Jak zkontrolovat funkčnost termočlánku?

Termočlánek je zařízení pro měření teplot ve všech oborech vědy a techniky. Tento článek poskytuje obecný přehled termočlánků s rozborem konstrukce a principu činnosti zařízení. Jsou popsány typy termočlánků s jejich stručnou charakteristikou a je uvedeno posouzení termočlánku jako měřícího zařízení.

Termočlánkové zařízení

Princip činnosti termočlánku. Seebeckův efekt

Fungování termočlánku je způsobeno výskytem termoelektrického jevu, který objevil německý fyzik Thomas Seebeck v roce 1821.

Jev je založen na vzniku elektřiny v uzavřeném elektrickém obvodu při vystavení určité okolní teplotě. Elektrický proud vzniká při teplotním rozdílu mezi dvěma vodiči (termoelektrodami) různého složení (různé kovy nebo slitiny) a je udržován udržováním polohy jejich kontaktů (přechodů). Zařízení zobrazí naměřenou hodnotu teploty na obrazovce připojeného sekundárního zařízení.

Výstupní napětí a teplota jsou lineárně závislé. To znamená, že zvýšení naměřené teploty má za následek vyšší hodnotu milivoltů na volných koncích termočlánku.

Spoj umístěný v místě měření teploty se nazývá „horký“ spoj a místo, kde jsou vodiče připojeny k převodníku, se nazývá „studený“ spoj.

Kompenzace teploty studeného konce (CJT)

Kompenzace studeného konce (CJC) je kompenzace zavedená ve formě korekce konečných hodnot při měření teploty v místě připojení volných konců termočlánku. To je způsobeno nesrovnalostmi mezi skutečnou teplotou studených konců a vypočtenými hodnotami z kalibrační tabulky pro teplotu studeného konce při 0 °C.

CHS je diferenciální metoda, při které se absolutní hodnoty teploty získávají ze známé hodnoty teploty studeného konce (jiný název je referenční spoj).

Čtěte také: Co je to tenzometr, typy tenzometrů, schéma zapojení a jejich použití

Konstrukce termočlánku

Při návrhu termočlánku se bere v úvahu vliv takových faktorů, jako je „agresivita“ vnějšího prostředí, stav agregace látky, rozsah měřených teplot a další.

Vlastnosti designu termočlánku:

1) Spoje vodičů jsou navzájem spojeny kroucením nebo kroucením dalším svařováním elektrickým obloukem (výjimečně pájením).

DŮLEŽITÉ: Nedoporučuje se používat metodu kroucení z důvodu rychlé ztráty vlastností křižovatky.

2) Termoelektrody musí být po celé délce kromě místa dotyku elektricky izolovány.

3) Způsob izolace se volí s ohledem na horní teplotní limit.

• Do 100-120°C – jakákoliv izolace;
• Do 1300°C – porcelánové trubičky nebo korálky;
• Do 1950°C – Al trubky₂O₃;
• Nad 2000°C – trubky z MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Ochranný kryt.

Materiál musí být tepelně a chemicky odolný, s dobrou tepelnou vodivostí (kov, keramika). Použití krytu zabraňuje korozi v určitých prostředích.

Prodlužovací (kompenzační) dráty

Tento typ drátu je nezbytný pro prodloužení konců termočlánku k sekundárnímu zařízení nebo zábraně. Vodiče se nepoužívají, pokud má termočlánek vestavěný převodník s unifikovaným výstupním signálem. Nejpoužívanější standardizační převodník je umístěn ve standardní koncové hlavici snímače s jednotným signálem 4-20mA, tzv. „pill“.

Materiál drátů může být stejný jako materiál termoelektrod, nejčastěji je však nahrazen levnějším s přihlédnutím k podmínkám, které zabraňují vzniku parazitního (indukovaného) termo-EMF. Použití prodlužovacích vodičů také umožňuje optimalizaci výroby.

Lifehack! Pro správné určení polarity kompenzačních vodičů a jejich připojení k termočlánku si zapamatujte mnemotechnické pravidlo MM – mínus je magnetické. To znamená, že vezmeme jakýkoli magnet a mínus kompenzace se na rozdíl od plusu zmagnetizuje.

Typy a typy termočlánků

Rozmanitost termočlánků se vysvětluje různými kombinacemi použitých kovových slitin. Výběr termočlánku se provádí v závislosti na odvětví a požadovaném teplotním rozsahu.

Chromel-alumelový termočlánek (TCA, typ K)

Pozitivní elektroda: slitina Chromel (90% Ni, 10% Cr).
Negativní elektroda: slitina alumel (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).

Izolační materiál: porcelán, křemen, oxidy kovů atd.

Teplotní rozsah od -200°C do 1300°C pro krátkodobý a 1100°C pro dlouhodobý ohřev.

Pracovní prostředí: inertní, oxidační (O₂=2-3% nebo zcela vyloučeno), suchý vodík, krátkodobé vakuum. V redukční nebo redoxní atmosféře za přítomnosti ochranného krytu.

Nevýhody: snadná deformace, reverzibilní nestabilita termoemf.

Mohou nastat případy koroze a křehnutí alumelu v přítomnosti stop síry v atmosféře a chromelu ve slabě oxidační atmosféře („zelený jíl“).

Chromel-Copel termočlánek (TCHK, typ L)

Pozitivní elektroda: slitina Chromel (90% Ni, 10% Cr).
Negativní elektroda: slitina Copel (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).

Teplotní rozsah od -253°C do 600°C pro dlouhodobý ohřev a 800°C pro krátkodobý ohřev.

Pracovní prostředí: inertní a oxidační, krátkodobé vakuum.

Nevýhody: deformace termoelektrody.

Při delším vakuu je možné odpařování chrómu; reakce s atmosférou obsahující síru, chrom, fluor.

Železo-konstantní termočlánek (ILC, typ J)

Pozitivní elektroda: komerčně čisté železo (nízkouhlíková ocel).
Negativní elektroda: slitina konstantanu (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).

Používá se pro měření v redukčním, inertním prostředí a vakuu. Teplota od -203°C do 750°C pro dlouhodobý a 900°C pro krátkodobý ohřev.

Aplikace je založena na společném měření kladných a záporných teplot. Je nerentabilní používat pouze pro záporné teploty.

Nevýhody: deformace termoelektrody, malá odolnost proti korozi.

Změny fyzikálně-chemických vlastností železa kolem 700°C a 900°C. Interaguje se sírou a vodní párou za vzniku koroze.

Wolfram-rhenium termočlánek (TVR, typ A-1, A-2, A-3)

Pozitivní elektroda: slitiny BP5 (95 % W, 5 % Rh)/VAR5 (BP5 s přísadou křemíku-alkálie a hliníku)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negativní elektroda: slitiny BP20 (80 % W, 20 % Rh).

Izolace: keramika vyrobená z chemicky čistých oxidů kovů.

Zaznamenává se mechanická pevnost, tepelná odolnost, nízká citlivost na nečistoty a snadná výroba.

Měření teploty od 1800°C do 3000°C, spodní hranice – 1300°C. Měření se provádějí v prostředí inertního plynu, suchého vodíku nebo vakua. V oxidačních prostředích pouze pro měření v rychlých procesech.

Nevýhody: špatná reprodukovatelnost termo-EMF, jeho nestabilita při ozařování, nekonzistentní citlivost v teplotním rozsahu.

Wolfram-molybdenový termočlánek (TM)

Kladná elektroda: wolfram (technicky čistý).
Negativní elektroda: molybden (technicky čistý).

Izolace: hliníková keramika, chráněná křemennými hroty.

Inertní, vodíkové nebo vakuové prostředí. Je možné provádět krátkodobá měření v oxidačních prostředích za přítomnosti izolace. Rozsah měřených teplot je 1400-1800°C, maximální provozní teplota je cca 2400°C.

Nevýhody: špatná reprodukovatelnost a citlivost termo-EMF, inverze polarity, křehnutí při vysokých teplotách.

Platina-rhodium-platinové termočlánky (TPP, typ S)

Pozitivní elektroda: platina rhodium (Pt s 10% nebo 13% Rh).
Negativní elektroda: platina.

Izolace: křemen, porcelán (běžná a ohnivzdorná). Do 1400°C – keramika s vysokým obsahem Al₂O₃, nad 1400°C – keramika z chemicky čistého Al₂O₃.

Maximální provozní teplota je dlouhodobě 1400°C, krátkodobě 1600°C. Nízké teploty se obvykle neměří.

Pracovní prostředí: oxidující a inertní, redukující za přítomnosti ochrany.

Nevýhody: vysoká cena, nestabilita při ozařování, vysoká citlivost na znečištění (zejména platinová elektroda), růst kovových zrn při vysokých teplotách.

Platinumrhodium-platinorodiové termočlánky (TPR, typ B)

Kladná elektroda: slitina Pt s 30% Rh.
Negativní elektroda: slitina Pt s 6% Rh.

Prostředí: oxidační, neutrální a vakuové. Použití v redukčních prostředích obsahujících páry kovů nebo nekovů za přítomnosti ochrany.

Maximální provozní teplota 1600°C dlouhodobě, 1800°C krátkodobě.

Izolace: Al keramika₂O₃ vysoká čistota.

Méně náchylné k chemické kontaminaci a růstu zrn než termočlánky platina-rhodium-platina.

Schéma zapojení termočlánku

• Připojení potenciometru nebo galvanometru přímo na vodiče.
• Připojení pomocí kompenzačních vodičů;
• Připojení běžnými měděnými dráty k termočlánku s unifikovaným výstupem.

Normy barev termočlánků

Barevná izolace vodičů pomáhá rozlišit termoelektrody od sebe pro správné připojení ke svorkám. Normy se v jednotlivých zemích liší a pro vodiče neexistují žádné specifické barevné kódy.

DŮLEŽITÉ: Aby se předešlo chybám, je nutné znát standard používaný v podniku.

Přesnost měření

Přesnost závisí na typu termočlánku, měřeném teplotním rozsahu, čistotě materiálu, elektrickém šumu, korozi, vlastnostech spojení a výrobním procesu.

Termočlánkům je přiřazena třída tolerance (standardní nebo speciální), která stanoví interval spolehlivosti měření.

DŮLEŽITÉ: Vlastnosti v době výroby se během používání mění.

Rychlost měření

Výkon je dán schopností primárního převodníku rychle reagovat na teplotní rázy a následný tok vstupních signálů z měřicího zařízení.

Faktory, které zvyšují výkon:

1. Správná instalace a výpočet délky primárního měniče;
2. Při použití převodníku s ochrannou manžetou je nutné snížit hmotnost sestavy volbou menšího průměru manžet;
3. Minimalizace vzduchové mezery mezi primárním měničem a ochranným pouzdrem;
4. Použití odpruženého primárního konvertoru a vyplnění dutin v objímce teplovodivým plnivem;
5. Rychle se pohybující nebo hustší médium (kapalina).

Kontrola funkčnosti termočlánku

Pro kontrolu funkčnosti připojte speciální měřící přístroj (tester, galvanometr nebo potenciometr) nebo změřte výstupní napětí milivoltmetrem. Pokud ručička nebo digitální indikátor osciluje, je termočlánek provozuschopný, jinak je nutné zařízení vyměnit.

Důvody selhání termočlánku:

1. Nepoužití ochranného stínícího zařízení;
2. Změna chemického složení elektrod;
3. Oxidační procesy vznikající při vysokých teplotách;
4. Porucha ovládacího přístroje atd.

Výhody a nevýhody použití termočlánků

Mezi výhody používání tohoto zařízení patří:

• Velký rozsah měření teploty;
• Vysoká přesnost;
• Jednoduchost a spolehlivost.

Mezi nevýhody patří:

• Provádění nepřetržitého monitorování studeného konce, ověřování a kalibrace regulačních zařízení;
• Strukturální změny kovů během výroby zařízení;
• Závislost na složení atmosféry, náklady na těsnění;
• Chyba měření v důsledku vystavení elektromagnetickým vlnám.

Typy snímačů teploty: termistory, termočlánky, odporové teploměry, analogové a digitální snímače

Jaké jsou tam dráty – všechny typy kabelů a drátů

Odporový teploměr – snímač pro měření teploty: co to je, popis a typy

Jak vybrat smršťovací bužírky pro dráty?

Co je to tenzometr, druhy tenzometrů, schéma zapojení a jejich použití

Barevné a alfanumerické značení vodičů a kabelů v elektrických instalacích v souladu s GOST