Termoelement

Et termoelement, eller termoelektrisk par ( CTE ), er i fysikk et par materialer hvis Seebeck-effekt , oppdaget i 1821 av den tyske fysikeren Thomas Johann Seebeck , brukes til måling av temperatur . De er billige og tillater måling over et bredt temperaturområde. Hovedbegrensningen er oppnådd presisjon. Det er forholdsvis vanskelig å foreta målinger med en nedre usikkerhets 0,1  ° C .

Prinsipper for måling

Seebeck-effekten

Når to metaller brukes til å danne en åpen sløyfe (ingen strøm strømmer gjennom ledningene) (se diagrammet overfor), kan det genereres et elektrisk potensial mellom de to ubundne terminalene i sløyfen hvis det er en temperaturgradient. I sløyfen. Det genererte elektriske potensialet kan beregnes ut fra følgende ligning:

kalles Seebeck-koeffisienten (indeksene a og b representerer metallens forskjellige natur) eller sensitivitetskoeffisient.

Montering av et termoelement

Et termoelement er en samling som bruker Seebeck-effekten for å bestemme temperaturen. Denne består av to ledninger av forskjellige metaller, sveiset i den ene enden. Dette krysset bærer det vanlige navnet "varm sveising" og vil bli installert i miljøet der temperaturen skal måles. De to andre endene skal kobles til terminalene på et voltmeter. De to kryssene som er dannet ved terminalene på voltmeteret kalles ofte "referansesveiser" eller "kalde sveiser".

For at konvertering av den målte spenningen til temperaturen skal bli lettere, er det nødvendig å sikre at de to "referansesveisene" har samme temperatur. For dette er det mulig å bruke det som ofte kalles en "referanseboks" eller "kald boks".

Spenningen målt av voltmeteret er en funksjon av temperaturen til "varm sveising" og temperaturen til "kalde sveiser" og kan beregnes ut fra følgende uttrykk:

For å bestemme temperaturen på den varme sveisen, er det nødvendig å kjenne temperaturen til de "kalde sveisene". Dette kan for eksempel oppnås fra en temperatursensor av termoresistiv type (typisk en platinatermoresistor pt100 eller pt1000).

Fra kunnskapen om utviklingen av Seebeck-koeffisienten til metallene som brukes som en funksjon av temperaturen, er det mulig å bestemme temperaturen på den "varme sveisen".

I praksis er det ikke Seebeck-koeffisienten som brukes, men EMF (elektromotivkraft), spenningen som genereres av et termoelement hvis referansetemperatur holdes på 0  ° C (smeltende is). Temperaturen beregnes fra EMF ved bruk av polynomiske ligninger. Disse forholdene, samt referansetabellene som er utledet fra dem, er gitt i den internasjonale standarden IEC 60584-1.

De fleste sammenstillinger ikke opprettholde en referansetemperatur 0  ° C . Direkte bruk av tabellene fra IEC 60584-1 er ikke mulig. Det er da nødvendig å benytte seg av et spenningskompensasjonssystem.

Spenningskompensasjon

Fremgangsmåten er som følger. Voltmeteret (eller lignende) måler spenningen . Temperaturen for "kaldt kryss" måles på en ekstra måte. Denne temperaturen blir omgjort til spenning ved hjelp av tabellene som karakteriserer termoelementet som er vurdert. Denne kompensasjonsspenningen legges til spenningen som måles av voltmeteret, for å bestemme spenningen over "hot junction". Denne korrigerte spenningen konverteres til slutt til temperatur ved hjelp av kalibreringstabellene, brukt her i den andre retningen. Materialet som brukes av voltmeterkablene (vanligvis kobber) blir ikke tatt med i beregningen, forutsatt at de to "kalde sveisene" har samme temperatur. Vanligvis er de veldig nær hverandre. De "kalde sveisene" skaper derfor et termoelement av samme type som "varm sveis", men med motsatt polaritet. Påvirkningen av det mellomliggende metallet (kobberet til voltmeteret) blir kansellert.

Aldring og kalibrering

Et termoelement er en enhet hvis egenskaper endres raskt like etter fremstilling (oksidasjon), og forblir veldig stabile etterpå. Det er derfor nyttig å "aldre" et nytt termoelement ved å bringe det i lang tid til temperaturene der det skal brukes. Den må deretter kalibreres for å presentere FEM.

Typer termoelementer

Et termoelement kan dannes fra hvilket som helst metallpar. I praksis, når det gjelder spørsmål om kostnad, følsomhet, måleområde, oksidasjon, mekanisk styrke osv., Er metallparene som er brukt begrenset.

Følgende liste viser termoelementer inkludert de som er sitert i internasjonale standarder.

I listen nedenfor er "kontinuerlig" og "intermitterende" bruk angitt for temperaturområdene. Hver type termoelement kan brukes i sitt utvalg av intermitterende bruk. Hvis du bruker et termoelement utenfor det kontinuerlige bruksområdet for lenge, kan det imidlertid forringe termoelementet og dets ytelse, så det anbefales at du bare bruker det i dette intermitterende bruksområdet av og til.

Basert på vanlige metaller

Type E Skriv J Skriv inn K Type N Type T Skriv inn M eller NiMo / NiCo
  • Sammensetning  : Nikkelmolybden 18% (positiv ledning) / Nikkelkobalt 0,8% (negativ ledning)
  • Andre navn Ni / NiMo18% / NiMo / Ni / NiMo
  • Bruk fra +400 til +1370 ° C
  • Brukes i vakuumovner når temperaturen ikke overstiger 1370  ° C
  • Brukes i ovner under en hydrogenatmosfære
  • ASTM E1751- standarden gjengir et FEM-bord.
  • Kompensasjonen gjøres med skjøteledningen K, på samme måte er de kompenserte kontaktene type K
  • Ikke standardisert.

Basert på edle metaller

Type R
  • Sammensetning  : platina- rodium (13%) / platina
  • Kontinuerlig bruk fra 0 til 1600  ° C  ; Intermitterende bruk av 0- for å 1700  ° C .
  • Litt høyere FEM enn for S. Høyere stabilitet enn for S.
  • Farger i henhold til IEC 584-3: Oransje / + Oransje / - Hvit slire
  • Farger i henhold til NF C 42-323 1985: Grønn / + Gul / - Grønn slire
  • Farger i henhold til ANSI MC96-1: Skjede Grønn / + Svart / - Rød
Type S
  • Sammensetning  : platina-rodium (10%) / platina
  • Kontinuerlig bruk fra 0 til 1550  ° C  ; Intermitterende bruk av 0- for å 1700  ° C .
  • Høy motstand mot korrosjon og oksidasjon.
  • Lett forurenset.
  • Farger i henhold til IEC 584-3: Oransje / + Oransje / - Hvit slire
  • Farger i henhold til NF C 42-323 1985: Grønn / + Gul / - Grønn slire
  • Farger i henhold til ANSI MC96-1: Skjede Grønn / + Svart / - Rød
Type B
  • Sammensetning  : platina-rodium (30%) / platina-rodium (6%)
  • Kontinuerlig bruk fra 100 til 1600  ° C  ; Intermitterende bruk av 0- for å 1800  ° C .
  • Dårlig nøyaktighet under 600  ° C .
  • Ubetydelig kald, kompensering av 0-  for å  50  ° C .
  • Farger i henhold til IEC 584-3: Ikke standardisert
  • Farger i henhold til NF C 42-323 1985: Svart / + Gul / - Svart slire
  • Farger i henhold til ANSI MC96-1: Skjede svart / + svart / - rød

Basert på ildfaste metaller

Type C (eller W5)
  • Sammensetning  : wolfram - rhenium (5%) / wolfram-rhenium (26%)
  • Kontinuerlig bruk fra 50 til 1820  ° C  ; Intermitterende bruk av 20 for å 2300-  ° C .
  • Høy og lineær EMF ved høy temperatur. Ikke egnet for målinger under 400  ° C .
  • Høy pris, vanskelig å produsere, skjøre.
  • Brukes i en inert atmosfære. Anbefales ikke i et oksiderende miljø.
  • Ikke standardisert.
Type G (eller W)
  • Sammensetning  : wolfram / wolfram-rhenium (26%)
  • Kontinuerlig bruk fra 20 til 2320  ° C  ; intermitterende bruk av 0- for å 2600-  ° C .
  • Høy og lineær EMF ved høy temperatur. Ikke egnet for målinger under 400  ° C .
  • Brukes i en inert atmosfære. Anbefales ikke i et oksiderende miljø.
  • Ikke standardisert.
Type D (eller W3)
  • Sammensetning  : wolfram-rhenium (3%) / wolfram-rhenium (25%)
  • Kontinuerlig bruk fra 20 til 2320  ° C  ; intermitterende bruk av 0- for å 2600-  ° C .
  • Høy og lineær EMF ved høy temperatur. Ikke egnet for målinger under 400  ° C .
  • Brukes i en inert atmosfære. Anbefales ikke i et oksiderende miljø.
  • Ikke standardisert.

Utvalg

Området som skal måles

Det første viktige du må ta i betraktning er å få temperaturområdet som skal måles sammen med det optimale bruksområdet for termoelementet.

Utvikling av EMF som en funksjon av temperatur

Potensialforskjellen (eller FEM) generert av et termoelement er en funksjon av Seebeck-koeffisienten til termoelementet, temperaturen på den varme sveisen og temperaturen på de kalde sveisene.

I praksis er denne EMF ofte representert ved å pålegge temperaturen til de kalde sveisene ved 0 ° C.

Utviklingen av EMF som en funksjon av temperaturen på det varme krysset, for et referansekryss opprettholdt ved 0  ° C , er ikke lineær (bare kurven til termoelementet K, over et veldig begrenset temperaturområde, kan betraktes som konstant ).

Et termoelement hvis EMF varierer betydelig, gjør at målinger kan utføres med større følsomhet. Dermed er målingen mer presis.

Visse bruksområder for termoelementer, spesielt i et industrielt miljø, utføres under forhold der trykket og temperaturen kan være høy. Dette kan endre termoelementets nøyaktighet og slitasjehastighet. Det er derfor nødvendig å henvende seg til termoelementer med noen ganger lavere presisjon, men med spesiell motstand sammenlignet med bruksmiljøene.

Merknader og referanser

  1. (no) "  Sammendrag av standard IEC 60584-1 om termoelementer, deletabeller og referansefunksjoner  "
  2. Internasjonale standarder definert av American Society for Testing and Materials (ASTM)
  3. SensorTec - Termoelementteori
  4. "  TC Direct - Avhandling om termometri med termoelement og motstand  "

Se også

Eksterne linker