Měření teploty pomocí termočlánků

Nejdůležitější aplikací kovových termočlánků je jejich použití pro měření teploty. Pokud je jeden ze spojů termočlánku udržován na konstantní teplotě, například při pokojové teplotě nebo v případě přesnějších měření na teplotě tajícího ledu, pak bude termoelektromotorická síla článku záviset výhradně na teplotě druhého spoje. Pokud je takový termočlánek kalibrován, tj. je stanovena přesná závislost termoelektromotorické síly na teplotním rozdílu spojů, pak je možné měřením termoelektromotorické síly vyvíjející se v článku přesně určit teplotu tělesa, ke kterému je druhý spoj připojen. Obr. 138 znázorňuje strukturu technického termočlánku (termočlánku).

Obr. 138. Technický termočlánek používaný k měření teploty spalin. Spoj platinového drátu a platinovo-rhodiového drátu je umístěn ve vysokoteplotní zóně („horký spoj“). Aby se zabránilo chemickému působení horkých plynů na termočlánek, je spoj chráněn porcelánovou trubičkou 1. Volné konce vodičů jsou připojeny ke svorkám 2 a 3, které jsou připojeny ke galvanometru kalibrovanému ve stupních Celsia.

Termočlánky pro měření teploty mají oproti běžným teploměrům velké výhody. Termočlánky dokáží měřit velmi vysoké teploty (až 2000 °C a i vyšší), při kterých je použití kapalinových teploměrů nemožné. Termočlánky lze s úspěchem použít i pro velmi nízké teploty, při kterých všechny známé termometrické kapaliny mrznou. Termočlánky dokáží dosáhnout velmi vysoké přesnosti měření teploty, která je určena přesností měření termoelektrické síly (thermo-emf) a výrazně překračuje přesnost kapalinových teploměrů.

Je velmi důležité, že termočlánky reagují na změny teploty mnohem rychleji. V technických instalacích má velký význam skutečnost, že termočlánky umožňují měřit teploty na značné vzdálenosti. Galvanometr lze instalovat i ve vzdálenosti několika kilometrů od termočlánku. Proto se termočlánky velmi často používají v technických kontrolních a měřicích zařízeních a strojích (samostatně zapisující teploměry, požární hlásiče atd.), stejně jako ve vědeckém výzkumu. Zvláštní vědecký zájem představuje použití termočlánků při měření velmi malých teplotních rozdílů. Pomocí citlivých zařízení k měření malých potenciálových rozdílů můžeme pomocí termočlánků měřit teplotní rozdíly až do miliontin kelvina.

Díky této vysoké citlivosti lze tato zařízení použít k měření intenzity různých typů viditelného nebo neviditelného záření pomocí tepelného efektu (ohřevu), který produkuje. Nasměrováním záření na jeden z termočlánkových spojů způsobíme jeho ohřev, čím intenzivnější je záření, tím větší je ohřev. Měřením výsledného teplotního rozdílu můžeme vyvodit závěr o intenzitě záření.

Jak jsme již uvedli (tabulka 6), termoelektromotorická síla vyvíjející se v samostatném termočlánku je velmi malá. Proto se pro dosažení významnější termoelektromotorické síly jednotlivé termočlánky často spojují do termočlánku. Schéma zapojení termočlánku je znázorněno na obr. 139. Tyče nebo dráty ze dvou různých kovů jsou odlišně stínovány. Všechny spoje jsou udržovány na jedné teplotě a všechny spoje na jiné. Jednotlivé termočlánky jsou zapojeny sériově, a proto je termoelektromotorická síla baterie prvků několikrát větší než termočlánku jednoho termočlánku.

Rýže. 139. Obvod termočlánku

Takové termočlánky se používají hlavně k měření intenzity viditelného nebo neviditelného záření pomocí tepla, které produkují. Termoelektrické radiometry nebo termočlánky používané k tomuto účelu obsahují malý termočlánk, jehož některé spoje, například všechny sudé spoje, směřují k záření, zatímco všechny liché jsou umístěny v zadní části zařízení a nejsou záření vystaveny. Záření dopadající na otevřené spoje je zahřívá a teplota chráněných a nechráněných spojů se ukáže být odlišná, a proto v galvanometru připojeném k termočlánku vzniká termoproud. Citlivost takových zařízení lze dosáhnout velmi vysoké, například je možné detekovat tepelné záření lidského těla (obr. 140).

Obr. 140. Termoelektrický radiometr. Tepelné záření (z ruky) dopadá na termočlánk 1; výsledný tepelný proud vychyluje zrcadlo citlivého galvanometru 2 a skvrna z lampy 3, odražená zrcadlem na stupnici 4, mění svou polohu.

Citlivé termočlánky lze tedy použít k detekci i nepříliš horkých těles nacházejících se v určité – někdy i poměrně významné – vzdálenosti od pozorovatele. Taková zařízení mají nejen velmi důležité čistě vědecké aplikace, ale tvoří také základ tzv. metod tepelného zaměřování používaných v praxi, tj. detekce měst, továren, parníků atd. na dálku (například z letadel) pomocí jejich tepelného záření.

85.1. Jeden spoj termočlánku kotle (platina-platina-rhodium) je umístěn v peci a druhý spoj má teplotu 0 °C. Galvanometr připojený k termočlánku ukazuje proud A. Jaká je teplota pece, pokud je odpor termočlánku 10 ohmů a odpor galvanometru včetně připojovacích vodičů je 90 ohmů? Použijte tabulku 6.

Je uveden stručný přehled publikací a norem týkajících se termočlánků používaných v průmyslové automatizaci. Je uvedena tabulka s uvedením měřicích rozsahů různých typů termočlánků. Jsou diskutovány zdroje chyb měření.

30.06.2012 7096 0 0

Principy měření teploty termočlánky

Termočlánky jsou nejběžnějším prostředkem pro měření teploty v průmyslu a laboratořích [1, 2]. To je dáno jejich širokým teplotním rozsahem (od –270 do +2500 °C), obvykle uspokojivou přesností, nízkou cenou, zaměnitelností a vysokou spolehlivostí.

Pochopení fungování termočlánku je nezbytné pro jeho správné používání. Termočlánek jsou dva vodiče vyrobené z různých kovů, které jsou spojeny na jednom konci (pracovní konec, horký spoj). Druhé konce termočlánku (volné konce, studený spoj) jsou připojeny k měřicímu zařízení napětí pomocí vodičů vyrobených ze stejného typu kovu, například mědi.

Mezi dvěma nespojenými svorkami termočlánku vzniká elektromotorické napětí. V_x (obr. 1 а), jehož hodnota závisí na teplotě horkého spoje T:

kde E – funkce, která je odhalena ve vzorci (3).

Pro případ, kdy je teplota studeného spoje (volné konce) 0 °C (T_cj = 0), závislost (1) a také inverzní závislost T = E -1 (V_x) jsou uvedeny v GOST R 8.585-2001 [3] a používají se v mikroprocesoru vstupního modulu ve formě kalibrační tabulky nebo polynomu.

Pro případ, kdy teplota studeného spoje není rovna nule (T_cj ≠ 0), volné konce jsou zdrojem elektromotorického napětí V_cj, jehož hodnota závisí také na teplotě: V_cj = E(T)_cj). Napětí na vstupu termočlánkového voltmetru bude tedy rovno (obr. 1 б)

V_x = E(T) – E(T)_cj). (2)

Všimněte si, že pro výpočet hodnot napětí na studeném a teplém spoji se používá stejná kalibrační tabulka (polynom). To je možné díky pravidlu mezilehlých vodičů, podle kterého, pokud je kontakt dvou kovů realizován přes mezilehlý kov (například konstantan a železo jsou spojeny přes měď, jako na obr. 1), pak mezilehlý kov neovlivňuje výsledné elektromotorické napětí, pokud jeho konce mají stejnou teplotu. Volné konce termočlánku, připojené k voltmetru měděnými vodiči (obr. 1), tedy а), lze považovat za druhý kontakt mezi konstantanem a železem.

Měření teploty pomocí termočlánku se provádí nepřímo: nejprve se měří napětí V_x mezi volnými konci termočlánku a jejich teplotou T_cjPak, řešením rovnice (2) vzhledem k T naměřená teplota je nalezena. Aby se eliminovala potřeba řešit nelineární rovnici (2), použije se tabulková funkce, inverzní k V = E(T)To znamená, že T = E -1 (V), uvedené v GOST R 8.585-2001. Popsaný postup se nazývá kompenzace teploty studeného spoje.

Ve vstupních modulech termočlánkových signálů jsou zadané nelineární závislosti obvykle uloženy v paměti ROM mikroprocesoru a potřebné výpočty se provádějí automaticky. Uživatel stačí zadat typ termočlánku (tabulka 1 uvádí typy termočlánků, jejich označení, třídy tolerance a přípustné odchylky od jmenovité statické převodní charakteristiky) a připojit jej ke vstupnímu modulu. Teplota volných konců (studeného spoje) se měří teplotním senzorem zabudovaným v modulu (obr. 1). б), což je nejčastěji termistor.

Je velmi důležité zajistit dobrý tepelný kontakt mezi volnými konci termočlánku a jeho teplotním senzorem. Pro tento účel se pro přesné měření používá měděná nebo hliníková destička, ke které jsou volné konce termočlánku a teplotního senzoru připevněny pomocí dielektrického těsnění. Konstrukce je provedena tak, aby byl zajištěn nejen dobrý tepelný kontakt destičky se senzorem a vodiči termočlánku, ale také izotermický povrch.

Pro připojení termočlánku ke vstupnímu modulu se používají speciální termočlánkové vodiče, vyrobené ze stejného materiálu jako samotný termočlánek. V principu lze zde použít běžné měděné vodiče, ale v tomto případě je vyžadován vzdálený snímač teploty studeného spoje, který by měl měřit teplotu v místě kontaktu termočlánku s měděnými vodiči.

Závislost napětí mezi volnými konci termočlánku na teplotě, za předpokladu, že teplota studeného spoje je stabilizována na 0 °C, je v normách NIST (Národní institut pro standardy a technologie) a GOST R popsána polynomem ve tvaru [4, 5]:

kde A_i – koeficienty polynomu, N = 4…14 – stupeň polynomu. Pro zajištění požadované přesnosti aproximace je celý teplotní rozsah rozdělen do 1–3 podoblastí, pro každou z nich se používá samostatný polynom tvaru (3).

Inverzní vztah je popsán podobným výrazem:

Chyba takové aproximace je od ±0,02 do ±0,05 °C.

Díky standardizaci tolerancí a jmenovitých převodních charakteristik jsou termočlánky zaměnitelné bez nutnosti dalšího seřizování.

Technologické vlastnosti a typy termočlánků

Svařování termočlánkových drátů vyrobených z různých kovů se provádí tak, aby se získal malý spoj – spoj. Dráty lze jednoduše kroutit, ale takové spojení je nespolehlivé a má vysokou hladinu hluku. Svařování kovů se někdy nahrazuje pájením, ale horní hranice rozsahu měření takového termočlánku je omezena bodem tání pájky. Termočlánky vyrobené svařováním odolávají vyšším teplotám, ale během svařovacího procesu se může poškodit chemické složení termočlánku a struktura kovu, což vede ke zvýšení rozptylu kalibračních charakteristik.

Vlivem vysoké teploty během provozu se může charakteristika termočlánku odchýlit od jmenovitého typu v důsledku oxidace a difúze složek prostředí do kovu, jakož i změn struktury materiálu. V takových případech je třeba termočlánek znovu kalibrovat nebo vyměnit.

Průmysl vyrábí termočlánky tří různých provedení: s otevřeným spojem, s izolovaným neuzemněným spojem a s uzemněným spojem. Termočlánky s otevřeným spojem mají krátkou časovou konstantu, ale špatnou odolnost proti korozi. Termočlánky dalších dvou typů se používají k měření teploty v agresivním prostředí. Mikrominiaturní termočlánky se také vyrábějí pomocí tenkovrstvých a polovodičových technologií k měření teploty malých těles, zejména povrchu polovodičových součástek [6–8]. Termočlánky s pracovním průměrem konce 7 μm, které mají časovou konstantu 1 μs, jsou popsány v [1].

Při vysokých teplotách se snižuje odpor izolačního materiálu termočlánku a svodové proudy skrz izolaci mohou způsobit chybu ve výsledku měření. Chyba se také zvyšuje, když se do termočlánku dostane kapalina, což způsobuje galvanický jev.

Chyba měření

Hlavní problém konstrukce měřicího kanálu založeného na termočlánku souvisí s jeho nízkým výstupním napětím (asi 50 μV na stupeň), které je mnohem nižší než rušení indukované na prvcích měřicího obvodu za normálních podmínek. Proto je velmi důležité správně stínit a uzemnit vodiče vedoucí od termočlánku ke vstupnímu modulu. Je vhodné umístit vstupní modul co nejblíže k termočlánku, aby se zkrátila délka vodičů, kterými je přenášen analogový signál. Pro snížení úrovně rušení s frekvencí 50 Hz se ve vstupních modulech používá rejekční filtr (filtr, který nepropouští kmity jedné frekvence – rejekční frekvence a propouští kmity jiných frekvencí). Například v modulech NL-8TI je potlačení normálního rušení (zdroj rušení je zapojen sériově se zdrojem signálu) s frekvencí 50 Hz 120 dB a rušení souhlasného režimu (zdroj rušení je zapojen mezi zkratované vstupy a zem) 140 dB.

Důležitou výhodou termočlánků je jejich velmi nízký vnitřní odpor, díky čemuž jsou prakticky necitlivé na kapacitní rušení.

Přesnost termočlánku závisí na chemickém složení materiálu. Vnější faktory, jako je tlak, koroze, záření, mohou změnit krystalovou strukturu nebo chemické složení materiálu, což vede ke zvýšení chyby měření.

Chyba měření pomocí termočlánků se skládá z následujících složek:

• náhodná chyba způsobená technologickou odchylkou v charakteristikách termočlánků (závisí na čistotě materiálů a přesnosti jejich procentuálního obsahu v elektrodových materiálech, tabulka 1);
• náhodná chyba při měření teploty studeného spoje;
• chyba způsobená postupnou degradací charakteristik při vysoké teplotě;
• systematická chyba kompenzace nelinearity (chyba linearizace) charakteristiky převodu teploty na napětí;
• systematická chyba tepelného posunu spojená s tepelnou kapacitou senzoru;
• dynamická chyba;
• chyba způsobená vnějším rušením;
• chyba analogově-digitálního kanálu.

Chyba měření teploty studeného spoje, chyba linearizace, chyba analogově-digitálního kanálu a dynamická chyba jsou instrumentální chyby a jsou uvedeny v datovém listu vstupního modulu. Ostatní chyby je třeba brát v úvahu samostatně v závislosti na typu použitých termočlánků, elektromagnetickém prostředí, charakteristikách měřeného objektu atd. ●

Literatura

1. Denisenko V.V. Počítačové řízení technologického procesu, experimentu, zařízení. – M.: Hotline – Telecom, 2009. – 608 s.
2. Olejnik B. Přístroje a metody měření teploty. – M.: Nakladatelství standardů, 1987. – 293 s.
3. GOST R 8.585-2001. GSI. Termočlánky. Jmenovité statické převodní charakteristiky.
4. GOST 6651-94. Odporové snímače teploty. Obecné technické požadavky a zkušební metody.
5. G. W. Burns, M. G. Scroger, G. F. Strouse a kol. Referenční funkce teploty a elektromotorické síly a tabulky pro typy termočlánků označené písmeny na základě ITS-90: NIST Monografie 175. – Washington, DC: Národní institut pro standardy a technologie, 1993. – 630 s.
6. Milanović V., Gaitan M., Zaghloul ME Mikroobráběný termočlánkový mikrovlnný detektor komerčně vyrobený pomocí CMOS technologie // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. – 1998. – sv. 46. – č. 5. – s. 550–553.
7. Daševský Z., Rabinovich D. Ultrarychlá odezva a vysoce citlivý polovodičový termočlánek // 15. mezinárodní konference o termoelektrice. – 1996. – s. 321–325.
8. Miyazaki K., Takamiya T., Tsukamoto H. Výroba mikrotenkovrstvých termočlánků // 22. mezinárodní konference o termoelektrice. – 2003. – s. 673–676.

Pokud se vám materiál líbil, klikněte na ikonu

– pomůžete nám vědět, které články a novinky bychom měli upřednostňovat. Pokud chcete diskutovat o materiálu, neváhejte zanechat své komentáře.

: snad budou užitečné pro naše další čtenáře!