Yüksek Hassasiyetli Sıcaklık Ölçümü İçin Termokuplların Tercih Edilmesinin Nedenleri Nelerdir?

Sorunun genellikle sorulduğu şekli, veri sayfalarının karşılaştırılmasıyla ayakta kalamayan bir varsayım içerir. Termokupl, mevcut en doğru sıcaklık sensörü değildir ve bu şekilde satılmaz. Bir platin direnç termometresi oda sıcaklığına yakın yaklaşık ±0.15 °C toleransa ulaşır ve bir termistör dar bir bantta daha iyisini yapar. Bir K tipi termokupl, hizmette herhangi bir sapma olmasa bile uluslararası tolerans standardı altında ±1.5 °C ile başlar.

Bir termokuplın her ikisinden de daha iyi yaptığı şey, tek bir direnç sensörünün ulaşamayacağı bir aralığı kapsaması, zorlu bir ortama dayanması, birkaç milimetre genişliğinde bir alana sığması ve milisaniyeler içinde tepki vermesidir. Bu kombinasyon, endüstriyel ölçümde baskın olmasının nedenidir ve hassasiyetten farklı bir iddiadır. 40 °C'de ±0.1 °C'ye ihtiyaç duyan bir alıcı termokupl satın almamalıdır ve bir fırının içinde 1.300 °C'de okumaya ihtiyaç duyan bir alıcının başka seçeneği yoktur.

Bu sayfa karşılaştırmayı dürüstçe ortaya koyar, ardından bir termokuplın doğruluğunun aslında nereden geldiğini gösterir: telin tolerans sınıfı, hizmette ona etki eden iki sapma mekanizması, soğuk eklem ve kalibrasyon noktaları. Bu dört öğe sonucu belirler ve hiçbiri sensör gövdesi değildir.

Aşağıdaki karşılaştırma, bir spesifikasyonun başlaması gereken karşılaştırmadır. Sayılar her aile için tipiktir ve belirli ürünle birlikte hareket eder, bu nedenle aileleri yerleştirmek için kullanılırlar, bir parça seçmek için değil.

İlk satırı ikinci satırla okuyun. En geniş aralığa sahip aile en gevşek toleransa sahiptir ve en sıkı toleransa sahip aile en dar aralığa sahiptir. Bu, her iki üründe de bir kusur değildir. Her ikisinin de var olma nedenidir ve aynı anda en geniş aralığı ve en sıkı toleransı isteyen bir spesifikasyon, hiçbir sensörün sağlamadığı bir kombinasyon istiyor.

IEC 60584-1, bir termokuplın çıkış toleransını tipe ve sınıfa göre belirler ve tolerans ya sabit bir derece sayısı ya da ölçülen sıcaklığın bir kesri olarak ifade edilir. Tablo, 0,1 mm ila 3 mm arasındaki tel çapları için yaygın baz metal ve soy metal tipleri için Sınıf 1 ve Sınıf 2 limitlerini vermektedir.

O tablodaki iki satır diğerlerinden daha fazla bilgi taşır. T tipi, 125 °C'nin altında ±0.5 °C ile düşük sıcaklıkta en sıkı baz metal tiptir, bu nedenle kriyojenik ve tıbbi çalışmalarda yer alır. S ve R tipleri soy metal tipleridir ve toleransları 1.100 °C'nin altında sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır, ±1.0 °C ile, bu K tipi için daha kötü görünse de, aralık okunduğunda: 1.000 °C'de bir K tipi ±4 °C'ye izin verilir ve soy metal tipi hala ±1 °C'ye izin verilir.

Standart ayrıca toleransın neleri kapsamadığını da belirtir. Limitler tedarik edilen tel için geçerlidir ve kullanım sırasındaki kalibrasyon sapmasına izin vermez. Bu cümle, bir sonraki bölümün var olma nedenidir.

Bir termokupl sertifika değerinde kalmaz. Termoelementler hizmette değişir ve değişim, verilen bir sıcaklıkta çiftin ürettiği voltajda bir kayma olarak görünür. K tipinde iki değişim zıt yönlerde etki eder, bu nedenle tek bir düzeltme faktörünün onları düzeltememesinin nedeni budur.

İlk mekanizma, nikel-krom alaşımı olan pozitif termoelementin atomik düzenindeki bir değişikliktir. Yaklaşık 200 °C ile 600 °C arasında, alaşım kısa menzilli düzen geliştirir, bu da atomların yeni bir faz oluşturmadan yerel olarak tercih edilen bir düzen alma anlamına gelir. Bu düzenleme, alaşımın Seebeck katsayısını yükseltir, bu nedenle termokupl yüksek okur. Etki zamana bağlıdır, belirli bir sıcaklıkta maksimuma doğru büyür ve maksimum değişim yaklaşık 400 °C'de meydana gelir. 600 °C'nin üzerinde, pozitif termoelement tamamen düzensizdir ve etki tersine döner.

İkinci mekanizma oksidasyondur. Nikel-krom alaşımında, krom tercihli olarak oksitlenir ve alaşımın krom içeriği sürekli bir dış krom oksit tabakası oluşturmak için yeterli değildir. Sonuç, bir krom-zengin oksit tabakasının üzerinde bir dış nikel oksittir ve bu tabakayı oluşturan krom, alttaki metalden alınır. Alaşım kromdan tükenmiş kalır ve daha düşük krom içeriği daha düşük bir Seebeck katsayısı anlamına gelir, bu nedenle termokupl düşük okur.

Pratik sonuç, her iki bandı da görmüş bir K tipi termokuplın, hatanın işaretinin kurulum geçmişine bağlı olduğu net bir hataya sahip olmasıdır ve bunu bilmenin tek yolu onu ölçmektir. Hizmet sonrası bir kalibrasyon kontrolü, toplamı ortaya çıkaran araçtır ve bir kampanya sonrası bir kalibrasyon laboratuvarına iade edilen bir prob, ne kadar hareket ettiğini bilmenin tek güvenilir yoludur.

Bir termokupl, mutlak bir sıcaklığı değil, bir farkı ölçer. Ürettiği voltaj, sıcak eklemdeki Seebeck etkisi ile terminallerdeki Seebeck etkisi arasındaki farktır, bu nedenle cihazın bir sonuç bildirmesi için terminal sıcaklığını bilmesi gerekir. Bu soğuk eklemdir ve içindeki hata, herhangi bir zayıflatma olmadan doğrudan okumaya geçer.

Yaygın olarak kullanılan üç yöntem vardır ve neyi varsaydıkları konusunda farklılık gösterirler. Sabit bir referans, terminalleri bilinen bir sıcaklıkta tutar, tarihsel olarak buz banyosu ve şimdi termostatlı bir blok. Telafili bir terminal, terminal sıcaklığını ayrı bir sensörle ölçer ve karşılık gelen voltajı elektronik olarak ekler. İzotermal bir blok, tüm terminallerin aynı sıcaklıkta olduğunu varsayar ve bu tek sıcaklığı bir kez ölçer.

En kolay kaldırılan hata, en sık yerinde bırakılan hatadır. Prob başlığı ile cihaz arasında sıradan bakır kablo ile monte edilmiş bir termokupl, geçişte iki yeni eklem oluşturmuştur ve bu eklemler kabinin ortam sıcaklığındadır. Okuma daha sonra işlem kadar kabin sıcaklığına da bağlıdır ve kabin ısıtılmadıkça veya soğutulmadıkça bu bağımlılık görünmez.

Bu nedenle telafi kablosu mevcuttur. Termokuplun termoelektrik davranışını sınırlı bir sıcaklık aralığında eşleştiren alaşımlardan yapılmıştır, bu nedenle probdan cihaza geçiş bir hata oluşturmaz. Kablonun bir polaritesi vardır, eşleşmenin geçerli olduğu bir sıcaklık aralığı vardır ve doğru şekilde bağlanması gerekir. Ters çevrilmiş bir telafi kablosu, eklem sıcaklığının iki katı kadar bir hata üretir, bu büyük bir hatadır ve bir cihaz hatası gibi görünür.

Bir tolerans sınıfı bir üretim limitidir ve belirli bir prob hakkında bir beyan değildir. Bir probun ne okuduğunu bilmenin yolu onu kalibre etmektir ve kalibrasyon yönteminin seçimi, aralığın ne kadarının kapsandığını belirler.

Karşılaştırmalı kalibrasyon, probu ve bir referans termometreyi aynı banyoya veya fırına yerleştirir ve bir dizi noktada farkı kaydeder. Hızlıdır, banyonun ulaşabileceği aralığı kapsar ve belirsizliği referans ve banyonun tekdüzeliği ile sınırlıdır. Sabit nokta kalibrasyonu, probu bir metalin donma noktası gibi bir termodinamik faz geçişinde tutar, burada sıcaklık bir referans termometre tarafından değil, fizik tarafından tanımlanır. Daha yavaştır ve daha pahalıdır ve kullandığı noktalarda daha düşük bir belirsizlik verir.

Hiçbir yöntem kalibrasyondan sonra meydana gelen sapmayı ortadan kaldırmaz. Kurulumdan önce kalibre edilmiş ve 400 °C'de bir yıl kullanılmış bir prob, artık sahip olmadığı bir durumu tanımlayan bir sertifikaya sahiptir. Bunu yakalayan uygulama, bir veya iki noktada periyodik bir kontroldür, sonuç orijinal sertifika ile karşılaştırılır ve aralık, takvimden ziyade okumaların ne kadar hızlı hareket ettiğine göre belirlenir.

Alternatiflerin gidemediği yerlerde bir termokupl için durum en güçlüdür. Tablo koşulları ve her birinin bu aileye işaret etmesinin nedenini ortaya koymaktadır.

Tel'in dört özelliği, bitmiş termokuplun performansını belirler ve dördü de prob monte edilmeden önce ayarlanır.

Bileşim Seebeck katsayısını belirler ve tolerans sınıfı, bileşimin ve işlemenin ne kadar sıkı tutulduğuna dair bir beyandır. K tipi bir çiftin çıktısını etkileyen bir krom içeriği sapması, tolerans limitinde önemli bir miktardır, bu nedenle termokupl teli için alaşım spesifikasyonu, direnç veya yapısal malzeme olarak kullanılan aynı alaşım için spesifikasyondan daha sıkıdır.

Homojenlik, okumanın sıcaklık gradyanının nereye düştüğüne ne kadar bağlı olduğunu belirler. Düzensiz işlenmiş veya uzunluğu boyunca bir bileşim gradyanına sahip bir tel, sıcak bölgede hangi kısmının oturduğuna bağlı olarak farklı bir voltaj üretir. Bu nedenle, bir termokupl bir bobinden kesilip geçmişi bilinmeden monte edilmemelidir ve kısaltılmış kullanılmış bir prob, değiştirildiği probdan farklı okuyabilir.

Yüzey durumu, oksidasyon mekanizmasının ne kadar hızlı ilerlediğini belirler. Temiz ve tekdüze bir yüzeye sahip bir tel, öngörülebilir bir şekilde oksitlenir ve çizik izleri veya kalıntı yağlayıcı içeren bir tel, yerel olarak oksitlenir ve kromu uzunluğu boyunca düzensiz bir şekilde tüketir.

Çap ömrü belirler. Daha kalın bir tel, oksit tabakasının tükettiği kromu kaybetmek için daha uzun sürer, bu nedenle ağır ölçülü bir prob aynı fırında daha uzun süre dayanır, ancak daha yavaş bir tepki maliyetiyle. Bu takas, alıcının tepki için ince tel ile ömür için ağır tel arasında seçim yaparken yaptığı takastır.

Termokupl teli, tip, sınıf, çap ve yalıtıma göre sipariş edilir ve çıkışı yöneten standart, alaşımı yöneten standarttan ayrıdır.

DLX, Changzhou, Jiangsu'da 0,025 mm'den başlayan teller, 50 mm'ye kadar yuvarlak çubuklar ve 0,50 mm ila 2,5 mm kalınlığında şeritler halinde termokupl alaşımları tedarik etmektedir. Aralığı, K ve N tipleri için nikel-krom ve nikel-silikon alaşımlarını, T ve J tipleri için bakır-nikel alaşımlarını ve S ve R tipleri için platin-rodyum alaşımlarını, ayrıca eşleşen telafi kablosu alaşımlarını kapsar.

Tel, siparişte belirtilen alaşım spesifikasyonuna ve tolerans sınıfına göre, talep üzerine bir EN 10204 3.1 sertifikası ve test sonuçlarına izlenebilir ısı numarası ile birlikte tedarik edilir. Faydalı soru, genel olarak hangi tipin en doğru olduğu değil, hangi tipin kurulumun aralığı ve atmosferi boyunca toleransını koruduğudur.

Hayır, ve veri sayfaları bunu söylüyor. Bir Sınıf A platin direnç termometresi oda sıcaklığına yakın yaklaşık ±0.15 °C'ye ulaşırken, bir Sınıf 1 K tipi termokupl 375 °C'nin altında ±1.5 °C'ye izin verir. Termokupl aralık, boyut, tepki hızı ve zorlu bir ortama dayanma yeteneği açısından kazanır. Direnç termometresi, kullanılabildiği yerlerde doğruluk ve kararlılık açısından kazanır.

IEC 60584-1'den bir üretim toleransıdır: -40 ila 375 °C arasında ±1.5 °C ve 375 ila 1.000 °C arasında ölçülen sıcaklığın ±0.004 katı, bu da 1.000 °C'de ±4 °C'dir. Standart, limitlerin tedarik edilen tel için geçerli olduğunu ve kullanım sırasındaki kalibrasyon sapmasına izin vermediğini belirtir, bu nedenle bir yıl sıcaklıkta geçirmiş bir Sınıf 1 prob artık Sınıf 1 içinde olmayabilir.

Farklı sıcaklık bantlarında etki eden ve okumayı zıt yönlere iten iki mekanizma olduğu için. Yaklaşık 200 ila 600 °C arasında, pozitif bacak kısa menzilli düzen geliştirir, bu da Seebeck katsayısını artırır ve çiftin yüksek okumasına neden olur, en büyük etki yaklaşık 400 °C'dedir. Hava içinde yaklaşık 900 °C'nin üzerinde, krom oksitlenir ve alttaki metal kromdan tükenir, bu da Seebeck katsayısını düşürür ve çiftin düşük okumasına neden olur. Net hata, kurulum geçmişine bağlıdır.

Bağlanabilir ve bağlantı, kabinin ortam sıcaklığında iki yeni eklem oluşturur. Okuma daha sonra işlem kadar bu ortam sıcaklığına da bağlıdır ve kabin ısıtılmadıkça bu bağımlılık görünmez. Sınırlı bir aralıkta termokuplu eşleştiren alaşımlardan yapılmış telafi kablosu, doğru tipte ve doğru polarite ile bağlandığı sürece hatayı önler.

Aralık, sabit bir takvime değil, gerçekte gözlemlenen sapmayı takip etmelidir. Sabit sıcaklıkta temiz bir fırındaki bir prob, düzenleme bandından geçen veya 900 °C'nin üzerindeki havada çalışan bir probdan daha az sapar. Bir veya iki noktada periyodik bir kontrol, orijinal sertifika ile karşılaştırıldığında sapma oranını verir ve oran aralığı belirler.

Sıcaklık baz metal tiplerinin pratik aralığının üzerinde olduğunda veya toleransın yüksek sıcaklıkta geçerli olması gerektiğinde. Bir K tipi, Sınıf 1'de 1.000 °C'de ±4 °C'ye izin verirken, bir S veya R tipi 1.100 °C'ye kadar ±1.0 °C'ye izin verir. Soy metal tipleri daha pahalıdır, kirlenmeye karşı daha hassastır ve telin fiyatından daha fazla doğruluk gerektiren yerlerde cevaptır.

Bir termokupl, hiçbir direnç sensörünün ulaşamadığı bir aralığı kapsadığı, birini yok eden ortamlara dayandığı ve milisaniyeler içinde tepki verdiği için endüstriyel sıcaklık ölçümü için tercih edilen seçenektir. En doğru sensör değildir ve onu bu şekilde ele alan bir spesifikasyon yanlış bir öncülle başlar.

Mevcut doğruluk dört öğeden gelir: telin tolerans sınıfı, kurulumun ürettiği sapma, soğuk eklem ve kalibrasyon. K tipinde zıt yönlerde etki eden iki mekanizmaya sahip sapma, bir düzeltme faktörünün kalibrasyon kontrolünün yerini alamamasının nedenidir. Soğuk eklem hatası, zayıflatma olmadan okumaya geçer, bu nedenle telafi kablosu ve tekdüze bir terminal bloğu prob kadar önemlidir.

IEC 60584-1, termokupllar, referans fonksiyonları ve toleransları. K tipi için ±1.5 °C ve ±0.004 x t limitleri, T tipi için ±0.5 °C ve ±0.004 x t limitleri ve S ve R tipleri için ±1.0 °C ve ±(1 + 0.003 x (t - 1.100)) limitleri dahil olmak üzere tipe ve sıcaklık aralığına göre Sınıf 1 ve Sınıf 2 toleranslarının kaynağı.

IEC 60584-2, termokupllar, toleranslar, referans fonksiyonlarının tamamlayıcı belgesi olarak.

K tipi termokupl teli hakkında yayınlanmış teknik veriler, 100 °C'de kelvin başına yaklaşık 42 mikrovolt ve 1.000 °C'de 39, 0 ila 1.100 °C sürekli aralığı, -180 ila 1.350 °C kısa süreli aralığı ve standart toleransların kullanım sırasında kalibrasyon sapmasına izin vermediği ifadesi.

Cambridge Üniversitesi'nden K tipi çıplak tel termokupllarda sapma üzerine yayınlanmış araştırma. 200 ila 600 °C arasındaki pozitif termoelementte kısa menzilli düzenleme dönüşümü, ürettiği Seebeck katsayısındaki artış, yaklaşık 400 °C civarındaki maksimum etki, 600 °C'nin üzerindeki düzensiz durum ve 900 °C'nin üzerindeki tercihli oksidasyondan kaynaklanan krom tükenmesi mekanizması, Seebeck katsayısını düşürür.

IEC 60751, endüstriyel platin direnç termometreleri ve platin sıcaklık sensörleri, karşılaştırmada kullanılan oda sıcaklığına yakın yaklaşık ±0.15 °C'lik Sınıf A toleransının kaynağı olarak.

ASTM E230, standart spesifikasyon ve standartlaştırılmış termokupllar için sıcaklık elektromotif kuvvet tabloları, IEC referans fonksiyonlarının Kuzey Amerika muadili olarak.

ASTM E220, termokuplların karşılaştırma teknikleriyle kalibrasyonu için standart test yöntemi.

EN 10204, denetim belgeleri, 3.1 sertifikasının gerçek test sonuçlarını içeren ve üreticinin bağımsız denetim temsilcisi tarafından onaylanmış bir belge olarak tanımı.

Yukarıdaki toleranslar ve sıcaklıklar, adlandırılan tipler ve sınıflar için standart değerlerdir ve tedarik edilen tel için geçerlidir, hizmetteki bir prob için değil. Tolerans, bir üretim limitidir ve bir ölçüm belirsizliği değildir ve belirli bir okumanın belirsizliği soğuk eklemi, uzatma telini, cihazı ve kurulumun ürettiği sapmayı içerir. K tipi için açıklanan sapma mekanizmaları zamanla etki eder ve büyüklükleri sıcaklığa, atmosfere ve maruz kalmaya bağlıdır, bu nedenle bir prob kontrol edilmeli ve varsayılmamalıdır. Direnç termometreleri ve termistörler için doğruluk rakamları, adlandırılan sınıflar için tipik değerlerdir ve belirli ürüne göre değişir. Ürün spesifikasyonları revize edilir ve sipariş emrinde belirtilen baskı geçerlidir. Bu sayfadaki hiçbir şey, bir mühendislik sürümünün veya alıcı ve tedarikçi arasında anlaşılan yeterlilik testinin yerini tutmaz.