Ein Thermoelement ist ein Gerät zur Temperaturmessung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über Thermoelemente mit einer Analyse des Aufbaus und des Funktionsprinzips des Geräts. Es werden Varianten von Thermoelementen mit ihren kurzen Eigenschaften beschrieben und auch eine Einschätzung des Thermoelements als Messinstrument gegeben.
Inhalt
Thermoelement-Gerät
Das Funktionsprinzip eines Thermoelements. Seebeck-Effekt
Der Betrieb eines Thermoelements ist auf das Auftreten des thermoelektrischen Effekts zurückzuführen, der 1821 vom deutschen Physiker Tomas Seebeck entdeckt wurde.
Das Phänomen beruht auf dem Auftreten von Elektrizität in einem geschlossenen Stromkreis bei einer bestimmten Umgebungstemperatur. Ein elektrischer Strom entsteht, wenn zwischen zwei Leitern (Thermoelektroden) unterschiedlicher Zusammensetzung (unterschiedliche Metalle oder Legierungen) ein Temperaturunterschied besteht, und wird aufrechterhalten, indem die Stelle ihrer Kontakte (Verbindungen) beibehalten wird. Das Gerät zeigt den Wert der gemessenen Temperatur auf dem Bildschirm des angeschlossenen Zweitgeräts an.
Ausgangsspannung und Temperatur stehen in linearem Zusammenhang. Das bedeutet, dass eine Erhöhung der gemessenen Temperatur zu einem höheren Millivoltwert an den freien Enden des Thermoelements führt.
Die Verbindungsstelle am Punkt der Temperaturmessung wird als „heiß“ bezeichnet, und die Stelle, an der die Drähte mit dem Konverter verbunden sind, wird als „kalt“ bezeichnet.
Kaltstellen-Temperaturkompensation (CJC)
Die Kaltstellenkompensation (CJC) ist eine Kompensation, die als Korrektur des Gesamtmesswerts angewendet wird, wenn die Temperatur an dem Punkt gemessen wird, an dem die Thermoelementleitungen angeschlossen sind. Dies liegt an Abweichungen zwischen der tatsächlichen Temperatur der kalten Enden und den berechneten Messwerten der Kalibriertabelle für die Temperatur der Vergleichsstelle bei 0 °C.
CCS ist eine differenzielle Methode, bei der absolute Temperaturmesswerte von einer bekannten Vergleichsstellentemperatur (auch bekannt als Vergleichsstelle) ermittelt werden.
Thermoelement-Design
Bei der Konstruktion eines Thermoelements wird der Einfluss von Faktoren wie der "Aggressivität" der äußeren Umgebung, dem Aggregatzustand der Substanz, dem Bereich der gemessenen Temperaturen und anderen berücksichtigt.
Konstruktionsmerkmale des Thermoelements:
1) Verbindungsstellen von Leitern werden durch Verdrillen oder Verdrillen mit weiterem Lichtbogenschweißen (selten durch Löten) miteinander verbunden.
WICHTIG: Aufgrund des schnellen Verlusts der Verbindungseigenschaften wird die Verdrillungsmethode nicht empfohlen.
2) Thermoelektroden müssen auf ihrer ganzen Länge, mit Ausnahme der Kontaktstelle, elektrisch isoliert sein.
3) Die Isolationsmethode wird unter Berücksichtigung der oberen Temperaturgrenze ausgewählt.
- Bis 100-120°C - beliebige Isolierung;
- Bis 1300°C - Porzellanröhrchen oder -perlen;
- Bis 1950°C - Al-Rohre2Ö3;
- Über 2000°С - Rohre aus MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Schutzabdeckung.
Das Material muss thermisch und chemisch beständig und gut wärmeleitend sein (Metall, Keramik). Die Verwendung einer Manschette verhindert Korrosion in bestimmten Umgebungen.
Verlängerungs- (Kompensations-) Drähte
Dieser Drahttyp wird benötigt, um die Enden des Thermoelements zum sekundären Instrument oder zur Barriere zu verlängern. Drähte werden nicht verwendet, wenn das Thermoelement einen eingebauten Wandler mit einem einheitlichen Ausgangssignal hat. Am weitesten verbreitet ist der Normierungswandler, der sich im Standardanschlusskopf des Sensors mit einem einheitlichen Signal von 4-20 mA befindet, dem sogenannten "Tablet".
Das Material der Drähte kann mit dem Material der Thermoelektroden übereinstimmen, wird jedoch meistens durch ein billigeres ersetzt, wobei die Bedingungen berücksichtigt werden, die die Bildung parasitärer (induzierter) Thermo-EMKs verhindern. Durch die Verwendung von Verlängerungskabeln können Sie auch die Produktion optimieren.
Lifehack! Um die Polarität der Ausgleichsdrähte richtig zu bestimmen und mit dem Thermoelement zu verbinden, beachten Sie die Merkregel MM - Minus ist magnetisiert. Das heißt, wir nehmen einen beliebigen Magneten und das Minus der Kompensation wird im Gegensatz zum Plus magnetisiert.
Arten und Arten von Thermoelementen
Die Vielfalt der Thermoelemente erklärt sich aus verschiedenen Kombinationen der verwendeten Metalllegierungen. Die Auswahl des Thermoelements erfolgt in Abhängigkeit von der Branche und dem geforderten Temperaturbereich.
Thermoelement Chromel-Alumel (TXA)
Positive Elektrode: Chromlegierung (90 % Ni, 10 % Cr).
Negative Elektrode: Alumellegierung (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Isoliermaterial: Porzellan, Quarz, Metalloxide usw.
Temperaturbereich von -200°С bis 1300°С Kurzzeit- und 1100°С Langzeitheizung.
Arbeitsumgebung: inert, oxidierend (O2=2-3% oder ganz ausgeschlossen), trockener Wasserstoff, kurzzeitiges Vakuum. In einer reduzierenden oder Redox-Atmosphäre in Gegenwart einer Schutzabdeckung.
Nachteile: leichte Verformung, reversible Instabilität der Thermo-EMF.
Es kann zu Korrosion und Versprödung von Alumel in Gegenwart von Schwefelspuren in der Atmosphäre und Chromel in schwach oxidierender Atmosphäre („grüner Ton“) kommen.
Chromel-Kopel-Thermoelement (TKhK)
Positive Elektrode: Chromlegierung (90 % Ni, 10 % Cr).
Negative Elektrode: Kopel-Legierung (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Temperaturbereich von -253°С bis 800°С langfristige und 1100°С kurzfristige Erwärmung.
Arbeitsumgebung: Inert und oxidierend, kurzzeitiges Vakuum.
Nachteile: Verformung der Thermoelektrode.
Möglichkeit der Chromverdampfung unter längerem Vakuum; Reaktion mit einer Atmosphäre, die Schwefel, Chrom, Fluor enthält.
Thermoelement Eisen-Konstantan (TGK)
Positive Elektrode: handelsübliches reines Eisen (Weichstahl).
Negative Elektrode: Konstantanlegierung (59 % Cu, 39–41 % Ni, 1–2 % Mn).
Verwendet für Messungen in reduzierenden, inerten Medien und Vakuum. Temperatur von -203°С bis 750°С langfristige und 1100°С kurzfristige Erwärmung.
Die Anwendung entwickelt sich aus der gemeinsamen Messung positiver und negativer Temperaturen. Es ist unrentabel, es nur für negative Temperaturen zu verwenden.
Nachteile: Verformung der Thermoelektrode, geringe Korrosionsbeständigkeit.
Änderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Eisen bei etwa 700°C und 900°C. Reagiert mit Schwefel und Wasserdampf unter Bildung von Korrosion.
Wolfram-Rhenium-Thermoelement (TVR)
Positive Elektrode: Legierungen BP5 (95 % W, 5 % Rh) / BAP5 (BP5 mit Silica- und Aluminiumzusatz) / BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Negative Elektrode: BP20-Legierungen (80 % W, 20 % Rh).
Isolierung: chemisch reine Metalloxidkeramik.
Mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit, geringe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, einfache Herstellung werden festgestellt.
Messung von Temperaturen von 1800°С bis 3000°С, die untere Grenze liegt bei 1300°С. Die Messungen werden in einer Inertgas-, trockenen Wasserstoff- oder Vakuumumgebung durchgeführt. In oxidierenden Umgebungen nur zur Messung in schnellen Prozessen.
Nachteile: schlechte Reproduzierbarkeit der Thermo-EMF, ihre Instabilität während der Bestrahlung, instabile Empfindlichkeit im Temperaturbereich.
Thermoelement Wolfram-Molybdän (VM)
Positive Elektrode: Wolfram (kommerziell rein).
Negative Elektrode: Molybdän (kommerziell rein).
Isolierung: Aluminiumoxid-Keramik, geschützt mit Quarzspitzen.
Inerte Wasserstoff- oder Vakuumumgebung. Kurzzeitmessungen in oxidierender Umgebung bei vorhandener Isolierung sind möglich.Der Bereich der gemessenen Temperaturen beträgt 1400-1800°C, die maximale Betriebstemperatur liegt bei etwa 2400°C.
Nachteile: schlechte Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit thermischer EMF, Verpolung, Versprödung bei hohen Temperaturen.
Thermoelemente Platin-Rhodium-Platin (TPP)
Positive Elektrode: Platin-Rhodium (Pt c 10 % oder 13 % Rh).
Negative Elektrode: Platin.
Isolierung: Quarz, Porzellan (glatt und feuerfest). Bis 1400°C - Keramik mit hohem Al-Gehalt2Ö3, über 1400°C - Keramik aus chemisch reinem Al2Ö3.
Maximale Betriebstemperatur 1400°C langfristig, 1600°C kurzzeitig. Eine Messung niedriger Temperaturen wird normalerweise nicht durchgeführt.
Arbeitsumgebung: oxidierend und inert, reduzierend in Gegenwart von Schutz.
Nachteile: hohe Kosten, Instabilität während der Bestrahlung, hohe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung (insbesondere der Platinelektrode), Metallkornwachstum bei hohen Temperaturen.
Thermoelemente Platin-Rhodium-Platin-Rhodium (TPR)
Positive Elektrode: Pt-Legierung mit 30 % Rh.
Negative Elektrode: Pt-Legierung mit 6 % Rh.
Medium: oxidierend, neutral und Vakuum. Verwendung zum Reduzieren und Eindämmen von Dämpfen von Metallen oder Nichtmetallen in Gegenwart von Schutz.
Maximale Betriebstemperatur 1600°C langfristig, 1800°C kurzzeitig.
Isolierung: Al-Keramik2Ö3 hohe Reinheit.
Weniger anfällig für chemische Verunreinigungen und Kornwachstum als ein Platin-Rhodium-Platin-Thermoelement.
Schaltplan Thermoelement
- Anschließen eines Potentiometers oder Galvanometers direkt an die Leiter.
- Anschluss mit Ausgleichsleitungen;
- Verbindung mit herkömmlichen Kupferdrähten zu einem Thermoelement mit einheitlichem Ausgang.
Farbstandards für Thermoelementleiter
Die farbige Leiterisolierung hilft, die Thermoelektroden voneinander zu unterscheiden, um eine ordnungsgemäße Verbindung mit den Anschlüssen zu gewährleisten. Die Standards unterscheiden sich von Land zu Land, es gibt keine spezifischen Farbcodes für Leiter.
WICHTIG: Es ist notwendig, den im Unternehmen verwendeten Standard zu kennen, um Fehler zu vermeiden.
Meßgenauigkeit
Die Genauigkeit hängt vom Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Materialreinheit, elektrischem Rauschen, Korrosion, Verbindungseigenschaften und Herstellungsprozess ab.
Thermoelementen wird eine Toleranzklasse (Standard oder Spezial) zugeordnet, die ein Messvertrauensintervall festlegt.
WICHTIG: Eigenschaften zum Zeitpunkt der Herstellung ändern sich während des Betriebs.
Messgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit wird bestimmt durch die Fähigkeit des Primärumrichters, schnell auf Temperatursprünge und den darauffolgenden Fluss von Eingangssignalen des Messgeräts zu reagieren.
Leistungssteigernde Faktoren:
- Korrekte Installation und Berechnung der Länge des Primärwandlers;
- Bei Verwendung eines Aufnehmers mit Schutzhülse ist es erforderlich, die Masse der Einheit durch die Wahl eines kleineren Durchmessers der Hülsen zu reduzieren;
- Minimierung des Luftspalts zwischen dem Primärwandler und der Schutzhülle;
- Die Verwendung eines federbelasteten Primärwandlers und das Füllen der Hohlräume in der Hülse mit einem wärmeleitenden Füllstoff;
- Ein sich schnell bewegendes oder dichteres Medium (Flüssigkeit).
Thermoelement-Leistungsprüfung
Um die Leistung zu überprüfen, schließen Sie ein spezielles Messgerät (Tester, Galvanometer oder Potentiometer) an oder messen Sie die Ausgangsspannung mit einem Millivoltmeter. Bei Schwankungen des Pfeils oder der Digitalanzeige ist das Thermoelement funktionstüchtig, andernfalls muss das Gerät ausgetauscht werden.
Ursachen für den Ausfall des Thermoelements:
- Nichtbenutzung einer schützenden Abschirmvorrichtung;
- Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Elektroden;
- Oxidative Prozesse, die sich bei hohen Temperaturen entwickeln;
- Ausfall des Kontroll- und Messgerätes etc.
Vor- und Nachteile der Verwendung von Thermoelementen
Die Vorteile der Verwendung dieses Geräts sind:
- Großer Temperaturmessbereich;
- Hohe Genauigkeit;
- Einfachheit und Zuverlässigkeit.
Zu den Nachteilen gehören:
- Implementierung der kontinuierlichen Überwachung der Vergleichsstelle, Überprüfung und Kalibrierung der Kontrollausrüstung;
- Strukturelle Veränderungen in Metallen während der Herstellung des Geräts;
- Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Atmosphäre, den Kosten der Abdichtung;
- Messfehler durch elektromagnetische Wellen.
