Vad är ett termoelement, funktionsprincip, huvudtyper och typer

Ett termoelement är en anordning för att mäta temperaturer inom alla grenar av vetenskap och teknik. Den här artikeln presenterar en allmän översikt över termoelement med en analys av enhetens design och funktionsprincip. Varianter av termoelement med deras korta egenskaper beskrivs, och en bedömning av termoelementet som mätinstrument ges också.

Termoelementanordning

Funktionsprincipen för ett termoelement. Seebeck effekt

Funktionen av ett termoelement beror på förekomsten av den termoelektriska effekten, upptäckt av den tyske fysikern Tomas Seebeck 1821.

Fenomenet är baserat på förekomsten av elektricitet i en sluten elektrisk krets när den utsätts för en viss omgivningstemperatur. En elektrisk ström uppstår när det finns en temperaturskillnad mellan två ledare (termoelektroder) av olika sammansättning (olika metaller eller legeringar) och bibehålls genom att behålla platsen för deras kontakter (övergångar). Enheten visar värdet på den uppmätta temperaturen på skärmen på den anslutna sekundära enheten.

Utspänningen och temperaturen är linjärt relaterade. Detta innebär att en ökning av den uppmätta temperaturen resulterar i ett högre millivoltvärde vid termoelementets fria ändar.

Kopplingen som ligger vid temperaturmätningspunkten kallas "het", och platsen där ledningarna är anslutna till omvandlaren kallas "kall".

Temperaturkompensation för kall korsning (CJC)

Cold junction compensation (CJC) är en kompensation som tillämpas som en korrigering av den totala avläsningen vid mätning av temperaturen vid den punkt där termoelementledarna är anslutna. Detta beror på avvikelser mellan den faktiska temperaturen på de kalla ändarna och de beräknade avläsningarna i kalibreringstabellen för temperaturen i den kalla förbindelsen vid 0°C.

CCS är en differentialmetod där absoluta temperaturavläsningar hittas från en känd kall korsningstemperatur (även känd som en referensövergång).

Termoelement design

Vid utformning av ett termoelement beaktas påverkan av sådana faktorer som "aggressiviteten" i den yttre miljön, ämnets aggregeringstillstånd, intervallet för uppmätta temperaturer och andra.

Termoelementets designfunktioner:

1) Ledarkopplingar är sammankopplade genom vridning eller vridning med ytterligare elektrisk bågsvetsning (sällan genom lödning).

VIKTIG: Det rekommenderas inte att använda vridningsmetoden på grund av den snabba förlusten av korsningsegenskaper.

2) Termoelektroder måste vara elektriskt isolerade längs hela sin längd, förutom kontaktpunkten.

3) Isoleringsmetoden väljs med hänsyn till den övre temperaturgränsen.

• Upp till 100-120°C - valfri isolering;
• Upp till 1300°C - porslinsrör eller pärlor;
• Upp till 1950°C - Al-rör₂O₃;
• Över 2000°С - rör gjorda av MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Skyddskåpa.

Materialet måste vara termiskt och kemiskt beständigt, med god värmeledningsförmåga (metall, keramik). Användningen av en stövel förhindrar korrosion i vissa miljöer.

Förlängning (kompensation) kablar

Denna typ av tråd krävs för att förlänga termoelementets ändar till det sekundära instrumentet eller barriären. Ledningar används inte om termoelementet har en inbyggd omvandlare med en enhetlig utsignal. Den mest använda är normaliseringsomvandlaren, placerad i sensorns standardterminalhuvud med en enhetlig signal 4-20mA, den så kallade "surfplattan".

Materialet i trådarna kan sammanfalla med materialet i termoelektroder, men oftast ersätts det med en billigare, med hänsyn till de förhållanden som förhindrar bildandet av parasitära (inducerade) termo-emfs. Användningen av förlängningsledningar gör att du också kan optimera produktionen.

Life hack! För att korrekt bestämma polariteten hos de kompenserande ledningarna och ansluta dem till termoelementet, kom ihåg den mnemoniska regeln MM - minus är magnetiserad. Det vill säga, vi tar vilken magnet som helst och kompensationens minus kommer att magnetiseras, till skillnad från pluset.

Typer och typer av termoelement

Mångfalden av termoelement förklaras av olika kombinationer av metallegeringar som används. Valet av termoelement görs beroende på branschen och det erforderliga temperaturområdet.

Termoelement krom-alumel (TXA)

Positiv elektrod: kromlegering (90% Ni, 10% Cr).
Negativ elektrod: alumellegering (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Isoleringsmaterial: porslin, kvarts, metalloxider, etc.

Temperaturintervall från -200°С till 1300°С kortsiktig och 1100°С långvarig uppvärmning.

Arbetsmiljö: inert, oxiderande (O₂=2-3 % eller helt uteslutet), torrt väte, korttidsvakuum. I en reducerande eller redoxatmosfär i närvaro av ett skyddshölje.

Nackdelar: lätt deformation, reversibel instabilitet hos termo-EMF.

Det kan förekomma fall av korrosion och sprödhet av alumel i närvaro av spår av svavel i atmosfären och krom i en svagt oxiderande atmosfär ("grön lera").

Termoelement krom-kopel (TKhK)

Positiv elektrod: kromlegering (90% Ni, 10% Cr).
Negativ elektrod: Kopel-legering (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Temperaturintervall från -253°С till 800°С långvarig och 1100°С kortvarig uppvärmning.

Arbetsmiljö: inert och oxiderande, kortvarigt vakuum.

Nackdelar: termoelektroddeformation.

Möjlighet till kromavdunstning under långvarigt vakuum; reaktion med en atmosfär innehållande svavel, krom, fluor.

Termoelement järn-konstantan (TGK)

Positiv elektrod: kommersiellt rent järn (mjukt stål).
Negativ elektrod: konstantanlegering (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Används för mätningar i reducerande, inerta media och vakuum. Temperatur från -203°С till 750°С långvarig och 1100°С kortvarig uppvärmning.

Applikationen utvecklas på gemensam mätning av positiva och negativa temperaturer. Det är olönsamt att endast använda för negativa temperaturer.

Nackdelar: termoelektroddeformation, låg korrosionsbeständighet.

Förändringar i järns fysikalisk-kemiska egenskaper vid ca 700°C och 900°C. Reagerar med svavel och vattenånga för att bilda korrosion.

Tungsten-rhenium termoelement (TVR)

Positiv elektrod: legeringar BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 med kiseldioxid och aluminiumtillsats) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativ elektrod: BP20-legeringar (80% W, 20% Rh).

Isolering: kemiskt ren metalloxidkeramik.

Mekanisk styrka, värmebeständighet, låg känslighet för föroreningar, enkel tillverkning noteras.

Mätning av temperaturer från 1800°С till 3000°С, den nedre gränsen är 1300°С. Mätningar utförs i en inert gas, torr väte eller vakuummiljö. I oxiderande miljöer endast för mätning i snabba processer.

Nackdelar: dålig reproducerbarhet av termo-EMF, dess instabilitet under bestrålning, instabil känslighet i temperaturområdet.

Termoelement volfram-molybden (VM)

Positiv elektrod: volfram (kommersiellt ren).
Negativ elektrod: molybden (kommersiellt ren).

Isolering: aluminiumoxidkeramik, skyddad med kvartsspetsar.

Inert, väte eller vakuummiljö. Det är möjligt att utföra korttidsmätningar i oxiderande miljöer i närvaro av isolering.Området för uppmätta temperaturer är 1400-1800°C, den maximala driftstemperaturen är cirka 2400°C.

Nackdelar: dålig reproducerbarhet och känslighet för termisk EMF, polaritetsomkastning, sprödhet vid höga temperaturer.

Termoelement platina-rodium-platina (TPP)

Positiv elektrod: platina-rodium (Pt c 10% eller 13% Rh).
Negativ elektrod: platina.

Isolering: kvarts, porslin (vanligt och eldfast). Upp till 1400°C - keramik med hög halt av Al₂O₃, över 1400°C - keramik från kemiskt ren Al₂O₃.

Maximal drifttemperatur 1400°C på lång sikt, 1600°C på kort sikt. Mätning av låga temperaturer utförs vanligtvis inte.

Arbetsmiljö: oxiderande och inert, reducerande i närvaro av skydd.

Nackdelar: hög kostnad, instabilitet under bestrålning, hög känslighet för kontaminering (särskilt platinaelektroden), metallkorntillväxt vid höga temperaturer.

Termoelement platina-rodium-platina-rodium (TPR)

Positiv elektrod: Pt-legering med 30 % Rh.
Negativ elektrod: Pt-legering med 6% Rh.

Medium: oxiderande, neutral och vakuum. Används för att reducera och begränsa ångor av metaller eller icke-metaller i närvaro av skydd.

Maximal drifttemperatur 1600°C på lång sikt, 1800°C på kort sikt.

Isolering: Al keramik₂O₃ hög renhet.

Mindre mottaglig för kemisk kontaminering och korntillväxt än ett platina-rodium-platina-termoelement.

Termoelement kopplingsschema

• Anslutning av potentiometer eller galvanometer direkt till ledarna.
• Anslutning med kompenserande ledningar;
• Anslutning med konventionella koppartrådar till ett termoelement med enhetlig utgång.

Termoelementledares färgstandarder

Färgad ledarisolering hjälper till att skilja termoelektroder från varandra för korrekt anslutning till terminalerna. Standarder skiljer sig åt mellan olika länder, det finns inga specifika färgkoder för ledare.

VIKTIG: Det är nödvändigt att känna till standarden som används i företaget för att förhindra fel.

Mätnoggrannhet

Noggrannheten beror på termoelementtyp, temperaturområde, materialrenhet, elektriskt brus, korrosion, kopplingsegenskaper och tillverkningsprocess.

Termoelement tilldelas en toleransklass (standard eller speciell) som fastställer ett mätkonfidensintervall.

VIKTIG: Egenskaper vid tillverkningstidpunkten ändras under drift.

Mäthastighet

Hastigheten bestäms av den primära omvandlarens förmåga att snabbt reagera på temperaturhopp och flödet av insignaler från mätanordningen som följer dem.

Faktorer som ökar prestandan:

1. Korrekt installation och beräkning av längden på den primära omvandlaren;
2. När du använder en givare med en skyddshylsa är det nödvändigt att minska enhetens massa genom att välja en mindre diameter på hylsorna;
3. Minimera luftgapet mellan primäromvandlaren och skyddshylsan;
4. Användning av en fjäderbelastad primär omvandlare och fyllning av hålrummen i hylsan med ett värmeledande fyllmedel;
5. Ett snabbt rörligt eller tätare medium (vätska).

Termoelementets prestandakontroll

För att kontrollera prestandan, anslut en speciell mätanordning (tester, galvanometer eller potentiometer) eller mät utspänningen med en millivoltmeter. Om det finns fluktuationer i pilen eller den digitala indikatorn är termoelementet servicebart, annars måste enheten bytas ut.

Orsaker till fel på termoelementet:

1. Underlåtenhet att använda en skyddande skärmanordning;
2. Förändring i elektrodernas kemiska sammansättning;
3. Oxidativa processer som utvecklas vid höga temperaturer;
4. Nedbrytning av styr- och mätanordning m.m.

Fördelar och nackdelar med att använda termoelement

Fördelarna med att använda denna enhet är:

• Stort temperaturmätområde;
• Hög precision;
• Enkelhet och tillförlitlighet.

Nackdelarna inkluderar:

• Implementering av kontinuerlig övervakning av den kalla korsningen, verifiering och kalibrering av styrutrustning;
• Strukturella förändringar i metaller under tillverkningen av enheten;
• Beroende på atmosfärens sammansättning, kostnaden för tätning;
• Mätfel på grund av elektromagnetiska vågor.

Liknande artiklar: