Termočlánek a principy jeho použití – Quote

Termočlánek (termoelektrický teplotní převodník) je termočlánek používaný v měřicích a převodních zařízeních a také v automatizačních systémech.

Mezinárodní norma pro termočlánky IEC 60584 (odstavec 2.2) uvádí následující definici termočlánku:

Termočlánek – dvojice vodičů z různých materiálů spojených na jednom konci tak, aby tvořily součást zařízení, které využívá termoelektrický jev k měření teploty.

Pro měření teplotního rozdílu mezi zónami, z nichž žádná neobsahuje sekundární převodník (termo-EMF měřič), je vhodné použít diferenciální termočlánek: dva stejné termočlánky, připojené k sobě (viz obrázek). Každý z nich měří teplotní rozdíl mezi jeho pracovním spojem a konvenčním spojem tvořeným konci termočlánky, připojené ke svorkám sekundárního převodníku, ale sekundární převodník měří rozdíl mezi jejich signály, takže oba termočlánky společně měří rozdíl teplot mezi jejich pracovními spoji.

Princip

Princip činnosti je založen na Seebeckově jevu nebo jinými slovy na termoelektrickém jevu. Když mají konce vodiče různé teploty, vzniká mezi nimi rozdíl potenciálů úměrný rozdílu teplot. Koeficient úměrnosti se nazývá koeficient tepelného výkonu. Různé kovy mají různé koeficienty tepelné energie a v souladu s tím bude rozdíl potenciálů vznikající mezi konci různých vodičů odlišný. Umístěním přechodu kovů s výbornými termovýkonovými koeficienty do média o teplotě T1 získáme mezi protilehlými kontakty umístěnými na jiné teplotě T2 napětí, které bude úměrné teplotnímu rozdílu T1 a T2.

Schéma zapojení dvou termočlánků

Způsoby připojení

Nejběžnější dva způsoby připojení termočlánku k měřicím převodníkům jsou jednoduché a rozdílové. V prvním případě je měřicí převodník připojen přímo ke dvěma termoelektrodám. Ve druhém případě se použijí dva vodiče s různými koeficienty tepelného výkonu, připájené na dvou koncích a měřicí převodník se připojí k mezeře jednoho z vodičů.

Pro vzdálené připojení termočlánky Používají se prodlužovací nebo kompenzační vodiče. Prodlužovací dráty jsou vyrobeny ze stejného materiálu jako termoelektrody, ale mohou mít jiný průměr. Kompenzační dráty se používají především s termočlánky vyrobené z ušlechtilých kovů a mají jiné složení než termoelektrody. Požadavky na vodiče pro připojení termočlánky instalované jako standard IEC 60584-3.

Následující základní doporučení mohou zlepšit přesnost měřicího systému, který zahrnuje termočlánkové čidlo :

• Miniaturní termočlánek vyrobený z velmi tenkého drátu by měl být připojen pouze pomocí prodlužovacích drátů s větším průměrem;
• Pokud je to možné, vyvarujte se mechanickému tahu a vibracím drátu termočlánku;
• Při použití dlouhých prodlužovacích vodičů, abyste se vyhnuli rušení, měli byste připojit stínění vodičů k stínění voltmetru a vodiče opatrně zkroutit;
• Pokud je to možné, vyhněte se prudkým teplotním gradientům podél délky termočlánku;
• Materiál ochranného krytu by neměl kontaminovat elektrody termočlánku v celém rozsahu provozních teplot a měl by poskytovat spolehlivou ochranu drátu termočlánku při práci ve škodlivých podmínkách;
• Používejte prodlužovací kabely v rámci jejich provozního rozsahu a při minimálních teplotních gradientech;
• Pro doplňkové sledování a diagnostiku měření teploty se používají speciální termočlánky se čtyřmi termoelektrodami, které umožňují dodatečná měření odporu obvodu pro sledování integrity a spolehlivosti termočlánků.

Aplikace termočlánků

Pro měření teploty různých typů objektů a prostředí, stejně jako v automatizovaných řídicích a monitorovacích systémech. Termočlánky ze slitiny wolframu a rhenia jsou nejvyšší dostupné teplotní kontaktní snímače teploty. Takové termočlánky jsou v metalurgii nepostradatelné pro monitorování teploty roztavených kovů.

Výhoda termočlánků

• Velký rozsah měření teploty: od 200 °C do 1800–2500 °C
• Jednoduchost
• Láce
• Spolehlivost

• Přesnost větší než 1 °C je obtížné dosáhnout; je nutné použít odporové teploměry nebo termistory.
• Naměřené hodnoty jsou ovlivněny teplotou stoupačky, kterou je nutné korigovat. Moderní konstrukce měřidel na bázi termočlánků používají měření teploty bloku studeného konce pomocí vestavěného termistoru nebo polovodičového senzoru a automaticky korigují naměřené emf.
• Peltierův jev (v době měření je nutné vyloučit tok proudu termočlánkem, protože jím procházející proud ochlazuje horký spoj a ohřívá studený
• Závislost TEMF na teplotě je výrazně nelineární. To vytváří potíže při vývoji převodníků sekundárního signálu.
• Vznik termoelektrické nehomogenity v důsledku náhlých teplotních změn, mechanického namáhání, koroze a chemických procesů ve vodičích vede ke změnám kalibračních charakteristik a chybám až do 5 K.
• U dlouhých termočlánků a prodlužovacích vodičů může na existujících elektromagnetických polích dojít k „anténnímu“ efektu.

Typy termočlánků

Technické požadavky na termočlánky jsou stanoveny normou GOST 6616-94 Standardní tabulky pro termoelektrické teploměry (NSH), třídy tolerance a rozsahy měření jsou uvedeny v normě IEC 60584-1,2 a v GOST R 8.585-2001.

1. platina-rhodium-platina – TPP13 – Typ R
2. platina-rhodium-platina – TPP10 – Typ S
3. platinarhodium-platinarhodium – TPR – Typ B
4. železo-konstantan (železo-měď-nikl) TLC – Typ J
5. měď-konstanta (měď-měď-nikl) TMKn – Typ T nikrosil-nisil (nikl-chrom-nikl-křemík) TNN – Typ N.
6. chromel-alumel – THA – Typ K
7. chromel-konstantan THCn – typ E
8. chromel-copel – THC – Typ L
9. Copel-Copel – TMK – Typ M
10. sil-silin – TCC – Typ I
11. wolfram a rhenium – wolfram rhenium – TVR – Typ A-1, A-2, A-3

Přesné slitinové složení termoelektrod pro termočlánky z obecných kovů není specifikováno v IEC 60584-1. NSC pro termočlánky chromel-copel Termočlánky THC a wolfram-rhenium jsou definovány pouze v GOST R 8.585-2001.

Tyto termočlánky nejsou součástí normy IEC. Typ L je stanoven pouze v německé normě DIN a standardní tabulky se liší od tabulek pro termočlánky THC. Norma IEC 60584 je v současné době revidována. Plánuje se zavést do standardu wolfram-rhenium termočlánky typu A-1, pro které bude NSC odpovídat domácím normám, a typ C podle normy ASTM – ASTM International – (Americká společnost pro testování a materiály).

Katalog termočlánků, které naše společnost nabízí, si můžete prohlédnout v našem katalogu.

Příčiny chyb při měření teploty termočlánkem

Termočlánek je důležitým přístrojem pro měření a regulaci teploty v různých průmyslových systémech.

Mezi nejoblíbenější typy termočlánků patří E, J, K a T, z nichž každý je schopen odolat určitým teplotním rozsahům.

Termočlánky schopné pracovat při vysokých teplotách se používají v průmyslových instalacích a výzkumných laboratořích.

Tato zařízení se skládají ze spoje tvořeného dvěma svařenými drátovými tyčemi, kde se měří teplota v místě spoje.

Změna teploty vytváří napětí, které se používá k výpočtu hodnoty teploty.

Existuje však řada faktorů, které mohou způsobit chyby v měření.

Chyby měření teploty termočlánkem

Termočlánky jsou široce používány v různých průmyslových oblastech díky své spolehlivosti, relativně nízkým nákladům a dostatečné přesnosti pro většinu úkolů.

Také nevyžadují externí zdroj napájení.

Termočlánkové senzory jsou ceněny pro svůj široký rozsah měření: v závislosti na materiálech termočlánků lze měřit teploty od -200 °C do +1250 °C.

Existuje však mnoho důvodů, proč může docházet k chybám měření.

Jak zkontrolovat funkčnost termočlánku?

Jedním z nejjednodušších způsobů, jak otestovat správnou funkci termočlánku, je simulovat měření pomocí generátoru milivoltů, který je připojen přímo k indikačnímu zařízení.

Nastavte hodnoty napětí a porovnejte je s odpovídajícími teplotami.

Toto je nejrychlejší metoda pro kontrolu správnosti lineární charakteristiky nebo výběru rozsahu měření.

Pro rychlý test můžete použít kus kompenzačního drátu: dráty na jednom konci zkroutit a připojit k indikátoru.

Zkroucené dráty vytvoří termočlánek, kterým lze otestovat funkčnost zařízení zahřátím spoje.

Co způsobuje chyby měření teploty v termočlánku?

Stejně jako jakékoli jiné zařízení, i termočlánky mohou během své životnosti selhat z různých důvodů.

I když většinu problémů lze opravit, někdy mohou být opravy nákladné nebo vést ke ztrátě pracovního času.

Znalost možných příčin chyb nám umožňuje proaktivně jim předcházet pravidelnou údržbou.

Zde jsou některé běžné příčiny chyb v regulaci teploty termočlánkem:

• Nesprávné umístění nebo nedostatek kontaktu: Toto je jedna z hlavních příčin chyb.

Nesprávná instalace senzoru může omezit přenos tepla do citlivého termočlánkového spoje.

Pro dosažení co nejpřesnějších výsledků je důležité správně umístit senzor a zajistit stálý kontakt s měřeným povrchem.

Doporučuje se ponořit sondu alespoň do 5násobku jejího průměru s pevným kontaktem.

• Lidské chyby: Nesprávné rozhodování může také vést k chybám v měření teploty.

Při instalaci termočlánku je důležité zkontrolovat nastavení vysílače a ujistit se, že jsou kompatibilní.

Každý typ termočlánku má svůj vlastní elektrický výstupní výkon.

I přes barevné kódování termočlánků se mohou vyskytnout chyby.

Proto se doporučuje zkontrolovat barevný kód na plášti termočlánku s nastavením vysílače.

Termočlánky měří teplotní rozdíly, nikoli absolutní hodnoty.

Proto faktory ovlivňující tepelný režim (například ventilátory) zkreslují naměřené hodnoty.

Řešením je vyhnout se vnějším zdrojům tepla/chladu a izolovat spoj termočlánku od okolního prostředí.

Životnost termočlánku je omezena opotřebením, zejména při častých změnách teploty.

Pravidelná údržba je důležitá, ale nakonec bude nutná výměna.

Uzemnění termočlánku ve více bodech může vytvořit smyčku náchylnou k elektromagnetickému rušení, což také snižuje přesnost.

Nesprávné připojení nebo obrácená polarita prodlužovacích kabelů je běžná lidská chyba, která vyžaduje pečlivou kontrolu.

Přesnost termočlánků může být snížena následujícími faktory: nesprávné připojení, znečištění, nedostatečná kalibrace, teplotní gradienty, opotřebení, elektromagnetické rušení a nesprávná instalace.

Pro minimalizaci chyb je nutné:

* Pro zajištění spolehlivého kontaktu připojte termočlánek správně.
* Pravidelně jej čistěte od nečistot.
* Kalibrace probíhá podle pokynů výrobce.
* Zohledněte teplotní gradienty v místě měření.
* Včas vyměňujte opotřebované termočlánky.
* Chraňte před elektromagnetickým rušením.
* Instalujte správně a vyvarujte se nerovnoměrných teplot a vibrací.

Dodržování těchto doporučení výrazně zlepší přesnost měření, což je obzvláště důležité v průmyslových a vědeckých oblastech, kde je vysoká přesnost důležitá.

Pochopení zdrojů chyb a přijetí preventivních opatření jsou klíčem ke spolehlivému provozu termočlánků.