Un termoparell és un dispositiu per mesurar temperatures en totes les branques de la ciència i la tecnologia. Aquest article presenta una visió general dels termoparells amb una anàlisi del disseny i principi de funcionament del dispositiu. Es descriuen varietats de termoparells amb les seves breus característiques, i també es fa una valoració del termoparell com a instrument de mesura.
Contingut
Dispositiu de termoparell
Principi de funcionament d'un termoparell. Efecte Seebeck
El funcionament d'un termoparell es deu a l'aparició de l'efecte termoelèctric, descobert pel físic alemany Tomas Seebeck l'any 1821.
El fenomen es basa en l'aparició d'electricitat en un circuit elèctric tancat quan s'exposa a una determinada temperatura ambient. Un corrent elèctric es produeix quan hi ha una diferència de temperatura entre dos conductors (termoelèctrodes) de composició diferent (metalls o aliatges diferents) i es manté mantenint el lloc dels seus contactes (unions). El dispositiu mostra el valor de la temperatura mesurada a la pantalla del dispositiu secundari connectat.
La tensió de sortida i la temperatura estan relacionades linealment. Això significa que un augment de la temperatura mesurada dóna lloc a un valor de mil·livolts més alt als extrems lliures del termopar.
La unió situada al punt de mesura de la temperatura s'anomena "calenta", i el lloc on es connecten els cables al convertidor s'anomena "fred".
Compensació de temperatura de la unió freda (CJC)
La compensació de la unió freda (CJC) és una compensació aplicada com a correcció de la lectura total quan es mesura la temperatura en el punt on es connecten els cables del termoparell. Això es deu a discrepàncies entre la temperatura real dels extrems freds i les lectures calculades de la taula de calibratge per a la temperatura de la unió freda a 0 °C.
El CCS és un mètode diferencial en el qual es troben lectures de temperatura absoluta a partir d'una temperatura coneguda d'unió freda (també coneguda com a unió de referència).
Disseny de termoparells
Quan es dissenya un termopar, es té en compte la influència de factors com l'"agressivitat" de l'entorn extern, l'estat d'agregació de la substància, el rang de temperatures mesurades i altres.
Característiques del disseny del termopar:
1) Les unions dels conductors s'interconnecten mitjançant torsió o torsió amb soldadura addicional per arc elèctric (rarament per soldadura).
IMPORTANT: No es recomana utilitzar el mètode de torsió a causa de la ràpida pèrdua de propietats d'unió.
2) Els termoelèctrodes han d'estar aïllats elèctricament en tota la seva longitud, excepte el punt de contacte.
3) El mètode d'aïllament es selecciona tenint en compte el límit de temperatura superior.
- Fins a 100-120 ° C - qualsevol aïllament;
- Fins a 1300 ° C - tubs o perles de porcellana;
- Fins a 1950 °C - Tubs d'Al2O3;
- Per sobre de 2000 °С - tubs fets de MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Funda protectora.
El material ha de ser resistent tèrmicament i químicament, amb bona conductivitat tèrmica (metall, ceràmica). L'ús d'una bota evita la corrosió en determinats ambients.
Cables d'extensió (compensació).
Aquest tipus de cable és necessari per estendre els extrems del termopar fins a l'instrument secundari o la barrera. Els cables no s'utilitzen si el termopar té un convertidor integrat amb un senyal de sortida unificat. El més utilitzat és el convertidor normalitzador, situat al capçal de terminal estàndard del sensor amb un senyal unificat 4-20mA, l'anomenada "tauleta".
El material dels cables pot coincidir amb el material dels termoelèctrodes, però la majoria de vegades es substitueix per un de més barat, tenint en compte les condicions que impedeixen la formació de termoemfs paràsits (induïts). L'ús de cables d'extensió també permet optimitzar la producció.
Hack de vida! Per determinar correctament la polaritat dels cables compensadors i connectar-los al termopar, recordeu que la regla mnemotècnica MM - menys està magnetitzada. És a dir, agafem qualsevol imant i el menys de la compensació quedarà magnetitzat, a diferència del més.
Tipus i tipus de termoparells
La varietat de termoparells s'explica per diverses combinacions d'aliatges metàl·lics utilitzats. L'elecció del termoparell es realitza en funció de la indústria i del rang de temperatura requerit.
Termoparell cromel-alumel (TXA)
Elèctrode positiu: aliatge de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Elèctrode negatiu: aliatge d'alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Material aïllant: porcellana, quars, òxids metàl·lics, etc.
Interval de temperatures de -200 °С a 1300 °С a curt termini i 1100 °С a llarg termini.
Ambient de treball: inert, oxidant (O2=2-3% o totalment exclòs), hidrogen sec, buit a curt termini. En atmosfera reductora o redox en presència de coberta protectora.
Inconvenients: facilitat de deformació, inestabilitat reversible del termo-EMF.
Pot haver-hi casos de corrosió i fragilitat de l'alumel en presència de traces de sofre a l'atmosfera i de cromel en una atmosfera poc oxidant ("argila verda").
Termoparell chromel-kopel (TKhK)
Elèctrode positiu: aliatge de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Elèctrode negatiu: aliatge Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Interval de temperatures de -253 °С a 800 °С a llarg termini i 1100 °С a curt termini.
Entorn de treball: inert i oxidant, buit a curt termini.
Inconvenients: deformació del termoelèctrode.
Possibilitat d'evaporació del crom sota buit prolongat; reacció amb una atmosfera que conté sofre, crom, fluor.
Termoparell de ferro-constantà (TGK)
Elèctrode positiu: ferro comercialment pur (acer suau).
Elèctrode negatiu: aliatge constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
S'utilitza per a mesures en medis reductors, inerts i buit. Temperatura de -203°С a 750°С a llarg termini i 1100°С a curt termini.
L'aplicació es desenvolupa en la mesura conjunta de temperatures positives i negatives. No és rendible utilitzar-lo només per a temperatures negatives.
Desavantatges: deformació del termoelèctrode, baixa resistència a la corrosió.
Canvis en les propietats fisicoquímiques del ferro a uns 700 °C i 900 °C. Reacciona amb sofre i vapor d'aigua per formar corrosió.
Termoparell tungstè-reni (TVR)
Elèctrode positiu: aliatges BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 amb sílice i additiu d'alumini) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Elèctrode negatiu: aliatges BP20 (80% W, 20% Rh).
Aïllament: ceràmica d'òxid metàl·lic químicament pur.
Es destaquen la resistència mecànica, la resistència a la calor, la baixa sensibilitat a la contaminació i la facilitat de fabricació.
Mesura de temperatures des de 1800 °С fins a 3000 °С, el límit inferior és de 1300 °С. Les mesures es realitzen en un ambient de gas inert, hidrogen sec o buit. En ambients oxidants només per a mesura en processos ràpids.
Desavantatges: poca reproductibilitat del termo-EMF, la seva inestabilitat durant la irradiació, sensibilitat inestable en el rang de temperatura.
Termoparell tungstè-molibdè (VM)
Elèctrode positiu: tungstè (comercialment pur).
Elèctrode negatiu: molibdè (comercialment pur).
Aïllament: ceràmica d'alúmina, protegit amb puntes de quars.
Ambient inert, hidrogen o buit. És possible realitzar mesures a curt termini en ambients oxidants en presència d'aïllament.El rang de temperatures mesurades és de 1400-1800 °C, la temperatura màxima de funcionament és d'uns 2400 °C.
Inconvenients: poca reproductibilitat i sensibilitat de la CEM tèrmica, inversió de polaritat, fragilitat a altes temperatures.
Termoparells platí-rodi-platí (TPP)
Elèctrode positiu: platí-rodi (Pt c 10% o 13% Rh).
Elèctrode negatiu: platí.
Aïllament: quars, porcellana (llis i refractaris). Fins a 1400 °C - ceràmica amb un alt contingut d'Al2O3, més de 1400 °C - ceràmica d'Al químicament pur2O3.
Temperatura màxima de funcionament 1400 °C a llarg termini, 1600 °C a curt termini. Normalment no es realitza la mesura de les temperatures baixes.
Ambient de treball: oxidant i inert, reductor en presència de protecció.
Desavantatges: alt cost, inestabilitat durant la irradiació, alta sensibilitat a la contaminació (especialment l'elèctrode de platí), creixement de gra de metall a altes temperatures.
Termoparells platí-rodi-platí-rodi (TPR)
Elèctrode positiu: aliatge Pt amb 30% Rh.
Elèctrode negatiu: aliatge Pt amb 6% Rh.
Mitjà: oxidant, neutre i al buit. Ús per reduir i contenir vapors de metalls o no metalls en presència de protecció.
Temperatura màxima de funcionament 1600 °C a llarg termini, 1800 °C a curt termini.
Aïllament: Al ceràmic2O3 alta puresa.
Menys susceptible a la contaminació química i al creixement del gra que un termoparell platí-rodi-platí.
Diagrama de cablejat del termopar
- Connexió d'un potenciòmetre o galvanòmetre directament als conductors.
- Connexió amb cables compensadors;
- Connexió amb cables de coure convencionals a un termoparell amb una sortida unificada.
Estàndards de color dels conductors de termoparells
L'aïllament del conductor de colors ajuda a distingir els termoelèctrodes entre si per a una correcta connexió als terminals. Els estàndards difereixen segons el país, no hi ha codis de colors específics per als conductors.
IMPORTANT: Cal conèixer l'estàndard utilitzat a l'empresa per evitar errors.
Precisió de mesura
La precisió depèn del tipus de termoparell, el rang de temperatura, la puresa del material, el soroll elèctric, la corrosió, les propietats de la unió i el procés de fabricació.
Als termoparells se'ls assigna una classe de tolerància (estàndard o especial) que estableix un interval de confiança de mesura.
IMPORTANT: Les característiques en el moment de la fabricació canvien durant el funcionament.
Velocitat de mesura
La velocitat ve determinada per la capacitat del convertidor primari de respondre ràpidament als salts de temperatura i el flux de senyals d'entrada del dispositiu de mesura que els segueix.
Factors que augmenten el rendiment:
- Instal·lació correcta i càlcul de la longitud del convertidor primari;
- Quan s'utilitza un transductor amb una funda protectora, cal reduir la massa de la unitat seleccionant un diàmetre més petit de les mànigues;
- Minimitzar l'espai d'aire entre el convertidor primari i la funda protectora;
- L'ús d'un convertidor primari amb molla i omplir els buits de la màniga amb un farciment conductor de calor;
- Un mitjà de moviment ràpid o més dens (líquid).
Comprovació del rendiment del termopar
Per comprovar el rendiment, connecteu un dispositiu de mesura especial (tester, galvanòmetre o potenciòmetre) o mesura la tensió de sortida amb un mil·livoltòmetre. Si hi ha fluctuacions de la fletxa o de l'indicador digital, el termoparell és útil, en cas contrari s'ha de substituir el dispositiu.
Causes de la fallada del termopar:
- No utilitzar un dispositiu de protecció protectora;
- Canvi en la composició química dels elèctrodes;
- Processos oxidatius que es desenvolupen a altes temperatures;
- Avaria de l'aparell de control i mesura, etc.
Avantatges i desavantatges de l'ús de termoparells
Els avantatges d'utilitzar aquest dispositiu són:
- Gran rang de mesura de temperatura;
- Alta precisió;
- Simplicitat i fiabilitat.
Els desavantatges inclouen:
- Implementació del seguiment continu de la unió freda, verificació i calibratge dels equips de control;
- Canvis estructurals en metalls durant la fabricació del dispositiu;
- Dependència de la composició de l'atmosfera, el cost del segellat;
- Error de mesura degut a ones electromagnètiques.
