Vše o termočláncích: princip činnosti, schémata, tabulka typů termočlánků atd.

Termočlánky jsou nejběžnějším zařízením pro měření teploty. Termočlánky při zahřívání generují napětí a výsledný proud umožňuje měření teploty. Vyznačuje se jednoduchostí, nízkou cenou, ale působivou trvanlivostí. Díky svým výhodám se termočlánek používá všude.

Doporučujeme věnovat pozornost i dalším zařízením na měření teploty.

Princip činnosti termočlánku

Termočlánek se skládá ze dvou drátů vyrobených z různých kovů. Tyto dva dráty jsou připevněny nebo svařeny dohromady, aby vytvořily křižovatku. Když je tento přechod vystaven změnám teploty, termočlánek reaguje generováním napětí úměrného velikosti změny teploty.

Pokud je termočlánek připojen k elektrickému obvodu, zobrazí se na stupnici měřicího zařízení velikost generovaného napětí. Hodnoty přístroje lze poté převést na hodnoty teploty pomocí tabulky. U některých zařízení je váha kalibrována přímo ve stupních.

Termočlánkový přechod

Většina termočlánků je navržena pouze s jedním přechodem. Když je však termočlánek připojen k elektrickému obvodu, může se v místech, kde je připojen, vytvořit další přechod.

Obvod znázorněný na obrázku se skládá ze tří vodičů, označených A, B a C. Vodiče jsou spolu stočeny a označeny D a E. Přechod je přídavný spoj, který se vytvoří, když je k obvodu připojen termočlánek. Tento přechod se nazývá volný (studený) přechod termočlánku. Spoj E je pracovní (horký) spoj. V obvodu je měřicí zařízení, které měří rozdíl hodnot napětí na dvou přechodech.

Tyto dva přechody jsou spojeny tak, že jejich napětí je proti sobě. Na obou přechodech se tedy generuje stejná hodnota napětí a údaje zařízení budou nulové. Protože existuje přímá úměra mezi teplotou a velikostí napětí generovaného přechodem termočlánku, dva přechody budou generovat stejné hodnoty napětí, když je teplota na nich stejná.

Jak se termočlánkový přechod zahřívá, napětí přímo úměrně roste. Proud elektronů z vyhřívaného spoje prochází druhým přechodem, přes měřící zařízení a vrací se zpět do horkého spoje. Zařízení ukazuje rozdíl napětí mezi dvěma přechody. Rozdíl napětí mezi dvěma přechody. Rozdíl napětí zobrazený přístrojem je převeden na hodnoty teploty buď pomocí tabulky, nebo přímo zobrazen na stupnici, která je kalibrována ve stupních.

Studený spoj termočlánku

Studený spoj je často místem, kde jsou volné konce vodičů termočlánku připojeny k měřicímu přístroji.

Protože měřicí přístroj v termočlánkovém obvodu ve skutečnosti měří rozdíl napětí mezi dvěma přechody, musí být napětí studeného konce udržováno pokud možno konstantní. Udržováním napětí na studeném spoji na konstantní úrovni tím zajistíme, že odchylka odečtů měřicího zařízení indikuje změnu teploty na pracovním spoji.

Pokud se změní teplota v okolí studeného konce, změní se i napětí na studeném konci. V důsledku toho se změní napětí na studeném spoji. A v důsledku toho se také změní rozdíl v napětí na dvou přechodech, což nakonec povede k nepřesným údajům o teplotě.

Pro udržení teploty na studeném spoji na konstantní úrovni používá mnoho termočlánků kompenzační odpory. Rezistor je umístěn ve stejném místě jako studený spoj, takže teplota ovlivňuje přechod i rezistor zároveň.

Pracovní přechod termočlánku (horký)

Pracovní spoj je spoj, který je vystaven procesu, jehož teplota je měřena. Vzhledem k tomu, že napětí generované termočlánkem je přímo úměrné jeho teplotě, generuje při zahřátí pracovní spoj více napětí a při ochlazení generuje napětí menší.

Typy termočlánků

Termočlánky jsou navrženy tak, aby vyhovovaly rozsahu měřených teplot a mohou být vyrobeny z kombinací různých kovů. Kombinace použitých kovů určuje teplotní rozsah měřený termočlánkem. Z tohoto důvodu byla vyvinuta písmenná označení pro identifikaci různých typů termočlánků. Každému typu je přiřazeno odpovídající písmenné označení a toto písmenné označení označuje kombinaci kovů použitých v daném termočlánku.

Když je termočlánek připojen k elektrickému obvodu, nebude správně fungovat, pokud nebude při připojení dodržena polarita. Kladné vodiče by měly být spojeny dohromady a připojeny ke kladné svorce obvodu a záporné vodiče k záporné svorce. Pokud dojde k záměně vodičů, pracovní spoj a studený spoj nebudou v protifázi a údaje o teplotě budou nepřesné. Jedním ze způsobů, jak určit polaritu vodičů termočlánků, je barva izolace na vodičích. Pamatujte, že záporný vodič ve všech termočláncích je červený.

V mnoha případech je nutné použít vodiče k prodloužení délky obvodu termočlánku. Informace nese i barva izolace propojovacích vodičů. Barva vnější izolace připojovacích vodičů se liší v závislosti na výrobci, ale barva primární izolace vodičů obvykle odpovídá kódování uvedenému v tabulce výše.

Poruchy termočlánku

Pokud termočlánek poskytuje nepřesné údaje o teplotě a bylo ověřeno, že nejsou uvolněné spoje, problém může spočívat buď v záznamovém přístroji nebo v samotném termočlánku, záznamový přístroj se obvykle kontroluje jako první, protože přístroje selžou častěji než termočlánky.

Navíc, pokud zařízení ukazuje nějaké hodnoty, i když jsou nepřesné, pak s největší pravděpodobností problém není v termočlánku. Pokud je termočlánek vadný, obvykle neprodukuje vůbec žádné napětí a měřič nedává žádné údaje. Pokud na zařízení nejsou vůbec žádné údaje, pak je problém pravděpodobně v termočlánku.

Pokud máte podezření, že termočlánek selhal, zkontrolujte jeho výstupní signál pomocí zařízení zvaného milivoltový potenciometr, který se používá k měření malých množství napětí.

Přečtěte si také

Pyrometr je pokročilé zařízení pro určování teploty jakéhokoli předmětu na základě infračerveného senzoru, který snímá neviditelné infračervené záření.

Termistor je teplotně citlivý prvek vyrobený z polovodičového materiálu.

Kapalinový teploměr je technické zařízení pro měření teploty technologických procesů pomocí kapaliny, která reaguje na změny teploty.

Rtuťový teploměr je zařízení pro měření teploty, které jako kapalinu využívá rtuť, jediný tekutý kov.

Bimetalový teploměr je zařízení pro měření teploty, jehož princip je založen na rozpínání a smršťování pevných látek.

Termočlánek (termoelektrický teplotní převodník) je termočlánek používaný v měřicích a převodních zařízeních a také v automatizačních systémech.

Mezinárodní norma pro termočlánky IEC 60584 (odstavec 2.2) uvádí následující definici termočlánku:

Termočlánek – dvojice vodičů z různých materiálů spojených na jednom konci tak, aby tvořily součást zařízení, které využívá termoelektrický jev k měření teploty.

Pro měření teplotního rozdílu mezi zónami, z nichž žádná neobsahuje sekundární převodník (termo-EMF měřič), je vhodné použít diferenciální termočlánek: dva stejné termočlánky, připojené k sobě (viz obrázek). Každý z nich měří teplotní rozdíl mezi jeho pracovním spojem a konvenčním spojem tvořeným konci termočlánky, připojené ke svorkám sekundárního převodníku, ale sekundární převodník měří rozdíl mezi jejich signály, takže oba termočlánky společně měří rozdíl teplot mezi jejich pracovními spoji.

Princip

Princip činnosti je založen na Seebeckově jevu nebo jinými slovy na termoelektrickém jevu. Když mají konce vodiče různé teploty, vzniká mezi nimi rozdíl potenciálů úměrný rozdílu teplot. Koeficient úměrnosti se nazývá koeficient tepelného výkonu. Různé kovy mají různé koeficienty tepelné energie a v souladu s tím bude rozdíl potenciálů vznikající mezi konci různých vodičů odlišný. Umístěním přechodu kovů s výbornými termovýkonovými koeficienty do média o teplotě T1 získáme mezi protilehlými kontakty umístěnými na jiné teplotě T2 napětí, které bude úměrné teplotnímu rozdílu T1 a T2.

Schéma zapojení dvou termočlánků

Způsoby připojení

Nejběžnější dva způsoby připojení termočlánku k měřicím převodníkům jsou jednoduché a rozdílové. V prvním případě je měřicí převodník připojen přímo ke dvěma termoelektrodám. Ve druhém případě se použijí dva vodiče s různými koeficienty tepelného výkonu, připájené na dvou koncích a měřicí převodník se připojí k mezeře jednoho z vodičů.

Pro vzdálené připojení termočlánky Používají se prodlužovací nebo kompenzační vodiče. Prodlužovací dráty jsou vyrobeny ze stejného materiálu jako termoelektrody, ale mohou mít jiný průměr. Kompenzační dráty se používají především s termočlánky vyrobené z ušlechtilých kovů a mají jiné složení než termoelektrody. Požadavky na vodiče pro připojení termočlánky instalované jako standard IEC 60584-3.

Následující základní doporučení mohou zlepšit přesnost měřicího systému, který zahrnuje termočlánkové čidlo :

• Miniaturní termočlánek vyrobený z velmi tenkého drátu by měl být připojen pouze pomocí prodlužovacích drátů s větším průměrem;
• Pokud je to možné, vyvarujte se mechanickému tahu a vibracím drátu termočlánku;
• Při použití dlouhých prodlužovacích vodičů, abyste se vyhnuli rušení, měli byste připojit stínění vodičů k stínění voltmetru a vodiče opatrně zkroutit;
• Pokud je to možné, vyhněte se prudkým teplotním gradientům podél délky termočlánku;
• Materiál ochranného krytu by neměl kontaminovat elektrody termočlánku v celém rozsahu provozních teplot a měl by poskytovat spolehlivou ochranu drátu termočlánku při práci ve škodlivých podmínkách;
• Používejte prodlužovací kabely v rámci jejich provozního rozsahu a při minimálních teplotních gradientech;
• Pro doplňkové sledování a diagnostiku měření teploty se používají speciální termočlánky se čtyřmi termoelektrodami, které umožňují dodatečná měření odporu obvodu pro sledování integrity a spolehlivosti termočlánků.

Aplikace termočlánků

Pro měření teploty různých typů objektů a prostředí, stejně jako v automatizovaných řídicích a monitorovacích systémech. Termočlánky ze slitiny wolframu a rhenia jsou nejvyšší dostupné teplotní kontaktní snímače teploty. Takové termočlánky jsou v metalurgii nepostradatelné pro monitorování teploty roztavených kovů.

Výhoda termočlánků

• Velký rozsah měření teploty: od 200 °C do 1800–2500 °C
• Jednoduchost
• Láce
• Spolehlivost

Omezení

• Přesnost větší než 1 °C je obtížné dosáhnout; je nutné použít odporové teploměry nebo termistory.
• Naměřené hodnoty jsou ovlivněny teplotou stoupačky, kterou je nutné korigovat. Moderní konstrukce měřidel na bázi termočlánků používají měření teploty bloku studeného konce pomocí vestavěného termistoru nebo polovodičového senzoru a automaticky korigují naměřené emf.
• Peltierův jev (v době měření je nutné vyloučit tok proudu termočlánkem, protože jím procházející proud ochlazuje horký spoj a ohřívá studený
• Závislost TEMF na teplotě je výrazně nelineární. To vytváří potíže při vývoji převodníků sekundárního signálu.
• Vznik termoelektrické nehomogenity v důsledku náhlých teplotních změn, mechanického namáhání, koroze a chemických procesů ve vodičích vede ke změnám kalibračních charakteristik a chybám až do 5 K.
• U dlouhých termočlánků a prodlužovacích vodičů může na existujících elektromagnetických polích dojít k „anténnímu“ efektu.

Typy termočlánků

Technické požadavky na termočlánky jsou stanoveny normou GOST 6616-94 Standardní tabulky pro termoelektrické teploměry (NSH), třídy tolerance a rozsahy měření jsou uvedeny v normě IEC 60584-1,2 a v GOST R 8.585-2001.

1. platina-rhodium-platina – TPP13 – Typ R
2. platina-rhodium-platina – TPP10 – Typ S
3. platinarhodium-platinarhodium – TPR – Typ B
4. železo-konstantan (železo-měď-nikl) TLC – Typ J
5. měď-konstanta (měď-měď-nikl) TMKn – Typ T nikrosil-nisil (nikl-chrom-nikl-křemík) TNN – Typ N.
6. chromel-alumel – THA – Typ K
7. chromel-konstantan THCn – typ E
8. chromel-copel – THC – Typ L
9. Copel-Copel – TMK – Typ M
10. sil-silin – TCC – Typ I
11. wolfram a rhenium – wolfram rhenium – TVR – Typ A-1, A-2, A-3

Přesné slitinové složení termoelektrod pro termočlánky z obecných kovů není specifikováno v IEC 60584-1. NSC pro termočlánky chromel-copel Termočlánky THC a wolfram-rhenium jsou definovány pouze v GOST R 8.585-2001.

Tyto termočlánky nejsou součástí normy IEC. Typ L je stanoven pouze v německé normě DIN a standardní tabulky se liší od tabulek pro termočlánky THC. Norma IEC 60584 je v současné době revidována. Plánuje se zavést do standardu wolfram-rhenium termočlánky typu A-1, pro které bude NSC odpovídat domácím normám, a typ C podle normy ASTM – ASTM International – (Americká společnost pro testování a materiály).

Katalog termočlánků, které naše společnost nabízí, si můžete prohlédnout v našem katalogu.