Termocuplu

termocuplu metalic

Un termocuplu sau termocuplu pentru traducerea sa din termocuplul englezesc, este un traductor format prin unirea a două metale diferite care produce o diferență de potențial foarte mică (de ordinul milivolților ) care este o funcție a diferenței de temperatură dintre unul dintre cele numite. „punct fierbinte” sau „joncțiune fierbinte” sau „măsurare” iar celălalt numit „punct rece” sau „joncțiune rece” sau „referință” ( efectul Seebeck ).

În mod normal, termocuplurile industriale sunt realizate dintr-un tub de oțel inoxidabil sau alt material. La un capăt al tubului se află îmbinarea, iar la celălalt borna electrică a cablurilor, protejată în interiorul unei cutii (cap) rotundă de aluminiu.

În instrumentarea industrială , termocuplurile sunt folosite ca senzori de temperatură . Sunt ieftine, interschimbabile, au conectori standard și sunt capabile să măsoare o gamă largă de temperaturi. Principala sa limitare este acuratețea, deoarece este ușor să obțineți erori de sistem atunci când lucrați cu precizii mai mici de un grad Celsius . ^{[ necesită citare ]}

Grupul de termocupluri conectate în serie se numește termopilă . Atât termocuplurile cât și termopilele sunt utilizate pe scară largă în aplicațiile de încălzire cu gaz .

Linearizare

Pe lângă compensarea joncțiunii la rece , instrumentul de măsurare trebuie să se ocupe și de faptul că puterea generată de un termocuplu nu este o funcție liniară a temperaturii. Această dependență poate fi aproximată printr-un polinom complex (de gradul 5 până la 9, în funcție de tipul de termocuplu). Metodele de liniarizare analogică sunt utilizate în contoarele cu termocuplu ieftine...

Format termocuplu

Termocuplu tipic de tip K cu cost redus (cu conector standard de tip K). În timp ce cablurile pot supraviețui și funcționa la temperaturi ridicate, izolația din plastic va începe să se defecteze la 300°C.

Termocuplurile sunt disponibile în diferite formate, cum ar fi sondele . Acestea din urmă sunt ideale pentru diverse aplicații de măsurare, de exemplu, în cercetarea medicală, senzori de temperatură alimentară, în industrie și în alte ramuri ale științei, în generatoare termoelectrice cu radioizotopi etc.

La selectarea unei sonde de acest tip, trebuie luat în considerare tipul conectorului. Cele două tipuri sunt modelul „standard”, cu știfturi rotunde, și modelul „miniatural”, cu știfturi plate, acesta din urmă (contradictoriu cu numele celui dintâi) fiind cel mai popular.

Un alt punct important în selecție este tipul de termocuplu, izolația și construcția sondei. Toți acești factori au un efect asupra intervalului de temperatură care trebuie măsurat, acurateței și fiabilității citirilor.

Tipuri

Tip K ( cromel / alumel ) – Cu o mare varietate de aplicații, este disponibil la preț redus și într-o varietate de sonde. Chromel este un aliaj Ni - Cr , iar alumel este un aliaj Ni - Al . Au un interval de temperatură de la –200 °C la +1372 °C și o sensibilitate de aproximativ 41 µV/°C. Are o rezistență bună la oxidare.
Tip E (chromel/ constantan [ aliaj Cu - Ni ]): sunt nemagnetice și, datorită sensibilității lor, sunt ideale pentru utilizare la temperaturi scăzute, în câmpul criogenic. Au o sensibilitate de 68 µV/°C.
Tip J ( fier / constantan): domeniul său de utilizare este de –270/+1200 °C. Datorita caracteristicilor sale se recomanda folosirea in atmosfere inerte, reductoare sau de vid, folosirea sa in continuare la 800 °C nu prezinta probleme, principalul dezavantaj este oxidarea rapida suferita de fier peste 550 °C; iar sub 0 °C este necesar să se ia măsuri de precauție din cauza condensului vaporilor de apă pe fierul de călcat.
Tip T ( cupru / constantan ): ideal pentru măsurători între -200 și 260 °C. Ele rezistă la atmosfere umede, reducătoare și oxidante și sunt aplicabile în criogenie. Termocuplul de tip T are o sensibilitate de aproximativ 43 µV/°C.
Tip N ( nicrosil [ Ni - Cr - Si ]/ nisil [ Ni - Si ]): este potrivit pentru măsurători la temperaturi înalte datorită stabilității sale ridicate și rezistenței la oxidarea la temperaturi înalte și nu necesită platina utilizată în tipurile B , R și S, care sunt mai scumpe.

Pe de altă parte, termocuplurile de tip B, R și S sunt cele mai stabile, dar datorită sensibilității lor scăzute (aprox. 10 µV/°C) sunt utilizate în general pentru măsurarea temperaturilor ridicate (peste 300 °C).

Tip B ( Pt - Rh ): sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor ridicate peste 1800 °C. Tipul B prezintă același rezultat la 0 °C și 42 °C datorită curbei lor temperatură/tensiune, limitând astfel utilizarea lor la temperaturi peste 50 °C.
Tip R ( Pt - Rh ): potrivit pentru măsurarea temperaturilor de până la 1300 °C. Sensibilitatea sa scăzută (10 µV/°C) și prețul ridicat îl fac mai puțin atractiv.
Tip S ( Pt / Rh ): ideal pentru măsurători de temperatură ridicată de până la 1300 °C, dar sensibilitatea sa scăzută (10 µV/°C) și prețul ridicat îl fac un instrument nepotrivit pentru uz general. Datorită stabilității sale ridicate, tipul S este utilizat pentru calibrarea universală a punctului de topire al aurului ( 1064,43 °C).

Termocuplurile cu sensibilitate scăzută, cum ar fi tipurile B, R și S, au și o rezoluție mai mică. Selectarea termocuplurilor este importantă pentru a se asigura că acestea acoperă intervalul de temperaturi care trebuie determinat.

Precauții și considerații la utilizarea termocuplurilor

Cele mai multe probleme de măsurare și erori cu termocuplurile se datorează lipsei de înțelegere a modului în care funcționează termocuplurile. Mai jos este o listă scurtă a celor mai frecvente probleme care ar trebui luate în considerare.

Probleme de conexiune

Majoritatea erorilor de măsurare sunt cauzate de joncțiuni neintenționate ale termocuplurilor. Trebuie remarcat faptul că orice contact între două metale diferite va crea o legătură. Dacă se dorește creșterea lungimii ghidajelor, trebuie utilizat tipul corect de prelungitor. De exemplu, tipul K corespunde termocuplului K. Utilizarea unui alt tip va introduce o joncțiune de termocuplu. Indiferent de conector utilizat, trebuie să fie fabricat din materialul termocuplului corect, iar polaritatea acestuia trebuie să fie corectă. Cel mai corect lucru este să folosiți conectori comerciali de același tip ca și termocuplul pentru a evita problemele și a nu folosi acest lucru.

Rezistența ghidului

Pentru a minimiza deviația termică și pentru a îmbunătăți timpii de răspuns, termocuplurile sunt încorporate cu cabluri subțiri. Acest lucru poate face ca termocuplurile să aibă o rezistență ridicată , ceea ce le poate face sensibile la zgomot și poate provoca, de asemenea, erori din cauza rezistenței instrumentului de măsură. O joncțiune tipică de termocuplu expusă de 0,25 mm va avea o rezistență de aproximativ 15 ohmi pe metru . Dacă sunt necesare termocupluri cu cabluri subțiri sau lungi, mențineți cablurile scurte și apoi utilizați cablul de prelungire mai gros (adică cu rezistență mai mică) situat între termocuplu și instrumentul de măsurare. Se recomandă măsurarea rezistenței termocuplului înainte de a-l folosi.

Nepotrivire

Nepotrivirea este procesul de modificare accidentală a formei firului termocuplului. Cea mai frecventă cauză este difuzia particulelor atmosferice în metal la temperaturi extreme de funcționare. Alte cauze sunt impuritățile și substanțele chimice din izolație care se difuzează în firul termocuplului. Dacă funcționează la temperaturi ridicate, specificațiile de izolație a sondei trebuie revizuite. Rețineți că unul dintre criteriile pentru calibrarea unui instrument de măsurare este acela că standardul trebuie să fie de cel puțin 10 ori mai precis decât instrumentul care trebuie calibrat.

Zgomot

Ieșirea unui termocuplu este un semnal mic, deci este susceptibil la erori de la zgomotul electric. Majoritatea instrumentelor de măsurare resping orice mod de zgomot (semnale care sunt pe același cablu sau pe ambele), astfel încât zgomotul poate fi minimizat prin răsucirea cablurilor pentru a se asigura că ambele captează același semnal de zgomot. Dacă lucrați într-un mediu extrem de zgomotos (de exemplu, lângă un motor mare ), luați în considerare utilizarea unui prelungitor ecranat. Dacă se suspectează că se primește zgomot, toate echipamentele suspectate trebuie mai întâi oprite și citirile verificate pentru modificări. Cu toate acestea, soluția cea mai logică este proiectarea unui filtru trece-jos (rezistor și condensator în serie), deoarece frecvența zgomotului (de exemplu de la un motor) este probabil să fie mult mai mare decât frecvența cu care oscilează temperatura. Sau puneti un repetor dupa termocuplu astfel incat semnalul in cablu sa fie mai mare si ca echipamentul de receptie sa fie compensat pentru a putea cupla acel repetor.

Tensiune în modul comun

Aceste tensiuni pot fi cauzate fie de recepția inductivă (o problemă la măsurarea temperaturii pieselor motorului și a transformatoarelor ), fie prin legarea la conexiunile de masă. Un exemplu tipic de legături la pământ ar fi măsurarea unei conducte de apă caldă cu un termocuplu neizolat. Dacă există vreo conexiune la masă, pot exista câțiva volți între tub și masa instrumentului de măsurare. Aceste semnale sunt din nou în modul comun (același pe ambele cabluri de termocuplu), așa că nu vor cauza probleme cu majoritatea instrumentelor atâta timp cât nu sunt prea mari. Tensiunile în modul comun pot fi minimizate prin utilizarea acelorași măsuri de precauție de cablare stabilite pentru zgomot și, de asemenea, prin utilizarea termocuplurilor izolate.

Zgomot în modul serial

Daca senzorul este expus la cabluri de inalta tensiune poate aparea o tensiune care apare doar pe una dintre liniile sale, acest zgomot poate fi redus prin transmiterea semnalului in curent.

Deriva termică

Prin încălzirea masei termocuplurilor se extrage energie care va afecta temperatura de determinat. Luați în considerare, de exemplu, măsurarea temperaturii unui lichid într-o eprubetă : există două probleme potențiale. Primul este că energia termică va călători în sus pe firul termocuplului și se va disipa în atmosferă, scăzând astfel temperatura lichidului din jurul firelor. O problemă similară poate apărea dacă un termocuplu nu este suficient de scufundat în lichid, din cauza unui mediu de temperatură a aerului mai rece pe cabluri, conducția termică poate face ca joncțiunea termocuplului să fie la o temperatură diferită de lichidul în sine. În acest exemplu, un termocuplu cu cabluri mai subțiri poate fi util, deoarece va provoca un gradient de temperatură mai abrupt de-a lungul conductorului termocuplului la joncțiunea dintre lichid și aerul ambiant. Dacă se folosesc termocupluri cu cabluri subțiri, trebuie acordată atenție rezistenței cablului. Utilizarea unui termocuplu cu cabluri subțiri conectate la un termocuplu cu extensie mult mai gros oferă adesea cel mai bun rezultat.

Legile

Studiile efectuate asupra comportamentului termocuplurilor au permis stabilirea a trei legi fundamentale:

Legea circuitului omogen: într-un conductor metalic omogen circulația unui curent electric nu poate fi susținută prin aplicarea exclusivă a căldurii.
Legea metalelor intermediare: dacă într-un circuit multiconductor temperatura este uniformă de la un punct de lipit „A” la altul „B”, suma algebrică a tuturor forțelor electromotoare este total independentă de conductorii metalici intermediari și este aceeași cu dacă „A” și „B” au fost puse în contact direct.
Legea temperaturilor succesive: FEM generată de un termocuplu cu joncțiunile sale la temperaturile T1 și T3 este suma algebrică a fem-ului termocuplului cu joncțiunile sale la T1 și T2 și a f.e.m. aceluiași termocuplu cu joncțiunile sale la temperaturile T2 și T3.

Din aceste legi este evident că în circuit se dezvoltă o tensiune continuă mică proporțională cu temperatura joncțiunii de măsurare, ori de câte ori există o diferență de temperatură cu joncțiunea de referință. Valorile acestei feme sunt tabulate în tabele de conversie cu joncțiunea de referință la 0 °C.

Vezi și

termoelectricitate

Bibliografie

Anatychuk și Lukian: Fizica termoelectricității . Institutul de Termoelectricitate, 1998.
Creus, Antonio: Instrumentație industrială .
Egli, P.H.: Termoelectricitate . John Wiley și fiii. 1960.
Ernest, E.: Sisteme de măsurare și instrumentare .
Gurevici, Yuri; și Ortiz, Antonio: „Forța termoelectromotoare în semiconductori bipolari: un nou punct de vedere”, articol în Jurnalul Mexican de Fizică , voi. 49, pp. 115-122, 2003.
Ioffe, Abraham F.: Termoelemente semiconductoare și răcire termoelectrică . Infosearch Ltd., 1956.
Ioffe, Abraham F.: Termoelemente semiconductoare . Akademia Nauk, 1960.
Keiser, J.: Statistical Thermodynamics of Nonequilibrium Processes . Springer-Verlag, 1987.

Redondo, J.M.: Răcirea și conversia energiei folosind elemente termoelectrice . UPC, 1992.
Rowe, D.M.: Manualul CRC de termoelectrice . CRC Press, 1995.