Термопар је уређај за мерење температуре у свим гранама науке и технике. Овај чланак представља општи преглед термопарова са анализом дизајна и принципа рада уређаја. Описани су варијетети термопарова са њиховим кратким карактеристикама, а дата је и оцена термопара као мерног инструмента.
Садржај
Термопарни уређај
Принцип рада термоелемента. Сеебецк ефекат
Рад термоелемента је последица појаве термоелектричног ефекта, који је открио немачки физичар Томас Зебек 1821. године.
Феномен се заснива на појави електрицитета у затвореном електричном колу када је изложен одређеној температури околине. Електрична струја настаје када постоји температурна разлика између два проводника (термоелектроде) различитог састава (различити метали или легуре) и одржава се одржавањем места њихових контаката (спјева). Уређај приказује вредност измерене температуре на екрану повезаног секундарног уређаја.
Излазни напон и температура су линеарно повезани. То значи да повећање измерене температуре доводи до веће вредности у миливолтима на слободним крајевима термоелемента.
Спој који се налази на месту мерења температуре назива се „врућ“, а место где су жице повезане са претварачем назива се „хладно“.
Компензација температуре хладног споја (ЦЈЦ)
Компензација хладног споја (ЦЈЦ) је компензација која се примењује као корекција укупног очитавања при мерењу температуре на месту где су каблови термоелемента повезани. Ово је због неслагања између стварне температуре хладних крајева и израчунатих очитавања калибрационе табеле за температуру хладног споја на 0°Ц.
ЦЦС је диференцијална метода у којој се апсолутна очитавања температуре проналазе из познате температуре хладног споја (познате и као референтни спој).
Дизајн термоелемента
Приликом пројектовања термоелемента узима се у обзир утицај таквих фактора као што су "агресивност" спољашњег окружења, стање агрегације супстанце, опсег мерених температура и други.
Карактеристике дизајна термопарова:
1) Спојеви проводника се међусобно повезују увијањем или увијањем уз даље електролучно заваривање (ређе лемљењем).
ВАЖНО: Не препоручује се употреба методе увијања због брзог губитка својстава споја.
2) Термоелектроде морају бити електрично изоловане целом дужином, осим тачке контакта.
3) Метода изолације се бира узимајући у обзир горњу температурну границу.
- До 100-120 ° Ц - било која изолација;
- До 1300°Ц - порцеланске цеви или перле;
- До 1950°Ц - Ал цеви2О3;
- Изнад 2000°С - цеви од МгО, БеО, ТхО2, ЗрО2.
4) Заштитни поклопац.
Материјал мора бити термички и хемијски отпоран, са добром топлотном проводљивошћу (метал, керамика). Употреба чизме спречава корозију у одређеним окружењима.
Продужне (компензационе) жице
Ова врста жице је потребна за проширење крајева термоелемента до секундарног инструмента или баријере. Жице се не користе ако термопар има уграђен претварач са јединственим излазним сигналом. Највише се користи нормализујући претварач, који се налази у стандардној терминалној глави сензора са обједињеним сигналом 4-20мА, такозвани „таблет”.
Материјал жица може да се поклапа са материјалом термоелектрода, али се најчешће замењује јефтинијим, узимајући у обзир услове који спречавају стварање паразитских (индукованих) термо-емфс. Употреба продужне жице такође вам омогућава да оптимизујете производњу.
Животна мудрост! Да бисте правилно одредили поларитет компензационих жица и повезали их са термоелементом, запамтите мнемоничко правило ММ - минус је магнетизован. То јест, узимамо било који магнет и минус компензације ће бити магнетизован, за разлику од плуса.
Врсте и врсте термопарова
Разноврсност термопарова се објашњава различитим комбинацијама коришћених легура метала. Избор термоелемента се врши у зависности од индустрије и потребног температурног опсега.
Термопар хромел-алумел (ТКСА)
Позитивна електрода: легура хрома (90% Ни, 10% Цр).
Негативна електрода: легура алумела (95% Ни, 2% Мн, 2% Ал, 1% Си).
Изолациони материјал: порцелан, кварц, метални оксиди итд.
Температурни опсег од -200°С до 1300°С краткотрајно и 1100°С дуготрајно грејање.
Радно окружење: инертно, оксидирајуће (О2=2-3% или потпуно искључено), суви водоник, краткотрајни вакуум. У редукционој или редокс атмосфери у присуству заштитног поклопца.
Недостаци: лакоћа деформације, реверзибилна нестабилност термо-ЕМФ.
Могу постојати случајеви корозије и крхкости алумела у присуству трагова сумпора у атмосфери и хромела у слабо оксидирајућој атмосфери („зелена глина“).
Термопар хромел-копел (ТКхК)
Позитивна електрода: легура хрома (90% Ни, 10% Цр).
Негативна електрода: Копел легура (54,5% Цу, 43% Ни, 2% Фе, 0,5% Мн).
Температурни опсег од -253°С до 800°С дуготрајно и 1100°С краткотрајно загревање.
Радно окружење: инертно и оксидационо, краткотрајни вакуум.
Недостаци: деформација термоелектрода.
Могућност испаравања хрома под продуженим вакуумом; реакција са атмосфером која садржи сумпор, хром, флуор.
Термопар гвожђе-константан (ТГК)
Позитивна електрода: комерцијално чисто гвожђе (меки челик).
Негативна електрода: легура константана (59% Цу, 39-41% Ни, 1-2% Мн).
Користи се за мерења у редукционим, инертним медијима и вакууму. Температура од -203°С до 750°С дуготрајно и 1100°С краткотрајно загревање.
Примена се развија на заједничком мерењу позитивних и негативних температура. Неисплативо је користити само за негативне температуре.
Недостаци: деформација термоелектрода, ниска отпорност на корозију.
Промене физичко-хемијских својстава гвожђа на око 700°Ц и 900°Ц. Реагује са сумпором и воденом паром и формира корозију.
Волфрам-ренијум термопар (ТВР)
Позитивна електрода: легуре БП5 (95% В, 5% Рх) / БАП5 (БП5 са додатком силицијум диоксида и алуминијума) / БП10 (90% В, 10% Рх).
Негативна електрода: легуре БП20 (80% В, 20% Рх).
Изолација: хемијски чиста метал оксидна керамика.
Примећује се механичка чврстоћа, отпорност на топлоту, ниска осетљивост на загађење, лакоћа производње.
Мерење температура од 1800°С до 3000°С, доња граница је 1300°С. Мерења се врше у инертном гасу, сувом водонику или вакуумском окружењу. У оксидирајућим срединама само за мерење у брзим процесима.
Недостаци: лоша поновљивост термо-ЕМФ, његова нестабилност током зрачења, нестабилна осетљивост у температурном опсегу.
Термопар волфрам-молибден (ВМ)
Позитивна електрода: волфрам (комерцијално чист).
Негативна електрода: молибден (комерцијално чист).
Изолација: алуминијумска керамика, заштићена кварцним врховима.
Инертно, водонично или вакуумско окружење. Могуће је извршити краткотрајна мерења у оксидирајућим срединама у присуству изолације.Опсег мерених температура је 1400-1800°Ц, максимална радна температура је око 2400°Ц.
Недостаци: лоша поновљивост и осетљивост термичког ЕМФ-а, промена поларитета, крхкост на високим температурама.
Термопарови платина-родијум-платина (ТПП)
Позитивна електрода: платина-родијум (Пт ц 10% или 13% Рх).
Негативна електрода: платина.
Изолација: кварц, порцелан (обичан и ватростални). До 1400°Ц - керамика са високим садржајем Ал2О3, преко 1400°Ц - керамика од хемијски чистог Ал2О3.
Максимална радна температура 1400°Ц дугорочно, 1600°Ц краткорочно. Мерење ниских температура се обично не врши.
Радно окружење: оксидирајуће и инертно, редукујуће у присуству заштите.
Недостаци: висока цена, нестабилност током зрачења, висока осетљивост на контаминацију (посебно платинске електроде), раст металних зрна на високим температурама.
Термопарови платина-родијум-платина-родијум (ТПР)
Позитивна електрода: легура Пт са 30% Рх.
Негативна електрода: легура Пт са 6% Рх.
Средњи: оксидирајући, неутрални и вакуумски. Користи се за смањење и задржавање испарења метала или неметала у присуству заштите.
Максимална радна температура 1600°Ц дугорочно, 1800°Ц краткорочно.
Изолација: Ал керамика2О3 висока чистоћа.
Мање је подложан хемијској контаминацији и расту зрна од термоелемента платина-родијум-платина.
Шема ожичења термоелемента
- Повезивање потенциометра или галванометра директно на проводнике.
- Веза са компензационим жицама;
- Повезивање са конвенционалним бакарним жицама на термоелемент са јединственим излазом.
Стандарди боја проводника термоелемената
Изолација проводника у боји помаже да се термоелектроде разликују једна од друге за правилно повезивање са терминалима. Стандарди се разликују у зависности од земље, не постоје посебне ознаке боја за проводнике.
ВАЖНО: Неопходно је познавати стандард који се користи у предузећу да би се спречиле грешке.
Тачност мерења
Тачност зависи од типа термоелемента, температурног опсега, чистоће материјала, електричног шума, корозије, својстава споја и производног процеса.
Термопаровима је додељена класа толеранције (стандардна или специјална) која успоставља интервал поузданости мерења.
ВАЖНО: Карактеристике у тренутку производње се мењају током рада.
Брзина мерења
Брзина је одређена способношћу примарног претварача да брзо реагује на температурне скокове и проток улазних сигнала мерног уређаја који их прати.
Фактори који повећавају перформансе:
- Исправна уградња и прорачун дужине примарног претварача;
- Када користите претварач са заштитним рукавом, потребно је смањити масу јединице одабиром мањег пречника чаура;
- Минимизирање ваздушног јаза између примарног претварача и заштитне навлаке;
- Употреба примарног претварача са опругом и попуњавање празнина у рукаву пунилом који проводе топлоту;
- Брза покретна или гушћа средина (течност).
Провера перформанси термоелемента
Да бисте проверили перформансе, прикључите посебан мерни уређај (тестер, галванометар или потенциометар) или измерите излазни напон миливолтметром. Ако постоје флуктуације стрелице или дигиталног индикатора, термопар је исправан, у супротном уређај мора бити замењен.
Узроци квара термоелемента:
- Неупотреба заштитног уређаја;
- Промена хемијског састава електрода;
- Оксидативни процеси који се развијају на високим температурама;
- Квар контролно-мерног уређаја и др.
Предности и мане употребе термопарова
Предности коришћења овог уређаја су:
- Велики опсег мерења температуре;
- Високе прецизности;
- Једноставност и поузданост.
Недостаци укључују:
- Спровођење континуираног праћења хладног споја, верификација и калибрација контролне опреме;
- Структурне промене метала током производње уређаја;
- Зависност од састава атмосфере, трошкова заптивања;
- Грешка мерења услед електромагнетних таласа.
