Een thermokoppel is een apparaat voor het meten van temperaturen in alle takken van wetenschap en technologie. Dit artikel geeft een algemeen overzicht van thermokoppels met een analyse van het ontwerp en het werkingsprincipe van het apparaat. Soorten thermokoppels met hun korte kenmerken worden beschreven en er wordt ook een beoordeling gegeven van het thermokoppel als meetinstrument.
Inhoud
Thermokoppel apparaat
Het werkingsprincipe van een thermokoppel. Seebeck-effect
De werking van een thermokoppel is te wijten aan het optreden van het thermo-elektrische effect, ontdekt door de Duitse natuurkundige Tomas Seebeck in 1821.
Het fenomeen is gebaseerd op het optreden van elektriciteit in een gesloten elektrisch circuit bij blootstelling aan een bepaalde omgevingstemperatuur. Een elektrische stroom treedt op wanneer er een temperatuurverschil is tussen twee geleiders (thermo-elektroden) van verschillende samenstelling (ongelijke metalen of legeringen) en wordt gehandhaafd door de plaats van hun contacten te behouden (juncties). Het apparaat geeft de waarde van de gemeten temperatuur weer op het scherm van het aangesloten secundaire apparaat.
De uitgangsspanning en temperatuur zijn lineair gerelateerd. Dit betekent dat een verhoging van de gemeten temperatuur resulteert in een hogere millivoltwaarde aan de vrije uiteinden van het thermokoppel.
De kruising die zich op het punt van temperatuurmeting bevindt, wordt "heet" genoemd en de plaats waar de draden op de converter zijn aangesloten, wordt "koud" genoemd.
Koude junctie temperatuurcompensatie (CJC)
Koude junctiecompensatie (CJC) is een compensatie die wordt toegepast als een correctie op de totale uitlezing bij het meten van de temperatuur op het punt waar de thermokoppeldraden zijn aangesloten. Dit komt door discrepanties tussen de werkelijke temperatuur van de koude uiteinden en de berekende waarden van de kalibratietabel voor de temperatuur van de koude junctie bij 0°C.
CCS is een differentiële methode waarbij absolute temperatuurmetingen worden gevonden van een bekende koude junctietemperatuur (ook bekend als een referentiejunctie).
Thermokoppel ontwerp
Bij het ontwerpen van een thermokoppel wordt rekening gehouden met de invloed van factoren als de "agressiviteit" van de externe omgeving, de aggregatietoestand van de stof, het bereik van gemeten temperaturen en andere.
Ontwerpkenmerken van het thermokoppel:
1) Verbindingen van geleiders zijn onderling verbonden door te draaien of te draaien met verder elektrisch booglassen (zelden door te solderen).
BELANGRIJK: Het wordt niet aanbevolen om de twist-methode te gebruiken vanwege het snelle verlies van junctie-eigenschappen.
2) Thermo-elektroden moeten over hun gehele lengte elektrisch geïsoleerd zijn, behalve het contactpunt.
3) De isolatiemethode wordt gekozen rekening houdend met de bovenste temperatuurlimiet.
- Tot 100-120°C - elke isolatie;
- Tot 1300°C - porseleinen buisjes of kralen;
- Tot 1950°C - Al buizen2O3;
- Boven 2000°С - buizen gemaakt van MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Beschermhoes.
Het materiaal moet thermisch en chemisch bestendig zijn, met een goede thermische geleidbaarheid (metaal, keramiek). Het gebruik van een laars voorkomt corrosie in bepaalde omgevingen.
Verleng (compensatie) draden
Dit type draad is nodig om de uiteinden van het thermokoppel uit te breiden naar het secundaire instrument of de barrière. Draden worden niet gebruikt als het thermokoppel een ingebouwde converter heeft met een uniform uitgangssignaal. De meest gebruikte is de normalisatie-omzetter, die zich in de standaard aansluitkop van de sensor bevindt met een uniform signaal van 4-20 mA, de zogenaamde "tablet".
Het materiaal van de draden kan samenvallen met het materiaal van thermo-elektroden, maar meestal wordt het vervangen door een goedkoper exemplaar, rekening houdend met de omstandigheden die de vorming van parasitaire (geïnduceerde) thermo-emf's voorkomen. Door het gebruik van verlengdraden kunt u ook de productie optimaliseren.
Lifehack! Om de polariteit van de compensatiedraden correct te bepalen en ze op het thermokoppel aan te sluiten, onthoud de geheugensteun MM - minus is gemagnetiseerd. Dat wil zeggen, we nemen elke magneet en de min van de compensatie wordt gemagnetiseerd, in tegenstelling tot de plus.
Soorten en soorten thermokoppels
De verscheidenheid aan thermokoppels wordt verklaard door verschillende combinaties van gebruikte metaallegeringen. De keuze van het thermokoppel wordt uitgevoerd afhankelijk van de industrie en het vereiste temperatuurbereik.
Thermokoppel chromel-alumel (TXA)
Positieve elektrode: chromellegering (90% Ni, 10% Cr).
Negatieve elektrode: alumellegering (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Isolatiemateriaal: porselein, kwarts, metaaloxiden, enz.
Temperatuurbereik van -200°С tot 1300°С korte termijn en 1100°С lange termijn verwarming.
Werkomgeving: inert, oxiderend (O2=2-3% of volledig uitgesloten), droge waterstof, kortstondig vacuüm. In een reducerende of redoxatmosfeer in aanwezigheid van een beschermhoes.
Nadelen: gemak van vervorming, omkeerbare instabiliteit van thermo-EMF.
Er kunnen gevallen zijn van corrosie en bros worden van alumel in aanwezigheid van sporen van zwavel in de atmosfeer en chromel in een zwak oxiderende atmosfeer (“groene klei”).
Thermokoppel chromel-kopel (TKhK)
Positieve elektrode: chromellegering (90% Ni, 10% Cr).
Negatieve elektrode: Kopel-legering (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperatuurbereik van -253°С tot 800°С lange termijn en 1100°С korte termijn verwarming.
Werkomgeving: inert en oxiderend, kortstondig vacuüm.
Nadelen: vervorming van de thermo-elektrode.
Mogelijkheid tot verdamping van chroom onder langdurig vacuüm; reactie met een atmosfeer die zwavel, chroom, fluor bevat.
Thermokoppel ijzer-constantaan (TGK)
Positieve elektrode: commercieel zuiver ijzer (zacht staal).
Negatieve elektrode: constantaanlegering (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Gebruikt voor metingen in reducerende, inerte media en vacuüm. Temperatuur van -203°С tot 750°С lange termijn en 1100°С korte termijn verwarming.
Toepassing ontwikkelt zich op gezamenlijke meting van positieve en negatieve temperaturen. Het is onrendabel om alleen voor negatieve temperaturen te gebruiken.
Nadelen: thermo-elektrode vervorming, lage corrosieweerstand.
Veranderingen in de fysisch-chemische eigenschappen van ijzer bij ongeveer 700°C en 900°C. Reageert met zwavel en waterdamp om corrosie te vormen.
Tungsten-rhenium thermokoppel (TVR)
Positieve elektrode: legeringen BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 met silica- en aluminiumadditief) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Negatieve elektrode: BP20 legeringen (80% W, 20% Rh).
Isolatie: chemisch zuivere metaaloxidekeramiek.
Mechanische sterkte, hittebestendigheid, lage gevoeligheid voor vervuiling, fabricagegemak worden opgemerkt.
Meting van temperaturen van 1800°С tot 3000°С, de ondergrens is 1300°С. Metingen worden uitgevoerd in een inert gas, droge waterstof of vacuümomgeving. In oxiderende omgevingen alleen voor metingen in snelle processen.
Nadelen: slechte reproduceerbaarheid van thermo-EMF, instabiliteit tijdens bestraling, onstabiele gevoeligheid in het temperatuurbereik.
Thermokoppel wolfraam-molybdeen (VM)
Positieve elektrode: wolfraam (commercieel zuiver).
Negatieve elektrode: molybdeen (commercieel zuiver).
Isolatie: aluminiumoxide keramiek, beschermd met kwartspunten.
Inerte, waterstof- of vacuümomgeving. Het is mogelijk om kortdurende metingen uit te voeren in oxiderende omgevingen in aanwezigheid van isolatie.Het bereik van gemeten temperaturen is 1400-1800°C, de maximale bedrijfstemperatuur is ongeveer 2400°C.
Nadelen: slechte reproduceerbaarheid en gevoeligheid van thermische EMF, polariteitsomkering, bros worden bij hoge temperaturen.
Thermokoppels platina-rhodium-platina (TPP)
Positieve elektrode: platina-rhodium (Pt c 10% of 13% Rh).
Negatieve elektrode: platina.
Isolatie: kwarts, porselein (gewoon en vuurvast). Tot 1400°C - keramiek met een hoog gehalte aan Al2O3, boven 1400°C - keramiek van chemisch zuiver Al2O3.
Maximale bedrijfstemperatuur 1400°C op lange termijn, 1600°C op korte termijn. Meting van lage temperaturen wordt meestal niet uitgevoerd.
Werkomgeving: oxiderend en inert, reducerend in aanwezigheid van bescherming.
Nadelen: hoge kosten, instabiliteit tijdens bestraling, hoge gevoeligheid voor vervuiling (vooral de platina-elektrode), metaalkorrelgroei bij hoge temperaturen.
Thermokoppels platina-rhodium-platina-rhodium (TPR)
Positieve elektrode: Pt-legering met 30% Rh.
Negatieve elektrode: Pt-legering met 6% Rh.
Medium: oxiderend, neutraal en vacuüm. Gebruik bij het verminderen en bevatten van dampen van metalen of niet-metalen in aanwezigheid van bescherming.
Maximale bedrijfstemperatuur 1600°C op lange termijn, 1800°C op korte termijn.
Isolatie: Al keramiek2O3 hoge zuiverheid.
Minder gevoelig voor chemische vervuiling en korrelgroei dan een platina-rhodium-platina thermokoppel.
Thermokoppel bedradingsschema
- Een potentiometer of galvanometer rechtstreeks aansluiten op de geleiders.
- Aansluiting met compensatiedraden;
- Aansluiting met conventionele koperdraden op een thermokoppel met een uniforme uitgang.
Kleurnormen voor thermokoppelgeleiders
Gekleurde geleiderisolatie helpt om thermo-elektroden van elkaar te onderscheiden voor een goede aansluiting op de klemmen. Normen verschillen per land, er zijn geen specifieke kleurcodes voor geleiders.
BELANGRIJK: Om fouten te voorkomen is het noodzakelijk om de standaard te kennen die in de onderneming wordt gebruikt.
Meetnauwkeurigheid
De nauwkeurigheid hangt af van het type thermokoppel, het temperatuurbereik, de zuiverheid van het materiaal, elektrische ruis, corrosie, verbindingseigenschappen en het fabricageproces.
Thermokoppels krijgen een tolerantieklasse (standaard of speciaal) toegewezen die een betrouwbaarheidsinterval voor de meting vaststelt.
BELANGRIJK: Kenmerken op het moment van fabricage veranderen tijdens bedrijf.
Meting snelheid:
De snelheid wordt bepaald door het vermogen van de primaire omvormer om snel te reageren op temperatuursprongen en de stroom ingangssignalen van het meetapparaat dat daarop volgt.
Factoren die de prestaties verhogen:
- Correcte installatie en berekening van de lengte van de primaire omvormer;
- Bij gebruik van een transducer met een beschermende huls, is het noodzakelijk om de massa van de eenheid te verminderen door een kleinere diameter van de hulzen te kiezen;
- Minimaliseren van de luchtspleet tussen de primaire omvormer en de beschermhuls;
- Het gebruik van een veerbelaste primaire omvormer en het opvullen van de holtes in de huls met een warmtegeleidende vulstof;
- Een snel bewegend of dichter medium (vloeibaar).
Prestatiecontrole thermokoppel
Om de prestaties te controleren, sluit u een speciaal meetapparaat (tester, galvanometer of potentiometer) aan of meet u de uitgangsspanning met een millivoltmeter. Als er schommelingen zijn in de pijl of digitale indicator, is het thermokoppel bruikbaar, anders moet het apparaat worden vervangen.
Oorzaken van defecte thermokoppels:
- Het niet gebruiken van een beschermende afscherming;
- Verandering in de chemische samenstelling van de elektroden;
- Oxidatieve processen die zich ontwikkelen bij hoge temperaturen;
- Defect van het controle- en meetapparaat, enz.
Voor- en nadelen van het gebruik van thermokoppels
De voordelen van het gebruik van dit apparaat zijn:
- Groot temperatuurmeetbereik;
- Hoge nauwkeurigheid;
- Eenvoud en betrouwbaarheid.
De nadelen zijn onder meer:
- Implementatie van continue monitoring van de koude junctie, verificatie en kalibratie van controleapparatuur;
- Structurele veranderingen in metalen tijdens de fabricage van het apparaat;
- Afhankelijkheid van de samenstelling van de atmosfeer, de kosten van afdichting;
- Meetfout door elektromagnetische golven.
