เทอร์โมคัปเปิลคืออะไร หลักการทำงาน ประเภทและประเภทหลัก

เทอร์โมคัปเปิลเป็นอุปกรณ์สำหรับวัดอุณหภูมิในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทุกสาขา บทความนี้นำเสนอภาพรวมทั่วไปของเทอร์โมคัปเปิลพร้อมการวิเคราะห์การออกแบบและหลักการทำงานของอุปกรณ์ มีการอธิบายเทอร์โมคัปเปิลชนิดต่างๆ ที่มีคุณสมบัติโดยสังเขป และการประเมินเทอร์โมคัปเปิลในฐานะเครื่องมือวัดด้วย

อุปกรณ์เทอร์โมคัปเปิล

หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล Seebeck เอฟเฟกต์

การทำงานของเทอร์โมคัปเปิลเกิดจากการเกิดขึ้นของเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Tomas Seebeck ในปี พ.ศ. 2364

ปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับการเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าแบบปิดเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิแวดล้อมที่แน่นอน กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิระหว่างตัวนำสองตัว (เทอร์โมอิเล็กโทรด) ที่มีองค์ประกอบต่างกัน (โลหะหรือโลหะผสมที่ไม่เหมือนกัน) และคงไว้ซึ่งตำแหน่งสัมผัส (ทางแยก) อุปกรณ์แสดงค่าอุณหภูมิที่วัดได้บนหน้าจอของอุปกรณ์รองที่เชื่อมต่อ

แรงดันไฟขาออกและอุณหภูมิสัมพันธ์กันเป็นเส้นตรง ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่วัดได้ส่งผลให้ค่ามิลลิโวลต์สูงขึ้นที่ปลายเทอร์โมคัปเปิลอิสระ

ทางแยกที่จุดวัดอุณหภูมิเรียกว่า "ร้อน" และสถานที่ที่ต่อสายไฟกับตัวแปลงเรียกว่า "เย็น"

การชดเชยอุณหภูมิทางแยกเย็น (CJC)

การชดเชยทางแยกความเย็น (CJC) เป็นการชดเชยที่ใช้เป็นการแก้ไขการอ่านทั้งหมดเมื่อวัดอุณหภูมิที่จุดที่ต่อสายเทอร์โมคัปเปิล นี่เป็นเพราะความคลาดเคลื่อนระหว่างอุณหภูมิที่แท้จริงของปลายเย็นและการอ่านที่คำนวณได้ของตารางสอบเทียบสำหรับอุณหภูมิของจุดต่อความเย็นที่ 0°C

CCS เป็นวิธีการดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งพบการอ่านค่าอุณหภูมิสัมบูรณ์จากอุณหภูมิจุดต่อเย็นที่รู้จัก (หรือที่เรียกว่าจุดต่ออ้างอิง)

การออกแบบเทอร์โมคัปเปิล

เมื่อออกแบบเทอร์โมคัปเปิล จะพิจารณาถึงอิทธิพลของปัจจัยต่างๆ เช่น "ความก้าวร้าว" ของสภาพแวดล้อมภายนอก สถานะของการรวมตัวของสาร ช่วงอุณหภูมิที่วัดได้ และอื่นๆ

คุณสมบัติการออกแบบเทอร์โมคัปเปิล:

1) ทางแยกของตัวนำเชื่อมต่อกันโดยการบิดหรือบิดด้วยการเชื่อมอาร์กไฟฟ้าเพิ่มเติม (ไม่ค่อยเกิดจากการบัดกรี)

สำคัญ: ไม่แนะนำให้ใช้วิธีการบิดเนื่องจากสูญเสียคุณสมบัติทางแยกอย่างรวดเร็ว

2) เทอร์โมอิเล็กโทรดต้องแยกทางไฟฟ้าตลอดความยาว ยกเว้นบริเวณจุดสัมผัส

3) เลือกวิธีการฉนวนโดยคำนึงถึงขีดจำกัดอุณหภูมิบน

• สูงถึง 100-120 °C - ฉนวนใด ๆ
• สูงถึง 1300 ° C - หลอดหรือลูกปัดพอร์ซเลน
• สูงถึง 1950°C - หลอดอัล₂อู๋₃;
• สูงกว่า 2000 องศาเซลเซียส - หลอดที่ทำจาก MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) ฝาครอบป้องกัน

วัสดุต้องทนต่อความร้อนและสารเคมี โดยมีการนำความร้อนที่ดี (โลหะ เซรามิก) การใช้รองเท้าบูทป้องกันการกัดกร่อนในบางสภาพแวดล้อม

สายไฟต่อ (ชดเชย)

ต้องใช้ลวดชนิดนี้เพื่อขยายปลายเทอร์โมคัปเปิลไปยังเครื่องมือรองหรือสิ่งกีดขวาง ไม่ใช้สายไฟหากเทอร์โมคัปเปิลมีคอนเวอร์เตอร์ในตัวพร้อมสัญญาณเอาท์พุตแบบรวม ตัวแปลงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือตัวแปลงนอร์มัลไลซ์ซึ่งอยู่ในหัวเทอร์มินัลมาตรฐานของเซ็นเซอร์พร้อมสัญญาณแบบครบวงจร 4-20mA ซึ่งเรียกว่า "แท็บเล็ต"

วัสดุของสายไฟอาจตรงกับวัสดุของเทอร์โมอิเล็กโทรด แต่ส่วนใหญ่มักจะถูกแทนที่ด้วยลวดที่ถูกกว่า โดยคำนึงถึงเงื่อนไขที่ป้องกันการก่อตัวของเทอร์โมอิเล็กโทรด (เหนี่ยวนำ) กาฝาก การใช้สายต่อยังช่วยให้คุณเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อีกด้วย

แฮ็คชีวิต! หากต้องการกำหนดขั้วของสายชดเชยอย่างถูกต้องและเชื่อมต่อกับเทอร์โมคัปเปิล โปรดจำไว้ว่ากฎช่วยในการจำ MM - ลบจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก นั่นคือเราใช้แม่เหล็กใดๆ และค่าลบของการชดเชยจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก ซึ่งแตกต่างจากบวก

ประเภทและประเภทของเทอร์โมคัปเปิล

ความหลากหลายของเทอร์โมคัปเปิลอธิบายได้จากการผสมผสานของโลหะผสมต่างๆ ที่ใช้ การเลือกเทอร์โมคัปเปิลนั้นขึ้นอยู่กับอุตสาหกรรมและช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ

โครเมล-อลูเมลเทอร์โมคัปเปิล (TXA)

อิเล็กโทรดบวก: โลหะผสมโครเมียม (90% Ni, 10% Cr)
อิเล็กโทรดลบ: โลหะผสมอลูเมล (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si)

วัสดุฉนวน: พอร์ซเลน ควอตซ์ โลหะออกไซด์ ฯลฯ

ช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -200 ° C ถึง 1300 ° C ในระยะสั้นและการให้ความร้อนในระยะยาว 1100 ° C

สภาพแวดล้อมในการทำงาน: เฉื่อย, ออกซิไดซ์ (O₂= 2-3% หรือยกเว้นทั้งหมด), ไฮโดรเจนแห้ง, สุญญากาศระยะสั้น ในบรรยากาศลดหรือรีดอกซ์ต่อหน้าฝาครอบป้องกัน

ข้อเสีย: ง่ายต่อการเปลี่ยนรูป ความไม่เสถียรย้อนกลับของ thermo-EMF

อาจมีกรณีของการกัดกร่อนและการเปราะของอลูเมลเมื่อมีร่องรอยของกำมะถันในบรรยากาศและโครเมียมในบรรยากาศออกซิไดซ์อย่างอ่อน (“ดินเหนียวสีเขียว”)

เทอร์โมคัปเปิลโครเมลโคเพล (TKhK)

อิเล็กโทรดบวก: โลหะผสมโครเมียม (90% Ni, 10% Cr)
อิเล็กโทรดลบ: โลหะผสม Kopel (54.5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0.5% Mn)

ช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -253° C ถึง 8000° C ระยะยาว และ 11000° C ความร้อนระยะสั้น

สภาพแวดล้อมในการทำงาน: เฉื่อยและออกซิไดซ์ สุญญากาศระยะสั้น

ข้อเสีย: การเสียรูปของเทอร์โมอิเล็กโทรด

ความเป็นไปได้ของการระเหยของโครเมียมภายใต้สุญญากาศเป็นเวลานาน ทำปฏิกิริยากับบรรยากาศที่มีกำมะถัน โครเมียม ฟลูออรีน

ค่าคงที่ของเหล็กเทอร์โมคัปเปิล (TGK)

อิเล็กโทรดบวก: เหล็กบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (เหล็กอ่อน)
อิเล็กโทรดลบ: โลหะผสมแบบคงที่ (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

ใช้สำหรับวัดค่ารีดิวซ์ สื่อเฉื่อย และสุญญากาศ อุณหภูมิตั้งแต่ -203°C ถึง 750°C ในระยะยาวและ 11000°C ความร้อนระยะสั้น

แอปพลิเคชันพัฒนาร่วมกันในการวัดอุณหภูมิบวกและลบ มันไม่มีประโยชน์ที่จะใช้สำหรับอุณหภูมิติดลบเท่านั้น

ข้อเสีย: การเสียรูปของเทอร์โมอิเล็กโทรด, ความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ

การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของธาตุเหล็กที่อุณหภูมิประมาณ 700 องศาเซลเซียส และ 900 องศาเซลเซียส ทำปฏิกิริยากับกำมะถันและไอน้ำทำให้เกิดการกัดกร่อน

เทอร์โมคัปเปิลทังสเตนรีเนียม (TVR)

อิเล็กโทรดขั้วบวก: โลหะผสม BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 พร้อมซิลิกาและสารเติมแต่งอะลูมิเนียม) / BP10 (90% W, 10% Rh)
อิเล็กโทรดลบ: โลหะผสม BP20 (80% W, 20% Rh)

ฉนวน: เซรามิกออกไซด์ของโลหะบริสุทธิ์ทางเคมี

ความแข็งแรงทางกล, ทนความร้อน, ความไวต่อมลภาวะต่ำ, ความสะดวกในการผลิต

การวัดอุณหภูมิตั้งแต่ 1800 ° C ถึง 3000 ° C ขีด จำกัด ล่างคือ 1300 ° C การวัดจะดำเนินการในสภาวะก๊าซเฉื่อย ไฮโดรเจนแห้ง หรือสภาวะสุญญากาศ ในสภาพแวดล้อมการออกซิไดซ์สำหรับการวัดในกระบวนการที่รวดเร็วเท่านั้น

ข้อเสีย: การทำซ้ำของเทอร์โม EMF ได้ไม่ดี ความไม่เสถียรระหว่างการฉายรังสี ความไวที่ไม่เสถียรในช่วงอุณหภูมิ

ทังสเตน-โมลิบดีนัมเทอร์โมคัปเปิล (VM)

อิเล็กโทรดบวก: ทังสเตน (บริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์)
อิเล็กโทรดลบ: โมลิบดีนัม (บริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์)

ฉนวนกันความร้อน: อลูมินาเซรามิก ปกป้องด้วยปลายควอตซ์

สภาพแวดล้อมเฉื่อย ไฮโดรเจน หรือสุญญากาศ สามารถทำการวัดระยะสั้นในสภาพแวดล้อมที่ออกซิไดซ์โดยมีฉนวนอยู่ช่วงอุณหภูมิที่วัดได้คือ 1400-1800 °C อุณหภูมิในการทำงานสูงสุดคือ 2400 °C

ข้อเสีย: ความสามารถในการทำซ้ำได้ไม่ดีและความไวของ EMF ความร้อน การกลับขั้ว การแตกหักที่อุณหภูมิสูง

เทอร์โมคัปเปิล แพลตตินั่ม-โรเดียม-แพลตตินั่ม (TPP)

อิเล็กโทรดบวก: แพลตตินั่มโรเดียม (Pt c 10% หรือ 13% Rh)
อิเล็กโทรดเชิงลบ: แพลทินัม

ฉนวนกันความร้อน: ควอตซ์ พอร์ซเลน (ธรรมดาและวัสดุทนไฟ) สูงถึง 1400 °C - เซรามิกที่มีปริมาณAl .สูง₂อู๋₃, มากกว่า 1400 °C - เซรามิกจาก Al . บริสุทธิ์ทางเคมี₂อู๋₃.

อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด 1,400 °C ระยะยาว 1600 °C ระยะสั้น โดยปกติแล้วจะไม่ทำการวัดอุณหภูมิต่ำ

สภาพแวดล้อมในการทำงาน: ออกซิไดซ์และเฉื่อย ลดการมีอยู่ของการป้องกัน

ข้อเสีย: ค่าใช้จ่ายสูง, ความไม่เสถียรในระหว่างการฉายรังสี, ความไวสูงต่อการปนเปื้อน (โดยเฉพาะอิเล็กโทรดแพลตตินั่ม), การเติบโตของเม็ดโลหะที่อุณหภูมิสูง

เทอร์โมคัปเปิล แพลตตินั่ม-โรเดียม-แพลตตินั่ม-โรเดียม (TPR)

อิเล็กโทรดบวก: โลหะผสม Pt ที่มี Rh 30%
อิเล็กโทรดลบ: โลหะผสม Pt ที่มี 6% Rh.

ปานกลาง: ออกซิไดซ์ เป็นกลาง และสุญญากาศ ใช้ในการลดและบรรจุไอของโลหะหรืออโลหะโดยมีการป้องกัน

อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด 1600°C ในระยะยาว 1800°C ในระยะสั้น

ฉนวนกันความร้อน: อัลเซรามิค₂อู๋₃ ความบริสุทธิ์สูง

มีความไวต่อการปนเปื้อนสารเคมีและการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชน้อยกว่าเทอร์โมคัปเปิลแพลตตินัม-โรเดียม-แพลตตินั่ม

แผนภาพการเดินสายเทอร์โมคัปเปิล

• การเชื่อมต่อโพเทนชิออมิเตอร์หรือกัลวาโนมิเตอร์โดยตรงกับตัวนำ
• การเชื่อมต่อกับสายไฟชดเชย
• การเชื่อมต่อกับสายทองแดงแบบธรรมดากับเทอร์โมคัปเปิลที่มีเอาต์พุตแบบรวมศูนย์

มาตรฐานสีของตัวนำเทอร์โมคัปเปิล

ฉนวนตัวนำสีช่วยแยกแยะเทอร์โมอิเล็กโทรดออกจากกันเพื่อให้เชื่อมต่อกับขั้วต่อได้อย่างเหมาะสม มาตรฐานแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ ไม่มีรหัสสีเฉพาะสำหรับตัวนำไฟฟ้า

สำคัญ: จำเป็นต้องรู้มาตรฐานที่ใช้ในองค์กรเพื่อป้องกันข้อผิดพลาด

ความแม่นยำในการวัด

ความแม่นยำขึ้นอยู่กับชนิดของเทอร์โมคัปเปิล ช่วงอุณหภูมิ ความบริสุทธิ์ของวัสดุ สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า การกัดกร่อน คุณสมบัติของจุดเชื่อมต่อ และกระบวนการผลิต

เทอร์โมคัปเปิลถูกกำหนดระดับความคลาดเคลื่อน (มาตรฐานหรือพิเศษ) ที่กำหนดช่วงความเชื่อมั่นในการวัด

สำคัญ: ลักษณะในช่วงเวลาของการผลิตเปลี่ยนไประหว่างการใช้งาน

ความเร็วในการวัด

ความเร็วถูกกำหนดโดยความสามารถของตัวแปลงหลักในการตอบสนองต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการไหลของสัญญาณอินพุตของอุปกรณ์วัดที่ตามมา

ปัจจัยที่เพิ่มประสิทธิภาพ:

1. การติดตั้งและการคำนวณความยาวของตัวแปลงหลักที่ถูกต้อง
2. เมื่อใช้ทรานสดิวเซอร์ที่มีปลอกป้องกัน จำเป็นต้องลดมวลของยูนิตด้วยการเลือกเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าของปลอกหุ้ม
3. ลดช่องว่างอากาศระหว่างคอนเวอร์เตอร์หลักและปลอกป้องกัน
4. การใช้ตัวแปลงหลักแบบสปริงโหลดและเติมช่องว่างในปลอกหุ้มด้วยฟิลเลอร์ที่นำความร้อน
5. ตัวกลางที่เคลื่อนที่เร็วหรือหนาแน่นกว่า (ของเหลว)

การตรวจสอบประสิทธิภาพของเทอร์โมคัปเปิล

ในการตรวจสอบประสิทธิภาพ ให้เชื่อมต่ออุปกรณ์วัดพิเศษ (เครื่องทดสอบ กัลวาโนมิเตอร์ หรือโพเทนชิออมิเตอร์) หรือวัดแรงดันไฟขาออกด้วยมิลลิโวลต์มิเตอร์ หากมีความผันผวนของลูกศรหรือตัวบ่งชี้ดิจิตอล แสดงว่าเทอร์โมคัปเปิลสามารถซ่อมบำรุงได้ มิฉะนั้นจะต้องเปลี่ยนอุปกรณ์

สาเหตุของความล้มเหลวของเทอร์โมคัปเปิล:

1. ความล้มเหลวในการใช้อุปกรณ์ป้องกัน
2. การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของอิเล็กโทรด
3. กระบวนการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง
4. รายละเอียดของอุปกรณ์ควบคุมและวัด ฯลฯ

ข้อดีและข้อเสียของการใช้เทอร์โมคัปเปิล

ข้อดีของการใช้อุปกรณ์นี้คือ:

• ช่วงการวัดอุณหภูมิขนาดใหญ่
• ความแม่นยำสูง;
• ความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือ

ข้อเสีย ได้แก่ :

• การดำเนินการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องของชุมทางเย็น การตรวจสอบและสอบเทียบอุปกรณ์ควบคุม
• การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโลหะระหว่างการผลิตอุปกรณ์
• ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของบรรยากาศ, ค่าใช้จ่ายในการปิดผนึก;
• ข้อผิดพลาดในการวัดเนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

บทความที่คล้ายกัน: