Термодвойка е устройство за измерване на температури във всички клонове на науката и техниката. Тази статия представя общ преглед на термодвойките с анализ на конструкцията и принципа на работа на устройството. Описани са разновидности на термодвойки с техните кратки характеристики и е дадена оценка на термодвойката като средство за измерване.
Съдържание
Термодвойка устройство
Принципът на действие на термодвойка. Ефект на Зеебек
Работата на термодвойка се дължи на възникването на термоелектричния ефект, открит от немския физик Томас Зеебек през 1821 г.
Феноменът се основава на появата на електричество в затворена електрическа верига, когато е изложена на определена температура на околната среда. Електрически ток възниква, когато има температурна разлика между два проводника (термоелектрода) с различен състав (разнородни метали или сплави) и се поддържа чрез поддържане на мястото на техните контакти (съвпад). Устройството показва стойността на измерената температура на екрана на свързаното вторично устройство.
Изходното напрежение и температурата са линейно свързани. Това означава, че повишаването на измерената температура води до по-висока стойност на миливолта в свободните краища на термодвойката.
Преходът, разположен в точката на измерване на температурата, се нарича "горещ", а мястото, където проводниците са свързани към преобразувателя, се нарича "студено".
Температурна компенсация на студен възел (CJC)
Компенсация на студен възел (CJC) е компенсация, прилагана като корекция на общото отчитане при измерване на температурата в точката, където са свързани проводниците на термодвойката. Това се дължи на несъответствия между действителната температура на студените краища и изчислените показания на таблицата за калибриране за температурата на студения възел при 0°C.
CCS е диференциален метод, при който абсолютните температурни показания се намират от известна температура на студен възел (известен също като референтен възел).
Дизайн на термодвойка
При проектирането на термодвойка се взема предвид влиянието на такива фактори като "агресивността" на външната среда, агрегатното състояние на веществото, диапазона на измерените температури и други.
Характеристики на дизайна на термодвойка:
1) Съединенията на проводниците се свързват помежду си чрез усукване или усукване с допълнително електродъгово заваряване (рядко чрез запояване).
ВАЖНО: Не се препоръчва използването на метода на усукване поради бързата загуба на свойствата на съединението.
2) Термоелектродите трябва да бъдат електрически изолирани по цялата им дължина, с изключение на точката на контакт.
3) Методът на изолация се избира, като се вземе предвид горната температурна граница.
- До 100-120°C - всякаква изолация;
- До 1300°C - порцеланови туби или мъниста;
- До 1950°C - Al тръби2О3;
- Над 2000°С - тръби от MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Защитно покритие.
Материалът трябва да е термично и химически устойчив, с добра топлопроводимост (метал, керамика). Използването на обувка предотвратява корозия в определени среди.
Удължителни (компенсационни) проводници
Този тип тел е необходим за разширяване на краищата на термодвойката до вторичния инструмент или бариера. Проводниците не се използват, ако термодвойката има вграден преобразувател с унифициран изходен сигнал. Най-широко използван е нормализиращият преобразувател, разположен в стандартната клемна глава на сензора с унифициран сигнал 4-20mA, т. нар. "таблетка".
Материалът на проводниците може да съвпада с материала на термоелектродите, но най-често се заменя с по-евтин, като се вземат предвид условията, които предотвратяват образуването на паразитни (индуцирани) термо-емс. Използването на удължителни проводници също ви позволява да оптимизирате производството.
Да си улесниш живота! За да определите правилно полярността на компенсиращите проводници и да ги свържете към термодвойката, запомнете мнемоничното правило MM - минусът е намагнетизиран. Тоест, вземаме всеки магнит и минусът на компенсацията ще бъде намагнетизиран, за разлика от плюса.
Видове и видове термодвойки
Разнообразието от термодвойки се обяснява с различни комбинации от използвани метални сплави. Изборът на термодвойка се извършва в зависимост от индустрията и необходимия температурен диапазон.
Термодвойка хромел-алумел (TXA)
Положителен електрод: хромелова сплав (90% Ni, 10% Cr).
Отрицателен електрод: алумелова сплав (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Изолационен материал: порцелан, кварц, метални оксиди и др.
Температурен диапазон от -200°С до 1300°С краткотрайно и 1100°С продължително нагряване.
Работна среда: инертна, окисляваща (O2=2-3% или напълно изключени), сух водород, краткотраен вакуум. В редукционна или редокс атмосфера при наличие на защитно покритие.
Недостатъци: лекота на деформация, обратима нестабилност на термо-EMF.
Възможно е да има случаи на корозия и крехкост на алумела при наличие на следи от сяра в атмосферата и хромел в слабо окисляваща атмосфера („зелена глина“).
Термодвойка хромел-копел (TKhK)
Положителен електрод: хромелова сплав (90% Ni, 10% Cr).
Отрицателен електрод: сплав Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Температурен диапазон от -253°С до 800°С продължително и 1100°С краткотрайно нагряване.
Работна среда: инертна и окисляваща, краткотраен вакуум.
Недостатъци: термоелектродна деформация.
Възможност за изпаряване на хром при продължителен вакуум; реакция с атмосфера, съдържаща сяра, хром, флуор.
Термодвойка желязо-константан (TGK)
Положителен електрод: търговско чисто желязо (мека стомана).
Отрицателен електрод: константанова сплав (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Използва се за измервания в редуциращи, инертни среди и вакуум. Температура от -203°С до 750°С продължително и 1100°С краткотрайно нагряване.
Приложението се развива при съвместно измерване на положителни и отрицателни температури. Неизгодно е да се използва само при отрицателни температури.
Недостатъци: термоелектродна деформация, ниска устойчивост на корозия.
Промени във физикохимичните свойства на желязото при около 700°C и 900°C. Реагира със сяра и водни пари, за да образува корозия.
волфрам-рениева термодвойка (TVR)
Положителен електрод: сплави BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 със силициев диоксид и алуминиева добавка) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Отрицателен електрод: BP20 сплави (80% W, 20% Rh).
Изолация: химически чиста металооксидна керамика.
Отбелязват се механична якост, устойчивост на топлина, ниска чувствителност към замърсяване, лекота на производство.
Измерване на температури от 1800°С до 3000°С, долната граница е 1300°С. Измерванията се извършват в инертен газ, сух водород или вакуумна среда. В окисляващи среди само за измерване при бързи процеси.
Недостатъци: лоша възпроизводимост на термо-EMF, неговата нестабилност по време на облъчване, нестабилна чувствителност в температурния диапазон.
Термодвойка волфрам-молибден (VM)
Положителен електрод: волфрам (търговски чист).
Отрицателен електрод: молибден (търговски чист).
Изолация: алуминиева керамика, защитена с кварцови накрайници.
Инертна, водородна или вакуумна среда. Възможно е да се извършват краткосрочни измервания в окисляващи среди при наличие на изолация.Диапазонът на измерваните температури е 1400-1800°C, максималната работна температура е около 2400°C.
Недостатъци: лоша възпроизводимост и чувствителност на топлинна ЕМП, обръщане на полярността, крехкост при високи температури.
Термодвойки платина-родий-платина (TPP)
Положителен електрод: платина-родий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицателен електрод: платина.
Изолация: кварц, порцелан (обикновен и огнеупорен). До 1400°C - керамика с високо съдържание на Al2О3, над 1400°C - керамика от химически чист Al2О3.
Максимална работна температура 1400°C дългосрочно, 1600°C краткосрочно. Измерването на ниски температури обикновено не се извършва.
Работна среда: окисляваща и инертна, редуцираща при наличие на защита.
Недостатъци: висока цена, нестабилност по време на облъчване, висока чувствителност към замърсяване (особено платиненият електрод), растеж на метални зърна при високи температури.
Термодвойки платина-родий-платина-родий (TPR)
Положителен електрод: Pt сплав с 30% Rh.
Отрицателен електрод: Pt сплав с 6% Rh.
Среда: окисляваща, неутрална и вакуумна. Използва се за редуциране и задържане на пари на метали или неметали при наличие на защита.
Максимална работна температура 1600°C дългосрочно, 1800°C краткосрочно.
Изолация: Алкерамика2О3 висока чистота.
По-малко податливи на химическо замърсяване и растеж на зърна от платинено-родий-платиновата термодвойка.
Схема на свързване на термодвойка
- Свързване на потенциометър или галванометър директно към проводниците.
- Връзка с компенсаторни проводници;
- Свързване с конвенционални медни проводници към термодвойка с унифициран изход.
Стандарти за цвят на проводника на термодвойка
Цветната изолация на проводниците помага да се разграничат термоелектродите един от друг за правилно свързване към клемите. Стандартите се различават в различните държави, няма специфични цветови кодове за проводниците.
ВАЖНО: Необходимо е да се знае стандартът, който се използва в предприятието, за да се предотвратят грешки.
Точност на измерване
Точността зависи от типа на термодвойката, температурния диапазон, чистотата на материала, електрическия шум, корозията, свойствата на съединението и производствения процес.
На термодвойките е присвоен клас на толеранс (стандартен или специален), който установява доверителен интервал на измерване.
ВАЖНО: Характеристиките в момента на производство се променят по време на работа.
Скорост на измерване
Скоростта се определя от способността на първичния преобразувател да реагира бързо на температурни скокове и потока от входни сигнали на измервателното устройство, което ги следва.
Фактори, които повишават производителността:
- Правилен монтаж и изчисляване на дължината на първичния преобразувател;
- При използване на преобразувател със защитна втулка е необходимо да се намали масата на уреда, като се избере по-малък диаметър на ръкавите;
- Минимизиране на въздушната междина между първичния преобразувател и защитната втулка;
- Използването на пружинен първичен преобразувател и запълване на празнините във втулката с топлопроводим пълнител;
- Бързо движеща се или по-плътна среда (течност).
Проверка на производителността на термодвойка
За да проверите производителността, свържете специално измервателно устройство (тестер, галванометър или потенциометър) или измерете изходното напрежение с миливолтметър. Ако има колебания на стрелката или цифровия индикатор, термодвойката е изправна, в противен случай устройството трябва да се смени.
Причини за повреда на термодвойката:
- Неизползване на защитно екраниращо устройство;
- Промяна в химичния състав на електродите;
- Окислителни процеси, развиващи се при високи температури;
- Неизправност на контролно-измервателното устройство и др.
Предимства и недостатъци на използването на термодвойки
Предимствата на използването на това устройство са:
- Голям диапазон на измерване на температурата;
- Висока точност;
- Простота и надеждност.
Недостатъците включват:
- Осъществяване на непрекъснат мониторинг на студения възел, проверка и калибриране на контролно оборудване;
- Структурни промени в металите по време на производството на устройството;
- Зависимост от състава на атмосферата, цената на запечатването;
- Грешка в измерването поради електромагнитни вълни.
