- Zařízení a princip činnosti
- Typy termočlánků a jejich charakteristiky
- Tabulka porovnání termočlánků
- Metody připojení
- Aplikace
- Související videa
Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
V automatizaci technologických procesů je často nutné pro účely dalšího zpracování provádět ukazatele teplotních změn, pro jejich nakládání do řídicích systémů. To vyžaduje vysoce přesné snímače s nízkou setrvačností, které jsou schopny odolávat vysokým teplotám v určitém měřicím rozsahu. Jako termoelektrický konvertor jsou široce používány termočlánky - diferenciální zařízení, která přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii.
Přístroje jsou také jednoduchým a pohodlným teplotním čidlem pro termoelektrický teploměr, který je určen k provádění přesných měření v širokém rozsahu teplot. Zejména řídicí automatizace plynových kotlů a jiných topných systémů je spouštěna elektrickým signálem ze senzoru na bázi termočlánku. Konstrukce senzorů zajišťuje potřebnou přesnost měření ve zvoleném teplotním rozsahu.
Zařízení a princip činnosti
Termočlánek sestává ze dvou vodičů, z nichž každý je vyroben z různých slitin. Konce těchto vodičů tvoří kontakt (horké spojení), který se provádí zkroucením pomocí úzkého svarového švu nebo svařování na tupo. Volné konce termočlánku jsou uzavřeny pomocí kompenzačních vodičů ke kontaktům měřicího zařízení nebo připojeny k automatickému ovládacímu zařízení. Na křižovatkách jsou další tzv. Studené křižovatky. Zařízení je schematicky znázorněno na obr. 1. Obr.
Zóna teplého spojení je zvýrazněna červeně, studená křižovatka je modrá.
Elektrody se skládají z různých kovů (kov A a kov B), které jsou v diagramu natřeny v různých barvách. Za účelem ochrany termoelektrod z agresivního horkého prostředí jsou umístěny v uzavřené kapsli naplněné inertním plynem nebo kapalinou. Někdy se na elektrody nanesou keramické kuličky, jak je znázorněno na Obr. 2).
Princip činnosti je založen na termoelektrickém efektu. Když je obvod uzavřen, například milivoltmetrem (viz obr. 3), objeví se v místech adheze termo-emf. Pokud jsou však kontakty elektrod na stejné teplotě, pak se tyto EMF vzájemně kompenzují a proud nenastane. Pokud je však nutné ohřívat místo horkého pájení hořákem, pak podle Seebeckova efektu bude existovat potenciální rozdíl, který podporuje existenci elektrického proudu v obvodu.
Je pozoruhodné, že napětí na studených koncích elektrod je úměrné teplotě v oblasti horkého pájení. Jinými slovy, v určitém teplotním rozsahu pozorujeme lineární termoelektrickou charakteristiku, která ukazuje závislost napětí na velikosti teplotního rozdílu mezi body horkého a studeného pájení. Přísně vzato, o linearitě indikátorů lze hovořit pouze tehdy, když je teplota v oblasti studené komprese konstantní. To je třeba vzít v úvahu při provádění termočlánků. Změní-li se teplota na studených koncích elektrod, může být chyba měření poměrně významná.
V případech, kdy je nutné dosáhnout vysoké přesnosti ukazatelů, jsou studené hroty měřicích převodníků umístěny i ve speciálních komorách, ve kterých je teplotní prostředí udržováno na stejné úrovni speciálními elektronickými zařízeními s využitím dat z odporového teploměru (obrázek je znázorněn na obr. 4). Tímto způsobem můžete dosáhnout přesnosti měření s přesností až ± 0, 01 ° C. Tato vysoká přesnost je však nutná pouze v několika technologických procesech. V některých případech nejsou požadavky tak přísné a chyba může být mnohem nižší.
Chyba je ovlivněna nejen poklesem teploty v prostředí kolem pájení za studena. Přesnost měření závisí na typu konstrukce, zapojení vodičů a některých dalších parametrech.
Typy termočlánků a jejich charakteristiky
Různé slitiny používané pro výrobu termočlánků mají různé termo-emf koeficienty. V závislosti na tom, z jakých kovů jsou termoelektrody vyrobeny, rozlišujeme následující hlavní typy termočlánků:
- TPP13 - platinová platina (typ R);
- TPP10 - platinová platina (typ S);
- TPR - platina-rhodium-platina-rhodium (typ B);
- TLC - železo-konstantan (typ J);
- TMKn - měď-konstantan (typ T);
- TNN - nihrosil-nisilovye (typ N);
- TXA - chromel-alumel (typ K);
- TCHKn - chromel-konstantan (typ E);
- TLC - chrom-copel (typ L);
- TMK - měď-copel (typ M);
- TCC - silh-silin (typ I);
- TVR - wolfram (typy A-1 - A-3).
Technické požadavky na termočlánky jsou stanoveny parametry definovanými v normě GOST 6616-94 a jejich NSH (jmenovité statické konverzní charakteristiky), optimálními měřícími rozsahy, zavedenými tolerančními třídami se řídí normami IEC 62460 a definovány GOST 8.585-2001. Všimněte si také, že NSH v termočláncích wolframu a rhenia chyběly v tabulkách IEC do roku 2008. Do dnešního dne tyto normy nedefinují vlastnosti chromokopelcového termočlánku, ale jejich parametry jsou stále řízeny GOST 8.585-2001. Dovezené termočlánky typu L proto nejsou úplným analogem domácího výrobku TCC.
Tepelné snímače mohou být klasifikovány podle jiných znaků: podle typu uzlů, počtu citlivých prvků.
Typy křižovatek
V závislosti na účelu tepelného snímače mohou mít termočlánkové spoje jinou konfiguraci. Existují jednoprvkové a dvouprvkové křižovatky. Mohou být buď uzemněny na těle baňky, nebo na zem. Schémata takových struktur můžete pochopit z obrázku 5.
Dopisy jsou označeny:
- A - jedna křižovatka, izolovaná od těla;
- H - jedno spojení spojené s pouzdrem;
- AI - dvě izolované od sebe a od těla křižovatky;
- 2I - dvojité spojení, izolováno od těla;
- IN - dvě křižovatky, z nichž jedna je uzemněna;
- NN - dvě neizolované spojky napojené na skříň.
Uzemnění skříně snižuje setrvačnost termočlánku, což zase zvyšuje výkon snímače a zvyšuje přesnost měření v reálném čase.
Aby se snížila setrvačnost u některých modelů termoelektrických měničů, ponechte horký spoj mimo ochrannou žárovku.
Vícebodové termočlánky
Často se vyžaduje měření teploty v různých bodech současně. Tento problém řeší vícebodové termočlánky: zachycují údaje o teplotě podél osy měniče. Taková potřeba vzniká v chemickém a petrochemickém průmyslu, kde je nutné získat informace o rozložení teploty v reaktorech, frakcionačních kolonách a v jiných nádržích určených pro zpracování kapalin chemickými prostředky.
Vícebodové snímače teploty zvyšují účinnost, nevyžadují složitou údržbu. Počet sběrných míst může dosáhnout až 60. V tomto případě se používá pouze jedna baňka a jeden bod vložení.
Tabulka porovnání termočlánků
Výše jsme uvažovali typy termoelektrických měničů. Čtenář má s největší pravděpodobností rozumnou otázku: Proč existuje tolik typů termočlánků?
Faktem je, že přesnost měření deklarovaná výrobcem je možná pouze v určitém teplotním rozsahu. V tomto rozsahu výrobce garantuje lineární charakteristiku svého výrobku. V jiných rozsazích může být závislost napětí na teplotě nelineární, což se nutně projeví v přesnosti. Je třeba mít na paměti, že materiály mají odlišný stupeň tavitelnosti, takže pro ně existuje mezní hodnota provozních teplot.
Pro porovnání termočlánků jsou sestaveny tabulky, ve kterých jsou zobrazeny hlavní parametry měřících převodníků. Jako příklad uvádíme jednu z variant tabulky pro porovnání běžných termočlánků.
Tabulka 1.
| Typ termočlánku | K | J | N | R | S | B | T | E |
| Materiál kladné elektrody | Cr - Ni | Fe | Ni - Cr - Si | Pt - Rh (13% Rh) | Pt - Rh (10% Rh) | Pt - Rh (30% Rh) | Cu | Cr - Ni |
| Materiál záporné elektrody | Ni - Al | Cu - Ni | Ni - Si - Mg | Pt | Pt | Pt - Rh (6% Rh | Cu - Ni | Cu - Ni |
| Teplotní koeficient | 40 … 41 | 55.2 | 68 | |||||
| Rozsah provozních teplot, ºC | 0 až +1100 | 0 až +700 | 0 až +1100 | 0 až +1600 | 0 až 1600 | +200 až +1700 | −185 až +300 | 0 až +800 |
| Mezní teploty, ºС | -180; +1300 | -180; +800 | −270; +1300 | - 50; +1600 | −50; +1750 | 0; +1820 | −250; +400 | −40; +900 |
| Třída přesnosti 1, ve vhodném rozsahu teplot, (° C) | ± 1, 5 od -40 ° C do 375 ° C | ± 1, 5 od -40 ° C do 375 ° C | ± 1, 5 od -40 ° C do 375 ° C | ± 1, 0 od 0 ° C do 1100 ° C | ± 1, 0 od 0 ° C do 1100 ° C | ± 0, 5 od -40 ° C do 125 ° C | ± 1, 5 od -40 ° C do 375 ° C | |
| ± 0, 004 × T od 375 ° C do 1000 ° C | ± 0, 004 × T od 375 ° C do 750 ° C | ± 0, 004 × T od 375 ° C do 1000 ° C | ± 1 + 0, 003 × (T - 1100)] od 1100 ° C do 1600 ° C | ± 1 + 0, 003 × (T - 1100)] od 1100 ° C do 1600 ° | ± 0, 004 × T od 125 ° C do 350 ° C | ± 0, 004 × T od 375 ° C do 800 ° C | ||
| Třída přesnosti 2 v příslušném teplotním rozsahu, (° C) | ± 2, 5 od -40 ° C do 333 ° C | ± 2, 5 od -40 ° C do 333 ° C | ± 2, 5 od -40 ° C do 333 ° C | ± 1, 5 od 0 ° C do 600 ° C | ± 1, 5 od 0 ° C do 600 ° C | ± 0, 0025 × T od 600 ° C do 1700 ° C | ± 1, 0 od -40 ° C do 133 ° C | ± 2, 5 od -40 ° C do 333 ° C |
| ± 0, 0075 × T od 333 ° C do 1200 ° C | ± 0, T od 333 ° C do 750 ° C | ± 0, 0075 × T od 333 ° C do 1200 ° C | ± 0, 0025 × T od 600 ° C do 1600 ° C | ± 0, 0025 × T od 600 ° C do 1600 ° C | ± 0, 0075 × T od 133 ° C do 350 ° C | ± 0, 0075 × T od 333 ° C do 900 ° C | ||
| Kolíky pro barevné značení IEC | Zelená - bílá | Černá - bílá | Lilac - bílá | Oranžová - bílá | Oranžová - bílá | Absentní | Hnědá - bílá | Fialová - bílá |
Metody připojení
Každý nový spojovací bod drátu z odlišných kovů tvoří studený spoj, který může ovlivnit přesnost měření. Proto jsou termočlánkové spoje provedeny, pokud je to možné, dráty ze stejného materiálu jako elektrody. Výrobci obvykle dodávají výrobky s připojenými kompenzačními dráty.
Některé měřiče obsahují hodnoty založené na zabudovaném termistoru. Dráty jsou jednoduše připojeny k těmto zařízením, přičemž je dodržena jejich polarita (viz obr. 6).
Často používejte schéma připojení „k přerušení“. Měřicí zařízení je připojeno přes vodič stejného typu jako svorky (nejčastěji měď). Na křižovatkách tedy není žádné spojení. Je tvořen pouze na jednom místě: v místě připojení drátu k elektrodě termočlánku. Obrázek 7 ukazuje schéma takového spojení.
Při připojování termočlánku by měly být měřící systémy umístěny co nejblíže, aby se zabránilo použití příliš dlouhých vodičů. V jakémkoliv drátu je možné rušení, které se zvyšuje s rostoucí délkou drátu. Pokud je možné se zbavit rádiového rušení stíněním vedení, pak je mnohem obtížnější vypořádat se se snímacími proudy.
V některých okruzích se používá kompenzační termistor mezi kontaktem měřicího přístroje a studeným spojovacím bodem. Vzhledem k tomu, že vnější teplota má stejný vliv na odpor a volný spoj, tento prvek tyto účinky koriguje.
A konečně: po připojení termočlánku k měřicímu zařízení je nutné pomocí kalibračních tabulek provést kalibrační postup.
Aplikace
Termočlánky se používají všude tam, kde je požadováno měření teploty v procesním prostředí. Používají se v automatizovaných řídicích systémech jako teplotní čidla. Termočlánky typu TVR, ve kterých je impozantní průměr termoelektrody, jsou nenahraditelné tam, kde je nutné získat údaje o příliš vysoké teplotě, zejména v metalurgii.
Plynové kotle, konvektory, ohřívače vody jsou také vybaveny termoelektrickými měniči.
Výhody
- vysoká přesnost měření;
- poměrně široký teplotní rozsah;
- vysoká spolehlivost;
- snadná údržba;
- lasti.
Nevýhody
Nevýhody produktů jsou faktory:
- vliv volných spojů na výkon přístroje;
- omezení mezí pracovního rozsahu nelineární závislosti TEDS na stupni ohřevu, což vytváří obtíže při vývoji sekundárních převodníků signálu;
- při dlouhodobém provozu v podmínkách poklesu teploty dochází ke zhoršení kalibračních charakteristik;
- potřebu individuální kalibrace pro dosažení vysoké přesnosti měření v rámci chyby 0, 01 ° C.
Vzhledem k tomu, že problémy spojené s nedostatky mohou být vyřešeny, je použití termočlánků více než oprávněné.