¿Qué es un termopar?

¿Qué es un termopar?

Es un elemento de detección de temperatura de uso común en los instrumentos de medición de temperatura. Mide directamente la temperatura y convierte la señal de temperatura en una señal de potencial termoeléctrico, que luego se convierte en instrumentos eléctricos (instrumentos secundarios) en la temperatura del medio medido. Aunque las formas de varios termopares pueden variar en gran medida dependiendo de su aplicación, su estructura básica es en gran medida la misma, que generalmente consiste en un elemento termoeléctrico, un tubo de protección de manga aislante y una caja de unión. Estos termopares generalmente se usan junto con instrumentos de visualización, instrumentos de grabación y reguladores electrónicos. Cómo funciona un termopar esta relación se usa ampliamente en la medición práctica de la temperatura. Dado que la unión fría T0 permanece constante, el potencial termoeléctrico generado por el termopar varía solo con los cambios en la temperatura de la unión caliente (el extremo de medición). Esto significa que un potencial termoeléctrico específico corresponde a una temperatura específica. Al utilizar el método para medir el potencial termoeléctrico, podemos lograr el propósito de medición de la temperatura El principio fundamental de la medición de temperatura del termopar es que un circuito cerrado está formado por dos conductores hechos de diferentes materiales. Cuando hay un gradiente de temperatura entre los dos extremos, la corriente fluye a través del circuito, generando una fuerza electromotriz (EMF) entre los dos extremos. Este fenómeno se conoce como el efecto Seebeck. Los dos conductores, hechos de diferentes materiales, son los termoelementos, con el extremo más caliente que sirve como extremo de trabajo y el extremo más frío como extremo libre, que generalmente se mantiene a una temperatura constante. Basado en la relación entre el EMF y la temperatura, se crea una tabla de calibración de termopar. Esta tabla se basa en la condición donde la temperatura del extremo libre es de 0 grados, y diferentes termopares tienen sus propias tablas de calibración. Cuando se agrega un tercer material metálico al circuito termopar, siempre que las temperaturas en ambas uniones de este material sean los mismos, el potencial termoeléctrico generado por el termopar permanecerá sin cambios, no afectado por la adición del tercer metal. Por lo tanto, cuando se usa un termopar para la medición de la temperatura, se puede conectar un instrumento de medición para medir el potencial termoeléctrico, lo que permite determinar la temperatura del medio que se mide. Al medir la temperatura con un termopar, es esencial que la temperatura en la unión fría (el extremo conectado al circuito de medición a través de los cables) permanezca constante, ya que esto asegura que el potencial termoeléctrico sea proporcional a la temperatura medida. Si la temperatura en la unión fría (el entorno) cambia durante la medición, puede afectar significativamente la precisión de la medición. Para compensar el impacto de los cambios en la temperatura de la unión fría, las medidas se toman en la unión fría, que se conoce como compensación de la unión fría. Se utilizan cables de compensación especiales para conectarse al instrumento de medición.

Tipos y características comunes de los termopares

Los termopares comunes se pueden clasificar en dos tipos principales: estándar estándar y no -. Los termopares estándar son aquellos para los cuales el estándar nacional especifica su relación de temperatura de potencial termoeléctrico -, error permitido y una tabla de calibración unificada. Vienen con instrumentos de visualización a juego para la selección. Los termopares estándar no - tienen un rango o cantidad de aplicaciones más pequeñas en comparación con los termopares estándar y generalmente carecen de una tabla de calibración unificada, lo que los hace utilizar principalmente para mediciones en situaciones especiales. Desde el 1 de enero de 1988, China ha estandarizado la producción de termopares y termómetros de resistencia de acuerdo con los estándares internacionales de IEC, designando siete tipos - S, B, E, K, R, J, T - como las termocoplias estándar unificadas para China.

Teóricamente, cualquiera de los dos conductores diferentes (o semiconductores) se puede emparejarse para formar un termopar. Sin embargo, como componentes prácticos de medición de temperatura, deben cumplir con múltiples requisitos. Para garantizar la confiabilidad y la precisión suficiente en las aplicaciones de ingeniería, no todos los materiales son adecuados para termopares. En general, los requisitos básicos para los materiales de electrodos de los termopares son:

1. Dentro del rango de medición de temperatura, las propiedades termoeléctricas son estables y no cambian con el tiempo, y hay suficiente estabilidad física y química, que no es fácil de oxidar o corroer;

2, coeficiente de resistencia de pequeña temperatura, alta conductividad, pequeño calor específico;

3. El potencial termoeléctrico generado en la medición de la temperatura debe ser grande, y el potencial termoeléctrico es una relación de función de valor único lineal o casi lineal con la temperatura;

4. El material tiene una buena reproducibilidad,

¿Cómo instalar termopar?

En la producción, debido a diferentes objetos bajo prueba, diferentes condiciones ambientales, diferentes requisitos de medición y diferentes métodos de instalación de resistencias y medidas térmicas tomadas, hay muchos problemas a considerar. Sin embargo, en principio, se puede considerar a partir de tres aspectos: precisión de la medición de la temperatura, seguridad y conveniencia del mantenimiento. Para evitar daños al elemento de detección de temperatura, debe asegurarse de que tenga suficiente resistencia mecánica. Para proteger el elemento del desgaste, se debe agregar una pantalla o tubo protector. Para garantizar la seguridad y la confiabilidad, el método de instalación del elemento de detección de temperatura debe determinarse en función de condiciones específicas, como la temperatura y la presión del medio a medir, la longitud del elemento, su posición de instalación y forma. Los siguientes son algunos ejemplos para llamar la atención:

Todos los elementos de detección de temperatura instalados para resistir la presión deben garantizar su sellado. Para los termopares que funcionan a altas temperaturas, para evitar la deformación del tubo protector, generalmente deben instalarse verticalmente. Si es necesaria la instalación horizontal, no debe ser demasiado larga y se debe usar un soporte para proteger el termopar. Si el elemento de detección de temperatura se instala en una tubería con alta velocidad de flujo medio, debe instalarse en ángulo. Para evitar la erosión excesiva, es mejor instalar el elemento de detección de temperatura en las curvas de la tubería. Cuando la presión media excede los 10 mPa, se debe agregar una manga protectora al elemento de medición. La ubicación de instalación de termopares y resistencias térmicas también debe considerar suficiente espacio para el desmontaje, el mantenimiento y la calibración. Los termopares y las resistencias térmicas con tubos de protección más largos deben ser fáciles de desmontar y ensamblar

Método de medición de temperatura de termopar

El tiempo de respuesta térmica es complejo, y diferentes condiciones experimentales pueden conducir a diferentes resultados de medición. Esto se debe a que el tiempo de respuesta térmica está influenciado por la velocidad de transferencia de calor entre el termopar y su medio circundante; Una tasa de transferencia de calor más alta da como resultado un tiempo de respuesta térmica más corto. Para garantizar que el tiempo de respuesta térmica de los productos termopar sea comparable, los estándares nacionales especifican que el tiempo de respuesta térmica debe medirse utilizando un dispositivo de prueba de flujo de agua especializado. El caudal de agua debe mantenerse a 0.4 ± 0.05 m/s, con una temperatura inicial que varía de 5-45 grados y un paso de temperatura de 40-50 grados. Durante la prueba, la temperatura del agua no debe cambiar en más del ± 1% de la etapa de temperatura. El termopar debe insertarse a una profundidad de 150 mm o la profundidad de inserción del diseño (lo que sea más pequeño) y esto debe tenerse en cuenta en el informe de prueba.

Debido a que el dispositivo es relativamente complejo, solo unas pocas unidades tienen este equipo en la actualidad, por lo que el estándar nacional estipula que el fabricante y el usuario pueden negociar para adoptar otros métodos de prueba, pero los datos dados deben indicar las condiciones de prueba.

Debido a que el potencial termoeléctrico del termopar tipo B es muy pequeño cerca de la temperatura ambiente, el tiempo de respuesta térmica no es fácil de medir. Por lo tanto, el estándar nacional estipula que el conjunto del electrodo termoeléctrico de la misma especificación del termopar de tipo S puede usarse para reemplazar su propio conjunto de electrodo termoeléctrico, y luego la prueba se puede realizar.

Durante el experimento, registre el tiempo T0.5 cuando la salida del termopar cambia al 50% del cambio de paso de temperatura. Si es necesario, también registre el tiempo de respuesta térmica al 10% T0.1 y el tiempo de respuesta térmica del 90% T0.9. Los tiempos de respuesta térmica registrados deben ser el promedio de al menos tres pruebas, con cada medida que se desvía del promedio en ± 10%. Además, el tiempo requerido para el cambio de paso de temperatura no debe exceder una décima - del T0.5 del termopar probado. El tiempo de respuesta del instrumento de grabación o el medidor tampoco debe exceder una décima - del T0.5 del termopar probado.

Tipos principales de termopares

1. Clasificación De acuerdo con el tipo de dispositivo de fijación como el principal medio de medición de temperatura, el termopar tiene una amplia gama de usos, por lo que existen muchos requisitos para fijar dispositivos y rendimiento técnico. Por lo tanto, los dispositivos de fijación del termopar se dividen en seis tipos: ningún tipo de dispositivo de fijación, tipo rosado, tipo de brida fija, tipo de brida móvil, tipo de regla de ángulo de brida móvil, tipo de tubo de protección cónica.

2. Clasificación De acuerdo con el ensamblaje y la estructura de acuerdo con el rendimiento y la estructura de los termopares, se pueden dividir en: termopares desmontables, explosión - termopares a prueba, termopares blindadas y termopares de propósito especial como termocouples de resorte de presión a presión.

¿A qué requisitos se les debe prestar atención al instalar ThermoCouple?

Para la instalación de termopares y termómetros de resistencia, se debe prestar atención a la precisión de la medición de la temperatura, la seguridad y la confiabilidad, y el mantenimiento conveniente, y no afectar la operación de equipos y operaciones de producción. Para cumplir con los requisitos anteriores, al seleccionar las piezas de instalación y la profundidad de inserción de los termopares y los termómetros de resistencia, preste atención a los siguientes puntos:

1. Para garantizar un intercambio de calor suficiente entre el extremo de medición del termopar y el termómetro de resistencia y el medio medido, el punto de medición debe seleccionarse razonablemente, y el termopar o el termómetro de resistencia deben instalarse lo más lejos posible de las válvulas, los codos y los esquinas muertas de las tuberías y el equipo.

2. Los termopares y los termistores con mangas protectores tienen pérdidas de transferencia de calor y disipación de calor. Para reducir los errores de medición, los termopares y los termistores deben tener suficiente profundidad de inserción:

(1) Para el termopar que mide la temperatura del fluido en el centro de la tubería, generalmente debe insertarse en el centro de la tubería (instalación vertical o instalación inclinada). Si el diámetro de la tubería es de 200 mm, la profundidad de inserción del termopar o la resistencia debe seleccionarse para ser de 100 mm;

(2) Para las mediciones de temperatura de la temperatura alta -, alta - y alta - fluidos de velocidad (como la temperatura de vapor principal), para reducir la resistencia del manga protectora al fluido y evitar que se rompa bajo presión de líquido, se puede usar un método de insaltion poco poco tímido para el tubo protector o un trameo térmico. La profundidad de la manga protectora para el termopar de inserción poco profunda no debe ser inferior a 75 mm cuando se inserta en el tubo de vapor principal; La profundidad de inserción estándar para un termopar de manga térmica es de 100 mm;

(3) Si es necesario medir la temperatura del gas de combustión en el fugas, aunque el diámetro de la bomba es de 4 m, la profundidad de inserción del termopar o la resistencia es de 1 m;

(4) Cuando la profundidad de inserción del original de medición excede 1 m, debe instalarse verticalmente en la medida de lo posible, o se debe agregar el marco de soporte y la tubería de protección.

Se deben prestar atención a los siguientes puntos para usar correctamente el termopar para evitar errores

El uso correcto de termopar no solo puede obtener con precisión el valor de la temperatura, garantizar la calificación del producto, sino también ahorrar el consumo de material de termopar, sino también ahorrar dinero y garantizar la calidad del producto. Instalación incorrecta, conductividad térmica y errores de retraso de tiempo, son los principales errores en el uso del termopar.

1. Errores introducidos por una instalación inadecuada Si la posición de instalación y la profundidad de inserción del termopar no reflejan con precisión la temperatura real del horno, por ejemplo, el termopar no debe colocarse demasiado cerca de la puerta o las áreas de calefacción, y su profundidad de inserción debe ser al menos 8 a 10 veces el diámetro del tubo protector. La brecha entre la manga protectora del termopar y la pared del horno no está llena de material aislante, lo que puede hacer que el calor escape o el aire frío para invadir el horno. Por lo tanto, la brecha entre la manga protectora del termopar y la pared del horno debe sellarse con arcilla refractaria o cuerda de asbesto para evitar la convección de aire caliente y frío, lo que podría afectar la precisión de la medición de la temperatura. Si el extremo frío del termopar está demasiado cerca del cuerpo del horno, la temperatura puede exceder los 100 grados. La instalación del termopar debe evitar fuertes campos magnéticos y campos eléctricos tanto como sea posible, por lo que no debe instalarse en el mismo conducto que los cables de alimentación para evitar la interferencia que podrían causar errores. El termopar no debe instalarse en áreas donde el medio medido fluye muy poco. Al medir la temperatura de gas dentro de la tubería con un termopar, el termopar debe instalarse en la dirección opuesta a la velocidad de flujo y debe tener suficiente contacto con el gas.

2. Error introducido por el deterioro del aislamiento Si el termopar está aislado, demasiada suciedad o residuo de sal en el tubo protector y la placa de extracción provoca un aislamiento deficiente entre los polos del termopar y la pared del horno, lo cual es más grave a alta temperatura. Esto no solo causará la pérdida de potencial termoeléctrico, sino que también introducirá interferencia, y el error causado por esto a veces puede alcanzar cientos de grados.

3. Error introducido por la inercia térmica La inercia térmica de los termopares hace que la lectura del instrumento se retrase detrás de los cambios de temperatura reales, lo que es particularmente notable durante las mediciones rápidas. Por lo tanto, es aconsejable usar termopares con termoelementos más finos y diámetros de tubo protectores más pequeños. Cuando el entorno de medición lo permite, se puede eliminar el tubo de protección. Debido al retraso de la medición, la amplitud de las fluctuaciones de temperatura detectadas por los termopares es menor que la de las temperaturas del horno. Cuanto mayor sea el retraso de la medición, mayor será la amplitud de las fluctuaciones del termopar, y mayor es la diferencia con la temperatura del horno real. Al usar termopares con una gran constante de tiempo para la medición o control de temperatura, el instrumento puede mostrar fluctuaciones de temperatura mínimas, pero la temperatura real del horno podría variar significativamente. Para garantizar la medición precisa de la temperatura, se deben elegir termopares con una pequeña constante de tiempo. La constante de tiempo es inversamente proporcional al coeficiente de transferencia de calor y directamente proporcional al diámetro del extremo caliente del termopar, la densidad del material y su calor específico. Para reducir la constante de tiempo, además de aumentar el coeficiente de transferencia de calor, el método más efectivo es minimizar el tamaño del extremo caliente. En la práctica, los materiales con buena conductividad térmica, paredes del tubo delgada y pequeños diámetros internos se usan típicamente para mangas protectores. Para mediciones de temperatura más precisas, se usan termopares de alambre desnudo sin mangas protectores, pero se pueden dañar fácilmente y requieren calibración o reemplazo oportuno.

4. Error de resistencia térmica a alta temperatura, si hay una capa de hollín en el tubo protectora y se une el polvo, la resistencia térmica aumentará y la conducción de calor se obstaculizará. En este momento, la indicación de temperatura es menor que el valor verdadero de la temperatura medida. Por lo tanto, la limpieza externa del tubo protector del termopar debe mantenerse para reducir el error.

Las principales ventajas de los termopares

1. Alta precisión de medición. Debido a que está en contacto con el objeto medido directamente, no se ve afectado por el medio intermedio.

2. Amplio rango de medición. Los termopares comunes se pueden medir continuamente de 50 grados--1600 grados, y algunos termopares especiales se pueden medir como bajos de 269 grados (como el cromo de níquel de hierro de oro) y hasta 2800 grados (como tungsteno, renio).

3. Estructura simple y fácil de usar. Los termopares generalmente se componen de dos cables de metal diferentes, y no están limitados por el tamaño y el comienzo. Tienen una manga protectora en el exterior, lo que los hace muy convenientes de usar.

¿Cuáles son las tendencias futuras y los campos de aplicación del termopar?

I. Innovación de materiales de tendencia de desarrollo futuro y mejora del rendimiento Nuevos materiales termoeléctricos: desarrollar materiales con mayor sensibilidad y rango de temperatura más amplio (como termopares de óxido, nanocompuestos) para reemplazar las aleaciones de metales tradicionales (como K - Tipo, j -} Tipo) Termocupples flexibles: la demanda de los dispositivos de temperatura y la curva de la temperatura curvada es el escenario de la temperatura curvada es la escena del escenario. Termocouples de película delgados - (como Electrónica impresa). Materiales superconductores de alta temperatura: explorar esquemas de medición de temperatura estable en entornos extremos (como reactores aeroespaciales y nucleares). Procesamiento de señal integrado inteligente e integrado: amplificador en miniatura integrado y circuito de compensación digital, salida directa de señal digital, reducen la interferencia externa. IoT Fusion: monitoreo remoto a través de la transmisión inalámbrica (como Lora, NB - IoT) para apoyar a la industria 4.0 y las aplicaciones Smart City. Sistema de alimentación -: usando el efecto Seebeck de termopares para alimentar los dispositivos de potencia - (como nodos de sensor inalámbrico). Optimización de la precisión y la tecnología de calibración de IA de confiabilidad: a través del aprendizaje automático para compensar dinámicamente el error no lineal y la deriva del envejecimiento, prolonga la vida útil. Multi - Fusión del sensor: combinado con infrarrojo, RTD, etc., para mejorar la fiabilidad de la medición en un entorno complejo. Proceso de MEMS de bajo costo y estandarización: la producción de sistemas microelectromecánicos grandes -} de sistemas microelectromecánicos reduce el costo de los micro termopares y expande aplicaciones de consumo. Unificación estándar internacional: se adapte a la cadena de suministro global, simplifique el proceso de selección y mantenimiento.

2, Campos de aplicación emergentes de nuevo almacenamiento fotovoltaico y de energía de neutralidad de carbono y carbono: monitoree la temperatura del panel solar (para evitar el efecto de punto caliente) y el manejo térmico de los sistemas de almacenamiento de energía. Energía de hidrógeno: producción de hidrógeno a alta presión y monitoreo de temperatura de pilas de pilas de combustible. Fusión nuclear: mediciones extremas de alta temperatura para futuros reactores (como termopares de tungsteno y renio). Alto - Fabricación de semiconductores de fabricación y automatización final: control de temperatura de precisión del procesamiento de obleas y equipos de grabado (respuesta de milisegundos se requiere). Fabricación aditiva: Real - retroalimentación de tiempo de la temperatura del grupo de fusión en el proceso de impresión 3D para optimizar la calidad del moldeo. Robot: protección de sobrecalentamiento de la articulación del robot colaborativo. Cirugía biomédica y de salud mínimamente invasiva: los termopares ultrafinos se integran en un catéter o endoscopio para monitorear la temperatura del tejido en tiempo real. Dispositivos portátiles: monitoreo continuo de los cambios de temperatura corporal (como las necesidades de gestión de la salud después de la epidemia). Terapia de baja temperatura: control de temperatura preciso durante la crioterapia de nitrógeno líquido. Aeronave supersónico aeroespacial y de defensa: monitoreo de calentamiento aerodinámico de superficie (materiales resistentes a más de 2000 C requeridos). Control térmico satelital: mejora de la confiabilidad en el entorno de temperatura extrema del espacio. Gestión de la salud del motor: monitoreo de distribución de temperatura de la cuchilla de turbina. Electronics de casas inteligentes y de consumo aparatos domésticos inteligentes: control de temperatura preciso de hornos, máquinas de café y otros electrodomésticos. Dispositivos AR/VR: evitar que el sobrecalentamiento del procesador afecte la experiencia del usuario. Medio ambiente y agricultura Agricultura inteligente: monitoreo de la temperatura de invernadero y del suelo. Exploración geotérmica: medición de temperatura profunda para ayudar al desarrollo de la energía.

resumir

El futuro de los termopares se centrará en tres áreas clave: High - Performance Materials, Intelligence y Cross - Integración del dominio. Continuarán penetrando en alto - sectores finales, como nueva energía, atención médica y aeroespacial, e ingresarán al mercado de consumo a medida que disminuyen los costos. Sus ventajas básicas - estructura simple, sin requisito de fuente de alimentación y resistencia al calor - aseguran su irremplazabilidad, pero también deben desarrollarse en conjunto con las tecnologías de sensores emergentes.