Apa itu termokopel, prinsip operasi, tipe dan tipe utama

Termokopel adalah alat untuk mengukur suhu di semua cabang ilmu pengetahuan dan teknologi. Artikel ini menyajikan gambaran umum termokopel dengan analisis desain dan prinsip pengoperasian perangkat. Varietas termokopel dengan karakteristik singkatnya dijelaskan, dan penilaian termokopel sebagai alat ukur juga diberikan.

Perangkat termokopel

Prinsip operasi termokopel. Efek Seebeck

Pengoperasian termokopel disebabkan oleh terjadinya efek termoelektrik, yang ditemukan oleh fisikawan Jerman Tomas Seebeck pada tahun 1821.

Fenomena tersebut didasarkan pada terjadinya arus listrik pada rangkaian listrik tertutup ketika terkena suhu lingkungan tertentu. Arus listrik terjadi ketika ada perbedaan suhu antara dua konduktor (termoelektroda) dari komposisi yang berbeda (logam atau paduan yang berbeda) dan dipertahankan dengan mempertahankan tempat kontak mereka (persimpangan). Perangkat menampilkan nilai suhu yang diukur pada layar perangkat sekunder yang terhubung.

Tegangan keluaran dan suhu berhubungan secara linier. Ini berarti bahwa peningkatan suhu yang diukur menghasilkan nilai milivolt yang lebih tinggi di ujung bebas termokopel.

Persimpangan yang terletak di titik pengukuran suhu disebut "panas", dan tempat di mana kabel terhubung ke konverter disebut "dingin".

Kompensasi suhu sambungan dingin (CJC)

Kompensasi sambungan dingin (CJC) adalah kompensasi yang diterapkan sebagai koreksi terhadap pembacaan total saat mengukur suhu pada titik di mana ujung termokopel terhubung. Hal ini disebabkan perbedaan antara suhu aktual ujung dingin dan pembacaan yang dihitung dari tabel kalibrasi untuk suhu sambungan dingin pada 0°C.

CCS adalah metode diferensial di mana pembacaan suhu absolut ditemukan dari suhu sambungan dingin yang diketahui (juga dikenal sebagai sambungan referensi).

Desain termokopel

Saat merancang termokopel, pengaruh faktor-faktor seperti "agresivitas" lingkungan eksternal, keadaan agregasi zat, kisaran suhu yang diukur, dan lainnya diperhitungkan.

Fitur desain termokopel:

1) Persimpangan konduktor saling berhubungan dengan memutar atau memutar dengan pengelasan busur listrik lebih lanjut (jarang dengan menyolder).

PENTING: Tidak disarankan untuk menggunakan metode puntir karena hilangnya sifat sambungan dengan cepat.

2) Termoelektroda harus diisolasi secara elektrik sepanjang panjangnya, kecuali untuk titik kontak.

3) Metode insulasi dipilih dengan mempertimbangkan batas suhu atas.

• Hingga 100-120 °C - isolasi apa pun;
• Hingga 1300 ° C - tabung porselen atau manik-manik;
• Hingga 1950 ° C - tabung Al₂HAI₃;
• Di atas 2000°С - tabung yang terbuat dari MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Tutup pelindung.

Bahan harus tahan panas dan kimia, dengan konduktivitas termal yang baik (logam, keramik). Penggunaan boot mencegah korosi di lingkungan tertentu.

Kabel ekstensi (kompensasi)

Jenis kawat ini diperlukan untuk memperpanjang ujung termokopel ke instrumen atau penghalang sekunder. Kabel tidak digunakan jika termokopel memiliki konverter bawaan dengan sinyal keluaran terpadu. Yang paling banyak digunakan adalah konverter normalisasi, yang terletak di kepala terminal standar sensor dengan sinyal terpadu 4-20mA, yang disebut "tablet".

Bahan kabel mungkin bertepatan dengan bahan termoelektroda, tetapi paling sering diganti dengan yang lebih murah, dengan mempertimbangkan kondisi yang mencegah pembentukan termo-emf parasit (diinduksi). Penggunaan kabel ekstensi juga memungkinkan Anda untuk mengoptimalkan produksi.

Peretasan hidup! Untuk menentukan dengan benar polaritas kabel kompensasi dan menghubungkannya ke termokopel, ingat aturan mnemonik MM - minus dimagnetisasi. Artinya, kami mengambil magnet apa pun dan minus dari kompensasi akan menjadi magnet, tidak seperti plus.

Jenis dan jenis termokopel

Variasi termokopel dijelaskan oleh berbagai kombinasi paduan logam yang digunakan. Pilihan termokopel dilakukan tergantung pada industri dan kisaran suhu yang diperlukan.

Termokopel chromel-alumel (TXA)

Elektroda positif: paduan krom (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda negatif: paduan alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Bahan isolasi: porselen, kuarsa, oksida logam, dll.

Kisaran suhu dari -200 ° hingga 1300 ° jangka pendek dan 1100 ° pemanasan jangka panjang.

Lingkungan kerja: lembam, pengoksidasi (O₂=2-3% atau sama sekali tidak termasuk), hidrogen kering, vakum jangka pendek. Dalam atmosfer reduksi atau redoks dengan adanya tutup pelindung.

Kekurangan: kemudahan deformasi, ketidakstabilan reversibel termo-EMF.

Mungkin ada kasus korosi dan penggetasan alumel dengan adanya jejak belerang di atmosfer dan kromel di atmosfer pengoksidasi lemah ("tanah liat hijau").

Termokopel chromel-kopel (TKhK)

Elektroda positif: paduan krom (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda negatif: Paduan Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Kisaran suhu dari -253 ° hingga 800 ° jangka panjang dan 1100 ° pemanasan jangka pendek.

Lingkungan kerja: inert dan pengoksidasi, vakum jangka pendek.

Kekurangan: deformasi termoelektroda.

Kemungkinan penguapan kromium di bawah vakum berkepanjangan; reaksi dengan atmosfer yang mengandung belerang, kromium, fluor.

Termokopel besi-konstantan (TGK)

Elektroda positif: besi murni komersial (baja ringan).
Elektroda negatif: paduan konstantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Digunakan untuk pengukuran dalam reduksi, media inert dan vakum. Suhu dari -203 ° hingga 750 ° jangka panjang dan 1100 ° pemanasan jangka pendek.

Aplikasi berkembang pada pengukuran bersama suhu positif dan negatif. Tidak menguntungkan untuk digunakan hanya untuk suhu negatif.

Kekurangan: deformasi termoelektroda, ketahanan korosi yang rendah.

Perubahan sifat fisikokimia besi pada sekitar 700 °C dan 900 °C. Bereaksi dengan belerang dan uap air untuk membentuk korosi.

Termokopel tungsten-renium (TVR)

Elektroda positif: paduan BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 dengan aditif silika dan aluminium) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Elektroda negatif: paduan BP20 (80% W, 20% Rh).

Isolasi: keramik oksida logam murni secara kimia.

Kekuatan mekanik, tahan panas, sensitivitas rendah terhadap polusi, kemudahan pembuatan dicatat.

Pengukuran suhu dari 1800 ° hingga 3000 ° , batas bawahnya adalah 1300 ° . Pengukuran dilakukan dalam gas inert, hidrogen kering atau lingkungan vakum. Di lingkungan pengoksidasi hanya untuk pengukuran dalam proses cepat.

Kekurangan: reproduktifitas termo-EMF yang buruk, ketidakstabilannya selama iradiasi, sensitivitas yang tidak stabil dalam kisaran suhu.

Termokopel tungsten-molibdenum (VM)

Elektroda positif: tungsten (murni komersial).
Elektroda negatif: molibdenum (murni komersial).

Isolasi: keramik alumina, dilindungi dengan ujung kuarsa.

Lingkungan inert, hidrogen atau vakum. Dimungkinkan untuk melakukan pengukuran jangka pendek di lingkungan pengoksidasi dengan adanya insulasi.Kisaran suhu yang diukur adalah 1400-1800 °C, suhu operasi maksimum sekitar 2400 °C.

Kekurangan: reproduktifitas dan sensitivitas EMF termal yang buruk, pembalikan polaritas, penggetasan pada suhu tinggi.

Termokopel platinum-rhodium-platinum (TPP)

Elektroda positif: platinum-rhodium (Pt c 10% atau 13% Rh).
Elektroda negatif: platina.

Isolasi: kuarsa, porselen (polos dan tahan api). Hingga 1400 °C - keramik dengan kandungan Al . yang tinggi₂HAI₃, lebih dari 1400 °C - keramik dari Al . yang murni secara kimia₂HAI₃.

Suhu operasi maksimum 1400 °C jangka panjang, 1600 °C jangka pendek. Pengukuran suhu rendah biasanya tidak dilakukan.

Lingkungan kerja: pengoksidasi dan inert, mengurangi dengan adanya perlindungan.

Kekurangan: biaya tinggi, ketidakstabilan selama iradiasi, sensitivitas tinggi terhadap kontaminasi (terutama elektroda platinum), pertumbuhan butir logam pada suhu tinggi.

Termokopel platinum-rhodium-platinum-rhodium (TPR)

Elektroda positif: Paduan Pt dengan 30% Rh.
Elektroda negatif: Paduan Pt dengan 6% Rh.

Medium: pengoksidasi, netral dan vakum. Gunakan dalam mereduksi dan mengandung uap logam atau non-logam dengan adanya perlindungan.

Suhu operasi maksimum 1600 °C jangka panjang, 1800 °C jangka pendek.

Isolasi: Al keramik₂HAI₃ kemurnian tinggi.

Kurang rentan terhadap kontaminasi kimia dan pertumbuhan butir dibandingkan termokopel platinum-rhodium-platinum.

Diagram pengkabelan termokopel

• Menghubungkan potensiometer atau galvanometer langsung ke konduktor.
• Koneksi dengan kabel kompensasi;
• Koneksi dengan kabel tembaga konvensional ke termokopel dengan output terpadu.

Standar Warna Konduktor Termokopel

Insulasi konduktor berwarna membantu membedakan termoelektroda satu sama lain untuk koneksi yang tepat ke terminal. Standar berbeda di setiap negara, tidak ada kode warna khusus untuk konduktor.

PENTING: Penting untuk mengetahui standar yang digunakan dalam perusahaan untuk mencegah kesalahan.

Akurasi pengukuran

Akurasi tergantung pada jenis termokopel, kisaran suhu, kemurnian bahan, kebisingan listrik, korosi, sifat sambungan, dan proses manufaktur.

Termokopel diberi kelas toleransi (standar atau khusus) yang menetapkan interval kepercayaan pengukuran.

PENTING: Karakteristik pada saat pembuatan berubah selama operasi.

Kecepatan pengukuran

Kecepatan ditentukan oleh kemampuan konverter utama untuk merespon dengan cepat terhadap lonjakan suhu dan aliran sinyal input dari alat pengukur yang mengikutinya.

Faktor yang meningkatkan kinerja:

1. Pemasangan yang benar dan perhitungan panjang konverter utama;
2. Saat menggunakan transduser dengan selongsong pelindung, perlu untuk mengurangi massa unit dengan memilih diameter selongsong yang lebih kecil;
3. Meminimalkan celah udara antara konverter utama dan selongsong pelindung;
4. Penggunaan konverter primer pegas dan mengisi rongga di selongsong dengan pengisi penghantar panas;
5. Media yang bergerak cepat atau lebih padat (cair).

Pemeriksaan Kinerja Termokopel

Untuk memeriksa kinerjanya, sambungkan alat pengukur khusus (tester, galvanometer atau potensiometer) atau ukur tegangan keluaran dengan milivoltmeter. Jika ada fluktuasi panah atau indikator digital, termokopel dapat diservis, jika tidak, perangkat harus diganti.

Penyebab kegagalan termokopel:

1. Kegagalan untuk menggunakan perangkat pelindung pelindung;
2. Perubahan komposisi kimia elektroda;
3. Proses oksidatif berkembang pada suhu tinggi;
4. Kerusakan kontrol dan alat pengukur, dll.

Keuntungan dan kerugian menggunakan termokopel

Keuntungan menggunakan perangkat ini adalah:

• Rentang pengukuran suhu yang besar;
• Akurasi tinggi;
• Kesederhanaan dan keandalan.

Kerugiannya meliputi:

• Pelaksanaan pemantauan terus menerus dari persimpangan dingin, verifikasi dan kalibrasi peralatan kontrol;
• Perubahan struktural pada logam selama pembuatan perangkat;
• Ketergantungan pada komposisi atmosfer, biaya penyegelan;
• Kesalahan pengukuran karena gelombang elektromagnetik.

Artikel serupa: