Una termocoppia è un dispositivo per misurare le temperature in tutti i rami della scienza e della tecnologia. Questo articolo presenta una panoramica generale delle termocoppie con un'analisi del design e del principio di funzionamento del dispositivo. Vengono descritte le varietà di termocoppie con le loro brevi caratteristiche e viene fornita anche una valutazione della termocoppia come strumento di misura.
Contenuto
Dispositivo termocoppia
Il principio di funzionamento di una termocoppia. Effetto Seebeck
Il funzionamento di una termocoppia è dovuto al verificarsi dell'effetto termoelettrico, scoperto dal fisico tedesco Tomas Seebeck nel 1821.
Il fenomeno si basa sulla presenza di elettricità in un circuito elettrico chiuso quando esposto ad una certa temperatura ambiente. Una corrente elettrica si verifica quando c'è una differenza di temperatura tra due conduttori (termoelettrodi) di diversa composizione (metalli o leghe dissimili) e viene mantenuta mantenendo la posizione dei loro contatti (giunti). Il dispositivo visualizza il valore della temperatura misurata sullo schermo del dispositivo secondario collegato.
La tensione e la temperatura di uscita sono linearmente correlate. Ciò significa che un aumento della temperatura misurata determina un valore in millivolt più elevato alle estremità libere della termocoppia.
La giunzione situata nel punto di misurazione della temperatura è detta “calda” e il luogo in cui i fili sono collegati al convertitore è chiamato “freddo”.
Compensazione della temperatura del giunto freddo (CJC)
La compensazione della giunzione fredda (CJC) è una compensazione applicata come correzione alla lettura totale durante la misurazione della temperatura nel punto in cui sono collegati i cavi della termocoppia. Ciò è dovuto alle discrepanze tra la temperatura effettiva dei terminali freddi e le letture calcolate della tabella di calibrazione per la temperatura del giunto freddo a 0°C.
CCS è un metodo differenziale in cui le letture della temperatura assoluta vengono rilevate da una temperatura di giunzione fredda nota (nota anche come giunzione di riferimento).
Design termocoppia
Quando si progetta una termocoppia, viene presa in considerazione l'influenza di fattori come l '"aggressività" dell'ambiente esterno, lo stato di aggregazione della sostanza, l'intervallo delle temperature misurate e altri.
Caratteristiche del design della termocoppia:
1) Le giunzioni dei conduttori sono interconnesse mediante torsione o torsione con ulteriore saldatura ad arco elettrico (raramente mediante saldatura).
IMPORTANTE: Non è consigliabile utilizzare il metodo di torsione a causa della rapida perdita delle proprietà di giunzione.
2) I termoelettrodi devono essere elettricamente isolati per tutta la loro lunghezza, escluso il punto di contatto.
3) Il metodo di isolamento viene selezionato tenendo conto del limite superiore di temperatura.
- Fino a 100-120°C - qualsiasi isolamento;
- Fino a 1300°C - tubi o perline di porcellana;
- Fino a 1950°C - Tubi Al2o3;
- Sopra 2000°С - tubi di MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Copertura protettiva.
Il materiale deve essere termicamente e chimicamente resistente, con buona conducibilità termica (metallo, ceramica). L'uso di uno stivale previene la corrosione in determinati ambienti.
Cavi di estensione (compensazione).
Questo tipo di filo è necessario per estendere le estremità della termocoppia allo strumento secondario o alla barriera. I fili non vengono utilizzati se la termocoppia dispone di un convertitore integrato con un segnale di uscita unificato. Il più diffuso è il convertitore normalizzatore, posto nella testa terminale standard del sensore con segnale unificato 4-20mA, il cosiddetto "tablet".
Il materiale dei fili può coincidere con il materiale dei termoelettrodi, ma molto spesso viene sostituito con uno più economico, tenendo conto delle condizioni che impediscono la formazione di termo-fem parassitarie (indotte). L'utilizzo di prolunghe consente inoltre di ottimizzare la produzione.
Trucchi per la vita! Per determinare correttamente la polarità dei fili di compensazione e collegarli alla termocoppia, ricordare che la regola mnemonica MM - meno è magnetizzata. Cioè, prendiamo qualsiasi magnete e il meno della compensazione sarà magnetizzato, a differenza del più.
Tipi e tipi di termocoppie
La varietà di termocoppie è spiegata dalle varie combinazioni di leghe metalliche utilizzate. La scelta della termocoppia viene effettuata in base al settore e all'intervallo di temperatura richiesto.
Termocoppia cromo-alluminio (TXA)
Elettrodo positivo: lega di cromo (90% Ni, 10% Cr).
Elettrodo negativo: lega di allume (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Materiale isolante: porcellana, quarzo, ossidi metallici, ecc.
Intervallo di temperatura da -200°С a 1300°С a breve termine e 1100°С a lungo termine.
Ambiente di lavoro: inerte, comburente (O2=2-3% o completamente escluso), idrogeno secco, vuoto di breve durata. In atmosfera riducente o redox in presenza di una copertura protettiva.
Svantaggi: facilità di deformazione, instabilità reversibile del termo-EMF.
Si possono verificare casi di corrosione e infragilimento dell'allumel in presenza di tracce di zolfo nell'atmosfera e del cromol in atmosfera debolmente ossidante (“argilla verde”).
Termocoppia cromo-kopel (TKhK)
Elettrodo positivo: lega di cromo (90% Ni, 10% Cr).
Elettrodo negativo: lega Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Intervallo di temperatura da -253°С a 800°С a lungo termine e 1100°С a breve termine.
Ambiente di lavoro: inerte e comburente, sottovuoto di breve durata.
Svantaggi: deformazione del termoelettrodo.
Possibilità di evaporazione del cromo sotto vuoto prolungato; reazione con un'atmosfera contenente zolfo, cromo, fluoro.
Termocoppia ferro-costante (TGK)
Elettrodo positivo: ferro commercialmente puro (acciaio dolce).
Elettrodo negativo: lega di costantana (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Utilizzato per misurazioni in riduzione, mezzi inerti e vuoto. Temperatura da -203°С a 750°С a lungo termine e 1100°С a breve termine.
L'applicazione si sviluppa sulla misurazione congiunta di temperature positive e negative. Non è redditizio utilizzare solo per temperature negative.
Svantaggi: deformazione del termoelettrodo, bassa resistenza alla corrosione.
Cambiamenti nelle proprietà fisico-chimiche del ferro a circa 700°C e 900°C. Reagisce con zolfo e vapore acqueo formando corrosione.
Termocoppia tungsteno-renio (TVR)
Elettrodo positivo: leghe BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 con additivo silice e alluminio) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Elettrodo negativo: leghe BP20 (80% W, 20% Rh).
Isolamento: ceramica a base di ossido di metallo chimicamente pura.
Si notano resistenza meccanica, resistenza al calore, bassa sensibilità all'inquinamento, facilità di fabbricazione.
Misurazione di temperature da 1800°С a 3000°С, il limite inferiore è 1300°С. Le misurazioni vengono eseguite in un ambiente con gas inerte, idrogeno secco o vuoto. In ambienti ossidanti solo per misure in processi veloci.
Svantaggi: scarsa riproducibilità del termo-EMF, sua instabilità durante l'irradiazione, sensibilità instabile nell'intervallo di temperatura.
Termocoppia tungsteno-molibdeno (VM)
Elettrodo positivo: tungsteno (commercialmente puro).
Elettrodo negativo: molibdeno (commercialmente puro).
Isolamento: ceramica di allumina, protetta con punte di quarzo.
Ambiente inerte, a idrogeno o sotto vuoto. È possibile effettuare misure a breve termine in ambienti ossidanti in presenza di isolamento.L'intervallo delle temperature misurate è 1400-1800°C, la temperatura massima di esercizio è di circa 2400°C.
Svantaggi: scarsa riproducibilità e sensibilità dell'EMF termico, inversione di polarità, infragilimento alle alte temperature.
Termocoppie platino-rodio-platino (TPP)
Elettrodo positivo: platino-rodio (Pt c 10% o 13% Rh).
Elettrodo negativo: platino.
Isolamento: quarzo, porcellana (normale e refrattaria). Fino a 1400°C - ceramiche ad alto contenuto di Al2o3, oltre 1400°C - ceramica da Al chimicamente puro2o3.
Temperatura massima di esercizio 1400°C a lungo termine, 1600°C a breve termine. Di solito non viene eseguita la misurazione delle basse temperature.
Ambiente di lavoro: comburente ed inerte, riducente in presenza di protezione.
Svantaggi: costo elevato, instabilità durante l'irraggiamento, elevata sensibilità alla contaminazione (soprattutto l'elettrodo di platino), crescita di grani metallici alle alte temperature.
Termocoppie platino-rodio-platino-rodio (TPR)
Elettrodo positivo: lega Pt con 30% Rh.
Elettrodo negativo: lega Pt con 6% Rh.
Mezzo: ossidante, neutro e sottovuoto. Utilizzare per ridurre e contenere vapori di metalli o non metalli in presenza di protezione.
Temperatura massima di esercizio 1600°C a lungo termine, 1800°C a breve termine.
Isolamento: Al-ceramica2o3 purezza elevata.
Meno suscettibile alla contaminazione chimica e alla crescita del grano rispetto a una termocoppia platino-rodio-platino.
Schema elettrico termocoppia
- Collegamento di un potenziometro o galvanometro direttamente ai conduttori.
- Collegamento con cavi di compensazione;
- Collegamento con fili di rame convenzionali a una termocoppia con uscita unificata.
Standard di colore del conduttore di termocoppia
L'isolamento del conduttore colorato aiuta a distinguere i termoelettrodi l'uno dall'altro per una corretta connessione ai terminali. Gli standard differiscono in base al paese, non ci sono codici colore specifici per i conduttori.
IMPORTANTE: È necessario conoscere lo standard utilizzato nell'azienda per prevenire errori.
Accuratezza di misurazione
La precisione dipende dal tipo di termocoppia, dall'intervallo di temperatura, dalla purezza del materiale, dal rumore elettrico, dalla corrosione, dalle proprietà di giunzione e dal processo di produzione.
Alle termocoppie viene assegnata una classe di tolleranza (standard o speciale) che stabilisce un intervallo di confidenza della misurazione.
IMPORTANTE: Le caratteristiche al momento della fabbricazione cambiano durante il funzionamento.
Velocità di misurazione
La velocità è determinata dalla capacità del convertitore primario di rispondere rapidamente agli sbalzi di temperatura e al flusso dei segnali di ingresso del dispositivo di misura che li segue.
Fattori che aumentano le prestazioni:
- Corretta installazione e calcolo della lunghezza del convertitore primario;
- Quando si utilizza un trasduttore con guaina protettiva, è necessario ridurre la massa dell'unità selezionando un diametro minore delle guaine;
- Ridurre al minimo il traferro tra il convertitore primario e il manicotto protettivo;
- L'uso di un convertitore primario caricato a molla e il riempimento dei vuoti nel manicotto con un riempitivo termoconduttore;
- Un mezzo (liquido) in rapido movimento o più denso.
Controllo delle prestazioni della termocoppia
Per verificare le prestazioni, collegare un apposito dispositivo di misurazione (tester, galvanometro o potenziometro) o misurare la tensione di uscita con un millivoltmetro. Se ci sono fluttuazioni della freccia o dell'indicatore digitale, la termocoppia è riparabile, altrimenti il dispositivo deve essere sostituito.
Cause di guasto della termocoppia:
- Mancato utilizzo di un dispositivo di schermatura protettiva;
- Cambiamento nella composizione chimica degli elettrodi;
- Processi ossidativi che si sviluppano ad alte temperature;
- Rottura del dispositivo di controllo e misurazione, ecc.
Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo delle termocoppie
I vantaggi dell'utilizzo di questo dispositivo sono:
- Ampio intervallo di misurazione della temperatura;
- Alta precisione;
- Semplicità e affidabilità.
Gli svantaggi includono:
- Implementazione del monitoraggio continuo della giunzione fredda, verifica e taratura delle apparecchiature di controllo;
- Cambiamenti strutturali nei metalli durante la fabbricazione del dispositivo;
- Dipendenza dalla composizione dell'atmosfera, dal costo della sigillatura;
- Errore di misura dovuto alle onde elettromagnetiche.
