Termočlánek

kovový termočlánek

Termočlánek nebo termočlánek pro jeho překlad z anglického thermocouple je převodník tvořený spojením dvou různých kovů , který vytváří velmi malý potenciálový rozdíl (řádově milivolty ) , který je funkcí teplotního rozdílu mezi jedním z tzv. „hot spot“ nebo „hot junction“ nebo „measuring“ a druhý se nazývá „studený bod“ nebo „studený spoj“ nebo „referenční“ ( Seebeckův efekt ).

Normálně jsou průmyslové termočlánky vyrobeny z nerezové trubky nebo jiného materiálu. Na jednom konci trubky je spojka a na druhém elektrická svorka kabelů, chráněná uvnitř kulaté hliníkové krabice (hlavy).

V průmyslové instrumentaci se termočlánky používají jako teplotní senzory . Jsou levné, zaměnitelné, mají standardní konektory a jsou schopné měřit široký rozsah teplot. Jeho hlavním omezením je přesnost, protože je snadné získat systémové chyby při práci s přesností menší než jeden stupeň Celsia . ^{[ nutná citace ]}

Skupina termočlánků zapojených do série se nazývá termočlánek . Jak termočlánky, tak termočlánky jsou široce používány v aplikacích plynového vytápění .

Linearizace

Kromě kompenzace studeného konce se musí měřicí přístroj vypořádat také se skutečností, že výkon generovaný termočlánkem není lineární funkcí teploty. Tato závislost může být aproximována komplexním polynomem (stupně 5 až 9, v závislosti na typu termočlánku). Analogové metody linearizace se používají v levných termočlánkových měřičích...

Formát termočlánku

Typický levný termočlánek typu K (se standardním konektorem typu K). Zatímco kabely mohou přežít a fungovat při vysokých teplotách, plastová izolace se začne rozpadat při 300 °C.

Termočlánky jsou k dispozici v různých formátech, jako jsou sondy . Posledně jmenované jsou ideální pro různé aplikace měření, například v lékařském výzkumu, senzorech teploty potravin, v průmyslu a dalších oborech vědy, v radioizotopových termoelektrických generátorech atd.

Při výběru sondy tohoto typu je třeba vzít v úvahu typ konektoru. Tyto dva typy jsou "standardní" model s kulatými kolíky a "miniaturní" model s plochými kolíky, přičemž druhý (v rozporu se jménem prvního) je nejoblíbenější.

Dalším důležitým bodem při výběru je typ termočlánku, izolace a konstrukce sondy. Všechny tyto faktory mají vliv na měřený teplotní rozsah, přesnost a spolehlivost odečtů.

Typy

Typ K ( chromel / alumel ) – Díky široké škále aplikací je dostupný za nízkou cenu a v různých sondách. Chromel je slitina Ni - Cr a alumel je slitina Ni - Al . Mají teplotní rozsah –200 °C až +1372 °C a citlivost přibližně 41 µV/°C. Má dobrou odolnost proti oxidaci.
Typ E (chromel/ konstantan [ slitina Cu - Ni ]): jsou nemagnetické a díky své citlivosti jsou ideální pro použití při nízkých teplotách, v kryogenním poli. Mají citlivost 68 µV/°C.
Typ J ( železo / konstantan): rozsah jeho použití je –270/+1200 °C. Vzhledem k jeho vlastnostem se doporučuje jeho použití v inertní, redukční nebo vakuové atmosféře, jeho další použití při 800 °C nezpůsobuje problémy, jeho hlavní nevýhodou je rychlá oxidace, kterou trpí železo nad 550 °C; a pod 0 °C je nutné přijmout opatření z důvodu kondenzace vodní páry na žehličce.
Typ T ( měď / konstantan ): ideální pro měření mezi -200 a 260 °C. Odolávají vlhké, redukční a oxidační atmosféře a jsou použitelné v kryogenice. Termočlánek typu T má citlivost asi 43 µV/°C.
Typ N ( nicrosil [ Ni - Cr - Si ]/ nisil [ Ni - Si ]): je vhodný pro vysokoteplotní měření díky vysoké stabilitě a odolnosti proti vysokoteplotní oxidaci a nevyžaduje platinu používanou u typů B , R a S, které jsou dražší.

Na druhou stranu termočlánky typu B, R a S jsou nejstabilnější, ale vzhledem k jejich nízké citlivosti (cca 10 µV/°C) se obecně používají k měření vysokých teplot (nad 300 °C).

Typ B ( Pt - Rh ): jsou vhodné pro měření vysokých teplot nad 1800 °C. Typ B poskytuje stejný výsledek při 0 °C a 42 °C díky své křivce teplota/napětí, což omezuje jejich použití při teplotách nad 50 °C.
Typ R ( Pt - Rh ): vhodný pro měření teplot do 1300 °C. Díky nízké citlivosti (10 µV/°C) a vysoké ceně je méně atraktivní.
Typ S ( Pt / Rh ): ideální pro vysokoteplotní měření do 1300 °C, ale jeho nízká citlivost (10 µV/°C) a jeho vysoká cena z něj činí přístroj nevhodný pro obecné použití. Pro svou vysokou stabilitu se typ S používá pro univerzální kalibraci bodu tání zlata ( 1064,43 °C).

Termočlánky s nízkou citlivostí, jako jsou typy B, R a S, mají také nižší rozlišení. Výběr termočlánků je důležitý, aby bylo zajištěno, že pokrývají rozsah teplot, které mají být určeny.

Bezpečnostní opatření a úvahy při používání termočlánků

Většina problémů a chyb měření s termočlánky je způsobena nedostatečným pochopením toho, jak termočlánky fungují. Níže je uveden stručný seznam nejčastějších problémů, které je třeba vzít v úvahu.

Problémy s připojením

Většina chyb měření je způsobena neúmyslnými termočlánkovými přechody. Je třeba poznamenat, že jakýkoli kontakt mezi dvěma odlišnými kovy vytvoří vazbu. Pokud chcete prodloužit délku vodítek, musíte použít správný typ prodlužovacího kabelu. Například typ K odpovídá termočlánku K. Použití jiného typu zavede termočlánkový přechod. Jakýkoliv použitý konektor musí být vyroben ze správného materiálu termočlánku a jeho polarita musí být správná. Nejsprávnější je použít komerční konektory stejného typu jako termočlánek, abyste se vyhnuli problémům a nepoužívali je.

Vodicí odpor

Pro minimalizaci teplotního driftu a zlepšení doby odezvy jsou termočlánky zapuštěny do tenkých vodičů. To může způsobit, že termočlánky budou mít vysoký odpor , což může způsobit jejich citlivost na hluk a může také způsobit chyby v důsledku odporu měřicího přístroje. Typický exponovaný 0,25mm termočlánek bude mít odpor asi 15 ohmů na metr . Pokud jsou potřeba termočlánky s tenkými nebo dlouhými vodiči, udržujte vodiče krátké a poté použijte silnější (tj. s nižším odporem) prodlužovací vodič umístěný mezi termočlánkem a měřicím přístrojem. Před použitím se doporučuje změřit odpor termočlánku.

Neshoda

Chybná montáž je proces náhodné změny tvaru drátu termočlánku. Nejčastější příčinou je difúze atmosférických částic do kovu při extrémních provozních teplotách. Dalšími příčinami jsou nečistoty a chemikálie z izolace difundující do drátu termočlánku. Při provozu za zvýšených teplot by měly být přezkoumány specifikace izolace sondy. Všimněte si, že jedním z kritérií pro kalibraci měřicího přístroje je, že standard musí být alespoň 10krát přesnější než kalibrovaný přístroj.

Hluk

Výstup termočlánku je malý signál, takže je náchylný k chybám způsobeným elektrickým šumem. Většina měřicích přístrojů odmítá jakýkoli režim šumu (signály, které jsou na stejném kabelu nebo na obou), takže šum lze minimalizovat kroucením kabelů, aby bylo zajištěno, že oba zachytí stejný šumový signál. Pokud pracujete v extrémně hlučném prostředí (například v blízkosti velkého motoru ), zvažte použití stíněného prodlužovacího kabelu. Pokud máte podezření na příjem šumu, všechna podezřelá zařízení by měla být nejprve vypnuta a naměřené hodnoty by měly být zkontrolovány, zda nedošlo ke změnám. Nejlogičtějším řešením je však navrhnout dolní propust (rezistor a kondenzátor v sérii), protože frekvence hluku (například z motoru) bude pravděpodobně mnohem vyšší než frekvence, se kterou osciluje teplota. Nebo umístěte zesilovač za termočlánek, aby byl signál v kabelu větší a aby bylo přijímací zařízení kompenzováno, aby bylo možné tento zesilovač spojit.

Běžné napětí

Tato napětí mohou být způsobena buď indukčním příjmem (problém při měření teploty částí motoru a transformátorů ) nebo spojením se zemnícími spoji. Typickým příkladem zemních vazeb by bylo měření teplovodního potrubí s neizolovaným termočlánkem. Pokud je nějaké uzemnění, může být mezi trubicí a kostrou měřicího přístroje několik voltů . Tyto signály jsou opět ve společném režimu (stejné na obou vodičích termočlánků), takže u většiny přístrojů nezpůsobí žádné problémy, pokud nejsou příliš velké. Napětí v součinném režimu lze minimalizovat použitím stejných opatření pro zapojení, která jsou zavedena pro rušení, a také použitím izolovaných termočlánků.

Šum v sériovém režimu

Pokud je snímač vystaven vysokonapěťovým kabelům, může se objevit napětí, které se objeví pouze v jednom z jeho vedení, tento šum lze snížit přenosem signálu proudem.

Tepelný drift

Zahříváním hmoty termočlánků se získává energie, která ovlivní teplotu, která má být stanovena. Vezměme si například měření teploty kapaliny ve zkumavce : existují dva potenciální problémy. První je, že tepelná energie bude cestovat po drátu termočlánku a rozptýlit se do atmosféry, čímž se sníží teplota kapaliny kolem drátů. Podobný problém může nastat, pokud termočlánek není dostatečně ponořen v kapalině, kvůli chladnějšímu teplotnímu prostředí vzduchu na přívodech může vedení tepla způsobit, že přechod termočlánku bude mít jinou teplotu než samotná kapalina. V tomto příkladu může být užitečný termočlánek s tenčími přívody, protože způsobí strmější teplotní gradient podél přívodu termočlánku na spoji mezi kapalinou a okolním vzduchem. Pokud jsou použity termočlánky s tenkými vodiči, je třeba věnovat pozornost odporu vodiče. Použití termočlánku s tenkými vodiči připojenými k mnohem silnějšímu prodlužovacímu termočlánku často poskytuje nejlepší výsledek.

zákony

Studie chování termočlánků umožnily stanovení tří základních zákonů:

Zákon homogenního obvodu: v homogenním kovovém vodiči nemůže být cirkulace elektrického proudu udržována výlučnou aplikací tepla.
Zákon středních kovů: pokud je ve vícevodičovém obvodu teplota stejnoměrná od jednoho pájecího bodu „A“ k druhému „B“, algebraický součet všech elektromotorických sil je zcela nezávislý na mezilehlých kovových vodičích a je stejný jako pokud byly 'A' a 'B' uvedeny do přímého kontaktu.
Zákon po sobě jdoucích teplot: Emf generovaná termočlánkem s jeho přechody při teplotách T1 a T3 je algebraickým součtem Emf termočlánku s jeho přechody při T1 a T2 a Emf stejného termočlánku s jeho přechody při teplotách T2. a T3.

Z těchto zákonů je patrné, že v obvodu vzniká malé stejnosměrné napětí úměrné teplotě měřicího přechodu, kdykoli dojde k teplotnímu rozdílu s referenčním přechodem. Hodnoty tohoto emf jsou uvedeny v převodních tabulkách s referenčním spojem při 0 °C.

Viz také

termoelektřina

Bibliografie

Anatychuk a Lukian: Fyzika termoelektriky . Ústav termoelektriky, 1998.
Creus, Antonio: Průmyslová instrumentace .
Egli, P.H.: Termoelektřina . John Wiley a synové. 1960.
Ernest, E.: Měřící a přístrojové systémy .
Gurevič, Jurij; a Ortiz, Antonio: «Termoelektromotorická síla v bipolárních polovodičích: nový úhel pohledu», článek v Mexican Journal of Physics , sv. 49, str. 115-122, 2003.
Ioffe, Abraham F.: Polovodiče termoprvky a termoelektrické chlazení . Infosearch Ltd., 1956.
Ioffe, Abraham F.: Polovodičové termoprvky . Akademia Nauk, 1960.
Keizer, J.: Statistická termodynamika nerovnovážných procesů . Springer-Verlag, 1987.

Redondo, J.M.: Chlazení a přeměna energie pomocí termoelektrických prvků . UPC, 1992.
Rowe, D.M.: CRC příručka termoelektriky . CRC Press, 1995.