Lämpöpari

metallinen termopari

Termopari tai termopari englanninkielisestä termoparista käännettynä on anturi , joka muodostuu kahden eri metallin yhdistämisestä ja joka tuottaa hyvin pienen potentiaalieron ( millivolttien luokkaa ) , joka on yhden ns. "kuuma piste" tai "kuuma risteys" tai "mittaus" ja toinen nimeltä "kylmä piste" tai "kylmä risteys" tai "viite" ( Seebeck-efekti ).

Normaalisti teollisuustermoparit on valmistettu ruostumattomasta teräsputkesta tai muusta materiaalista. Putken toisessa päässä on liitin ja toisessa kaapelien sähköliitin, joka on suojattu pyöreän alumiinikotelon (pään) sisällä.

Teollisuuden instrumentoinnissa lämpöpareja käytetään lämpötila-antureina . Ne ovat halpoja, vaihdettavia, niissä on vakioliittimet ja ne pystyvät mittaamaan laajan lämpötila-alueen. Sen päärajoitus on tarkkuus, koska järjestelmävirheitä on helppo saada työskennellessä alle yhden celsiusasteen tarkkuudella . ^{[ lainaus tarvitaan ]}

Sarjaan kytkettyä termoparien ryhmää kutsutaan lämpöpaaluksi . Sekä termopareja että lämpöpaaluja käytetään laajalti kaasulämmityssovelluksissa .

Linearisointi

Kylmäliitoksen kompensoinnin lisäksi mittauslaitteen tulee huomioida myös se, että termoparin tuottama teho ei ole lämpötilan lineaarinen funktio. Tämä riippuvuus voidaan arvioida kompleksisella polynomilla (aste 5-9, riippuen termoparin tyypistä). Edullisissa lämpöparimittareissa käytetään analogisia linearisointimenetelmiä...

Termoparimuoto

Tyypillinen edullinen K-tyypin termopari (tavallinen K-tyypin liitin). Vaikka kaapelit kestävät ja toimivat korkeissa lämpötiloissa, muovieriste alkaa hajota 300 °C:ssa.

Termopareja on saatavana eri muodoissa, kuten antureissa . Viimeksi mainitut ovat ihanteellisia erilaisiin mittaussovelluksiin, esimerkiksi lääketieteelliseen tutkimukseen, elintarvikkeiden lämpötila-antureihin, teollisuuteen ja muilla tieteenaloilla, radioisotooppitermosähkögeneraattoreihin jne.

Tämän tyyppistä mittapäätä valittaessa on otettava huomioon liittimen tyyppi. Nämä kaksi tyyppiä ovat "standardi" malli, jossa on pyöreät nastat , ja "pieni" malli, jossa on litteät tapit, jälkimmäinen (ristiriitaisesti edellisen nimen kanssa) on suosituin.

Toinen tärkeä seikka valinnassa on lämpöparin tyyppi, eristys ja anturin rakenne. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat mitattavaan lämpötila-alueeseen, lukemien tarkkuuteen ja luotettavuuteen.

Tyypit

• Tyyppi K ( kromi / alumeli ) – Se on saatavana useissa eri sovelluksissa edulliseen hintaan ja useissa eri antureissa. Chromel on Ni - Cr -seos ja alumeli on Ni - Al -seos . Niiden lämpötila-alue on –200  °C - +1372 °C ja herkkyys noin 41 µV/°C. Sillä on hyvä hapettumisenkestävyys.
• Tyyppi E (kromi/ konstantaani [ Cu - Ni - seos ]): ne ovat ei-magneettisia ja herkkyytensä ansiosta ne sopivat ihanteellisesti käytettäväksi alhaisissa lämpötiloissa kryogeenisessä kentässä. Niiden herkkyys on 68 µV/°C.
• Tyyppi J ( rauta / konstantaani): sen käyttöalue on –270/+1200 °C. Ominaisuuksiensa vuoksi sen käyttöä suositellaan inertissä, pelkistävässä tai tyhjiöilmakehässä, sen jatkuva käyttö 800 °C:ssa ei aiheuta ongelmia, sen suurin haittapuoli on raudan nopea hapettuminen yli 550 °C:ssa; ja alle 0 °C:ssa on tarpeen ryhtyä varotoimiin, koska vesihöyryä tiivistyy raudaan.
• Tyyppi T ( kupari / konstanti ): ihanteellinen mittauksiin -200 - 260 °C. Ne kestävät kosteaa, pelkistävää ja hapettavaa ilmakehää ja soveltuvat kryogeniikkaan. Tyypin T termoparin herkkyys on noin 43 µV/°C.
• Tyyppi N ( nikrosiili [ Ni - Cr - Si ]/ nisili [ Ni - Si ]): soveltuu korkean lämpötilan mittauksiin korkean stabiilisuutensa ja korkean lämpötilan hapettumiskestävyyden ansiosta, eikä vaadi B-tyypeissä käytettyä platinaa . , R ja S, jotka ovat kalliimpia.

Toisaalta B-, R- ja S-tyypin termoparit ovat stabiileimpia, mutta alhaisen herkkyytensä (n. 10 µV/°C) vuoksi niitä käytetään yleensä korkeiden lämpötilojen mittaamiseen (yli 300 °C).

• Tyyppi B ( Pt - Rh ): ne soveltuvat korkeiden yli 1800 °C lämpötilojen mittaamiseen. Tyyppi B:t antavat saman tuloksen 0 °C:ssa ja 42 °C:ssa niiden lämpötila/jännitekäyrän vuoksi, mikä rajoittaa niiden käyttöä yli 50 °C:n lämpötiloissa.
• Tyyppi R ( Pt - Rh ): soveltuu lämpötilojen mittaamiseen 1300 °C asti. Sen alhainen herkkyys (10 µV/°C) ja korkea hinta tekevät siitä vähemmän houkuttelevan.
• Tyyppi S ( Pt / Rh ): ihanteellinen korkeiden lämpötilojen mittauksiin 1300 °C asti, mutta sen alhainen herkkyys (10 µV/°C) ja korkea hinta tekevät siitä sopimattoman yleiseen käyttöön. Korkean stabiilisuutensa ansiosta tyyppiä S käytetään kullan sulamispisteen ( 1064,43 °C) yleiskalibrointiin.

Alhaisen herkkyyden lämpöpareilla, kuten tyypeillä B, R ja S, on myös pienempi resoluutio. Termoparien valinta on tärkeää sen varmistamiseksi, että ne kattavat määritettävän lämpötila-alueen.

Varotoimet ja huomioita termopareja käytettäessä

Suurin osa termoparien mittausongelmista ja -virheistä johtuu siitä, ettei lämpöparien toimintaa ymmärretä. Alla on lyhyt luettelo yleisimmistä ongelmista, jotka tulisi ottaa huomioon.

Yhteysongelmat

Suurin osa mittausvirheistä johtuu tahattomista termopariliitoksista. On huomattava, että mikä tahansa kosketus kahden erilaisen metallin välillä luo sidoksen. Jos ohjainten pituutta halutaan pidentää, on käytettävä oikeantyyppistä jatkojohtoa. Esimerkiksi tyyppi K vastaa termoparia K. Toisen tyypin käyttäminen tuo lämpöpariliitoksen. Riippumatta siitä, mitä liitintä käytetään, sen on oltava oikeasta lämpöparimateriaalista ja sen napaisuuden on oltava oikea. Oikein tapa on käyttää kaupallisia liittimiä, jotka ovat samaa tyyppiä kuin termopari ongelmien välttämiseksi ja olla käyttämättä tätä.

Ohjausvastus

Lämpöpoikkeaman minimoimiseksi ja vasteaikojen parantamiseksi termoparit on upotettu ohuilla johtimilla. Tämä voi aiheuttaa lämpöparien korkean resistanssin , mikä voi tehdä niistä herkkiä melulle ja voi myös aiheuttaa virheitä mittauslaitteen resistanssin vuoksi. Tyypillisen avoimen 0,25 mm:n lämpöpariliitoksen resistanssi on noin 15 ohmia metriä kohti . Jos tarvitaan ohuita tai pitkiä johtimia sisältäviä termopareja, pidä johdot lyhyinä ja käytä sitten paksumpaa (eli pienempää vastusta) jatkojohtoa, joka sijaitsee termoparin ja mittauslaitteen välissä. Termoparin resistanssi on suositeltavaa mitata ennen käyttöä.

Epäsopivuus

Epäsovitus on prosessi, jossa lämpöparin langan muotoa muutetaan vahingossa. Yleisin syy on ilmakehän hiukkasten diffuusio metalliin äärimmäisissä käyttölämpötiloissa. Muita syitä ovat epäpuhtaudet ja kemikaalit, jotka diffundoituvat lämpöparin johtoon. Jos käytetään korkeissa lämpötiloissa, anturin eristysvaatimukset tulee tarkistaa. Huomaa, että yksi mittauslaitteen kalibroinnin kriteereistä on, että standardin on oltava vähintään 10 kertaa tarkempi kuin kalibroitava laite.

Melu

Termoparin lähtö on pieni signaali, joten se on herkkä sähköisen melun aiheuttamille virheille. Useimmat mittauslaitteet torjuvat kaiken häiriötilan (signaalit, jotka ovat samassa kaapelissa tai molemmissa), joten kohinaa voidaan minimoida kiertämällä kaapeleita varmistaakseen, että ne molemmat poimivat saman kohinasignaalin. Jos käytät erittäin meluisassa ympäristössä (esimerkiksi suuren moottorin lähellä ), harkitse suojatun jatkojohdon käyttöä. Jos epäillään vastaanottavan melua, kaikki epäillyt laitteet tulee ensin sammuttaa ja tarkistaa lukemat muutosten varalta. Loogisin ratkaisu on kuitenkin suunnitella alipäästösuodatin (vastus ja kondensaattori sarjassa), koska kohinan taajuus (esimerkiksi moottorista) on todennäköisesti paljon korkeampi kuin taajuus, jolla lämpötila värähtelee. Tai laita toistin termoparin perään, jotta signaali kaapelissa on suurempi ja että vastaanottolaitteisto kompensoituu kyemään kytkemään tuo toistin.

Yhteistilan jännite

Nämä jännitteet voivat johtua joko induktiivisesta vastaanotosta (ongelma moottorin osien ja muuntajien lämpötilan mittauksessa ) tai maadoitusliitäntöihin kytkemisestä. Tyypillinen esimerkki maadoitusliitoksista olisi kuumavesiputken mittaaminen eristämättömällä termoparilla. Jos maadoitusliitäntä on olemassa , putken ja mittauslaitteen maan välillä voi olla muutama voltti . Nämä signaalit ovat jälleen yhteistilassa (sama molemmissa termoparijohdoissa), joten ne eivät aiheuta ongelmia useimmille instrumenteille, kunhan ne eivät ole liian suuria. Yhteisen tilan jännitteet voidaan minimoida käyttämällä samoja johdotuksen varotoimia, jotka on määritetty melulle, ja myös käyttämällä eristettyjä termopareja.

Melu sarjatilassa

Jos anturi altistuu korkeajännitekaapeleille, jännite voi ilmaantua vain yhteen sen linjaan, tätä kohinaa voidaan vähentää lähettämällä signaali virralla.

Thermal drift

Kuumentamalla lämpöparien massaa saadaan energiaa, joka vaikuttaa määritettävään lämpötilaan. Harkitse esimerkiksi nesteen lämpötilan mittaamista koeputkessa : on olemassa kaksi mahdollista ongelmaa. Ensimmäinen on, että lämpöenergia kulkee lämpöparin johtoa pitkin ja haihtuu ilmakehään, mikä alentaa johtojen ympärillä olevan nesteen lämpötilaa. Samanlainen ongelma voi ilmetä, jos termoparia ei ole riittävästi upotettu nesteeseen, johtuen johtimien viileämmän ilman lämpötilasta, lämmönjohtavuus voi aiheuttaa lämpöpariliitoksen lämpötilan olevan eri lämpötilassa kuin itse neste. Tässä esimerkissä ohuemmilla johtimilla varustettu termopari voi olla hyödyllinen, koska se aiheuttaa jyrkemmän lämpötilagradientin lämpöparin johtoa pitkin nesteen ja ympäröivän ilman liitoskohdassa. Jos käytetään ohuita johtimia sisältäviä termopareja, on kiinnitettävä huomiota johtimen vastukseen. Usein parhaan tuloksen saa käyttämällä termoparia, jossa on ohuet johdot, jotka on liitetty paljon paksumpaan jatkotermopariin.

Lait

Termoparien käyttäytymisestä tehdyt tutkimukset ovat mahdollistaneet kolmen peruslain vahvistamisen:

1. Homogeenisen piirin laki: homogeenisessa metallijohtimessa sähkövirran kiertoa ei voida ylläpitää käyttämällä yksinomaan lämpöä.
2. Välimetallien laki: jos monijohtimispiirissä lämpötila on tasainen juotospisteestä 'A' toiseen 'B', kaikkien sähkömotoristen voimien algebrallinen summa on täysin riippumaton välimetallijohtimista ja on sama kuin jos "A" ja "B" olisivat suoraan yhteydessä.
3. Peräkkäisten lämpötilojen laki: Termoparin ja sen liitoskohtien muodostama emf lämpötiloissa T1 ja T3 on lämpöparin emf:n ja sen liitoskohtien T1 ja T2 sekä saman lämpöparin emf:n ja sen liitoskohtien emf:n algebrallinen summa lämpötiloissa T2 ja T3.

Näistä laeista käy ilmi, että piiriin kehittyy pieni mittausliitoksen lämpötilaan verrannollinen tasajännite aina, kun on lämpötilaero referenssiliitoksen kanssa. Tämän emf:n arvot on taulukoitu muunnostaulukoissa referenssiliitoksella 0 °C:ssa.

Katso myös

• lämpösähkö

Bibliografia

• Anatychuk ja Lukian: Lämpösähkön fysiikka . Thermoelectricity Institute, 1998.
• Creus, Antonio: Industrial Instrumentation .
• Egli, P.H.: Lämpösähkö . John Wiley ja pojat. 1960.
• Ernest, E.: Mittaus- ja instrumentointijärjestelmät .
• Gurevich, Juri; ja Ortiz, Antonio: "Termoelektromotorinen voima bipolaarisissa puolijohteissa: uusi näkökulma", artikkeli Mexican Journal of Physics -lehdessä , voi. 49, s. 115-122, 2003.
• Ioffe, Abraham F.: Puolijohteiden lämpöelementit ja lämpösähköinen jäähdytys . Infosearch Ltd., 1956.
• Ioffe, Abraham F.: Semiconductor thermo-elements . Akademia Nauk, 1960.
• Keiser, J.: Statistical Thermodynamics of Nonequilibrium Processes . Springer-Verlag, 1987.

• Redondo, J.M.: Jäähdytys ja energian muuntaminen lämpösähköisiä elementtejä käyttämällä . UPC, 1992.
• Rowe, D.M.: CRC-käsikirja lämpösähköistä . CRC Press, 1995.