Termočlánek (termoelektrický převodník) - zařízení ve formě dvojice vodičů z různých materiálů, spojených na jednom konci a tvořících součást zařízení, které využívá k měření termoelektrický jev [1] . Používá se v průmyslu, vědeckém výzkumu, medicíně a automatizačních systémech , především pro měření a regulaci teploty.
Pro měření teplotního rozdílu zón, z nichž žádná neobsahuje sekundární převodník (termo-EMF měřič), je vhodné použít diferenční termočlánek: dva stejné termočlánky vzájemně elektricky spojené. Každý z nich měří teplotní rozdíl mezi svým pracovním přechodem a podmíněným přechodem tvořeným konci termočlánků připojených ke svorkám sekundárního převodníku. Obvykle sekundární převodník měří jejich EMF rozdíl, takže pomocí dvou termočlánků je možné z výsledků měření napětí změřit teplotní rozdíl mezi jejich pracovními uzly. Metoda není přesná, pokud v sekundárním převodníku není zajištěna linearizace statické charakteristiky termočlánků, protože všechny termočlánky mají do určité míry nelineární statickou převodní charakteristiku [2] .
Princip činnosti je založen na Seebeckově jevu nebo jinými slovy na termoelektrickém jevu. Mezi připojenými vodiči je rozdíl potenciálů kontaktů ; mají-li spoje vodičů spojených do kruhu stejnou teplotu, je součet takových rozdílů potenciálů nulový. Když jsou spoje různých vodičů při různých teplotách, závisí potenciální rozdíl mezi nimi na rozdílu teplot. Koeficient úměrnosti v této závislosti se nazývá koeficient termo-EMF. Pro různé kovy je koeficient termo-EMF odlišný a v souladu s tím bude rozdíl potenciálů, ke kterému dochází mezi konci různých vodičů, odlišný. Umístěním spoje kovů s nenulovými termo-EMF koeficienty do média s teplotou získáme napětí mezi protilehlými kontakty umístěnými při jiné teplotě , které bude úměrné teplotnímu rozdílu:
Existují dva nejběžnější způsoby připojení termočlánku k měřicím převodníkům: jednoduchý a diferenciální. V prvním případě je měřicí převodník připojen přímo ke dvěma termoelektrodám. V druhém případě jsou použity dva vodiče s různými termo-EMF koeficienty, na obou koncích připájené a měřicí převodník je zařazen do mezery jednoho z vodičů. V každém případě se pro připojení termočlánků používají speciální termočlánkové kabely a vodiče .
Pro dálkové připojení termočlánků se používají prodlužovací nebo kompenzační vodiče. Prodlužovací dráty jsou vyrobeny ze stejného materiálu jako termoelektrody, ale mohou mít jiný průměr. Kompenzační dráty se používají hlavně s termočlánky z ušlechtilých kovů a mají jiné složení než termoelektrody. Požadavky na vodiče pro termočlánky jsou uvedeny v IEC 60584-3.
Následující základní doporučení zlepšují přesnost měřicího systému, který obsahuje termočlánkové čidlo [3] :
— Velmi tenký drátový miniaturní termočlánek by měl být připojen pouze pomocí prodlužovacích drátů s větším průměrem;
- Vyvarujte se, pokud je to možné, mechanickému tahu a vibracím drátu termočlánku;
- Při použití dlouhých prodlužovacích vodičů, aby se zabránilo rušení, připojte stínění vodičů k stínění voltmetru a vodiče opatrně otočte;
— Pokud je to možné, vyhněte se prudkým teplotním gradientům podél délky termočlánku;
- Materiál ochranného krytu by neměl kontaminovat elektrody termočlánku v celém rozsahu provozních teplot a měl by poskytovat spolehlivou ochranu drátu termočlánku při práci ve škodlivých podmínkách;
— Používejte prodlužovací vodiče v rámci jejich provozního rozsahu as minimálními teplotními gradienty;
- Pro doplňkovou kontrolu a diagnostiku měření teploty se používají speciální termočlánky se čtyřmi termoelektrodami, které umožňují dodatečná měření odporu obvodu pro sledování integrity a spolehlivosti termočlánků.
K měření teploty různých typů objektů a médií, ale i teplotního čidla v automatizovaných řídicích systémech. Termočlánky vyrobené ze slitiny wolframu a rhenia jsou nejvyšší teplotní kontaktní teplotní senzory [4] . Takové termočlánky se používají v metalurgii k měření teploty roztavených kovů.
Pro kontrolu plamene a ochranu před znečištěním plynem v plynových kotlích a jiných plynových spotřebičích (např. domácí plynové sporáky). Proud termočlánku ohřívaného plamenem hořáku udržuje pomocí elektromagnetu plynový ventil otevřený. V případě výpadku plamene se sníží proud termočlánku, sníží se proud elektromagnetu a ventil uzavře přívod plynu pomocí pružiny.
Ve 20. a 30. letech 20. století se termočlánky používaly k napájení jednoduchých rádiových přijímačů a dalších slaboproudých zařízení. K dobíjení baterií moderních slaboproudých zařízení (telefony, fotoaparáty atd.) pomocí otevřeného ohně je docela dobře možné použít termogenerátory.
Historicky představují termočlánky jeden z prvních detektorů termoelektrického záření [5] . Zmínky o tomto jejich použití pocházejí z počátku 30. let 19. století [6] . První fotodetektory používaly jednotlivé páry drátů (měď - železo , vizmut - antimon), horký spoj byl v kontaktu s černěnou zlatou deskou. Pozdější designy začaly používat polovodiče .
Termočlánky lze zapnout elektricky a vytvořit tak termočlánek . Horké spoje jsou umístěny buď po obvodu přijímací oblasti, nebo rovnoměrně po jejím povrchu. V prvním případě leží jednotlivé termočlánky ve stejné rovině, ve druhém jsou vzájemně rovnoběžné [7] .
Technické požadavky na termočlánky jsou stanoveny GOST 6616-94. Standardní tabulky pro termoelektrické teploměry - jmenovité statické převodní charakteristiky (NCX), toleranční třídy a rozsahy měření jsou uvedeny v normě IEC 60584-1.2 a v GOST R 8.585-2001.
Přesné slitinové složení termoelektrod pro termočlánky z obecných kovů není v IEC 60584-1 uvedeno. Jmenovité statické charakteristiky pro termočlánky chromel-copel THC a termočlánky wolfram-rhenium jsou definovány pouze v GOST R 8.585-2001. Norma IEC nezahrnuje údaje o termočláncích. Z tohoto důvodu se vlastnosti dovážených termočlánků z těchto kovových párů mohou výrazně lišit od domácích, např. importovaný typ L a domácí typ TXK nejsou zaměnitelné. Zároveň dovážené zařízení zpravidla není určeno pro domácí standard.
IEC 60584 je v současné době ve fázi revize. Plánuje se zavést do standardu wolfram-rhenium termočlánky typu A-1, jejichž jmenovitá statická charakteristika bude odpovídat ruskému standardu, a typ C podle standardu ASTM [8] .
V roce 2008 představila IEC dva nové typy termočlánků: zlato-platina a platina-palladium. Nová norma IEC 62460 stanoví standardní tabulky pro tyto termočlánky z čistého kovu. Podobný ruský standard zatím neexistuje.
Níže uvedená tabulka popisuje vlastnosti několika různých typů termočlánků [9] . Ve sloupcích přesnosti T představuje teplotu horkého spoje ve stupních Celsia. Například termočlánek s přesností ±0,0025×T by měl přesnost ±2,5°C při 1000°C.
Typ
termočlánky |
Materiál
pozitivní elektroda |
Materiál
negativní elektroda |
Tempo.
součinitel, uV/°C |
Tempo.
rozsah, °C (dlouho) |
Tempo.
rozsah, °C (Krátce) |
Třída přesnosti 1 (°C) | Třída přesnosti 2 (°C) | IEC (IEC)
Barevné kódování |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
K | Chromel
Cr-Ni |
Alumel
Ni-Al |
40…41 | 0 až +1100 | −180 až +1300 | ±1,5 od -40 °C do 375 °C ±0,004×T od 375 °C do 1000 °C |
±2,5 od -40 °C do 333 °C ±0,0075×T od 333 °C do 1200 °C |
Zeleno-bílá |
J | Žehlička
Fe |
Konstantan
Cu-Ni |
55,2 | 0 až +700 | −180 až +800 | ±1,5 od -40 °C do 375 °C ±0,004×T od 375 °C do 750 °C |
±2,5 od -40 °C do 333 °C ±0,T od 333 °C do 750 °C |
Černá bílá |
N | Nichrosil
Ni-Cr-Si |
Nisil
Ni-Si-Mg |
26 | 0 až +1100 | −270 až +1300 | ±1,5 od -40 °C do 375 °C ±0,004×T od 375 °C do 1000 °C |
±2,5 od -40 °C do 333 °C ±0,0075×T od 333 °C do 1200 °C |
Lila-bílá |
R | Platina Rhodium
Pt-Rh (13 % Rh) |
Platina
Pt |
5.3 | 0 až +1600 | -50 až +1700 | ±1,0 od 0 °C do 1100 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] od 1100 °C do 1600 °C |
±1,5 od 0 °C do 600 °C ±0,0025×T od 600 °C do 1600 °C |
oranžovo-bílá |
S | Platina Rhodium
Pt-Rh (10 % Rh) |
Platina
Pt |
5.4 | 0 až 1600 | −50 až +1750 | ±1,0 od 0 °C do 1100 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] od 1100 °C do 1600 °C |
±1,5 od 0 °C do 600 °C ±0,0025×T od 600 °C do 1600 °C |
oranžovo-bílá |
B | Platina Rhodium
Pt-Rh (30 % Rh) |
Platina Rhodium
Pt-Rh (6% Rh) |
+200 až +1700 | 0 až +1820 | ±0,0025×T od 600 °C do 1700 °C | Chybějící | ||
T | Měď
Cu |
Konstantan
Cu-Ni |
38 | −185 až +300 | −250 až +400 | ±0,5 od -40 °C do 125 °C ±0,004×T od 125 °C do 350 °C |
±1,0 -40 °C až 133 °C ±0,0075×T 133 °C až 350 °C |
hnědo-bílá |
E | Chromel
Cr-Ni |
Konstantan
Cu-Ni |
68 | 0 až +800 | −40 až +900 | ±1,5 od -40 °C do 375 °C ±0,004×T od 375 °C do 800 °C |
±2,5 od -40 °C do 333 °C ±0,0075×T od 333 °C do 900 °C |
Fialovo-bílá |
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|