алуминијум) термоелемент (број оцењивања је К) Позитивна електрода овог термоелемента је легура никл-хром која садржи 10% хром, а негативна електрода је легура никл-силицијум која садржи 3% силицијум (негативна електрода производа у неким земљама је чисти никл). Може да мери температуру медија од 0-1300℃ и погодан је за континуирану употребу у оксидационим и инертним гасовима. Температура краткотрајне употребе је 1200 ℃, а температура дуготрајне употребе је 1000 ℃. Његов термоелектрични потенцијал је Температурни однос је приближно линеаран, цена је јефтина, и то је тренутно најчешће коришћени термопар.

Термопар К-типа је термоелемент од обичних метала са јаком отпорношћу на оксидацију. Није погодан за употребу голе жице у вакууму, који садрже сумпор, атмосфера која садржи угљеник, и редокс наизменичну атмосферу. Када је парцијални притисак кисеоника низак, хром у никл-хром електроди ће бити првенствено оксидован, изазивајући велику промену термоелектричног потенцијала, али метални гас има мало утицаја на њега. Стога, често се користе металне заштитне цеви.

Са жутим мушким утикачем Термоелемент К типа са опругом

Сензор температуре типа К са сондом од нерђајућег челика

Сензор температуре термоелемента од нерђајућег челика типа К типа ВРН-К

Недостаци термопарова типа К:
(1) Високотемпературна стабилност термоелектричног потенцијала је лошија од термопарова Н-типа и термоелемената од племенитих метала. На вишим температурама (на пример, преко 1000°Ц), често је оштећен оксидацијом.
(2) Краткорочна стабилност термичког циклуса је лоша у опсегу од 250-500°Ц, то је, на истој температурној тачки, очитавања термоелектричног потенцијала су различита током процеса загревања и хлађења, а разлика може достићи 2-3°Ц.
(3) Негативна електрода пролази кроз магнетну трансформацију у опсегу од 150-200°Ц, узрокујући да вредност градације у опсегу собне температуре до 230°Ц одступа од табеле градације. Посебно, када се користи у магнетном пољу, често се јавља сметња термоелектричног потенцијала која је независна од времена.
(4) Када је дуже време изложен зрачењу средњег система високог флукса, елементи као што је манган (Мн) и кобалта (Цо) у негативној електроди подлежу трансформацији, чинећи његову стабилност лошом, што резултира великом променом термоелектричног потенцијала.

Е. Никл-хром-силицијум-никл-силицијум термопар (Н) Главне карактеристике овог термопара су: јака контрола температуре и отпорност на оксидацију испод 1300 ℃, добра дугорочна стабилност и краткорочна поновљивост термичког циклуса, добра отпорност на нуклеарно зрачење и ниске температуре. Додатно, у опсегу од 400-1300 ℃, линеарност термоелектричних карактеристика термоелемента Н типа је боља од оне код К-типа. Међутим, нелинеарна грешка је велика у опсегу ниских температура (-200-400℃), а материјал је тврд и тежак за обраду.

Е. Бакар-бакар-никл термоелемент (Т) Термопар Т-типа, позитивна електрода овог термоелемента је чисти бакар, а негативна електрода је легура бакра и никла (познат и као константан). Његове главне карактеристике су: међу термоелементима од основних метала, има највећу тачност и добру униформност термоелектроде. Његова радна температура је -200～350 ℃. Пошто се бакарни термоелемент лако оксидира, а оксидни филм лако пада, генерално није дозвољено да пређе 300℃ када се користи у оксидационој атмосфери, и налази се у опсегу од -200～300℃. Релативно су осетљиви. Још једна карактеристика бакар-константан термопарова је да су јефтини, и они су најјефтинији од неколико уобичајених стандардизованих производа.

Ф. Гвожђе-константан термоелемент (број оцењивања је Ј)
Ј-тип термоелемента, позитивна електрода овог термоелемента је чисто гвожђе, а негативна електрода је константан (легура бакра и никла), који се одликује јефтином ценом. Погодан је за редукцију или инертну атмосферу вакуумске оксидације, а температурни опсег је од -200～800℃. Међутим, уобичајена температура је само испод 500℃, јер после прекорачења ове температуре, убрзава се брзина оксидације термоелемента гвожђа. Ако се користи пречник дебеле жице, и даље се може користити на високој температури и има дужи век трајања. Овај термопар је отпоран на корозију водоником (Х2) и угљен моноксид (ЦО) гасови, али се не може користити на високим температурама (нпр. 500℃) сумпор (С) атмосфере.

Г. Никл-хром-бакар-никл (Цонстантан) термоелемент (код дивизије Е)
Термопар типа Е је релативно нов производ, са позитивном електродом од легуре никл-хром и негативном електродом од легуре бакар-никл (Цонстантан). Његова највећа карактеристика је да међу најчешће коришћеним термопаровима, његов термоелектрични потенцијал је највећи, то је, њена осетљивост је највећа. Иако опсег његове примене није тако широк као код типа К, често се бира под условима који захтевају високу осетљивост, ниска топлотна проводљивост, и дозвољени велики отпор. Ограничења у употреби су иста као и код типа К, али није веома осетљив на корозију у атмосферама са високом влажношћу.

Поред наведеног 8 најчешће коришћени термопарови, постоје и термопарови волфрам-ренијум, платина-родијум термопарови, иридијум-германијумски термопарови, платина-молибден термопарови, а термопарови од неметалног материјала као нестандардизовани термопарови. Следећа табела наводи однос између спецификација материјала и пречника жице најчешће коришћених термопарова и температуре употребе:

Пречник жице за оцењивање термоелемента (мм) Дугорочно Краткорочно
СΦ0.513001600
РФ0.513001600
БΦ0,516001800
КΦ1.28001000

(4) Температурна компензација хладног краја термоелемента
Да би се уштедели трошкови материјала за термопар, посебно када се користе племенити метали, за продужавање хладног краја обично се користи компензациона жица (слободан крај) термоелемента у контролну собу где је температура релативно стабилна и повежите га на терминал инструмента. Требало би бити јасно да је улога жице за компензацију термоелемента ограничена на проширење термоелемента и померање хладног краја термоелемента на терминал инструмента у контролној соби. Она сама по себи не може да елиминише утицај промене температуре хладног краја на мерење температуре и не може да игра улогу компензације.

Изолациона цев

Радни крајеви термоелемента су чврсто заварени, а термопарове је потребно заштитити изолационим цевима. Постоји много доступних материјала за изолационе цеви, који се углавном деле на органску и неорганску изолацију. За крај високе температуре, неоргански материјали морају бити одабрани као изолационе цеви. Опћенито, глинене изолационе цеви се могу изабрати испод 1000℃, високе алуминијумске цеви могу се изабрати испод 1300℃, а корундске цеви се могу изабрати испод 1600℃.

Заштитна цев

Функција заштитне цеви је да спречи директан контакт електроде термоелемента са мереним медијумом. Његова функција не само да продужава век трајања термоелемента, али пружа и функцију подупирача и фиксирања термоелектроде и појачавања њене чврстоће. Стога, правилан избор заштитних цеви и изолационих материјала термоелемената је кључан за радни век и тачност мерења термоелемента. Материјали заштитне цеви су углавном подељени у две категорије: метала и неметала.

Резиме:
Термопарови су сензори који се обично користе у индустријском мерењу температуре, који се одликују високом прецизношћу, економичност и применљивост у широком температурном опсегу. Мери мерењем температурне разлике између топлог и хладног краја.

Да би се добила температура сензорске тачке врућег краја, потребно је измерити температуру хладног краја и сходно томе подесити излаз термопара. Типично, хладни спој се одржава на истој температури као и улаз јединице за обраду сигнала термоелемента кроз лист материјала високе топлотне проводљивости. Бакар је материјал са идеалном топлотном проводљивошћу (381В/мК). Улазна веза мора бити електрично изолована како би се спречило да сигнал термоелемента омета проводљивост топлоте на чипу. Цела јединица за обраду сигнала је пожељно у овом изотермном окружењу.

Опсег сигнала термоелемента је обично на нивоу микроволта/℃. Јединица за обраду сигнала термоелемента је веома осетљива на електромагнетне сметње (ЕМИ), а вод термоелемента често омета ЕМИ. ЕМИ повећава несигурност примљеног сигнала и нарушава тачност прикупљених података о температури. Додатно, наменски кабл термоелемента потребан за повезивање је такође скуп, и ако друге врсте каблова нису пажљиво замењене, може изазвати потешкоће у анализи.

Пошто је ЕМИ пропорционалан дужини линије, уобичајене опције за минимизирање сметњи су постављање контролног кола близу тачке сенсирања, додајте удаљену плочу близу тачке детекције, или користите сложено филтрирање сигнала и заштиту каблова. Елегантније решење је да се дигитализује излаз термоелемента близу тачке осетљивости.

(5) Ток производње термоелемента
Контрола процеса производње термоелемента обухвата следеће:
1) Инспекција жице: проверити геометријске димензије и термоелектрични потенцијал.
2) Инспекција компензационе жице: проверити геометријске димензије и термоелектрични потенцијал.
3) Припремите и прегледајте компоненте као што су пластичне утичнице, алуминијумске капице, ватросталне базе, папирне цеви и мале папирне цеви.
4) Вруће заваривање: проверите квалификовану стопу лемних спојева и квалификовану стопу дужине преко П контролне карте.
5) Жарење жице: укључујући примарно жарење (жарење након испирања са алкалним и киселим) и секундарно жарење (жарење након проласка кроз цев у облику слова У), контролисати температуру и време жарења.
6) Инспекција процеса: укључујући и расуђивање поларитета, отпорност петље и квалитет изгледа као и преглед геометријских димензија.
7) Заваривање на хладном крају: контролни напон заваривања, проверите облик лемног споја и сферну величину.
8) Монтажа и изливање: саставити по потреби, укључујући контролу положаја врућег краја и удаљености жице за компензацију. Захтеви за изливање укључују припрему цемента, температура и време печења, и мерење отпора изолације.
9) Завршни преглед: Проверите геометрију, отпор петље, позитивни и негативни поларитет и отпор изолације.

(6) Примена термопарних сензора
Термопарови се формирају спајањем два различита проводника заједно. Када су мерни и референтни спојеви на различитим температурама, такозвана термоелектромагнетна сила (ЕМФ) се генерише. Намена споја Мерни спој је део споја термоелемента који је на измереној температури.

Референтни спој игра улогу одржавања познате температуре или аутоматске компензације температурних промена у термопару. У конвенционалним индустријским применама, елемент термоелемента је обично повезан са конектором, док је референтни спој повезан са контролисаним окружењем са релативно стабилном температуром преко одговарајуће продужне жице термоелемента. Тип споја може бити спој термоелемента повезан са шкољком или изоловани спој термоелемента.

Спој термоелемента повезан са шкољком је физичким везом повезан са зидом сонде (заваривање), а топлота се преноси споља на спој кроз зид сонде да би се постигао добар пренос топлоте. Овај тип споја је погодан за мерење температуре статичких или текућих корозивних гасова и течности, као и неке апликације високог притиска.

Изоловани термопарови имају спојеве који су одвојени од зида сонде и окружени меким прахом. Иако изоловани термопарови имају спорији одзив од термоелемента са омотачем, обезбеђују електричну изолацију. За мерење у корозивним срединама препоручују се изоловани термопарови, где је термопар потпуно електрични изолован од околног окружења омотачем.

Термопарови са отвореним терминалима омогућавају врху споја да продре у околину. Овај тип термоелемента обезбеђује најбоље време одзива, али је погодан само за некорозивне, неопасан, и апликације без притиска. Време одзива се може изразити у терминима временске константе, што је дефинисано као време потребно да се сензор промени 63.2% од почетне вредности до коначне вредности у контролисаном окружењу. Термопарови са отвореним терминалима имају највећу брзину одзива, а што је мањи пречник омотача сонде, што је брзина одговора већа, али што је нижа максимално дозвољена температура мерења.

Термопарови са продужним жицама користе продужну жицу за пренос референтног споја са термоелемента на жицу на другом крају, који се обично налази у контролисаном окружењу и има исте температурно-електромагнетне фреквенцијске карактеристике као термопар. Када је правилно повезан, продужна жица преноси референтну тачку везе у контролисано окружење.