Fyzikální princip: Teplo se stává napětím
Základem každého termočlánku je Seebeckův efekt. V místě měření jsou spojeny dva vodiče z různých materiálů. Pokud existuje teplotní gradient mezi tímto horkým měřicím bodem a chladnějším připojením nebo referenčním bodem, vzniká tepelné napětí.
To, co je fyzicky důležité, není jen to, že se „dva kovy dotýkají“. Rozhodující jsou různé Seebeckovy koeficienty materiálů podél teplotního gradientu. Proto má každý pár termočlánků svou vlastní charakteristickou křivku a vyžaduje příslušné vyhodnocení.
Termočlánek neměří přímo absolutní teplotu. Dodává malé napětí v rozsahu mikrovoltů až milivoltů. Z toho měřící přístroj vypočítá teplotu a musí správně kompenzovat referenční křižovatku.
Schématická struktura: Tepelné napětí vzniká teplotním gradientem mezi bodem měření a referenčním bodem. Měřicí zařízení musí brát v úvahu typ termočlánku a teplotu studeného konce.
Rozhodující je celý měřicí řetězec: termočlánek, měřicí bod, ochranná trubice, kabel, připojení a vyhodnocení musí do sebe zapadat.
Struktura a součásti průmyslového termočlánku
Průmyslově používaný termočlánek se skládá z několika úrovní. Každá úroveň ovlivňuje kvalitu měření, životnost a chování odezvy. U opláštěných termočlánků jsou tepelné vodiče v minerální izolaci a chráněny kovovým pláštěm.
Podélný řez opláštěným termočlánkem: V závislosti na provedení může být měřicí bod uzemněný, izolovaný nebo volně stojící.
Čtyři komponenty určují místo měření
| komponent | funkce | Typická verze |
|---|---|---|
| termočlánek | Generuje tepelné napětí pomocí Seebeckova efektu. | NiCr/Ni, Fe/CuNi, PtRh/Pt |
| izolace | Elektricky izoluje vodiče a vede teplo do místa měření. | MgO, Al₂O3 keramika, skleněné vlákno |
| ochranná trubka | Chrání před mechanikou, médiem a atmosférou. | Nerezová ocel, Inconel, SiC, Al₂O₃ |
| Připojení | Propojuje termočlánek a měřící vedení. | Připojovací hlavice, zástrčka, kompenzační kabel |
Měřicí bod: uzemněný, izolovaný nebo volně stojící?
Uzemněný měřicí bod
Místo měření má tepelný kontakt s pláštěm. To reaguje rychle, ale může se stát problematickým v případě elektrického rušení nebo rozdílů potenciálů.
Izolovaný měřicí bod
Místo měření je elektricky odděleno od pláště. To snižuje rušení, ale obvykle reaguje pomaleji než uzemněná verze.
Standardizované typy termočlánků podle IEC 60584
IEC 60584 nebo DIN EN 60584 popisuje normalizované typy termočlánků s normalizovanými charakteristikami. Samotné typové označení pro výběr nestačí. Rozhodujícími faktory jsou teplotní okno, atmosféra, ochranná trubice, průměr drátu, montážní poloha a požadovaná kvalita měření.
| Typ | materiálový pár | Typický směr použití | Na co si dát pozor? | Praktické výhody |
|---|---|---|---|---|
| K | NiCr/Ni | široce používaný typ obecného kovu | Zkontrolujte úlet, atmosféru a zelenou hnilobu v kritických oblastech | dobrý úvod do mnoha procesů pecí, nástrojů a strojů |
| J | Fe/CuNi | nízký až střední teplotní rozsah | Pozor na železné nohy a oxidační atmosféru | vhodné, pokud proces, regulátor a prostředí odpovídají typu J |
| N | NiCrSi/NiSi | Typ z obecného kovu pro náročnější oblasti s vysokou teplotou | zkontrolujte jako alternativu, pokud se typ K stane kritickým kvůli úletu nebo atmosféře | Stabilnější měřicí bod ve vhodném provedení ochranné trubky |
| E | NiCr/CuNi | Aplikace s vysokým tepelným napětím | Okno souřadnic teploty a vyhodnocení | silný, když je důležité rozlišení a dynamika signálu |
| T | Cu/CuNi | nízké a střední teplotní rozsahy | Vezměte v úvahu procesní vlhkost a měděné nohy | užitečné s vhodnými médii a mírnými procesními podmínkami |
| R | Pt13Rh / Pt | Typ drahých kovů pro vysoké teploty | Dbejte na čistotu keramiky a okolí | pro procesy, ve kterých je rozhodující stabilita a čistota materiálu |
| S | Pt10Rh / Pt | Typ drahých kovů pro vysoké teploty | citlivé na znečištění; Ochrannou trubici vybírejte pečlivě | pro vysoké teploty a testovací úlohy s čistým měřicím řetězcem |
| B | Pt30Rh / Pt6Rh | velmi vysoké teplotní rozsahy | Zvažte nižší tepelné napětí a vyhodnocení | pro vysoké procesní teploty s čistě navrženým konceptem ochranné trubky |
The table serves as a pre-selection. Konkrétní provedení je nutné zkontrolovat podle teplotního rozsahu, atmosféry, provedení, ochranné trubky, kabelu a vyhodnocení.
Kvalitativní zobrazení: Křivky probíhají různě v závislosti na dvojici materiálů. Proto musí odpovídat typ termočlánku, kompenzační kabel a vyhodnocovací zařízení.
Ochranné trubky a materiály: Rozhodující roli hraje plášť
Ochranná trubka není sekundární součást. Určuje, zda měřicí místo proces přežije, jak rychle reaguje a zda tepelné vodiče zůstanou chemicky čisté. Rychlý měřicí bod vyžaduje nízkou tepelnou hmotnost. Robustní měřicí místo potřebuje materiálové rezervy a správný materiál.
Kovové ochranné trubky
Pro mnoho průmyslových procesů, horké plyny, strojírenství a pece. Materiály jako nerezová ocel, 1.4841 nebo Inconel jsou vybírány na základě teploty, atmosféry a mechanického namáhání.
- mechanicky odolný
- dobré vedení tepla
- vhodné pro mnoho standardních procesů
Keramické ochranné trubky
Pro velmi vysoké teploty, agresivní média nebo požadavky na elektrickou izolaci. Al₂O3 a SiC se používají v závislosti na procesním prostředí.
- vysoká teplotní odolnost
- chemická odolnost
- relevantní pro termočlánky z drahých kovů
| Materiálová skupina | Příklady | Typické použití | Zásadní bod |
|---|---|---|---|
| Nerezová ocel / ocel | 1.0305, 1.4571, 1.4841 | Strojírenství, konstrukce pecí, neutrální až oxidační atmosféra | Zkontrolujte teplotu, korozi a tvorbu vodního kamene |
| Niklová báze | Inconel 600 | Vysoká teplota, horké plyny, soli, karburizační oblasti | Vyvažte životnost vůči chemické expozici |
| Keramika | C530, C610, C799 | vysoké teploty, elektrická izolace, druhy drahých kovů | Dbejte na plynotěsnost, čistotu a teplotní šok |
| Karbid křemíku | SiC, RSiC | Tavení, silné změny teplot, pecní procesy | Zkontrolujte odolnost vůči změnám teploty a napadení médiem |
Pro typ R a typ S je kritická čistota. Znečištění od nevhodné keramiky může měřitelně deformovat termočlánky z drahých kovů.
Interference, stárnutí a typické zdroje chyb
Termočlánky jsou robustní, ale nejsou nezávislé na prostředí a instalaci. Nejčastější chyby nejsou způsobeny principem měření, ale driftem, nesprávnými kabely, nevhodnými ochrannými trubkami, chybami studených spojů, znečištěním nebo mechanickým pnutím v termočlánku.
Zelená hniloba u typu K
V rozmezí asi 800 až 1050 °C může dojít k vyčerpání chromu v NiCr noze, zejména při nedostatku kyslíku. Výsledkem je drift v důsledku klesajícího tepelného napětí. Typ N nebo těsné potrubí může být lepší volbou.
K-efekt
U typu K může řád krátkého dosahu v krystalové mřížce mezi přibližně 400 a 600 °C vést k vratným odchylkám měření. Rychlé chlazení v tomto teplotním rozsahu je kritické.
Otrava a difúze
Síra, křemík, fosfor nebo vodík mohou měnit tepelné dráty. U druhů drahých kovů stačí malé množství nečistot k posunutí charakteristické křivky.
Řízení a srovnávací bod
Nesprávné kompenzační čáry nebo chybějící kompenzace studeného konce způsobují systematické chyby. Nejedná se o chybu snímače, ale o chybu v měřicím řetězci.
| Zdroj chyby | Způsobeno | riziko | Praktické opatření |
|---|---|---|---|
| Špatné řízení | Kompenzační čára neodpovídá typu | systematická chyba měření | Vyberte kabel podle typu termočlánku |
| Srovnávací bod | chybějící nebo nesprávná kompenzace | posunuté zobrazení teploty | Zkontrolujte kompenzaci studeného konce |
| Stárnutí/drift | Strukturní změna, oxidace, difúze | plíživá odchylka | Koordinujte typ, ochrannou trubici a zkušební interval |
| Zelená hniloba | Deplece chromu u typu K | klesající tepelné napětí a drift | Zkontrolujte typ N nebo koncepci ochranné trubky |
| K-efekt | Řád krátkého dosahu v NiCr větvi | vratná odchylka ve středním rozsahu | Zkontrolujte podmínky chlazení a výběr typu |
| Stavba příliš zdlouhavá | masivní ochranná trubka, nepříznivá hloubka ponoru | Ovládání reaguje příliš pozdě | Vyvažte dobu odezvy a životnost |
| Mechanické napětí | těsné poloměry ohybu, tah, vibrace | Rozbití nebo nestabilní měření | Uspořádejte instalaci a odlehčení tahu úhledně |
Termočlánek nebo Pt100?
Pt100 není termočlánek. Oba typy senzorů měří teplotu, ale podle zcela odlišných fyzikálních principů. Termočlánek využívá Seebeckova jevu a sám generuje malé napětí. Pt100 je odporový teploměr: Platinum má jmenovitý odpor 100 ohmů při 0 °C, který se mění s teplotou. K tomu měření vyžaduje měřicí proud.
Právě toto oddělení je pro uživatele důležité. Ti, kteří se ptají pouze na „snímače teploty“, často přehlížejí typ signálu, připojení regulátoru, kabel, požadovanou kvalitu měření a provozní teplotu.
| funkce | Termočlánek | 100/1000 Pt |
|---|---|---|
| princip | Seebeckův jev, tepelné napětí z teplotního rozdílu | Změna odporu platinového měřicího prvku |
| signál | µV až mV, typově závislá charakteristika | Ohmový signál, Pt100 = 100 Ω při 0 °C |
| energie | samogenerující, žádné napájecí napětí pro snímací prvek | Potřebný měřicí proud, pozor na samozahřívání |
| Pevnost | vysoké teploty, malé rozměry, rychlá odezva, vibrace | Reprodukovatelnost, stabilní vyhodnocení, kontrolní procesy v oblasti nízkých a středních teplot |
| Typický limit | Vyhodnocení, drift, kompenzační vedení, ochranná trubice | Teplotní rozsah, mechanická robustnost, doba odezvy |
Termočlánek
- možné vysoké teploty
- lze dosáhnout malých designů
- rychlé doby odezvy
- robustní tváří v tvář vibracím a těsnému instalačnímu prostoru
100/1000 Pt
- vhodné pro vysoké požadavky na kvalitu měření
- velmi dobrá reprodukovatelnost
- stabilní charakteristická křivka
- čisté pro laboratoř, zkušební stanoviště a kontrolní procesy
Základní pravidlo: Pt100 je silný, když je kvalita měření a reprodukovatelnost důležitější než teplotní špičky. Termočlánek je silný, když proces určuje teplo, dynamika, velikost nebo mechanika.
Pomůcka pro výběr: najděte správný měřicí bod v šesti krocích
Výběr nezačíná typem senzoru, ale úlohou měření. Tato sekvence snižuje chybná rozhodnutí při návrhu, nákupu a údržbě. Jako výrobce se 100% hloubkou produktu může Keller, Ihne & Tesch zobrazit místo měření od termočlánku až po připojení jako kompletní verzi.
Definujte rozsah měření
Zvažte odděleně normální rozsah, minimální teplotu, maximální teplotu a krátkodobé špičky. Samotné nejvyšší číslo není rozhodující.
Vyčistit médium
Oxidační, redukční, neutrální, vlhký, agresivní, tavenina nebo proudění plynu ovlivňují typ, ochrannou trubku a životnost.
Určete kvalitu měření
Společně zkontrolujte mezní odchylku, drift, požadavek na kalibraci, regulátor a referenční spoj.
Zkontrolujte mechaniku
Definujte instalační hloubku, průměr, tlak, průtok, vibrace, poloměr ohybu a odlehčení tahu.
Vyhodnoťte dobu odezvy
Tenké ochranné trubky reagují rychleji a robustní konstrukce snesou více mechanicky. Zde často spočívá konflikt cílů.
Určete spojení
Srovnejte připojovací hlavici, zástrčku, kabel, kompenzační kabel, vestavěné díly a připojení ovladače k měřicímu řetězci.
Průmyslová odvětví a typické aplikace
Termočlánky se používají všude tam, kde je třeba v průmyslových podmínkách spolehlivě zaznamenávat teplotu. Konstrukce je určována spíše procesem a instalací než samotným typem snímače.
| Průmysl | Typická aplikace | Běžné typy | Speciální funkce |
|---|---|---|---|
| Zpracování plastů | Válec, tryska, nástroj, horký vtok | J, K | stísněné instalační prostory a rychlá odezva |
| Konstrukce pece / tepelné zpracování | Prostor pece, šarže, horký vzduch | K, N, S | Rozhodující je teplota, atmosféra a ochranná trubice |
| Kov / slévárenství | Tavenina, kelímek, nalévací žlab | K, N, S | Ochranná trubka proti napadení médiem |
| Chemie / procesní inženýrství | Reaktor, potrubí, destilace | K, J, N | Zkontrolujte médium, tlak a typ připojení |
| Zkušebna / automobilový průmysl | Testování výfukových plynů, motoru, komponentů | K, N, J | Vibrace a krátká doba odezvy |
| Elektronika/Polovodiče | Procesní pece, tepelné procesy | S, B, K | Dbejte na čistotu a procesní prostředí |
Technicky vyjasněte termočlánekOdešlete teplotní rozsah, médium, situaci instalace, požadovanou dobu odezvy a typ připojení. Testujeme termočlánek, ochrannou trubici, kabel a připojení jako kompletní měřicí místo.
Odeslat poptávku