Spis treści:
- 1 Co je to termočlánek?
- 2 Jak funguje termočlánek?
- 3 Elektrická měření termočlánků
- 4 Termojímky
- 5 Typy termočlánků podle typu konektoru
- 6 Topologie termočlánků
- 7 Prodlužovací kabely pro termočlánky
- 8 Termoizolace termočlánku
- 9 Provedení termočlánků vzhledem k použitému uzemnění a plášti
- 10 Základní charakteristiky termočlánků pro praktické použití
- 11 Termočlánky z ušlechtilých kovů
- 12 Termočlánky - využití v praxi
Jednou z nejdůležitějších neelektrických fyzikálních veličin, které lze měřit elektrickými metodami, je teplota. Pro elektrické měření teploty je nutné použít termočlánek.
Co je to termočlánek?
Termočlánek je speciální měřicí převodník, ve kterém se tepelná energie přeměňuje z vnějšího zdroje na elektrickou energii. Konstrukce termočlánku je založena na spojení dvou vodičů z různých kovů do jednoho spoje. Na spoji těchto konektorů se vlivem teplotních změn vytváří napětí nazývané termoelektrická síla.
Koncepce termočlánku je založena na Seebeckově efektu – pokud jsou různé kovy spojeny bodově, vzniká na jejich spoji v důsledku změny teploty malé měřitelné napětí. Hodnota tohoto napětí závisí na velikosti změny teploty a na vlastnostech kovů.
Konstrukce termočlánku se skládá ze dvou izolovaných vodičů připojených k měřicímu zařízení. Termočlánky se používají jako bezpečnostní měřidlo a senzor pro měření teploty v různých procesech a zařízeních. Jsou odolné vůči drsným podmínkám prostředí. Volba termočlánku závisí na rozsahu teplot, okolní atmosféře a typu média, ve kterém se měření provádí. Konkrétní velikost a tvar termočlánku se řídí aplikací a požadovanou přesností a rychlostí reakce.
Jak funguje termočlánek?
Když jsou dva termočlánkové vodiče spojeny do konektoru, jeden z nich je připojen k tělesu termočlánku a měří teplotu. To se označuje jako horký spoj nebo měřicí. Druhý konektor je připojen k tělesu při známé teplotě a je referenčním konektorem nebo studeným konektorem.
Termočlánek měří neznámou teplotu a porovnává ji se známou referenční teplotou. Myšlenka termočlánku je založena na třech principech fungování, které objevili Seebeck, Peltier a Thomson. Seebeckův efekt nastává, když jsou dva nepodobné kovy spojeny dvěma spoji a na obou spojích vzniká termoelektrická síla. Při Peltierově efektu naopak vzniká v obvodu termoelektrická síla, když se spojí dva různé kovy a vytvoří dva přechody v důsledku rozdílných teplot. Thomsonův jev naopak spočívá v absorpci tepla podél tyče, jejíž konce mají různou teplotu.
Naměřená teplota souvisí s průtokem proudu. Jejím vedlejším účinkem je vytváření teplotních změn po celé délce tyče.
Elektrická měření termočlánků
Typický obvod termočlánku používá dva různé vodiče, které jsou spojeny do konektoru. Oba spoje mají různou teplotu, která vytváří termoelektrickou sílu. Tok elektronů v obvodu termočlánku přenáší tepelnou a elektrickou energii. Pokud je kus měděného drátu na jednom konci zahřátý, elektrony se přenášejí podél drátu na chladnější konec a vytvářejí teplotní gradient podél své dráhy toku. Výsledkem je přeměna tepla na elektřinu.
Stejný princip, který objevili Alessandro Volta a Thomas Seebeck, platí i pro termočlánek. Při různých teplotách konektorů se generuje elektrický signál na úrovni milivoltů, který je jedinečný pro dvojici materiálů vodičů a je specifikován v normách Mezinárodní elektrotechnické komise IEC 1977. Termočlánky vyrobené podle těchto norem jsou vzájemně zaměnitelné bez ohledu na jejich výrobce nebo zemi původu.
Aby termočlánek správně plnil svou funkci, musí mít kompenzaci studeného spoje, aby se nastavila správná referenční teplota. Oba konce termočlánku se udržují na stejné teplotě, přičemž teplota horkého spoje se porovnává s teplotou studeného spoje.
Čím silnější je vodič termočlánku, tím vyšší teploty je schopen měřit, ale s delší dobou reakce. Pokud je teplota spojů termočlánků stejná, vznikne na spojích stejná a opačná elektromotorická síla, takže elektrický proud nepoteče. Pokud mají konektory různou teplotu, bude elektromagnetické pole nenulové a obvodem bude protékat proud, stejně jako teplo protékající měděným vodičem.
Průchod elektromagnetického pole obvodem závisí na fyzikálních vlastnostech kovů a teplotě obou spojů, která se měří pomocí přístroje pro měření teploty. Elektromagnetické pole v obvodu termočlánku je velmi slabé ve srovnání s elektromagnetickým polem generovaným dokonce i malými domácími elektrickými spotřebiči a vyžaduje citlivý přístroj k určení generovaného elektromagnetického pole. K zesílení signálu na milivoltové úrovni, interpretaci napětí jako údaje o teplotě a zobrazení jeho hodnoty je zapotřebí měřicí nebo čtecí přístroj.
Obvykle se používají galvanometry a potenciometry pro vyrovnávání napětí. K tomuto účelu se nejčastěji používají kalibrační potenciometry. Prostřednictvím potenciometru, nastavitelného děliče napětílze nepřímo měřit rozdíl potenciálů porovnáním neznámého napětí s referenčním napětím. Můžete také použít galvanometr, který měří velmi malé hodnoty elektrického proudu.
Aby termočlánek mohl provádět absolutní měření, musí být vztažen na známou hodnotu teploty, např. jako je zmrazování, na druhém konci kabelu snímače. Tepelný svar je měřicí jednotkou, zatímco studený svar je referenčním bodem, kde se nachází systém kompenzace studeného svaru. Teplota studeného spoje se může lišit, ale je referenční. Studený spoj lze opravit ponořením do vody nebo ledu pro udržení konstantní teplotu. Referenční teplotu může ovlivnit měřicí médium, například okolní prostředí.
Termojímky
Termojímky se používá k ochraně termočlánku před měřicím médiem pomocí uzavřené trubky nebo pevné tyče, která je umístěna v měřicím médiu. Termojímky se používají pro kapalinová a tlaková vedení v rafinériích nebo chemických provozech k prodloužení životnosti termočlánků.
Použití termojímek umožňuje výměnu termočlánku bez přerušení procesu měření. V závislosti na konkrétním cílovém použití se používají různé typy jímek – mezi ně patří přímé termojímky, stupňovité jímky a také kuželové termojímky. Termojímky se také dělí podle způsobu připojení k termočlánku nebo termistoru. Tyto typy připojení mohou zahrnovat nástrčné svařované spoje, přírubové spoje a závitové spoje.
Typy termočlánků podle typu konektoru
Rozdíl mezi termočlánky závisí na typech slitin použitých k výrobě jejich vodičů. Volba typu kovového drátu závisí na rozsahu měřených teplot, pracovním prostředí a mechanické pevnosti.
Existují tři typy přípojných míst pro termočlánky – odkryté, neuzemněné nebo izolované a uzemněné.
V odkrytém konektoru jsou vodiče mimo plášť termočlánku. Velmi rychle reagují na změny teploty, ale snadno se poškodí. Nejlepší použití termočlánků s odkrytým přechodem je tam, kde je vyžadována rychlá reakce a kde je nízké riziko poškození měřicího čidla.
Naproti tomu v uzemněném konektoru jsou vodiče spojeny a přivařeny k vnějšímu plášti, který tvoří těsné spojení. Protože jsou vodiče připojeny ke stínění, nejsou izolovány a mohou být náchylné na elektromagnetické pole. Používají se k měření teplot v korozivním prostředí a jsou nejčastěji používaným typem připojení.
Izolovaný konektor používá izolační materiál z oxidu hořečnatého, který chrání senzor před elektromagnetickými poli. Doba reakce neuzemněného termočlánku je pomalejší než u uzemněného nebo odkrytého spoje.
Topologie termočlánků
Čtyři nejběžnější typy termočlánkových obvodů jsou standardní jednoduché, střední, termoelektrické a trojúhelníkové.
Ve standardním provedení má průměrný termočlánek nejméně dva termočlánky připojené paralelně ke studenému spoji. Pokud jsou všechny odpory stejné, elektromagnetické pole se bude rovnat průměrné teplotě každého spoje.
Termočlánek v trojúhelníkovém uspořádání se nazývá diferenciální termočlánek a má dva podobné vodiče spojené s jiným vodičem s měřicími konektory při různých teplotách. Termoelektrická síla je rozdíl napětí mezi dvěma přechody, který se označuje jako rozdíl teplot. V této konfiguraci musí být jeden z konektorů termočlánku neuzemněný a musí mít diferenciální měřicí zařízení. Při standardním přístupu má jeden termočlánek různé přívody a měřicí konektor.
Další topologií, se kterou se lze setkat, je termoelektrický zásobník, který má řadu propojených termočlánků, přičemž termoelektrická síla je součtem jednotlivých spojů jednotlivých termočlánků.
Prodlužovací kabely pro termočlánky
Prodlužovací kabely spojují vodič snímače s měřicím přístrojem a jsou vyrobeny ze stejných kovů jako přívody termočlánku. Obvykle se jedná o slitiny mědi a mají podobný tepelný koeficient termoelektrické síly jako termočlánek.
Termoizolace termočlánku
Pro termočlánkové snímače se používají různé varianty tepelné izolace. Jedním z nich je izolace vyrobená z keramiky – používá se v komerčních sporácích a monitoruje okolní teplotu ohnišť, pecí a grilů.
Jeho teplotní rozsah je -50 °C až 1200 °C. Používají se také kryty vodičů, které lze aplikovat na primární izolaci a které jsou nezbytné v případě, že je vyžadována dodatečná mechanická ochrana.
Vinylový nebo nylonový izolační plášť je vyroben ze směsi nylonu a polyethylenu. Plášť vodiče působí jako mechanická zábrana a zabraňuje zkratu.
Sklolaminát se také ideálně hodí pro aplikace při vysokých teplotách a je vhodný pro použití při okolních teplotách, kde je možnost tzv. hotspotů – místa s výrazně zvýšenou teplotou lokálního charakteru. Kapton má naproti tomu vynikající fyzikální, elektrické a mechanické vlastnosti v širokém rozsahu teplot a používá se v aplikacích, kde se vyskytují extrémní teploty a vibrace. Zachovává si své mechanické vlastnosti i v těch nejnáročnějších podmínkách.
Polyethylen se používá také díky své nízké ceně a vynikajícím elektroizolačním vlastnostem, navíc má vysoký bod vzplanutí a je pevnější než vinyl – materiál s dobrou pružností a univerzálními elektroizolačními vlastnostmi.
Teflon je také vynikající stínicí materiál, který vykazuje vysokou odolnost vůči agresivním chemikáliím, poskytuje velmi dobrou elektrickou izolaci, ale je drahý a má nízkou odolnost vůči mechanickým nárazům.
Provedení termočlánků vzhledem k použitému uzemnění a plášti
Termočlánku se vyrábějí v různých typech pro různé aplikace a pro označení jednotlivých typů se používá systém písmen. Existuje široká škála typů termočlánků s vlastními charakteristikami a teplotními rozsahy. Rozdíl mezi jednotlivými typy závisí na jejich životnosti, teplotním rozsahu, odolnosti a použití.
Nejčastěji používaný typ termočlánku má uzemněné provedení, které bylo zvoleno především kvůli rychlosti reakce, která trvá až polovinu času oproti neuzemněnému termočlánku. Dva dráty jsou přivařeny k boku kovového krytu sondy a hrot sondy uzavírá obvod.
Neuzemněné termočlánky se obvykle volí jako druhé nejlepší a mají neuzemněný konektor izolovaný od materiálu pláště. Neuzemněné termočlánky jsou díky způsobu izolace pomalejší, ale odolnější a poskytují větší jistotu přenosu měřicího signálu do měřicího přístroje a díky své konstrukci nemají problémy se zemní smyčkou.
Naproti tomu nejméně často používaným typem termočlánku je exponovaný termočlánek, který vyčnívá z pláště a je vystaven okolnímu prostředí. Má nejdelší dobu reakce a rozsah jeho použití je omezen na suché prostředí s nízkou náchylností ke korozi a atmosférickému tlaku, a to z důvodu zvýšeného rizika poškození těmito a podobnými faktory.
Základní charakteristiky termočlánků pro praktické použití
Termočlánky jsou označeny jednopísmennými symboly, pomocí kterých lze odečíst napěťovou charakteristiku termočlánku v závislosti na teplotě. Nejčastěji se používají termočlánky s charakteristikami C, E, T, N, J a K. Obsahují obecné kovy, jako je železo, měď, nikl, platina, rhodium a chrom. Vytvoření termočlánku vyžaduje spojení dvou kovů, které vytvoří elektrotermický spoj při různých teplotách.
Termočlánek typu C
Termočlánky typu C jsou vyrobeny z wolframu jako část plusového článku a z rhenium jako záporné části.. Používají se v aplikacích, kde teploty dosahují 2315 °C. Termočlánky typu C se používají v chemicky inertním prostředí nebo ve vakuu, aby se zabránilo poruchám způsobeným oxidací. Mají ochranné pláště z molybdenu, tantalu a inkonelu s izolátory z oxidu hliníku a hořčíku.
Termočlánek typu E
Termočlánky typu E jsou vyrobeny ze slitiny niklu a chromu jako plusové části a z konstantanu jako záporné části. Mají teplotní rozsah od – 201 °C do 900 °C, lze je používat při teplotách pod nulou a jsou zbarveny červeně nebo fialově.
Termočlánek typu J
Termočlánky typu J používají železo pro plusový člen a konstantan pro záporný člen. Používají se v prostředích s vysokou expozicí oxidaci, ve vakuu a v inertním a chemicky redukujícím prostředí. Termočlánky typu J je třeba pečlivě sledovat, protože jejich železná noha může zrezivět. Rozsah pracovních teplot termočlánku typu J je 0 °C až 37 °C a jeho barva je červená nebo bílá.
Termočlánek typu K
Termočlánky typu K jsou vyrobeny z chromelové slitiny pro plusový člen a z alumelové slitiny pro zápornou část. Alumel je slitina vyrobená převážně z niklu s malým množstvím hliníku, křemíku a manganu. Termočlánky typu K se používají v inertním nebo oxidačním prostředí v rozsahu teplot od -184 °C do 1260 °C. Barevné značení termočlánku typu K je červené nebo žluté. Tento typ termočlánku se často nachází v páječkách a pájecích stanicích určených pro montáž a opravy elektroniky.
Termočlánek typu N
Termočlánek typu N používá jako plusový článek nikrosil, tj. slitinu niklu a chromu, a jako záporný člen nisilu, tj. slitinu niklu, křemíku a hořčíku. Tyto typy termočlánků mají teplotní rozsah od 0 °C do 1260 °C a jsou označeny červenou nebo oranžovou barvou.
Termočlánek typu T
Termočlánky typu T používají měď jako plusový člen a konstantan jako záporný člen. Teplotní rozsah termočlánku typu T je -201 °C až 371 °C a jeho kódování je červené nebo modré.
Termočlánky z ušlechtilých kovů
Termočlánky z ušlechtilých kovů nebo platinové termočlánky jsou typy B, R, S a P. Vyznačují se přesností i při velmi vysokých teplotách a dlouhou životností.
Termočlánek typu B se používá v aplikacích s vysokými teplotami a má nejvyšší teplotní limit ze všech termočlánků s nejvyšší přesností a teplotní stabilitou. Jeho teplotní rozsah je od 1371 °C do 1704 °C.
Termočlánek typu R se používá pro vysokoteplotní aplikace a obsahuje vyšší procento rhodia než termočlánek typu S, takže je dražší. Termočlánek typu R má stejný výkon jako termočlánek typu S a díky své stabilitě a vysoké přesnosti jej lze použít v nízkoteplotních funkcích. Má teplotní rozsah od -45 °C do 1371 °C.
Termočlánek typu S se používá při velmi vysokých teplotách v biotechnologickém a farmaceutickém průmyslu. Díky své přesnosti a stabilitě se dá použít i pro nízkoteplotní aplikace. Rozsah provozních teplot je -50 °C až 1482 °C.
Na druhé straně termočlánek typu P má stejnou vysokoteplotní křivku jako termočlánek typu K a lze jej použít v oxidačním prostředí v teplotním rozsahu až 1260 °C.
Termočlánky - využití v praxi
Termočlánky jsou různě používané teplotní senzory díky svému širokému rozsahu měření teploty, vysoké odolnosti a nízkým výrobním a pořizovacím nákladům. Nacházejí se v domácích spotřebičích, průmyslových zařízeních, v elektrárnách pro výrobu elektřiny, v řídicích systémech pecí, v potravinářském průmyslu při zpracování potravin a nápojů, v senzorech automobilů, leteckých motorech, raketách a kosmických lodích. Malé rozměry termočlánků, jejich krátká doba reakce a odolnost vůči nárazům a vibracím je předurčují k měření a kontrole teploty.
Termočlánky v potravinářském průmyslu
Termočlánky jsou ideální pro potravinářský průmysl, protože poskytují přesné údaje během několika sekund. Potravinářské výrobky lze kontrolovat v kterékoli fázi výroby. Tyto typy termočlánků jsou dvoudílná zařízení s ručním odečtem a odnímatelnou sondou. Na špičce sondy jsou dva propojené vodiče. Ploché sondy měří povrchovou teplotu, zatímco jehlové sondy provádějí vnitřní měření a měří teplotu vzduchu v pecích.
Termočlánky v extrudérech 3D tiskáren a při výrobě termoplastických výrobků
Extrudéry 3D tiskárny a formy pro vstřikovací stroje vyžadují vysoké teploty a tlaky. Hrot senzoru by měl být umístěn do roztaveného plastu pod vysokým tlakem.
Termočlánek měří teplotu a je instalován přímo v procesu. Tyto jednotky se vyznačují přesností, krátkou dobou reakce a mohou být vybaveny termočlánkovou sondou typu K.
Termočlánky v pecích
Kontrolní lampička je zodpovědná za zapálení hořáku sporáku. Termočlánek přeruší přívod plynu, když nezaznamená plamen, a zabrání vniknutí plynu do sporáku, když je pilot vypnutý. Snižuje hromadění plynu ve sporáku a činí systém mnohem bezpečnějším.
Termočlánek k roztavení kovů lze použít v prostředí neželezných kovů k měření teplot až do 1260 °C. Pomocí termočlánku lze sledovat a řídit teplotu kapalných kovů během operací přípravy taveniny – udržování, odplyňování a lití.
Termočlánek v plynových spotřebičích, jako jsou sporáky a hořáky, signalizuje plynovému ventilu, že je plamen zapálen, takže zůstane otevřený. Termočlánek je umístěn uprostřed pilotního plamene. Na základě detekce tepla plamene generuje napětí, které udržuje plyn v proudu. Pokud plamen zhasne, napětí na termočlánku zmizí a uzavře plynový kohout.
