HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS

Termoelektromos érzékelők standard és speciális alkalmazásokhoz

Termoelemek: A termoelemek az iparban használt egyik legnépszerűbb hőmérséklet-érzékelők. A termoelem definíciója szerint két különböző anyagból készült vezetékből álló elemet értünk alatta. Az egyik vége az úgynevezett mérőcsatlakozáshoz csatlakozik, a másik oldalon lévő szabad végek pedig olyan csatlakozók, amelyeken a termoelektromos hatásból eredő feszültséget mérik. Ez a feszültség arányos a mérőcsatlakozás és a csatlakozók közötti hőmérsékletkülönbséggel. A termoelektromos hatás, amely a termoelemekben jelentkezik, a potenciálkülönbség - feszültség -, amely két különböző fém összekapcsolásával és különböző hőmérsékletű elhelyezésével jön létre. Ez a feszültség függ az anyag típusától és a hőmérsékletkülönbségtől, amelyben elhelyezik őket. A termoelemeket, más néven termoelektromos hőmérséklet-érzékelőket a legtöbb esetben magas, ezer Celsius-fokot meghaladó hőmérsékleten való használatra szánják. A gyártáshoz használt anyag miatt többféle termoelemtípust különböztetnek meg, például a K típusú termoelemet vagy az ugyancsak népszerű J típusú termoelemet. A felhasznált anyag típusa határozza meg azt az üzemi hőmérsékletet is, amelyre bizonyos termoelemeket szánnak.

Termoelem konstrukció

A termoelemek általában két anyag kombinációjából készülnek, átmérőjük 0,2-5 mm. Ha nemes anyagokat, például ródiumot vagy platinát használnak, a méretek 0,1 és 0,5 mm között változnak. A termoelem anyagának kiválasztásakor figyelembe kell venni, hogy magas SEEBECK-együtthatóval rendelkezzen, és a hőmérséklet a legkevésbé befolyásolja az értékét, ami lehetővé teszi a lineáris karakterisztikát. A megfelelő termoelem anyagát a mért hőmérséklettartománytól függően kell kiválasztani. Az érzékelő külső burkolata nagyon magas hőmérsékletnek van kitéve, ezért különböző acélfajtákat kell használni. A legmagasabb hőmérsékleteken a termoelem köpenye hőálló acélból vagy kerámia anyagból készül. Az ilyen burkolatnak ellenállónak kell lennie a korrózióval, a hősokkkal és a mechanikai sérülésekkel szemben. A termoelem korróziójának elkerülése érdekében kívánatos tulajdonság a gázok átjárhatatlansága, ami jelentősen felgyorsíthatja a termoelem öregedési folyamatát. Vannak nyitott teljesítmények is, amelyeket a dinamikus hibák csökkentésére használnak. Speciális mérések esetén, mint például folyékony fémek, üveg vagy folyékony acél hőmérsékletének mérése, rendkívül speciális termoelemeket használnak, amelyeket szintén kínálunk.

A hőelemek típusai és hőmérséklettartományai

Mint korábban említettük, a termoelemeket vagy termoelemeket több típusra osztják a felépítésükhöz használt anyagok szerint. A felhasznált fémnek vagy ötvözetnek meg kell felelnie bizonyos követelményeknek, például:

  • magas olvadáspont és a külső tényezőkkel szembeni nagyfokú ellenállás, amely abból adódik, hogy az érzékelőnek milyen körülmények között kell működnie,
  • alacsony ellenállás,
  • alacsony termikus ellenállási együttható,
  • a paraméterek időbeli változatlansága.

A termoelemek típusait ezen kívül a megfelelő csoportokba sorolják, amelyek az érzékelő üzemi hőmérsékletében különböznek egymástól:

I. csoport.

  • "K" típus - NiCr-NiAl
    Hőmérséklet-tartomány -200 és 1200 ℃ között, az ilyen termoelemek érzékenysége 41 μV / ℃.
  • "J" és "L" típus - Fe-CuNi
    Az alkalmazott hőmérsékleti tartomány -40 és 750 ℃ között van, az ilyen hőelemek érzékenysége 55 μV/ ℃.
  • "E" típus - NiCr-CuNi
    Hőmérséklet-tartomány -200 és 900 ℃ között, az ilyen hőelemek érzékenysége 68 μV / ℃.
  • "N" típus - NiCrSi-CuNi
    Hőmérséklet-tartomány -40 és 1200 ℃ között, az ilyen hőelemek érzékenysége 39 μV / ℃.
  • "T" típus - Cu-CuNi
    Az alkalmazott hőmérséklettartomány -200 és 350 ℃ között van, az ilyen hőelemek érzékenysége 30 μV / ℃

II. csoport

  • "S" típus - PtRh10-Pt
    Hőmérséklet-tartomány 1600 ℃-ig, az ilyen hőelemek érzékenysége 10 μV / ℃.
  • "R" típus - PtRh13-Pt
    Hőmérséklet-tartomány 1600 ℃-ig, az ilyen hőelemek érzékenysége 14 μV / ℃.
  • "B" típus - PtRh30-PtRh6
    Hőmérséklet-tartomány 1800 ℃-ig, az ilyen hőelemek érzékenysége 12 μV / ℃

III. csoport

  • nagyon magas hőmérsékleten, 2300 ℃-ig használatos
  • "C" típus - W-Re / 5% volfrám
  • "D" típus - W-Re / 25% volfrám

A fémek nagyszámú lehetséges kombinációjából néhányat kiválasztottak, és azok tulajdonságait használták, különösen a számos feszültséget és tűrést. A következő termoelemek a termoelem feszültségét és annak tűréshatárait tekintve a világszabványokban (IEC) és az európai vagy nemzeti szabványokban szabványosítottak.


A hőelemek színjelölése

Termoelem típusa

Maximális
hőmérséklet

Max.

Pozitív útmutató

Negatív útmutató

Fe-CuNi

"J"

750 °C

1200 °C

fekete

fehér

Ce-CuNi

"T"

350 °C

400 °C

barna

fehér

NiCr-Ni

"K"

1200 °C

1370 °C

zöld

fehér

NiCr-CuNi

"E"

900 °C

1000 °C

lila

fehér

NiCrSi-NiSi

"N"

1200 °C

1300 °C

rózsaszín

fehér

Pt10Rh-pet

"S"

1600 °C

1540 °C

narancssárga

fehér

Pt13Rh-pet

"R"

1600 °C

1760 °C

narancssárga

fehér

Pt30Rh-Pt6Rh

"B"

1700 °C

1820 °C

szürke

fehér

Hőelem prema DIN EN 60 584

 

Hőelem típus

Maximális
hőfok

Max.

Pozitív

útmutató

Negatív útmutató

Fe-CuNi

"L"

700 °C

900 °C

piros

kék

Ce-CuNi

"NA"

400 °C

600 °C

piros

barna

Hőelemek szerint DIN 43 710


A kompenzáló vezetékek színjelölése

Hőelem

Típus

Elkülönítés

Pozitív

útmutató

Negatív útmutató

Cu-CuNi

"T"

barna

barna

fehér

Fe-CuNi

"J"

fekete

fekete

fehér

NiCr-Ni

"K"

zöld

zöld

bijeli

NiCrSi-NiSi

"N"

rózsaszín

rózsaszín

fehér

NiCr-CuNi

"E"

lila

lila

fehér

Pt10Rh-pet

"S"

narancssárga

narancssárga

fehér

Pt13Rh-pet

"R"

narancssárga

narancssárga

fehér

Kompenzációs kábelek hőelemekhez acc DIN EN 60 584

 

Hőelem

típus

Elkülönítés

Pozitív vodič

Negatív útmutató

Fe-CuNi

"L"

kék

piros

kék

Ce-CuNi

"NA"

barna

piros

barna

Kompenzációs kábelek hőelemekhez acc DIN 43 713

 

Hőelem

típus

Elkülönítés

Pozitív vodič

Negatív vezető

NiCr-Ni

"K"

zöld

piros

zöld

Pt10Rh-pet

"S"

fehér

piros

fehér

Pt13Rh-pet

"R"

fehér

piros

fehér

Kompenzációs kábelek hőelemekhez acc DIN 43 714, Status 1979


Hogyan működik egy termoelem?

A termoelemek, vagy termoelemek működési elve az úgynevezett Seebeck-effektus eredménye. Ez a jelenség a szabad elektronok elméletével magyarázható, amely szerint a különböző típusú vezetők különböző sűrűségű szabad elektronokkal rendelkeznek. A termoelemet alkotó két különböző vezető érintkezési pontjánál az elektronok kölcsönös mozgása történik az egyik vezetőről a másikra. A nagyobb sűrűségű vezetőből több elektron mozog a kisebb sűrűségű vezető felé. Az elektronvándorlás intenzitása a két vezető érintkezési pontjának hőmérsékletétől függ, és a hőmérséklet növekedésével nő. A két különböző hőmérsékletű vezetőből álló termoelem áramkörében keletkező elektromotoros erő, amelynek végeit különböző hőmérsékletre állítják be, a képlettel adható meg:

V = (SB-SA) * (T2-T1)

A keletkező elektromotoros erő néhány mikrovolt nagyságrendű.

Celsius-fokonként akár több tíz mikrovolt is lehet.

Alkalmazás

A termoelemek népszerűségüket nagy pontosságuknak, nagy mérési tartományuknak és rugalmas kialakításuknak köszönhetik, ami lehetővé teszi, hogy a legkülönbözőbb, akár a legnehezebb körülmények között is használhatók legyenek. A piacon kapható termoelektromos érzékelők alaptípusait nagy mechanikai tartósság, egyszerű felépítés és - ami a felhasználó szempontjából fontos - alacsony ár jellemzi. Az iparban leggyakrabban a K-típusú hőelemeket és a J-típusú hőelemeket használják. A termoelemekkel elérhető mérési pontosság ± 1-2 °C tartományban van, ami a legtöbb alkalmazásban meghaladja a szükséges pontosságot. További előnye, hogy a termoelem nem igényel külső tápegységet. Ami különösen fontos, hogy a szabványosított változatok esetében a mérési tartomány -200 és 1800 °C között van, míg a nem szabványosított változatoknál a volfrám-renium ötvözetből, grafitból vagy molibdénből készült termoelemek 1800 és akár 2400 °C közötti hőmérséklet-tartományt is kibírnak. Az ilyen típusú alkalmazásra példa a folyékony alumínium hőmérsékletének mérése.

Cu-CuNi

350 °C

Alacsony terjedés

Fe-CuNi

700 °C

Széles körben használt, olcsó, korrózióra hajlamos.

NiCr-CuNi

700 °C

Alacsony diszperzió, magas termoelektromos feszültség.


1000 °C

Gyakran 800-1000 °C tartományban használják, alacsonyabb hőmérsékleti tartományban is használható.

NiCrSi-NiSi

1300 °C

(Azonban) nem túl gyakori. Részben helyettesítheti az értékes elemeket.

Pt10Rh-pet

1500 °C (1300 °C)

Magas költség, nagyon jó hosszú távú stabilitás, szigorúan tolerálható.

Pt30Rh-Pt6Rh

1700 °C

Magas költség, legalacsonyabb termoelektromos feszültség, magas maximális hőmérséklet.


Csatlakozó fejek

A gyakorlatban az alkalmazástól függően a termoelektromos érzékelőket különböző csatlakozófejekkel ellátott kivitelben használják. Attól függően, hogy az érzékelőt hogyan szerelik be, léteznek csavaros és aljzatos változatok.

Megkülönböztetünk A, B, BUZ, BUZH, BBK és J csatlakozófejjel ellátott termoelemeket. Az ilyen fejek egy vagy két termoelemmel készülhetnek.

Ezek a megoldások 100˚C-ot meg nem haladó környezeti hőmérsékleten garantálják a helyes működést, és folyadékokban és gázokban történő hőmérsékletmérésre szolgálnak. A dugaszolható termoelemek esetében a merítőanyag kerámiából vagy hőálló acélból készül, míg a csavart részeknél a merített rész saválló acélból készül. A választás az elem közvetlen környezetében uralkodó körülményektől függ, és a megfelelő választás garantálja a környezeti körülményekkel és a mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállást. A csavarfejekben lévő tömítés lehetővé teszi a pozitív és negatív nyomású alkalmazásokban való használatot. A dugaszolható fejek esetében a rendszert speciális karimák tömítik még tovább.

A szabványos vagy bevonatos mérőbetét ásványi szigetelésű, vékonyfalú köpenybe foglalt hajlékony huzalokból készül, a huzalok tűzálló tömörített magnézium-oxidba ágyazva. Ennek eredményeként csökken a dinamikus hiba, ami a rövid, 0,5-0,15 s-os reakcióidő következménye. A kialakítás biztosítja a rezgésállóságot, ami egy ilyen elem hosszú élettartamát jelenti. Ennek a megoldásnak az alapvető alkalmazási területe a vegyi üzemek, de a csővezetékekben végzett hőmérsékletmérések stb. is. Az ügyfél kérésére a fejbe hőmérséklet-jeladó kerül beépítésre.