Termočlánek (termoelektrický měnič) – zařízení používané k měření teploty v průmyslu, vědeckém výzkumu, medicíně a v automatizačních systémech.
Mezinárodní norma pro termočlánky IEC 60584 (článek 2.2) definuje termočlánek takto: Termočlánek je pár vodičů z různých materiálů spojených na jednom konci a tvořících 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 zapojené proti sobě. Každý z nich měří teplotní rozdíl mezi svým pracovním přechodem a podmíněným přechodem tvořeným konci termočlánků připojených ke svorkám sekundárního převodníku, ale sekundární převodník měří rozdíl v jejich signálech, takže oba termočlánky společně měří teplotu rozdíl mezi jejich pracovními uzly.
Schéma termočlánku typu K. Při teplotě přechodu chromelových a alumelových drátů rovné 300 °C a teplotě volných konců 0 °C se vyvine termo-EMF 12,2 mV.
Princip
Princip činnosti je založen na Seebeckově jevu nebo jinými slovy na termoelektrickém jevu. Mezi připojenými vodiči je rozdíl potenciálů kontaktů; mají-li spoje vodičů spojených do kruhu stejnou teplotu, je součet takových rozdílů potenciálů roven nule. Když jsou spoje při různých teplotách, potenciální rozdíl mezi nimi závisí na rozdílu teplot. Koeficient úměrnosti v této závislosti se nazývá koeficient termo-EMF. Různé kovy mají různé koeficienty termoemf a v souladu s tím bude rozdíl potenciálů vznikající mezi konci různých vodičů odlišný. Umístěním přechodu kovů s nenulovými termo-EMF koeficienty do média o teplotě T1 získáme mezi protilehlými kontakty umístěnými při jiné teplotě T2 napětí, které bude úměrné teplotnímu rozdílu T1 a T2.
Nejběžnější dva způsoby připojení termočlánku k měřicím převodníkům jsou jednoduché a rozdílové. V prvním případě je měřicí převodník připojen přímo ke dvěma termoelektrodám. V druhém případě jsou použity dva vodiče s různými termo-EMF koeficienty, připájené na dvou koncích a měřicí převodník je připojen k mezeře v jednom z vodičů.
Pro dálkové připojení termočlánků se používají 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 z ušlechtilých kovů a mají jiné složení než termoelektrody. Požadavky na vodiče pro připojení termočlánků jsou stanoveny v normě IEC 60584-3.
Následující základní doporučení mohou zlepšit přesnost měřicího systému, který obsahuje termočlánkový senzor:
- 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.
Ve 1920. a 1930. letech XNUMX. století se termočlánky používaly k napájení jednoduchých rádií a dalších slaboproudých zařízení. K dobíjení baterií moderních slaboproudých zařízení (telefony, fotoaparáty atd.) pomocí otevřeného ohně je docela dobře možné použít tepelné generátory.
Výhody termočlánků
- Vysoká přesnost měření teploty (až ±0,01 °C).
- Velký rozsah měření teploty: od −250 °C do +2500 °C.
- Jednoduchost.
- Levné.
- Spolehlivost.
Omezení
- Pro dosažení vysoké přesnosti měření teploty (až ±0,01 °C) je nutná individuální kalibrace termočlánku.
- Naměřené hodnoty jsou ovlivněny teplotou stoupačky, kterou je nutné korigovat. Moderní konstrukce měřidel na bázi termočlánků využívají 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 proud, který jím protéká, 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 určeny 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.
- platina-rhodium-platina
- platina-rhodium-platina
- platina-rhodium-platina-rhodium
- železo-konstantan (železo-měď-nikl)
- měď-konstantan (měď-měď-nikl)
- nichrosil-nisil (nikl-chrom-nikl-křemík)
- chromel-alumel
- chromel-constantanaceae
- chromel-copel
- měď-kopel
- sil-silin
- wolfram a rhenium – wolfram rhenium
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. Z tohoto důvodu se vlastnosti dovážených senzorů vyrobených z těchto kovů mohou výrazně lišit od domácích, například importovaný typ L a domácí THC nejsou zaměnitelné. Zároveň dovážené zařízení zpravidla není navrženo tak, aby splňovalo domácí standard.
Norma IEC 60584 je v současné době revidována. Plánuje se zavést do standardu wolfram-rhenium termočlánky typu A-1, pro které bude NSH odpovídat ruskému standardu, a typ C podle standardu ASTM.
V roce 2008 představila IEC dva nové typy termočlánků: zlato-platina a platina-palladium. Nová norma IEC 62460 stanoví standardní tabulky pro tyto termočlánky z čistého kovu. Podobný ruský standard zatím neexistuje.
Porovnání termočlánků
Níže uvedená tabulka popisuje vlastnosti několika různých typů termočlánků. V přesných sloupcích představuje T teplotu horkého spoje ve stupních Celsia. Například termočlánek s přesností B±0.0025G-T by měl přesnost B±2.5 V°C při 1000 V°C.
