Termocuplu

Conectori termocuplu.

Termocuplul este un traductor de temperatură a cărui funcționare se bazează pe efectul Seebeck . ^[1]

Termocuplurile sunt utilizate pe scară largă, deoarece sunt ieftine, ușor de înlocuit, standardizate și pot măsura o gamă largă de temperaturi. Cea mai mare limită a acestora este acuratețea , de fapt erorile sistematice mai mici de un grad Celsius sunt dificil de obținut. În plus, termocuplurile sunt dispozitive neliniare, în ciuda utilizării lor extinse. Un grup de termocupluri plasate în serie se numește termopil .

Pe scurt, termocuplul este alcătuit din doi conductori de material bine-cunoscuți care se unesc într-un punct numit „joncțiune fierbinte” în apropierea căruia trebuie efectuată măsurarea temperaturii. Celelalte două capete sunt conectate la o bornă numită „joncțiune rece”, care este conectată la instrumentul de măsurare fie direct, fie prin intermediul unei extensii. Este important să cunoașteți temperatura joncțiunii reci în scopul măsurării (compensării): de fapt, dacă se detectează o temperatură de 11 ° C lângă joncțiunea fierbinte, în timp ce joncțiunea rece este la o temperatură de 20 ° C, atunci temperatura reală la care este joncțiunea fierbinte este de 31 ° C. Această compensare nu ar avea sens dacă joncțiunea rece ar fi menținută la o temperatură de 0 ° C.

Principiul de funcționare

Reprezentarea în circuit a unui termocuplu.

În 1822 Thomas Johann Seebeck , un fizician de origine estonă , a descoperit că într-un circuit închis format din doi conductori de natură diferită și sudat la capete pentru a crea un inel, supus unui gradient de temperatură (cele două capete ale joncțiunii sunt expuse la diferite temperaturi), o diferență de potențial se stabilește proporțional cu diferențele de temperatură. ^[2] Acest fenomen, numit efect Seebeck sau efect termoelectric, este exploatat de termocupluri.

Simboluri ale unui termocuplu conform standardului EN 60617-8

Fenomenul nu poate exista într-un circuit format dintr-un singur conductor omogen, deci un termocuplu, constă dintr-o pereche de conductori electrici din diferite materiale unite între ele la un moment dat.
Joncțiunea utilizată pentru măsurare se numește în mod convențional joncțiune fierbinte sau joncțiune fierbinte , care poate fi de tip expus sau neexpus (armătura termocuplului protejează și punctul fierbinte), modificând de asemenea viteza de măsurare, deoarece cu cât este mai scăzut învelișul protector sau absent ( articulația expusă) și cu cât măsurarea va fi mai rapidă și mai precisă.
Celălalt capăt, format din capetele libere ale celor două conductoare, este denumit în mod convențional joncțiune rece sau joncțiune rece.
Atunci când există o diferență de temperatură între zona de joncțiune fierbinte și zona de joncțiune rece, se poate detecta o diferență de potențial electric între capetele libere ale termocuplului la joncțiunea rece.
Această valoare a potențialului electric este o funcție directă a diferenței de temperatură, conform unei legi neliniare (a se vedea mai jos).
În practică, de exemplu în instalațiile industriale, joncțiunea fierbinte este introdusă într-o teacă de protecție care pătrunde în interiorul echipamentului a cărui temperatură trebuie măsurată. Imediat în exterior, cei doi conductori sunt conectați la o placă terminală din porțelan conținută în interiorul unui cap de protecție. Din acest moment, alți doi conductori electrici metalici, având caracteristici similare cu cele ale termocuplului (cabluri prelungitoare), extind conexiunea electrică până la o cameră de control centralizată și sunt conectați la borna unui indicator sau a unui înregistrator de temperatură.
În acest fel, joncțiunea rece este supusă fizic la temperatura prezentă pe placa de borne a instrumentului de măsurare.
Această temperatură este măsurată cu ajutorul unui termistor sau a unui termometru de rezistență și utilizată, în interiorul instrumentului, pentru a compensa electric semnalul care vine de la termocuplu.
În acest fel, indiferent de temperatura prezentă în această zonă, este ca și cum joncțiunea rece ar fi la o temperatură de 0 ° C. Această acțiune se numește compensare a temperaturii ambiante și asigură o precizie maximă a măsurării.
Instrumentul de măsurare va avea pe scara sau pe afișajul său indicația direct în grade Celsius (și nu în mV), deoarece există sisteme în interiorul acestuia care iau în considerare și neliniaritatea semnalului de intrare.

Alte efecte termoelectrice

De fapt, ar trebui luate în considerare alte două efecte, efectul Peltier și efectul Thomson . De fapt, dacă curentul este permis să curgă într-un circuit de termocuplu (chiar dacă acesta nu este cazul tipic al dispozitivelor de măsurare industriale), procesele de conversie a energiei termoelectrice vor provoca efecte de încălzire sau răcire. Efectul Peltier este concentrat în articulații, în timp ce efectul Thomson este distribuit de-a lungul firelor. Aceste fenomene cresc și scad temperaturile firelor comparativ cu valorile pe care le-ar avea fără circulația curentului. Din fericire pentru metalele utilizate de obicei, efectele sunt suficient de mici pentru a fi trecute cu vederea.

Standarde de referință

IEC EN 60584-1 Termocupluri - Partea 1: Tabelele de referință

specifică funcțiile de referință și toleranțele pentru termocuplurile desemnate cu litere (tipurile R, S, B, J, T, E, K, N, C și A). Temperaturile sunt exprimate în grade Celsius pe baza scării internaționale a temperaturii din 1990, ITS-90 (simbol t90), iar EMF (simbolul E) este în microvolți. Funcțiile de referință sunt polinoame care exprimă EMF, E în V, în funcție de temperatura t90 în ° C cu joncțiunile de referință ale termocuplului la 0 ° C.

IEC EN 60584-2 Termocupluri - Partea 2: Toleranțe

Conține toleranțe de fabricație atât pentru termocupluri metalice nobile, cât și pentru metalele de bază fabricate în conformitate cu raporturile de temperatură EMF din partea 1 a standardului. Valorile de toleranță se referă la un termocuplu produs din fire în mod normal cuprinse între 0,25 mm și 3 mm, furnizate utilizatorului și care nu permit calibrarea în timpul utilizării.

IEC EN 60584-3 Termocupluri. Partea 3: Cabluri de prelungire și compensare. Toleranțe și sisteme de identificare

Specifică toleranțele de fabricație pentru cablurile de extensie și compensare (altele decât cablurile izolate mineral) furnizate direct utilizatorilor de procese industriale. Aceste toleranțe sunt determinate în raport cu relația emf-temperatură din partea 1 a standardului. În plus, sunt specificate cerințe pentru prelungirea și compensarea cablurilor pentru utilizarea în controlul proceselor industriale.

Tipuri de termocupluri

Termocuplu tip K.

Există o mare varietate de termocupluri, care se disting pe baza celor două conductoare electrice care alcătuiesc joncțiunea și domeniul de aplicare (industrial, științific, alimentar, medical etc.).

Tipul K ( Cromel (Ni-Cr) (+) / Alumel (Ni-Al) (-)

Sunt termocupluri de uz general, ieftine și disponibile într-o varietate de dimensiuni. Domeniul lor de măsurare este de la -200 ° C la 1260 ° C. Sensibilitatea este de aproximativ 41 µV / ° C.

Tipul J ( Fier (Fe) (+) / Constantan (Cu-Ni) (-)

Domeniul lor de măsurare variază de la -40 ° C la 750 ° C și fiind mai limitat decât tipul K, le face mai puțin frecvente decât acesta din urmă. Acestea sunt utilizate în dispozitive vechi care nu funcționează cu termocuplurile de tip K. Termocuplurile de tip J se caracterizează prin costuri reduse și sensibilitate ridicată (51,7 µV / ° C), dar nu pot fi utilizate la peste 760 ° C datorită unei tranziții magnetice care le determină pierde calibrarea.

Tipul T ( Cupru (Cu) (+) / Constantan (Cu-Ni) (-)

Au caracteristici similare cu termocuplurile de fier / constantan (tip J). Au o sensibilitate de 48,2 µV / ° C. Poate fi utilizat în intervalul de temperatură între -200 ° C și 400 ° C. Acest tip este utilizat în principal pentru măsurători de laborator, în ciuda oxidării rapide a conductorului de cupru atunci când temperatura intervalului optim este depășită. Repetabilitatea este excelentă în intervalul -200 +200 ° C.

Tipul E (Cromel (Ni-Cr) (+) / Constantan (Cu-Ni) (-)

Au o sensibilitate ridicată (68 µV / ° C) ceea ce le face potrivite pentru aplicații la temperatură scăzută (criogenică). Sunt, de asemenea , nemagnetice .

Tipul N ( Nicrosil (Ni-Cr-Si) (+) / Nisil (Ni-Si) (-)

Gama utilă de măsurare este cuprinsă între 650 ° C și 1250 ° C. Stabilitatea și rezistența lor la oxidarea la cald le fac un excelent substitut ieftin pentru termocuplurile pe bază de platină (tipurile B, R, S) pentru măsurători de temperatură ridicată. Concepute pentru a fi o evoluție de tip K, acestea sunt din ce în ce mai populare în zilele noastre.

Termocuplurile B, R, S, sunt compuse din metale nobile și au caracteristici similare. Sunt cele mai stabile dintre termocupluri, dar sensibilitatea lor scăzută (10 µV / ° C) limitează utilizarea lor la măsurători de temperatură ridicată (> 300 ° C).

Tipul B (platină - 30% rodiu (+) / platină-6% rodiu (-)

Potrivit pentru temperaturi ridicate, până la 1800 ° C. Datorită relației specifice tensiune-temperatură care le caracterizează, acestea oferă aceeași diferență de potențial la 0 ° C și la 42 ° C. Prin urmare, acestea sunt inutile sub 50 ° C.

Tip S (platină - 10% rodiu (+) / platină (-)

Potrivit pentru temperaturi ridicate de până la 1600 ° C. Datorită stabilității lor deosebite, acestea sunt utilizate ca standard de calibrare pentru punctul de topire al aurului (1064,43 ° C).

Tipul R (platină - 13% rodiu (+) / platină (-) - (IEC 60584-1: 1995 partea 2)

Acestea sunt similare cu tipul anterior S și, prin urmare, sunt potrivite pentru temperaturi ridicate de până la 1600 ° C; cu toate acestea, au avantajul că au un semnal puțin mai puternic și o stabilitate mai bună la ieșire. Au aceleași domenii de aplicare ca termocuplurile S, dar au dezavantajul de a fi mai scumpe.

Termocuplurile trebuie alese pe baza valorii medii a temperaturii care trebuie măsurată.
Dacă temperatura este relativ scăzută, vor fi utilizate termocupluri cu un coeficient termoelectric ridicat precum tipul J (fier-constantan).
De fapt, în aceste cazuri, termocuplurile mai puțin sensibile ar avea un semnal de ieșire destul de slab, care este dificil de tratat cu precizie.
Pentru temperaturi mai ridicate, de exemplu, pot fi utilizate termocupluri K (cromel-alumel) sau chiar termocupluri de tip R (platină-platină / rodiu), care sunt însă foarte scumpe.

După cum sa menționat deja, termocuplul este izolat de proces prin intermediul unei învelișuri de protecție. Învelișul introduce o întârziere în măsurare pentru schimbări rapide de temperatură și acest lucru este luat în considerare în faza de proiectare.
De exemplu, există procese chimice, cum ar fi reactoarele de polimerizare din polietilenă , în care viteza de răspuns a măsurării temperaturii este de o importanță fundamentală pentru funcționarea în siguranță a instalației.
În acest caz, termocuplul are o construcție specială. Cele două fire (foarte subțiri și izolate electric unul de celălalt) sunt conținute ermetic într-o manta cu diametru mic, iar joncțiunea fierbinte face parte din capătul acestei învelișuri.
Aceasta este sudată ermetic pe garnituri speciale, astfel încât numai capătul termocuplului să fie lovit direct de fluxul de produse de reacție care curg la viteză și temperatură ridicate și la o presiune de aproximativ 2500 bar.
Cu această realizare constructivă pentru un proces atât de dificil și împovărător, există o măsurare rapidă și fiabilă a temperaturii, iar durata termocuplurilor este destul de mare.

Toleranţă

Comun

Principalele tipuri de joncțiuni sunt:

Articulația expusă

O articulație expusă este economică și are un timp de răspuns extrem de scurt. Principalul dezavantaj este deteriorarea rapidă atunci când este expusă agenților corozivi și necesitatea unei intrări emf diferențiale.

Împământat

O îmbinare la sol se realizează prin sudarea directă a joncțiunii fierbinți a termocuplului pe puțul termic, prin urmare, deși, la fel ca îmbinarea expusă, este supusă unei bucle împotriva solului, are avantajul că este parțial protejat de agenți externi.

Îmbinarea izolată

În cele din urmă, o îmbinare izolată este construită în așa fel încât să fie complet izolată de puțul termic. Acest lucru limitează puternic apariția buclelor împotriva solului și influența emf parazit și, de asemenea, crește respingerea zgomotului senzorului. Pe de altă parte, costul termocuplului și timpul de răspuns al acestuia crește.

Cabluri

Cabluri prelungitoare

Acestea constau din conductori care au aceeași compoziție nominală ca termocuplurile corespunzătoare. Acestea sunt indicate cu un X după litera referitoare la tipul de termocuplu (de exemplu: JX).

Cabluri de compensare

Acestea sunt formate din conductori cu compoziție diferită de termocuplurile corespunzătoare. Tipul de termocuplu (de exemplu: KC) este indicat cu un C după litera relativă. Pentru a distinge diferitele aliaje din cadrul aceluiași grup, se adaugă o literă suplimentară (de exemplu: KCA).

Linealizarea semnalului

Linearizarea este o problemă semnificativă pentru termocupluri, deoarece, cu excepția intervalelor mici de temperatură, relația dintre emf termoelectric și temperatură nu este o funcție liniară. Standardul EN 60584-1 oferă sub formă de tabele toate informațiile despre relația dintre emf și temperatură pentru toate termocuplele standardizate, cu ipoteza unei joncțiuni de referință la 0 ° C.

Relația dintre temperatură și diferența de potențial

Relația dintre diferența de temperatură și diferența de potențial produsă nu este liniară și variază în funcție de tipul sondei ^[3] . Poate fi aproximat prin următoarea ecuație polinomială :

$\Delta T=\sum _{n=0}^{N}a_{n}V^{n}$ ${\ displaystyle \ Delta T = \ sum _ {n = 0} ^ {N} a_ {n} V ^ {n}}$ ${\ displaystyle \ Delta T = \ sum _ {n = 0} ^ {N} a_ {n} V ^ {n}}$

Valorile a _n variază în raport cu materialele utilizate. În funcție de precizia dorită, puteți alege N între 5 și 9.

Standardul EN 60584-1 furnizează funcțiile polinomiale din care au fost obținute datele din tabel.

Conectori

Conector termocuplu tip K; Rețineți indicația de polaritate pentru o conexiune corectă

Un conector dedicat este utilizat pentru a conecta termocuplul la un cablu de extensie sau compensare și apoi la joncțiunea de referință și instrumentele de detectare. Mai mult, cu acest sistem este posibil să conectați și să înlocuiți rapid și ușor sondele fără a compromite uniformitatea conductoarelor.

Există conectori de termocuplu, de dimensiuni sau miniaturi, pentru a conecta toate tipurile comune de conductori, indiferent dacă sunt cabluri prelungitoare sau compensatoare; sunt utilizate aliaje din aceleași materiale ca termocupluri, pentru a preveni generarea de emf nedorite, în cazul foarte probabil că conectorul nu poate fi menținut la o temperatură constantă.

Mufele și prizele conectorilor au fost proiectate pentru a face asamblarea simplă și fiabilă și au de obicei mecanisme de blocare încorporate.

Notă

^(RO) IUPAC Gold Book, „termocuplu”
^ Senzori de temperatură
^ THERMOCOUPLES Arhivat 5 decembrie 2014 la Internet Archive .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe termocuplu

linkuri externe

Site oficial , pe setaak.com .
Termocuplu , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
( EN ) Thermocouple / Thermocouple gauge , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Ghid în italiană despre termocupluri , pe epcb.it.
Baza de date a termocuplului NIST ITS-90 , la srdata.nist.gov .
Tutorial pentru termocuplu (în engleză) , la zone.ni.com . Adus la 6 iunie 2008 (arhivat din original la 30 mai 2008) .
Calibrarea termocuplului , pe Meccanweb.it .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 27986 · LCCN (EN) sh85134779 · GND (DE) 4185149-3 · BNF (FR) cb11979701r (dată) · NDL (EN, JA) 00.568.127

Portal de verificări automate

Portalul Termodinamicii

[1] (RO) IUPAC Gold Book, „termocuplu”

[2] Senzori de temperatură

[3] THERMOCOUPLES Arhivat 5 decembrie 2014 la Internet Archive .

[1]

[2]

[3]