Co to jest termopara, zasada działania, główne typy i typy

Termopara to urządzenie do pomiaru temperatury we wszystkich dziedzinach nauki i techniki. W artykule przedstawiono ogólny przegląd termopar wraz z analizą budowy i zasady działania urządzenia. Opisano odmiany termopar wraz z ich krótką charakterystyką oraz podano ocenę termopary jako przyrządu pomiarowego.

Urządzenie termoparowe

Zasada działania termopary. efekt Seebecka

Działanie termopary spowodowane jest występowaniem efektu termoelektrycznego, odkrytego przez niemieckiego fizyka Tomasa Seebecka w 1821 roku.

Zjawisko to polega na pojawieniu się elektryczności w zamkniętym obwodzie elektrycznym pod wpływem określonej temperatury otoczenia. Prąd elektryczny występuje wtedy, gdy między dwoma przewodnikami (termoelektrodami) o różnym składzie (metale lub stopy różniące się od siebie) występuje różnica temperatur i jest utrzymywany przez zachowanie miejsca ich styków (połączeń). Urządzenie wyświetla wartość zmierzonej temperatury na ekranie podłączonego urządzenia wtórnego.

Napięcie wyjściowe i temperatura są zależne liniowo. Oznacza to, że wzrost mierzonej temperatury skutkuje wyższą wartością miliwoltów na wolnych końcach termopary.

Złącze znajdujące się w miejscu pomiaru temperatury nazywane jest „gorącym”, a miejsce podłączenia przewodów do przetwornika nazywane jest „zimnym”.

Kompensacja temperatury zimnego złącza (CJC)

Kompensacja zimnego złącza (CJC) to kompensacja stosowana jako korekta całkowitego odczytu podczas pomiaru temperatury w punkcie, w którym podłączone są przewody termopary. Wynika to z rozbieżności między rzeczywistą temperaturą zimnych końców a obliczonymi odczytami tabeli kalibracji dla temperatury zimnego złącza przy 0°C.

CCS to metoda różnicowa, w której odczyty bezwzględne temperatury są znajdowane na podstawie znanej temperatury zimnego złącza (znanej również jako złącze odniesienia).

Konstrukcja termopary

Projektując termoparę bierze się pod uwagę wpływ takich czynników jak „agresywność” środowiska zewnętrznego, stan skupienia substancji, zakres mierzonych temperatur i inne.

Cechy konstrukcyjne termopary:

1) Złącza przewodów są łączone przez skręcanie lub skręcanie z dalszym spawaniem łukiem elektrycznym (rzadko przez lutowanie).

WAŻNY: Nie zaleca się stosowania metody skręcania ze względu na szybką utratę właściwości złącza.

2) Termoelektrody muszą być izolowane elektrycznie na całej ich długości, z wyjątkiem punktu styku.

3) Metoda izolacji jest wybierana z uwzględnieniem górnej granicy temperatury.

• Do 100-120°C - dowolna izolacja;
• Do 1300°C - porcelanowe rurki lub koraliki;
• Do 1950°C - Rury aluminiowe₂O₃;
• Powyżej 2000°С - rury wykonane z MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Pokrowiec ochronny.

Materiał musi być odporny termicznie i chemicznie, o dobrej przewodności cieplnej (metal, ceramika). Zastosowanie buta zapobiega korozji w niektórych środowiskach.

Przedłużacze (kompensacyjne)

Ten typ drutu jest wymagany do przedłużenia końców termopary do przyrządu wtórnego lub bariery. Przewody nie są używane, jeśli termopara ma wbudowany konwerter z ujednoliconym sygnałem wyjściowym. Najszerzej stosowany jest konwerter normalizujący, znajdujący się w standardowej końcówce głowicy czujnika ze zunifikowanym sygnałem 4-20mA, tzw. „tablet”.

Materiał przewodów może pokrywać się z materiałem termoelektrod, jednak najczęściej jest on zastępowany tańszym, biorąc pod uwagę warunki uniemożliwiające powstawanie pasożytniczych (indukowanych) termoelektrod. Zastosowanie przedłużaczy pozwala również na optymalizację produkcji.

Życiowa porada! Aby poprawnie określić biegunowość przewodów kompensacyjnych i podłączyć je do termopary, pamiętaj o zasadzie mnemonicznej MM - minus jest namagnesowany. Oznacza to, że bierzemy dowolny magnes, a minus kompensacji zostanie namagnesowany, w przeciwieństwie do plusa.

Rodzaje i rodzaje termopar

Różnorodność termopar jest wyjaśniona różnymi kombinacjami stosowanych stopów metali. Dobór termopary dokonywany jest w zależności od branży i wymaganego zakresu temperatur.

Termopara chromel-alumel (TXA)

Elektroda dodatnia: stop chromu (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda ujemna: stop alumelu (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Materiał izolacyjny: porcelana, kwarc, tlenki metali itp.

Zakres temperatur od -200°С do 1300°С krótkotrwałego i 1100°С długotrwałego ogrzewania.

Środowisko pracy: obojętne, utleniające (O₂= 2-3% lub całkowicie wyłączone), suchy wodór, krótkotrwała próżnia. W atmosferze redukcyjnej lub redoks w obecności osłony ochronnej.

Wady: łatwość odkształcenia, odwracalna niestabilność termo-EMF.

Mogą wystąpić przypadki korozji i kruchości ałumu w obecności śladowych ilości siarki w atmosferze oraz chromelu w atmosferze słabo utleniającej („zielona glina”).

Termopara chromel-kopel (TKhK)

Elektroda dodatnia: stop chromu (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda ujemna: stop Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Zakres temperatur od -253°С do 800°С długotrwałego i 1100°С krótkotrwałego grzania.

Środowisko pracy: obojętne i utleniające, krótkotrwała próżnia.

Wady: deformacja termoelektrody.

Możliwość odparowania chromu w przedłużonej próżni; reakcja z atmosferą zawierającą siarkę, chrom, fluor.

Termopara żelazowo-konstantanowa (TGK)

Elektroda dodatnia: komercyjnie czyste żelazo (miękka stal).
Elektroda ujemna: stop konstantanu (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Stosowany do pomiarów w redukcjach, mediach obojętnych i próżni. Temperatura od -203°С do 750°С długotrwałe i 1100°С krótkotrwałe ogrzewanie.

Aplikacja rozwija się na wspólnym pomiarze temperatur dodatnich i ujemnych. Stosowanie tylko w ujemnych temperaturach jest nieopłacalne.

Wady: deformacja termoelektrody, niska odporność na korozję.

Zmiany właściwości fizykochemicznych żelaza w temperaturze około 700°C i 900°C. Reaguje z siarką i parą wodną tworząc korozję.

Termopara wolframowo-renowa (TVR)

Elektroda dodatnia: stopy BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 z dodatkiem krzemionki i aluminium) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Elektroda ujemna: stopy BP20 (80% W, 20% Rh).

Izolacja: chemicznie czysta ceramika z tlenku metalu.

Zauważono wytrzymałość mechaniczną, odporność na ciepło, niską wrażliwość na zanieczyszczenia, łatwość wykonania.

Pomiar temperatur od 1800°С do 3000 °С, dolna granica to 1300°С. Pomiary są przeprowadzane w środowisku gazu obojętnego, suchego wodoru lub próżni. W środowiskach utleniających tylko do pomiaru w szybkich procesach.

Wady: słaba odtwarzalność termo-EMF, jej niestabilność podczas napromieniania, niestabilna czułość w zakresie temperatur.

Termopara wolframowo-molibdenowa (VM)

Elektroda dodatnia: wolfram (handlowo czysty).
Elektroda ujemna: molibden (handlowo czysty).

Izolacja: ceramika z tlenku glinu, zabezpieczona końcówkami kwarcowymi.

Środowisko obojętne, wodorowe lub próżniowe. Możliwe jest wykonywanie pomiarów krótkoterminowych w środowiskach utleniających w obecności izolacji.Zakres mierzonych temperatur to 1400-1800°C, maksymalna temperatura pracy to około 2400°C.

Wady: słaba odtwarzalność i czułość termicznego pola elektromagnetycznego, odwrócenie polaryzacji, kruchość w wysokich temperaturach.

Termopary platynowo-rodowo-platynowe (TPP)

Elektroda dodatnia: platynowo-rodowa (Pt c 10% lub 13% Rh).
Elektroda ujemna: platyna.

Izolacja: kwarc, porcelana (zwykła i ogniotrwała). Do 1400°C - ceramika o wysokiej zawartości Al₂O₃, powyżej 1400°C - ceramika z chemicznie czystego Al₂O₃.

Maksymalna temperatura pracy 1400°C długotrwale, 1600 °C krótkotrwale. Zwykle nie wykonuje się pomiaru niskich temperatur.

Środowisko pracy: utleniające i obojętne, redukujące w obecności ochrony.

Wady: wysoki koszt, niestabilność podczas napromieniania, duża wrażliwość na zanieczyszczenia (zwłaszcza elektroda platynowa), rozrost ziarna metalu w wysokich temperaturach.

Termopary platyna-rod-platyna-rod (TPR)

Elektroda dodatnia: stop Pt z 30% Rh.
Elektroda ujemna: stop Pt z 6% Rh.

Medium: utleniające, neutralne i próżniowe. Zastosowanie do redukcji i zatrzymywania oparów metali lub niemetali w obecności ochrony.

Maksymalna temperatura pracy 1600 °C długotrwale, 1800°C krótkotrwale.

Izolacja: Al ceramiczna₂O₃ wysoka czystość.

Mniej podatny na zanieczyszczenia chemiczne i wzrost ziarna niż termopara platynowo-rodowo-platynowa.

Schemat okablowania termopary

• Podłączenie potencjometru lub galwanometru bezpośrednio do przewodów.
• Połączenie z przewodami kompensacyjnymi;
• Połączenie konwencjonalnymi przewodami miedzianymi z termoparą o zunifikowanym wyjściu.

Standardy kolorów przewodnika termopary

Kolorowa izolacja żył pomaga odróżnić termoelektrody od siebie w celu prawidłowego podłączenia do zacisków. Normy różnią się w zależności od kraju, nie ma specjalnych kodów kolorystycznych dla przewodów.

WAŻNY: Konieczna jest znajomość standardu stosowanego w przedsiębiorstwie, aby zapobiec błędom.

Dokładność pomiaru

Dokładność zależy od typu termopary, zakresu temperatur, czystości materiału, szumu elektrycznego, korozji, właściwości złącza i procesu produkcyjnego.

Termoparom przypisuje się klasę tolerancji (standardową lub specjalną), która ustala przedział ufności pomiaru.

WAŻNY: Charakterystyki w momencie produkcji zmieniają się podczas pracy.

Prędkość pomiaru

Prędkość jest określona przez zdolność konwertera pierwotnego do szybkiego reagowania na skoki temperatury i przepływ sygnałów wejściowych urządzenia pomiarowego, który za nimi podąża.

Czynniki zwiększające wydajność:

1. Prawidłowa instalacja i obliczenie długości konwertera pierwotnego;
2. W przypadku stosowania przetwornika z tuleją ochronną konieczne jest zmniejszenie masy zespołu poprzez dobranie mniejszej średnicy tulei;
3. Minimalizacja szczeliny powietrznej między konwerterem pierwotnym a tuleją ochronną;
4. Zastosowanie sprężynowego konwertera pierwotnego i wypełnienie pustych przestrzeni w tulei wypełniaczem przewodzącym ciepło;
5. Szybko poruszający się lub gęstszy nośnik (ciecz).

Kontrola działania termopary

Aby sprawdzić wydajność należy podłączyć specjalne urządzenie pomiarowe (tester, galwanometr lub potencjometr) lub zmierzyć napięcie wyjściowe miliwoltomierzem. W przypadku wahań strzałki lub wskaźnika cyfrowego termopara jest sprawna, w przeciwnym razie urządzenie należy wymienić.

Przyczyny awarii termopary:

1. Niestosowanie ochronnego urządzenia ekranującego;
2. Zmiana składu chemicznego elektrod;
3. Procesy utleniania rozwijające się w wysokich temperaturach;
4. Awaria urządzenia kontrolno-pomiarowego itp.

Zalety i wady stosowania termopar

Zalety korzystania z tego urządzenia to:

• Duży zakres pomiaru temperatury;
• Wysoka celność;
• Prostota i niezawodność.

Wady obejmują:

• Wdrożenie ciągłego monitorowania zimnego złącza, weryfikacja i kalibracja urządzeń kontrolnych;
• Zmiany strukturalne metali podczas produkcji urządzenia;
• Zależność od składu atmosfery, koszt uszczelnienia;
• Błąd pomiaru spowodowany falami elektromagnetycznymi.

Podobne artykuły: