Termoelement, En av temperatursensorerna

Temperatursensorer används ofta och finns i många typer, men de vanligaste typerna är: termoelement (PT100/PT1000), termopålar, termistorer, motståndstemperaturdetektorer, och IC temperatursensorer. IC temperatursensorer inkluderar två typer: analoga utgångssensorer och digitala utgångssensorer. Enligt temperatursensorns material och elektroniska komponentegenskaper, de är indelade i två kategorier: termiska motstånd och termoelement. Termoelement har blivit industristandardmetoden för kostnadseffektiv mätning av ett brett temperaturområde med rimlig noggrannhet. De används i en mängd olika applikationer upp till cirka +2500°C i pannor, varmvattenberedare, ugnar, och flygmotorer – för att bara nämna några.

Typ platina-rodium termoelement Hög temperaturbeständig 1600 grader korundrör

PT100 temperatursensor nål sond termoelement

3-tråd PT100 platina motstånd termoelement med skärmad kabel

(1) Grundläggande definition av termoelement
Termoelement är ett av de mest använda temperaturdetekteringselementen inom industrin. Termoelementens arbetsprincip är baserad på Seebeck-effekten, vilket är ett fysiskt fenomen där två ledare av olika komponenter är anslutna i båda ändar för att bilda en slinga. Om temperaturen på de två förbindande ändarna är olika, en termisk ström genereras i slingan.

Som en av de mest använda temperatursensorerna inom industriell temperaturmätning, termoelement, tillsammans med termiska platinamotstånd, står för ca 60% av det totala antalet temperaturgivare. Termoelement används vanligtvis i samband med displayinstrument för att direkt mäta yttemperaturen på vätskor, ångor, gasformiga medier och fasta ämnen inom intervallet -40 till 1800°C i olika produktionsprocesser. Fördelarna inkluderar hög mätnoggrannhet, brett mätområde, enkel struktur och enkel användning.

(2) Grundprincipen för temperaturmätning av termoelement
Termoelement är ett temperaturavkännande element som direkt kan mäta temperatur och omvandla den till en termoelektrisk potentialsignal. Signalen omvandlas till det uppmätta mediets temperatur genom ett elektriskt instrument. Termoelementets arbetsprincip är att två ledare av olika komponenter bildar en sluten slinga. När en temperaturgradient finns, ström kommer att passera genom slingan och generera en termoelektrisk potential, vilket är Seebeck-effekten. Termoelementets två ledare kallas termoelement, vars ena ände är arbetsänden (högre temperatur) och den andra änden är den fria änden (vanligtvis vid en konstant temperatur). Enligt förhållandet mellan termoelektrisk potential och temperatur, en termoelementvåg är gjord. Olika termoelement har olika skalor.

När ett tredje metallmaterial är anslutet till termoelementslingan, så länge som temperaturen på materialets två kontakter är densamma, den termoelektriska potentialen som genereras av termoelementet kommer att förbli oförändrad och kommer inte att påverkas av den tredje metallen. Därför, vid mätning av termoelementets temperatur, ett mätinstrument kan anslutas för att bestämma temperaturen på det uppmätta mediet genom att mäta den termoelektriska potentialen. Termoelement svetsar ledare eller halvledare A och B till en sluten slinga.

Termoelement svetsar samman två ledare eller halvledare A och B av olika material för att bilda en sluten slinga, som visas i figuren.

När det finns en temperaturskillnad mellan de två fästpunkterna 1 och 2 av ledarna A och B, en elektromotorisk kraft genereras mellan de två, bildar således en ström av en viss storlek i slingan. Detta fenomen kallas den termoelektriska effekten. Termoelement fungerar genom att använda denna effekt.

Två ledare av olika komponenter (kallas termoelementtrådar eller heta elektroder) är anslutna i båda ändar för att bilda en slinga. När temperaturerna i korsningarna är olika, en elektromotorisk kraft genereras i slingan. Detta fenomen kallas den termoelektriska effekten, och denna elektromotoriska kraft kallas den termoelektriska potentialen. Termoelement använder denna princip för att mäta temperatur. Bland dem, den ände som direkt används för att mäta mediets temperatur kallas arbetsänden (även kallad mätändan), och den andra änden kallas den kalla änden (även kallat ersättningsslutet); den kalla änden är ansluten till displayinstrumentet eller det matchande instrumentet, och displayinstrumentet kommer att indikera den termoelektriska potentialen som genereras av termoelementet.

Termoelement är energiomvandlare som omvandlar termisk energi till elektrisk energi och mäter temperaturen genom att mäta den genererade termoelektriska potentialen. När man studerar termoelementens termoelektriska potential, följande frågor måste noteras:
1) Den termoelektriska potentialen för ett termoelement är en funktion av temperaturskillnaden mellan termoelementets två ändar, inte temperaturskillnaden mellan termoelementets två ändar.
2) Storleken på den termoelektriska potentialen som genereras av ett termoelement har ingenting att göra med termoelementets längd och diameter, men endast med sammansättningen av termoelementmaterialet och temperaturskillnaden mellan de två ändarna, förutsatt att termoelementmaterialet är enhetligt.
3) Efter att ha bestämt materialsammansättningen av termoelementets två termoelementtrådar, storleken på termoelementets termoelektriska potential är endast relaterad till termoelementets temperaturskillnad. Om temperaturen på den kalla änden av termoelementet förblir konstant, termoelementets termoelektriska potential är endast en enkelvärdig funktion av arbetsändtemperaturen.
Vanligt använda termoelementmaterial är:
(3) Typer och strukturer av termoelement
Typer
Termoelement kan delas in i två kategorier: standard termoelement och icke-standard termoelement. Det så kallade standardtermoelementet hänvisar till ett termoelement vars nationella standard anger förhållandet mellan dess termoelektriska potential och temperatur, det tillåtna felet, och har en enhetlig standardskala. Den har ett matchande displayinstrument för val. Icke-standardiserade termoelement är sämre än standardiserade termoelement när det gäller användningsområde eller storleksordning, och har i allmänhet inte en enhetlig skala. De används främst för mätningar vid vissa speciella tillfällen.

Grundläggande struktur för termoelement:
Den grundläggande strukturen för termoelement som används för industriell temperaturmätning inkluderar termoelementtråd, isoleringsrör, skyddsrör och kopplingsdosa, etc.

Vanligt använda termoelementtrådar och deras egenskaper:
A. Platina-rhodium 10-platina termoelement (med examenstalet S, även känt som enkel platina-rodium termoelement). Den positiva elektroden i detta termoelement är en platina-rodiumlegering som innehåller 10% rodium, och den negativa elektroden är ren platina;

Funktioner:
(1) Stabil termoelektrisk prestanda, stark oxidationsbeständighet, lämplig för kontinuerlig användning i en oxiderande atmosfär, Långvarig användningstemperatur kan nå 1300 ℃, när den överstiger 1400 ℃, även i luften, ren platinatråd kommer att omkristalliseras, gör kornen grova och trasiga;
(2) Hög precision. Det är den högsta noggrannhetsgraden bland alla termoelement och används vanligtvis som standard eller för att mäta högre temperaturer;
(3) Brett användningsområde, god enhetlighet och utbytbarhet;
(4) De största nackdelarna är: liten differentiell termoelektrisk potential, så låg känslighet; dyrt pris, låg mekanisk hållfasthet, inte lämplig för användning i en reducerande atmosfär eller under förhållanden med metallånga.

B. Platina-rhodium 13-platina termoelement (med examenstalet R, även känt som enkel platina-rodium termoelement) Den positiva elektroden i detta termoelement är en platina-rodiumlegering som innehåller 13%, och den negativa elektroden är ren platina. Jämfört med S-typen, dess potentiella kurs är ca 15% högre. Andra fastigheter är nästan desamma. Denna typ av termoelement används mest som ett högtemperaturtermoelement i den japanska industrin, men det används mindre i Kina;

C. Platina-rodium 30-platina-rodium 6 termoelement (division nummer B, även känt som dubbelt platina-rodium termoelement) Den positiva elektroden i detta termoelement är en platina-rodiumlegering som innehåller 30% rodium, och den negativa elektroden är en platina-rodiumlegering innehållande 6% rodium. Vid rumstemperatur, dess termoelektriska potential är mycket liten, så kompensationsledningar används i allmänhet inte under mätningen, och påverkan av förändringar i kalla sluttemperaturer kan ignoreras. Den långvariga användningstemperaturen är 1600 ℃, och den kortvariga användningstemperaturen är 1800 ℃. Eftersom den termoelektriska potentialen är liten, ett displayinstrument med högre känslighet krävs.

Termoelement av typ B är lämpliga för användning i oxiderande eller neutrala atmosfärer, och kan även användas för kortvarig användning i vakuumatmosfärer. Även i en reducerande atmosfär, dess liv är 10 till 20 gånger den för typ B. gånger. Eftersom dess elektroder är gjorda av platina-rodiumlegering, det har inte alla nackdelarna med den negativa elektroden hos platina-rodium-platina termoelement. Det finns liten tendens till stor kristallisation vid hög temperatur, och den har större mekanisk styrka. Samtidigt, eftersom det har mindre inflytande på absorptionen av föroreningar eller migrationen av rodium, dess termoelektriska potential förändras inte allvarligt efter långvarig användning. Nackdelen är att det är dyrt (i förhållande till enkel platina-rodium).

D. Nickel-krom-nickel-kisel (nickel-aluminium) termoelement (betygsnummer är K) Den positiva elektroden i detta termoelement är en nickel-kromlegering som innehåller 10% krom, och den negativa elektroden är en nickel-kisellegering innehållande 3% kisel (den negativa elektroden på produkter i vissa länder är rent nickel). Den kan mäta medeltemperaturen på 0-1300 ℃ och är lämplig för kontinuerlig användning i oxiderande och inerta gaser. Den kortvariga användningstemperaturen är 1200 ℃, och den långvariga användningstemperaturen är 1000 ℃. Dess termoelektriska potential är Temperaturförhållandet är ungefär linjärt, priset är billigt, och det är det mest använda termoelementet för närvarande.

Termoelement av K-typ är ett termoelement av oädel metall med stark oxidationsbeständighet. Den lämpar sig inte för användning av blanktråd i vakuum, svavelhaltig, kolhaltig atmosfär, och redox alternerande atmosfär. När syrepartialtrycket är lågt, krom i nickel-kromelektroden kommer företrädesvis att oxideras, orsakar en stor förändring i den termoelektriska potentialen, men metallgasen har liten effekt på den. Därför, metallskyddsrör används ofta.

Med gul hanplugg Fjäderbelastat termoelement K typ

Temperaturgivare av K-typ med rostfri sond

K-typ rostfritt stål WRN-K serie termoelement temperaturgivare

Nackdelar med termoelement av K-typ:
(1) Högtemperaturstabiliteten för termoelektrisk potential är sämre än för termoelement av N-typ och termoelement av ädelmetall. Vid högre temperaturer (till exempel, över 1000°C), det skadas ofta av oxidation.
(2) Den kortsiktiga termiska cykelstabiliteten är dålig i intervallet 250-500°C, som är, vid samma temperaturpunkt, de termoelektriska potentialavläsningarna är olika under uppvärmning och kylning, och skillnaden kan nå 2-3°C.
(3) Den negativa elektroden genomgår en magnetisk transformation i intervallet 150-200°C, vilket gör att graderingsvärdet i intervallet rumstemperatur till 230°C avviker från graderingstabellen. Särskilt, när den används i ett magnetfält, termoelektriska potentiella störningar som är oberoende av tid förekommer ofta.
(4) När den utsätts för högflux medelsystembestrålning under lång tid, grundämnen som mangan (Mn) och kobolt (Co) i den negativa elektroden genomgå en transformation, gör dess stabilitet dålig, vilket resulterar i en stor förändring i termoelektrisk potential.

E. Nickel-krom-kisel-nickel-kisel termoelement (N) Huvuddragen hos detta termoelement är: stark temperaturkontroll och oxidationsbeständighet under 1300 ℃, god långsiktig stabilitet och kortvarig termisk cykelreproducerbarhet, bra motståndskraft mot kärnstrålning och låg temperatur. Dessutom, i intervallet 400-1300 ℃, the linearity of the thermoelectric characteristics of the N-type thermocouple is better than that of the K-type. Dock, the nonlinear error is large in the low temperature range (-200-400℃), and the material is hard and difficult to process.

E. Copper-copper-nickel thermocouple (T) T-type thermocouple, the positive electrode of this thermocouple is pure copper, and the negative electrode is copper-nickel alloy (also known as constantan). Its main features are: among the base metal thermocouples, it has the highest accuracy and good uniformity of the thermoelectrode. Its operating temperature is -200～350℃. Because the copper thermocouple is easy to oxidize and the oxide film is easy to fall off, it is generally not allowed to exceed 300℃ when used in an oxidizing atmosphere, and is within the range of -200～300℃. De är relativt känsliga. En annan egenskap hos koppar-konstantan termoelement är att de är billiga, och de är de billigaste av flera vanliga standardiserade produkter.

F. Järn-konstantan termoelement (betygsnummer är J)
J-typ termoelement, den positiva elektroden på detta termoelement är rent järn, och den negativa elektroden är konstantan (koppar-nickellegering), som kännetecknas av sitt billiga pris. Den är lämplig för att reducera eller inert atmosfär av vakuumoxidation, och temperaturområdet är från -200 ~ 800 ℃. Dock, den vanligaste temperaturen är endast under 500 ℃, eftersom efter att ha överskridit denna temperatur, oxidationshastigheten för järntermoelementet accelererar. Om en tjock tråddiameter används, den kan fortfarande användas vid hög temperatur och har längre livslängd. Detta termoelement är resistent mot korrosion av väte (H2) och kolmonoxid (CO) gaser, men kan inte användas i hög temperatur (till exempel. 500℃) svavel (S) atmosfärer.

G. Nickel-krom-koppar-nickel (Constantan) termoelement (divisionskod E)
Typ E termoelement är en relativt ny produkt, med en positiv elektrod av nickel-kromlegering och en negativ elektrod av koppar-nickellegering (Constantan). Dess största egenskap är den bland de vanligaste termoelementen, dess termoelektriska potential är störst, som är, dess känslighet är högst. Även om dess användningsområde inte är lika brett som det för Typ K, den väljs ofta under förhållanden som kräver hög känslighet, låg värmeledningsförmåga, och tillåtet stort motstånd. Användningsbegränsningarna är desamma som för typ K, men det är inte särskilt känsligt för korrosion i atmosfärer med hög luftfuktighet.

Utöver ovanstående 8 vanliga termoelement, det finns också volfram-rhenium termoelement, platina-rodium termoelement, iridium-germanium termoelement, platina-molybden termoelement, och termoelement av icke-metalliskt material som icke-standardiserade termoelement. Följande tabell listar förhållandet mellan materialspecifikationerna och tråddiametern för vanliga termoelement och användningstemperaturen:

Termoelement Graderingsnummer Tråddiameter (mm) Långsiktigt Kortsiktigt
SΦ0,513001600
RF0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Temperaturkompensation av termoelementets kalla ände
För att spara kostnaderna för termoelementmaterial, speciellt när man använder ädelmetaller, en kompensationstråd används vanligtvis för att förlänga den kalla änden (fri ände) av termoelementet in i kontrollrummet där temperaturen är relativt stabil och anslut den till instrumentterminalen. Det bör vara tydligt att termoelementets kompensationsledning är begränsad till att förlänga termoelementet och flytta den kalla änden av termoelementet till instrumentterminalen i kontrollrummet. Den kan i sig inte eliminera påverkan av den kalla sluttemperaturförändringen på temperaturmätningen och kan inte spela en kompensationsroll.

Isolerande rör

Termoelementets arbetsändar är ordentligt sammansvetsade, och termoelementen måste skyddas av isolerande rör. Det finns många material tillgängliga för isoleringsrör, som huvudsakligen är uppdelade i organisk och oorganisk isolering. För den höga temperaturen, oorganiska material måste väljas som isoleringsrör. I allmänhet, lerisoleringsrör kan väljas under 1000 ℃, höga aluminiumrör kan väljas under 1300 ℃, och korundrör kan väljas under 1600 ℃.

Skyddsrör

Skyddsrörets funktion är att förhindra att termoelementelektroden kommer i direkt kontakt med det uppmätta mediet. Dess funktion förlänger inte bara termoelementets livslängd, men ger också funktionen att stödja och fixera termoelektroden och förbättra dess styrka. Därför, det korrekta valet av termoelementskyddsrör och isoleringsmaterial är avgörande för termoelementets livslängd och mätnoggrannhet. Materialen i skyddsröret är huvudsakligen indelade i två kategorier: metall och icke-metall.

Sammanfattning:
Termoelement är vanliga sensorer vid industriell temperaturmätning, som kännetecknas av hög noggrannhet, ekonomi och användbarhet för ett brett temperaturområde. Den mäter genom att mäta temperaturskillnaden mellan den varma delen och den kalla delen.

För att erhålla temperaturen för den heta avkänningspunkten, det är nödvändigt att mäta den kalla sluttemperaturen och justera termoelementets effekt därefter. Typiskt, den kalla övergången hålls vid samma temperatur som ingången till termoelementets signalbehandlingsenhet genom ett materialark med hög värmeledningsförmåga. Koppar är ett material med idealisk värmeledningsförmåga (381W/mK). Ingångsanslutningen måste vara elektriskt isolerad för att förhindra att termoelementets signal stör värmeledningen på chipet. Hela signalbehandlingsenheten befinner sig företrädesvis i denna isotermiska miljö.

Termoelementets signalområde är vanligtvis i nivån mikrovolt/℃. Termoelementets signalbehandlingsenhet är mycket känslig för elektromagnetiska störningar (EMI), och termoelementledningen är ofta störd av EMI. EMI ökar osäkerheten för den mottagna signalen och skadar noggrannheten hos de insamlade temperaturdata. Dessutom, den dedikerade termoelementkabeln som krävs för anslutningen är också dyr, och om andra typer av kablar inte är noggrant ersatta, det kan orsaka svårigheter i analysen.

Eftersom EMI är proportionell mot längden på linjen, de vanliga alternativen för att minimera störningar är att placera styrkretsen nära avkänningspunkten, lägg till ett fjärrkort nära avkänningspunkten, eller använd komplex signalfiltrering och kabelskärmning. En mer elegant lösning är att digitalisera termoelementets utgång nära avkänningspunkten.

(5) Termoelement process produktionsflöde
Termoelementproduktionsprocesskontroll inkluderar följande:
1) Trådinspektion: kontrollera geometriska dimensioner och termoelektrisk potential.
2) Inspektion av kompensationstråd: kontrollera geometriska dimensioner och termoelektrisk potential.
3) Förbered och inspektera komponenter som plasthylsor, aluminiumkåpor, eldfasta baser, pappersrör och små pappersrör.
4) Hot end svetsning: verifiera den kvalificerade graden av lödfogar och den kvalificerade graden av längd genom P-kontrolldiagrammet.
5) Trådglödgning: inklusive primär glödgning (glödgning efter alkalisk tvättning och sur tvättning) och sekundär glödgning (glödgning efter att ha passerat genom det U-formade röret), kontrollera glödgningstemperatur och tid.
6) Processinspektion: inklusive polaritetsbedömning, slingmotstånd och utseendekvalitet samt geometrisk dimensionsinspektion.
7) Kalländsvetsning: styra svetsspänningen, kontrollera lödfogens form och sfäriska storlek.
8) Montering och hällning: montera efter behov, inklusive styrning av varma ändläge och kompensationstrådsavstånd. Hällningskraven inkluderar cementberedning, bakningstemperatur och tid, och isolationsresistansmätning.
9) Slutbesiktning: Kontrollera geometrin, slingmotstånd, positiv och negativ polaritet och isolationsresistans.

(6) Användning av termoelementsensorer
Termoelement bildas genom att två olika ledare kopplas samman. När mät- och referensövergångarna har olika temperaturer, den så kallade termoelektromagnetiska kraften (EMF) genereras. Kopplingsändamål Mätövergången är den del av termoelementövergången som har den uppmätta temperaturen.

Referensövergången spelar rollen som att upprätthålla en känd temperatur eller automatiskt kompensera för temperaturförändringar i termoelementet. I konventionella industriella tillämpningar, termoelementet är vanligtvis anslutet till kontakten, medan referensövergången är ansluten till en kontrollerad miljö med en relativt stabil temperatur genom en lämplig termoelementförlängningsledning. Typen av kopplingspunkt kan vara en skalansluten termoelementkoppling eller en isolerad termoelementkoppling.

Den skalanslutna termoelementkopplingen är ansluten till sondväggen med en fysisk anslutning (svetsning), och värme överförs från utsidan till korsningen genom sondväggen för att uppnå god värmeöverföring. Denna typ av korsning är lämplig för att mäta temperaturen hos statiska eller strömmande frätande gaser och vätskor, samt vissa högtrycksapplikationer.

Isolerade termoelement har kopplingar som är separerade från sondväggen och omgivna av ett mjukt pulver. Även om isolerade termoelement svarar långsammare än termoelement med skal, de ger elektrisk isolering. Isolerade termoelement rekommenderas för mätning i korrosiva miljöer, där termoelementet är helt elektriskt isolerat från den omgivande miljön av en mantelsköld.

Termoelement med exponerade terminaler gör att toppen av korsningen kan penetrera den omgivande miljön. Denna typ av termoelement ger den bästa svarstiden, men är endast lämplig för icke-frätande, icke-farligt, och icke-trycksatta applikationer. Svarstid kan uttryckas i termer av en tidskonstant, vilket definieras som den tid det tar för sensorn att ändras 63.2% från startvärdet till slutvärdet i den kontrollerade miljön. Termoelement med exponerade terminaler har den snabbaste svarshastigheten, och ju mindre sondens manteldiameter, desto snabbare svarshastighet, men ju lägre högsta tillåtna mättemperatur.

Termoelement för förlängningstråd använder förlängningskabel för att överföra referensövergången från termoelementet till en kabel i andra änden, som vanligtvis är placerad i den kontrollerade miljön och har samma temperatur-elektromagnetiska frekvensegenskaper som termoelementet. När korrekt ansluten, förlängningskabeln överför referensanslutningspunkten till den kontrollerade miljön.