Cos'è una termocoppia?

Cos'è una termocoppia?

È un elemento di rilevamento della temperatura comunemente usato negli strumenti di misurazione della temperatura. Misura direttamente la temperatura e converte il segnale di temperatura in un segnale potenziale termoelettrico, che viene quindi convertito da strumenti elettrici (strumenti secondari) nella temperatura del mezzo misurato. Sebbene le forme di varie termocoppie possano variare notevolmente a seconda della loro applicazione, la loro struttura di base è in gran parte la stessa, in genere costituita da un elemento termoelettrico, un tubo protettivo per maniche isolanti e una scatola di giunzione. Queste termocoppie sono generalmente utilizzate in combinazione con strumenti di visualizzazione, strumenti di registrazione e regolatori elettronici. Come funziona una termocoppia questa relazione è ampiamente utilizzata nella misurazione pratica della temperatura. Poiché la giunzione fredda T0 rimane costante, il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia varia solo con le variazioni della temperatura della giunzione calda (l'estremità di misurazione). Ciò significa che un potenziale termoelettrico specifico corrisponde a una temperatura specifica. Usando il metodo di misurazione del potenziale termoelettrico, possiamo raggiungere lo scopo della misurazione della temperatura Il principio fondamentale della misurazione della temperatura della termocoppia è che un circuito chiuso è formato da due conduttori realizzati con materiali diversi. Quando c'è un gradiente di temperatura tra le due estremità, la corrente scorre attraverso il circuito, generando una forza elettromotrice (EMF) tra le due estremità. Questo fenomeno è noto come effetto Seebeck. I due conduttori, realizzati con materiali diversi, sono i termoelementi, con l'estremità più calda che funge da estremità di lavoro e l'estremità più fredda come estremità libera, che in genere viene mantenuta a una temperatura costante. Sulla base della relazione tra EMF e temperatura, viene creata una tabella di calibrazione della termocoppia. Questa tabella si basa sulla condizione in cui la temperatura di estremità libera è 0 gradi e diverse termocoppie hanno le proprie tabelle di calibrazione. Quando un terzo materiale metallico viene aggiunto al circuito della termocoppia, fintanto che le temperature ad entrambe le giunzioni di questo materiale sono uguali, il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia rimarrà invariato, inalterata dall'aggiunta del terzo metallo. Pertanto, quando si utilizza una termocoppia per la misurazione della temperatura, è possibile collegare uno strumento di misurazione per misurare il potenziale termoelettrico, che consente di determinare la temperatura del mezzo. Quando si misura la temperatura con una termocoppia, è essenziale che la temperatura alla giunzione fredda (l'estremità collegata al circuito di misurazione attraverso i cavi) rimanga costante, poiché ciò garantisce che il potenziale termoelettrico sia proporzionale alla temperatura misurata. Se la temperatura alla giunzione fredda (l'ambiente) cambia durante la misurazione, può influire significativamente sull'accuratezza della misurazione. Per compensare l'impatto delle variazioni della temperatura della giunzione fredda, vengono prese misure alla giunzione fredda, che viene definita compensazione della giunzione fredda. I fili di compensazione speciali vengono utilizzati per connettersi allo strumento di misurazione.

Tipi e caratteristiche comuni delle termocoppie

Le termocoppie comuni possono essere classificate in due tipi principali: standard standard e non -. Le termocoppie standard sono quelle per le quali lo standard nazionale specifica il loro potenziale termoelettrico - relazione di temperatura, errore ammissibile e una tabella di calibrazione unificata. Sono dotati di strumenti di visualizzazione abbinati per la selezione. Le termocoppie standard non - hanno un intervallo o una quantità di applicazioni più piccole rispetto alle termocoppie standard e generalmente mancano di una tabella di calibrazione unificata, rendendole utilizzate principalmente per misurazioni in situazioni speciali. Dal 1 ° gennaio 1988, la Cina ha standardizzato la produzione di termometri di termocoppie e resistenza secondo gli standard internazionali IEC, designando sette tipi - S, B, E, K, R, J, T -

Teoricamente, possono essere abbinati due diversi conduttori (o semiconduttori) per formare una termocoppia. Tuttavia, come componenti pratici di misurazione della temperatura, devono soddisfare più requisiti. Per garantire l'affidabilità e l'accuratezza sufficiente nelle applicazioni ingegneristiche, non tutti i materiali sono adatti per le termocoppie. In generale, i requisiti di base per i materiali elettrodi delle termocoppie sono:

1. Nell'intervallo di misurazione della temperatura, le proprietà termoelettriche sono stabili e non cambiano con il tempo e esiste una sufficiente stabilità fisica e chimica, che non è facile da ossidare o corrosi;

2, piccolo coefficiente di temperatura di resistenza, alta conducibilità, piccolo calore specifico;

3. Il potenziale termoelettrico generato nella misurazione della temperatura dovrebbe essere grande e il potenziale termoelettrico è una relazione di funzione a valore singolo lineare o quasi lineare con la temperatura;

4. Il materiale ha una buona riproducibilità,

Come installare la termocoppia?

In produzione, a causa di diversi oggetti in esame, diverse condizioni ambientali, diversi requisiti di misurazione e diversi metodi di installazione dei resistori e delle misure termiche adottate, ci sono molti problemi da considerare. Tuttavia, in linea di principio, può essere considerato da tre aspetti: accuratezza della misurazione della temperatura, sicurezza e comodità di manutenzione. Per prevenire danni all'elemento di rilevamento della temperatura, si dovrebbe garantire che abbia una resistenza meccanica sufficiente. Per proteggere l'elemento dall'usura, è necessario aggiungere uno schermo protettivo o un tubo. Per garantire la sicurezza e l'affidabilità, il metodo di installazione dell'elemento di rilevamento della temperatura deve essere determinato in base a condizioni specifiche, come la temperatura e la pressione del mezzo da misurare, la lunghezza dell'elemento, la posizione di installazione e la forma. Di seguito sono riportati alcuni esempi per attirare l'attenzione:

Tutti gli elementi di rilevamento della temperatura installati per resistere alla pressione devono garantire la tenuta. Per le termocoppie che operano ad alte temperature, per prevenire la deformazione del tubo di protezione, dovrebbero essere generalmente installate verticalmente. Se è necessaria l'installazione orizzontale, non dovrebbe essere troppo lunga e una staffa dovrebbe essere utilizzata per proteggere la termocoppia. Se l'elemento di rilevamento della temperatura è installato in una pipeline con alta velocità di flusso medio, dovrebbe essere installato ad angolo. Per evitare un'erosione eccessiva, è meglio installare l'elemento di rilevamento della temperatura alle curve della pipeline. Quando la pressione media supera 10 MPa, è necessario aggiungere un manicotto protettivo all'elemento di misurazione. La posizione di installazione delle termocoppie e dei resistori termici dovrebbe anche considerare spazio sufficiente per smontaggio, manutenzione e calibrazione. Le termocoppie e i resistori termici con tubi protettivi più lunghi dovrebbero essere facili da smontarsi e assemblare

Metodo di misurazione della temperatura della termocoppia

Il tempo di risposta termica è complesso e diverse condizioni sperimentali possono portare a risultati di misurazione variabili. Questo perché il tempo di risposta termica è influenzato dalla velocità di trasferimento del calore tra la termocoppia e il mezzo circostante; Una velocità di trasferimento del calore più elevata comporta un tempo di risposta termico più breve. Per garantire che il tempo di risposta termica dei prodotti della termocoppia sia comparabile, gli standard nazionali specificano che il tempo di risposta termica deve essere misurato utilizzando un dispositivo di test di flusso d'acqua specializzato. La portata dell'acqua deve essere mantenuta a 0,4 ± 0,05 m/s, con una temperatura iniziale che va da 5-45 gradi e una fase di temperatura di 40-50 gradi. Durante il test, la temperatura dell'acqua non dovrebbe cambiare di oltre ± 1% della fase di temperatura. La termocoppia deve essere inserita con una profondità di 150 mm o la profondità di inserimento del design (a seconda di quale sia più piccola) e questo dovrebbe essere annotato nel rapporto di prova.

Poiché il dispositivo è relativamente complesso, solo poche unità hanno attualmente questa apparecchiatura, quindi lo standard nazionale stabilisce che il produttore e l'utente possono negoziare per adottare altri metodi di prova, ma i dati forniti devono indicare le condizioni di test.

Poiché il potenziale termoelettrico della termocoppia di tipo B è molto piccolo vicino a temperatura ambiente, il tempo di risposta termica non è facile da misurare. Pertanto, lo standard nazionale stabilisce che il gruppo elettrodo termoelettrico della stessa specifica della termocoppia di tipo S può essere utilizzato per sostituire il proprio gruppo di elettrodi termoelettrici, quindi è possibile eseguire il test.

Durante l'esperimento, registrare il tempo T0.5 quando l'output della termocoppia cambia al 50% della variazione del passaggio di temperatura. Se necessario, registrare anche il tempo di risposta termica al 10% T0.1 e il tempo di risposta termica al 90% T0.9. I tempi di risposta termica registrati dovrebbero essere la media di almeno tre test, con ciascuna misurazione che si discosta dalla media di ± 10%. Inoltre, il tempo richiesto per la variazione del passaggio di temperatura non deve superare un decimo - del T0.5 della termocoppia testata. Anche il tempo di risposta dello strumento di registrazione o del contatore non dovrebbe superare uno - decimo del t0.5 della termocoppia testata.

Tipi principali di termocoppie

1. Classificazione In base al tipo di dispositivo di fissaggio come mezzo principale di misurazione della temperatura, la termocoppia ha una vasta gamma di usi, quindi ci sono molti requisiti per i dispositivi di fissaggio e le prestazioni tecniche. Pertanto, i dispositivi di fissaggio della termocoppia sono divisi in sei tipi: nessun tipo di dispositivo di fissaggio, tipo filettato, tipo di flangia fissa, tipo di flangia mobile, tipo di righello angolo mobile della flangia, tipo di tubo di protezione conica.

2. Classificazione Secondo l'assemblaggio e la struttura Secondo la performance e la struttura delle termocoppie, possono essere divise in: termocoppie staccabili, esplosione - Termocoppie a prova di prova, termocoppie corazzate e termocoppie a scopo speciale come termocoppie a molla a pressione.

A quali requisiti dovrebbero essere prestati attenzione durante l'installazione della termocoppia?

Per l'installazione di termocoppie e termometri di resistenza, è necessario prestare attenzione all'accuratezza della misurazione della temperatura, della sicurezza e dell'affidabilità e della manutenzione conveniente e non influire sul funzionamento delle attrezzature e delle operazioni di produzione. Per soddisfare i requisiti di cui sopra, quando si selezionano le parti di installazione e la profondità di inserimento delle termocoppie e dei termometri di resistenza, prestare attenzione ai seguenti punti:

1. Al fine di garantire uno scambio di calore sufficiente tra l'estremità di misurazione della termocoppia e il termometro di resistenza e il mezzo misurato, il punto di misurazione dovrebbe essere ragionevolmente selezionato e il termometro per termocoppia o resistenza dovrebbe essere installato il più lontano possibile da valvole, gomiti e angoli morti di gasdole e apparecchiature.

2. Le termocoppie e i termistori con maniche protettive presentano perdite di trasferimento di calore e dissipazione del calore. Al fine di ridurre gli errori di misurazione, le termocoppie e i termistori dovrebbero avere una profondità di inserimento sufficiente:

(1) Per la termocoppia che misura la temperatura del fluido al centro della tubazione, dovrebbe essere generalmente inserita al centro della pipeline (installazione verticale o installazione inclinata). Se il diametro della tubazione è di 200 mm, la profondità di inserimento della termocoppia o della resistenza dovrebbe essere selezionata per essere 100 mm;

(2) Per le misurazioni della temperatura di alta temperatura -, alta pressione - e alti fluidi di velocità - (come la temperatura del vapore principale), per ridurre la resistenza del manicotto protettivo sul fluido di thermocuple sul fluido di thermocuple sul fluido. La profondità della manica protettiva per la termocoppia di inserimento poco profondo non deve essere inferiore a 75 mm se inserita nel tubo del vapore principale; La profondità di inserimento standard per una termocoppia di maniche termiche è di 100 mm;

(3) Se è necessario misurare la temperatura del gas di combustione nella canna fumaria, sebbene il diametro della canna fumaria sia di 4 m, la profondità di inserimento della termocoppia o della resistenza è di 1 m;

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I seguenti punti dovrebbero essere prestati attenzione al fine di utilizzare correttamente la termocoppia per evitare errori

Il corretto utilizzo della termocoppia può non solo ottenere accuratamente il valore di temperatura, garantire la qualificazione del prodotto, ma anche risparmiare il consumo di materiale della termocoppia, sia risparmiando denaro e garantire la qualità del prodotto. Installazione errata, conducibilità termica e errori di ritardo del tempo, sono gli errori principali nell'uso della termocoppia.

1. Gli errori introdotti dall'installazione impropria se la posizione di installazione e la profondità di inserimento della termocoppia non riflettono accuratamente la temperatura effettiva del forno, ad esempio, la termocoppia non deve essere posizionata troppo vicino alla porta o alle aree di riscaldamento, e la sua profondità di inserzione dovrebbe essere almeno 8-10 volte il diametro del tubo protettivo. Il divario tra il manicotto protettivo della termocoppia e la parete del forno non è riempito con materiale isolante, che può causare il calore alla fuga o all'aria fredda per invadere il forno. Pertanto, il divario tra il manicotto protettivo della termocoppia e la parete del forno deve essere sigillato con argilla refrattaria o corda di amianto per prevenire la convezione dell'aria calda e fredda, che potrebbe influire sull'accuratezza della misurazione della temperatura. Se l'estremità fredda della termocoppia è troppo vicina al corpo del forno, la temperatura può superare i 100 gradi. L'installazione della termocoppia dovrebbe evitare il più possibile forti campi magnetici e campi elettrici, quindi non dovrebbe essere installato nello stesso condotto dei cavi di alimentazione per prevenire interferenze che potrebbero causare errori. La termocoppia non deve essere installata in aree in cui il mezzo misurato scorre molto poco. Quando si misura la temperatura del gas all'interno del tubo con una termocoppia, la termocoppia deve essere installata nella direzione opposta alla portata e deve avere un contatto sufficiente con il gas.

2. Errore introdotto dal deterioramento dell'isolamento Se la termocoppia è isolata, troppo sporco o residuo di sale sul tubo di protezione e la piastra di tiro provoca uno scarso isolamento tra i poli della termocoppia e la parete del forno, che è più grave ad alta temperatura. Ciò non solo causerà la perdita di potenziale termoelettrico, ma introdurre anche interferenze e l'errore causato a volte può raggiungere centinaia di gradi.

3. Errore introdotto dall'inerzia termica L'inerzia termica delle termocoppie provoca il ritardo della lettura dello strumento dietro le variazioni effettive di temperatura, il che è particolarmente evidente durante le misurazioni rapide. Pertanto, è consigliabile utilizzare termocoppie con termoelementi più fini e diametri di tubi protettivi più piccoli. Quando l'ambiente di misurazione consente, il tubo protettivo può essere rimosso. A causa del ritardo di misurazione, l'ampiezza delle fluttuazioni di temperatura rilevate dalle termocoppie è inferiore a quelle delle temperature del forno. Maggiore è il ritardo di misurazione, minore è l'ampiezza delle fluttuazioni della termocoppia e maggiore è la differenza dalla temperatura effettiva del forno. Quando si utilizzano termocoppie con una costante di tempo di grandi dimensioni per la misurazione o il controllo della temperatura, lo strumento può mostrare fluttuazioni di temperatura minime, ma la temperatura effettiva del forno potrebbe variare in modo significativo. Per garantire una misurazione accurata della temperatura, è necessario scegliere le termocoppie con una piccola costante di tempo. La costante di tempo è inversamente proporzionale al coefficiente di trasferimento di calore e direttamente proporzionale al diametro della fine calda della termocoppia, alla densità del materiale e al suo calore specifico. Per ridurre la costante di tempo, oltre ad aumentare il coefficiente di trasferimento di calore, il metodo più efficace è ridurre al minimo le dimensioni dell'estremità calda. In pratica, i materiali con buona conduttività termica, pareti del tubo sottile e piccoli diametri interni sono in genere utilizzati per le maniche protettive. Per misurazioni di temperatura più precise, vengono utilizzate termocoppie a filo nudo senza maniche protettive, ma queste possono essere facilmente danneggiate e richiedono calibrazione o sostituzione tempestiva.

4. Errore di resistenza termica ad alta temperatura, se c'è uno strato di fuliggine sul tubo di protezione e la polvere è fissata ad esso, la resistenza termica aumenterà e la conduzione del calore verrà ostacolata. Al momento, l'indicazione della temperatura è inferiore al valore reale della temperatura misurata. Pertanto, la pulizia esterna del tubo di protezione della termocoppia deve essere mantenuta per ridurre l'errore.

I principali vantaggi delle termocoppie

1. Precisione di misurazione elevata. Poiché è in contatto direttamente con l'oggetto misurato, non è influenzato dal mezzo intermedio.

2. ampio intervallo di misurazione. Le termocoppie comuni possono essere misurate continuamente da-50 gradi -1600 gradi e alcune termocoppie speciali possono essere misurate come AS-269 gradi (come il cromo di nichel di ferro d'oro) e fino a 2800 gradi (come Tungsten, Rhenium).

3. Struttura semplice e facile da usare. Le termocoppie sono generalmente composte da due diversi fili di metallo e non sono limitate per dimensioni e inizio. Hanno una manica protettiva all'esterno, il che li rende molto convenienti da usare.

Quali sono le tendenze future e i campi di applicazione della termocoppia?

I. Innovazione del materiale di tendenza dello sviluppo futuro e miglioramento delle prestazioni Nuovi materiali termoelettrici: sviluppare materiali con una maggiore sensibilità e una gamma di temperature più ampia (come termocoppie di ossido, nanocompositi) per sostituire le leghe di metallo tradizionali (come K - Tipo, j -) tipo termico termico: la domanda di dispositivi indossabili e la riduzione della temperatura di temperatura e Flexible, sottili - termocoppie di pellicola (come elettronica stampata). Materiali superconduttori ad alta temperatura: esplorare gli schemi di misurazione della temperatura stabili in ambienti estremi (come i reattori aerospaziali e nucleari). Elaborazione del segnale incorporato intelligente e integrato: amplificatore in miniatura integrato e circuito di compensazione digitale, uscita diretta del segnale digitale, riduce l'interferenza esterna. IoT Fusion: monitoraggio remoto tramite trasmissione wireless (come Lora, NB - IoT) per supportare le applicazioni di Industry 4.0 e Smart City. Self - Sistema alimentato: usando l'effetto Seebeck delle termocoppie per alimentare i dispositivi di alimentazione a basso - (come i nodi del sensore wireless). Ottimizzazione della tecnologia di calibrazione dell'IA e affidabilità: attraverso l'apprendimento automatico per compensare dinamicamente l'errore non lineare e la deriva dell'invecchiamento, prolungare la durata della servizio. Multi - Fusione del sensore: combinato con infrarossi, RTD, ecc., Per migliorare l'affidabilità della misurazione in un ambiente complesso. Processo MEMS a basso costo e standardizzazione: la produzione in scala - di grandi dimensioni di sistemi microelettromeccanici riduce il costo delle micro termocoppie ed espande le applicazioni dei consumatori. Unificazione standard internazionale: adattarsi alla catena di approvvigionamento globale, semplificare il processo di selezione e manutenzione.

2, l'applicazione emergente campi di nuova energia e di accumulo di energia della neutralità di energia e della neutralità del carbonio: monitorare la temperatura del pannello solare (per prevenire l'effetto di hot spot) e la gestione termica dei sistemi di accumulo di energia. Energia idrogeno: produzione di idrogeno ad alta pressione e monitoraggio della temperatura delle pile di celle a combustibile. Fusione nucleare: misurazioni estreme ad alta temperatura per futuri reattori (come termocoppie di tungsteno e renio). High - End Manufacturing and Automation Semiconductor Manufacturing: Controllo della temperatura di precisione dell'elaborazione del wafer e apparecchiature di incisione (risposta di millisecondi richiesto). Produzione additiva: REAL - Feedback del tempo della temperatura del pool di fusione nel processo di stampa 3D per ottimizzare la qualità dello stampaggio. Robot: protezione del surriscaldamento dell'articolazione robot collaborativa. Chirurgia biomedica e di salute minimamente invasiva: le termocoppie ultrafine sono integrate in un catetere o endoscopio per monitorare la temperatura dei tessuti in tempo reale. Dispositivi indossabili: monitoraggio continuo delle variazioni della temperatura corporea (come le esigenze di gestione della salute dopo l'epidemia). Terapia a bassa temperatura: controllo preciso della temperatura durante la crioterapia di azoto liquido. Aerei aerospaziali e di difesa supersonici: monitoraggio del riscaldamento aerodinamico di superficie (materiali resistenti a oltre 2000 C richiesti). Controllo termico satellitare: miglioramento dell'affidabilità nell'ambiente di spazio di temperatura estrema. Gestione della salute del motore: monitoraggio della distribuzione della temperatura della lama della turbina. Elettronica di casa e elettronica di consumo intelligenti elettrodomestici intelligenti: controllo preciso della temperatura di forni, macchine per il caffè e altri elettrodomestici. Dispositivi AR/VR: impedire il surriscaldamento del processore di influire sull'esperienza utente. Ambiente e agricoltura Agricoltura intelligente: monitoraggio della temperatura della serra e del suolo. Esplorazione geotermica: misurazione della temperatura dei pozzi profondi per aiutare lo sviluppo dell'energia.

riassumere

Il futuro delle termocoppie si concentrerà su tre aree chiave: alti - materiali per prestazioni, intelligenza e integrazione del dominio -. Continueranno a penetrare settori finali alti - come la nuova energia, l'assistenza sanitaria e l'aerospaziale e entrare nel mercato dei consumatori man mano che i costi diminuiscono. I loro vantaggi fondamentali - Struttura semplice, nessun requisito di alimentazione e resistenza al calore - garantiscono la loro irreglaceabilità, ma devono anche svilupparsi in tandem con le tecnologie di sensori emergenti.