Cặp nhiệt độ là một thiết bị đo nhiệt độ trong tất cả các ngành của khoa học và công nghệ. Bài báo này trình bày một cách tổng quan về cặp nhiệt điện kèm theo phân tích về thiết kế và nguyên lý hoạt động của thiết bị. Các loại cặp nhiệt điện với các đặc điểm ngắn gọn của chúng được mô tả và đánh giá cặp nhiệt điện như một công cụ đo lường cũng được đưa ra.
Nội dung
Thiết bị cặp nhiệt điện
Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện. Hiệu ứng Seebeck
Hoạt động của một cặp nhiệt điện là do sự xuất hiện của hiệu ứng nhiệt điện, được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức Tomas Seebeck vào năm 1821.
Hiện tượng dựa trên sự xuất hiện dòng điện trong mạch điện kín khi tiếp xúc với nhiệt độ môi trường nhất định. Dòng điện xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật dẫn (nhiệt điện cực) có thành phần khác nhau (kim loại hoặc hợp kim khác nhau) và được duy trì bằng cách duy trì vị trí của các tiếp điểm của chúng (chỗ nối). Thiết bị hiển thị giá trị của nhiệt độ đo được trên màn hình của thiết bị phụ được kết nối.
Điện áp đầu ra và nhiệt độ có quan hệ tuyến tính với nhau. Điều này có nghĩa là nhiệt độ đo được tăng lên dẫn đến giá trị milivôn cao hơn ở các đầu tự do của cặp nhiệt điện.
Điểm nối nằm ở điểm đo nhiệt độ được gọi là “nóng” và nơi nối dây với bộ chuyển đổi được gọi là “lạnh”.
Bù nhiệt độ mối nối lạnh (CJC)
Bù tiếp điểm lạnh (CJC) là bù được áp dụng như một hiệu chỉnh đối với số đọc tổng khi đo nhiệt độ tại điểm mà các dây dẫn của cặp nhiệt điện được kết nối. Điều này là do sự khác biệt giữa nhiệt độ thực tế của đầu lạnh và số đọc được tính toán của bảng hiệu chuẩn cho nhiệt độ của đầu nối nguội ở 0 ° C.
CCS là một phương pháp vi phân trong đó các giá trị nhiệt độ tuyệt đối được tìm thấy từ nhiệt độ điểm lạnh đã biết (còn được gọi là điểm tiếp giáp tham chiếu).
Thiết kế cặp nhiệt điện
Khi thiết kế một cặp nhiệt điện, phải tính đến ảnh hưởng của các yếu tố như "tính xâm thực" của môi trường bên ngoài, trạng thái tập hợp của chất, phạm vi nhiệt độ đo được và các yếu tố khác.
Các tính năng thiết kế cặp nhiệt điện:
1) Các mối nối của dây dẫn được kết nối với nhau bằng cách xoắn hoặc xoắn với hàn hồ quang điện (hiếm khi bằng cách hàn).
QUAN TRỌNG: Không khuyến khích sử dụng phương pháp vặn xoắn do đặc tính mối nối bị mất nhanh chóng.
2) Các điện cực nhiệt phải được cách ly về điện dọc theo toàn bộ chiều dài của chúng, ngoại trừ điểm tiếp xúc.
3) Phương pháp cách nhiệt được chọn có tính đến giới hạn nhiệt độ trên.
- Lên đến 100-120 ° C - cách nhiệt bất kỳ;
- Lên đến 1300 ° C - ống hoặc hạt sứ;
- Lên đến 1950 ° C - ống Al2O3;
- Trên 2000 ° С - ống làm bằng MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Vỏ bảo vệ.
Vật liệu phải bền nhiệt và hóa học, dẫn nhiệt tốt (kim loại, gốm sứ). Việc sử dụng một chiếc ủng ngăn ngừa sự ăn mòn trong một số môi trường nhất định.
Dây nối dài (bù)
Loại dây này được yêu cầu để kéo dài các đầu của cặp nhiệt điện đến thiết bị thứ cấp hoặc thanh chắn. Không sử dụng dây nếu cặp nhiệt điện có bộ chuyển đổi tích hợp với tín hiệu đầu ra thống nhất. Được sử dụng rộng rãi nhất là bộ chuyển đổi chuẩn hóa, nằm ở đầu cực chuẩn của cảm biến với tín hiệu thống nhất 4-20mA, cái gọi là "máy tính bảng".
Vật liệu của dây có thể trùng với vật liệu của nhiệt điện cực, nhưng thường được thay thế bằng vật liệu rẻ hơn, có tính đến các điều kiện ngăn cản sự hình thành các nhiệt điện ký sinh (cảm ứng). Việc sử dụng dây nối dài cũng cho phép bạn tối ưu hóa sản xuất.
Cuộc sống hack! Để xác định chính xác cực tính của các dây bù và kết nối chúng với cặp nhiệt điện, hãy nhớ quy tắc ghi nhớ MM - trừ là từ hóa. Đó là, chúng ta lấy bất kỳ nam châm nào và phần trừ của phần bù sẽ bị từ hóa, không giống như phần cộng.
Các loại và các loại cặp nhiệt điện
Sự đa dạng của cặp nhiệt điện được giải thích bởi sự kết hợp khác nhau của các hợp kim kim loại được sử dụng. Việc lựa chọn cặp nhiệt điện được thực hiện tùy thuộc vào ngành công nghiệp và phạm vi nhiệt độ yêu cầu.
Cặp nhiệt điện chromel-alumel (TXA)
Điện cực dương: hợp kim crôm (90% Ni, 10% Cr).
Điện cực âm: hợp kim alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Vật liệu cách nhiệt: sứ, thạch anh, oxit kim loại, v.v.
Phạm vi nhiệt độ từ -200 ° С đến 1300 ° С sưởi ấm ngắn hạn và 1100 ° С dài hạn.
Môi trường làm việc: trơ, oxy hóa (O2= 2-3% hoặc loại trừ hoàn toàn), hydro khô, chân không ngắn hạn. Trong môi trường khử hoặc oxy hóa khử với sự có mặt của vỏ bảo vệ.
Nhược điểm: dễ biến dạng, mất ổn định thuận nghịch của nhiệt EMF.
Có thể có các trường hợp ăn mòn và lắng đọng của alumel khi có các vết lưu huỳnh trong khí quyển và cromel trong khí quyển có tính oxy hóa yếu (“đất sét xanh”).
Cromel-kopel của cặp nhiệt điện (TKhK)
Điện cực dương: hợp kim crôm (90% Ni, 10% Cr).
Điện cực âm: Hợp kim Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Phạm vi nhiệt độ từ -253 ° С đến 800 ° С sưởi ấm lâu dài và 1100 ° С sưởi ấm trong thời gian ngắn.
Môi trường làm việc: trơ và oxy hóa, chân không ngắn hạn.
Nhược điểm: biến dạng nhiệt điện cực.
Khả năng bay hơi của crom trong điều kiện chân không kéo dài; phản ứng với bầu không khí có chứa lưu huỳnh, crom, flo.
Can nhiệt sắt-hằng số (TGK)
Điện cực dương: sắt tinh khiết thương mại (thép nhẹ).
Điện cực âm: hợp kim hằng số (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Được sử dụng cho các phép đo trong môi trường khử, môi trường trơ và chân không. Nhiệt độ từ -203 ° С đến 750 ° С lâu dài và 1100 ° С sưởi ấm trong thời gian ngắn.
Ứng dụng phát triển trên phép đo chung của nhiệt độ dương và âm. Nó không có lợi nếu chỉ sử dụng cho nhiệt độ âm.
Nhược điểm: biến dạng nhiệt điện cực, khả năng chống ăn mòn thấp.
Thay đổi các đặc tính hóa lý của sắt ở khoảng 700 ° C và 900 ° C. Phản ứng với lưu huỳnh và hơi nước để tạo thành ăn mòn.
Cặp nhiệt điện vonfram-hecxni (TVR)
Điện cực dương: hợp kim BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 với phụ gia silica và nhôm) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Điện cực âm: Hợp kim BP20 (80% W, 20% Rh).
Cách nhiệt: gốm sứ oxit kim loại tinh khiết về mặt hóa học.
Độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt, độ nhạy thấp với ô nhiễm, dễ sản xuất được ghi nhận.
Đo nhiệt độ từ 1800 ° С đến 3000 ° С, giới hạn dưới là 1300 ° С. Phép đo được thực hiện trong môi trường khí trơ, hydro khô hoặc chân không. Trong môi trường oxy hóa chỉ để đo trong các quá trình nhanh.
Nhược điểm: khả năng tái tạo của nhiệt EMF kém, không ổn định trong quá trình chiếu xạ, độ nhạy không ổn định trong phạm vi nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện vonfram-molypden (VM)
Điện cực dương: vonfram (tinh khiết thương mại).
Điện cực âm: molypden (tinh khiết thương mại).
Cách nhiệt: gốm nhôm, được bảo vệ bằng các đầu bằng thạch anh.
Môi trường trơ, hydro hoặc chân không. Có thể thực hiện các phép đo ngắn hạn trong môi trường oxy hóa với sự có mặt của lớp cách điện.Phạm vi nhiệt độ đo được là 1400-1800 ° C, nhiệt độ hoạt động tối đa khoảng 2400 ° C.
Nhược điểm: khả năng tái tạo kém và độ nhạy của EMF nhiệt, đảo cực, biến dạng ở nhiệt độ cao.
Cặp nhiệt điện platinum-rhodium-platinum (TPP)
Điện cực dương: platin-rhodi (Pt c 10% hoặc 13% Rh).
Điện cực âm: bạch kim.
Cách điện: thạch anh, sứ (trơn và chịu lửa). Lên đến 1400 ° C - gốm có hàm lượng Al cao2O3, trên 1400 ° C - gốm sứ từ Al tinh khiết về mặt hóa học2O3.
Nhiệt độ hoạt động tối đa 1400 ° C dài hạn, 1600 ° C ngắn hạn. Đo nhiệt độ thấp thường không được thực hiện.
Môi trường làm việc: oxy hóa và trơ, khử khi có sự bảo vệ.
Nhược điểm: giá thành cao, không ổn định trong quá trình chiếu xạ, độ nhạy cao với sự nhiễm bẩn (đặc biệt là điện cực platin), hạt kim loại phát triển ở nhiệt độ cao.
Cặp nhiệt điện platinum-rhodium-platinum-rhodium (TPR)
Điện cực dương: Hợp kim Pt với 30% Rh.
Điện cực âm: Hợp kim Pt với 6% Rh.
Trung bình: oxy hóa, trung tính và chân không. Sử dụng để khử và chứa hơi của kim loại hoặc phi kim loại khi có sự bảo vệ.
Nhiệt độ hoạt động tối đa 1600 ° C dài hạn, 1800 ° C ngắn hạn.
Cách nhiệt: Al gốm2O3 độ tinh khiết cao.
Ít bị ô nhiễm hóa chất và sự phát triển của hạt hơn so với cặp nhiệt điện platin-rhodium-platinum.
Sơ đồ đấu dây cặp nhiệt điện
- Kết nối trực tiếp chiết áp hoặc điện kế với dây dẫn.
- Kết nối với dây bù;
- Kết nối với dây đồng thông thường thành cặp nhiệt điện có đầu ra thống nhất.
Tiêu chuẩn màu của dây dẫn cặp nhiệt điện
Cách điện của dây dẫn màu giúp phân biệt các nhiệt điện cực với nhau để kết nối thích hợp với các đầu cuối. Các tiêu chuẩn khác nhau theo từng quốc gia, không có mã màu cụ thể cho dây dẫn.
QUAN TRỌNG: Cần phải biết tiêu chuẩn sử dụng trong doanh nghiệp để đề phòng sai sót.
Đo lường độ chính xác
Độ chính xác phụ thuộc vào loại cặp nhiệt điện, phạm vi nhiệt độ, độ tinh khiết của vật liệu, độ ồn điện, ăn mòn, đặc tính mối nối và quy trình sản xuất.
Các cặp nhiệt điện được chỉ định một loại dung sai (tiêu chuẩn hoặc đặc biệt) để thiết lập khoảng tin cậy của phép đo.
QUAN TRỌNG: Đặc điểm tại thời điểm sản xuất thay đổi trong quá trình hoạt động.
Tốc độ đo
Tốc độ được xác định bởi khả năng của bộ biến đổi sơ cấp đáp ứng nhanh các bước nhảy nhiệt độ và dòng tín hiệu đầu vào của thiết bị đo theo sau chúng.
Các yếu tố làm tăng hiệu suất:
- Cài đặt chính xác và tính toán chiều dài của bộ chuyển đổi chính;
- Khi sử dụng đầu dò có ống bọc bảo vệ, cần giảm khối lượng của thiết bị bằng cách chọn đường kính ống bọc nhỏ hơn;
- Giảm thiểu khoảng cách không khí giữa bộ chuyển đổi chính và ống bảo vệ;
- Việc sử dụng bộ chuyển đổi sơ cấp có lò xo và lấp đầy các khoảng trống trong ống bọc bằng chất độn dẫn nhiệt;
- Môi trường chuyển động nhanh hoặc đậm đặc hơn (chất lỏng).
Kiểm tra hiệu suất cặp nhiệt điện
Để kiểm tra hiệu suất, hãy kết nối thiết bị đo đặc biệt (máy thử, điện kế hoặc chiết áp) hoặc đo điện áp đầu ra bằng milivôn kế. Nếu có dao động của mũi tên hoặc chỉ số kỹ thuật số, cặp nhiệt điện có thể sử dụng được, nếu không thì phải thay thế thiết bị.
Nguyên nhân hỏng cặp nhiệt điện:
- Không sử dụng thiết bị che chắn bảo vệ;
- Thay đổi thành phần hóa học của điện cực;
- Quá trình oxy hóa phát triển ở nhiệt độ cao;
- Sự cố của thiết bị điều khiển và đo lường, v.v.
Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng cặp nhiệt điện
Những lợi thế của việc sử dụng thiết bị này là:
- Phạm vi đo nhiệt độ lớn;
- Độ chính xác cao;
- Tính đơn giản và độ tin cậy.
Những bất lợi bao gồm:
- Thực hiện giám sát liên tục điểm lạnh, kiểm định và hiệu chuẩn thiết bị điều khiển;
- Sự thay đổi cấu trúc của kim loại trong quá trình sản xuất thiết bị;
- Sự phụ thuộc vào thành phần của khí quyển, chi phí làm kín;
- Sai số đo do sóng điện từ.
