Ce este un termocuplu, principiul de funcționare, principalele tipuri și tipuri

Un termocuplu este un dispozitiv pentru măsurarea temperaturilor în toate ramurile științei și tehnologiei. Acest articol prezintă o prezentare generală a termocuplurilor cu o analiză a designului și principiului de funcționare a dispozitivului. Sunt descrise varietăți de termocupluri cu caracteristicile lor scurte și se oferă, de asemenea, o evaluare a termocuplului ca instrument de măsurare.

Dispozitiv de termocuplu

Principiul de funcționare al unui termocuplu. efect Seebeck

Funcționarea unui termocuplu se datorează apariției efectului termoelectric, descoperit de fizicianul german Tomas Seebeck în 1821.

Fenomenul se bazează pe apariția energiei electrice într-un circuit electric închis atunci când este expus la o anumită temperatură ambientală. Un curent electric apare atunci când între doi conductori (termoelectrozi) de compoziție diferită (metale sau aliaje diferite) există o diferență de temperatură și se menține prin menținerea locului contactelor (joncțiunilor) acestora. Aparatul afișează valoarea temperaturii măsurate pe ecranul dispozitivului secundar conectat.

Tensiunea de ieșire și temperatura sunt legate liniar. Aceasta înseamnă că o creștere a temperaturii măsurate are ca rezultat o valoare mai mare în milivolt la capetele libere ale termocuplului.

Joncțiunea situată în punctul de măsurare a temperaturii se numește „fierbinte”, iar locul în care firele sunt conectate la convertor se numește „rece”.

Compensarea temperaturii joncțiunii la rece (CJC)

Compensarea joncțiunii la rece (CJC) este o compensare aplicată ca o corecție a citirii totale atunci când se măsoară temperatura în punctul în care cablurile termocuplului sunt conectate. Acest lucru se datorează discrepanțelor dintre temperatura reală a capetelor reci și citirile calculate ale tabelului de calibrare pentru temperatura joncțiunii reci la 0°C.

CCS este o metodă diferențială în care citirile absolute ale temperaturii sunt găsite de la o temperatură cunoscută a joncțiunii rece (cunoscută și ca joncțiune de referință).

Design termocuplu

La proiectarea unui termocuplu, se ia în considerare influența unor factori precum „agresivitatea” mediului extern, starea de agregare a substanței, intervalul de temperaturi măsurate și altele.

Caracteristicile designului termocuplului:

1) Joncțiunile conductoarelor sunt interconectate prin răsucire sau răsucire cu sudare suplimentară cu arc electric (rar prin lipire).

IMPORTANT: Nu se recomandă utilizarea metodei de răsucire din cauza pierderii rapide a proprietăților de joncțiune.

2) Termoelectrozii trebuie să fie izolați electric pe toată lungimea lor, cu excepția punctului de contact.

3) Metoda de izolare este selectată ținând cont de limita superioară de temperatură.

• Până la 100-120°C - orice izolație;
• Pana la 1300°C - tuburi sau margele de portelan;
• Până la 1950°C - tuburi din Al₂O₃;
• Peste 2000°С - tuburi din MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Husa de protectie.

Materialul trebuie sa fie rezistent termic si chimic, cu o buna conductivitate termica (metal, ceramica). Utilizarea unei cizme previne coroziunea în anumite medii.

Fire de prelungire (compensare).

Acest tip de fir este necesar pentru a extinde capetele termocuplului la instrumentul secundar sau bariera. Firele nu sunt utilizate dacă termocuplul are un convertor încorporat cu un semnal de ieșire unificat. Cel mai utilizat este convertorul de normalizare, situat în capul terminalului standard al senzorului cu un semnal unificat 4-20mA, așa-numita „tabletă”.

Materialul firelor poate coincide cu materialul termoelectrodului, dar cel mai adesea acesta este înlocuit cu unul mai ieftin, ținând cont de condițiile care împiedică formarea de termo-emfs parazitare (induse). Utilizarea cablurilor de prelungire vă permite, de asemenea, să optimizați producția.

Truc! Pentru a determina corect polaritatea firelor de compensare și a le conecta la termocuplu, amintiți-vă regula mnemonică MM - minus este magnetizat. Adică luăm orice magnet și se va magnetiza minusul compensării, spre deosebire de plus.

Tipuri și tipuri de termocupluri

Varietatea termocuplurilor este explicată prin diferite combinații de aliaje metalice utilizate. Alegerea termocuplului se realizează în funcție de industrie și de intervalul de temperatură necesar.

Termocuplu cromel-alumel (TXA)

Electrod pozitiv: aliaj cromel (90% Ni, 10% Cr).
Electrod negativ: aliaj de alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Material de izolație: porțelan, cuarț, oxizi de metal etc.

Interval de temperatură de la -200°С la 1300°С pe termen scurt și 1100°С încălzire pe termen lung.

Mediu de lucru: inert, oxidant (O₂=2-3% sau complet exclus), hidrogen uscat, vid de scurtă durată. În atmosferă reducătoare sau redox în prezența unui înveliș de protecție.

Dezavantaje: ușurință de deformare, instabilitate reversibilă a termo-EMF.

Pot exista cazuri de coroziune și fragilizare a alumelului în prezența urmelor de sulf în atmosferă și cromel într-o atmosferă slab oxidantă („argilă verde”).

Termocuplu chromel-kopel (TKhK)

Electrod pozitiv: aliaj cromel (90% Ni, 10% Cr).
Electrod negativ: aliaj Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Interval de temperatură de la -253°С la 800°С pe termen lung și 1100°С încălzire pe termen scurt.

Mediu de lucru: inert și oxidant, vid de scurtă durată.

Dezavantaje: deformarea termoelectrodului.

Posibilitatea de evaporare a cromului sub vid prelungit; reacție cu o atmosferă care conține sulf, crom, fluor.

Termocuplu fier-constantan (TGK)

Electrod pozitiv: fier pur comercial (oțel moale).
Electrod negativ: aliaj constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Folosit pentru măsurători în mediu reducător, inert și vid. Temperatura de la -203°С la 750°С pe termen lung și 1100°С încălzire pe termen scurt.

Aplicația se dezvoltă pe măsurarea în comun a temperaturilor pozitive și negative. Este neprofitabil să se folosească numai pentru temperaturi negative.

Dezavantaje: deformarea termoelectrodului, rezistență scăzută la coroziune.

Modificări ale proprietăților fizico-chimice ale fierului la aproximativ 700°C și 900°C. Reacționează cu sulful și vaporii de apă formând coroziune.

Termocuplu tungsten-reniu (TVR)

Electrod pozitiv: aliaje BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 cu silice și aditiv de aluminiu) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Electrod negativ: aliaje BP20 (80% W, 20% Rh).

Izolație: ceramică cu oxid de metal pur chimic.

Se remarcă rezistența mecanică, rezistența la căldură, sensibilitatea scăzută la poluare, ușurința de fabricare.

Măsurarea temperaturilor de la 1800°С la 3000°С, limita inferioară este de 1300°С. Măsurătorile sunt efectuate într-un mediu de gaz inert, hidrogen uscat sau vid. În medii oxidante numai pentru măsurare în procese rapide.

Dezavantaje: reproductibilitatea slabă a termo-EMF, instabilitatea acestuia în timpul iradierii, sensibilitate instabilă în domeniul de temperatură.

Termocuplu tungsten-molibden (VM)

Electrod pozitiv: wolfram (pur comercial).
Electrod negativ: molibden (pur comercial).

Izolație: ceramică de alumină, protejată cu vârfuri de cuarț.

Mediu inert, hidrogen sau vid. Este posibil să se efectueze măsurători pe termen scurt în medii oxidante în prezența izolației.Gama de temperaturi măsurate este de 1400-1800°C, temperatura maximă de funcționare este de aproximativ 2400°C.

Dezavantaje: reproductibilitate și sensibilitate slabă a EMF termică, inversarea polarității, fragilizarea la temperaturi ridicate.

Termocupluri platină-rodiu-platină (TPP)

Electrod pozitiv: platină-rodiu (Pt c 10% sau 13% Rh).
Electrod negativ: platină.

Izolație: cuarț, porțelan (plan și refractar). Până la 1400°C - ceramică cu un conținut ridicat de Al₂O₃, peste 1400°C - ceramică din Al₂O₃.

Temperatura maxima de functionare 1400°C pe termen lung, 1600°C pe termen scurt. Măsurarea temperaturilor scăzute nu este de obicei efectuată.

Mediu de lucru: oxidant și inert, reducător în prezența protecției.

Dezavantaje: cost ridicat, instabilitate în timpul iradierii, sensibilitate mare la contaminare (în special electrodul de platină), creșterea granulelor de metal la temperaturi ridicate.

Termocupluri platină-rodiu-platină-rodiu (TPR)

Electrod pozitiv: aliaj Pt cu 30% Rh.
Electrod negativ: aliaj Pt cu 6% Rh.

Mediu: oxidant, neutru și vid. Utilizare pentru reducerea și reținerea vaporilor de metale sau nemetale în prezența protecției.

Temperatura maxima de functionare 1600°C pe termen lung, 1800°C pe termen scurt.

Izolatie: Al ceramica₂O₃ puritate înaltă.

Mai puțin susceptibil la contaminarea chimică și creșterea cerealelor decât un termocuplu platină-rodiu-platină.

Schema cablajului termocuplului

• Conectarea unui potențiometru sau galvanometru direct la conductori.
• Conexiune cu fire de compensare;
• Conexiune cu fire de cupru convenționale la un termocuplu cu o ieșire unificată.

Standarde de culoare a conductoarelor de termocuplu

Izolarea conductorului colorat ajută la distingerea termoelectrodilor unul de celălalt pentru o conexiune adecvată la bornele. Standardele diferă în funcție de țară, nu există coduri de culoare specifice pentru conductori.

IMPORTANT: Este necesar să se cunoască standardul folosit în întreprindere pentru a preveni erorile.

Precizia măsurătorilor

Precizia depinde de tipul de termocuplu, intervalul de temperatură, puritatea materialului, zgomotul electric, coroziune, proprietățile joncțiunii și procesul de fabricație.

Termocuplurilor li se atribuie o clasă de toleranță (standard sau specială) care stabilește un interval de încredere al măsurării.

IMPORTANT: Caracteristicile la momentul fabricației se modifică în timpul funcționării.

Viteza de masurare

Viteza este determinată de capacitatea convertorului primar de a răspunde rapid la salturile de temperatură și de fluxul de semnale de intrare ale dispozitivului de măsurare care le urmează.

Factori care cresc performanța:

1. Instalarea corectă și calculul lungimii convertorului primar;
2. Atunci când utilizați un traductor cu un manșon de protecție, este necesar să reduceți masa unității prin selectarea unui diametru mai mic al manșoanelor;
3. Minimizarea spațiului de aer dintre convertorul primar și manșonul de protecție;
4. Utilizarea unui convertor primar cu arc și umplerea golurilor din manșon cu o umplutură conducătoare de căldură;
5. Un mediu cu mișcare rapidă sau mai dens (lichid).

Verificarea performanței termocuplului

Pentru a verifica performanța, conectați un dispozitiv special de măsurare (tester, galvanometru sau potențiometru) sau măsurați tensiunea de ieșire cu un milivoltmetru. Dacă există fluctuații ale săgeții sau ale indicatorului digital, termocuplul este funcțional, în caz contrar dispozitivul trebuie înlocuit.

Cauzele defectării termocuplului:

1. Neutilizarea unui dispozitiv de ecranare de protecție;
2. Modificarea compoziției chimice a electrozilor;
3. Procese oxidative care se desfășoară la temperaturi ridicate;
4. Defecțiunea dispozitivului de control și măsurare etc.

Avantajele și dezavantajele utilizării termocuplurilor

Avantajele utilizării acestui dispozitiv sunt:

• Domeniu mare de măsurare a temperaturii;
• Precizie ridicată;
• Simplitate și fiabilitate.

Dezavantajele includ:

• Implementarea monitorizării continue a joncțiunii rece, verificarea și calibrarea echipamentelor de control;
• Modificări structurale ale metalelor în timpul fabricării dispozitivului;
• Dependența de compoziția atmosferei, costul etanșării;
• Eroare de măsurare datorată undelor electromagnetice.

Articole similare: