Thermoelement

Ein Thermoelement oder thermoelektrisches Paar ( CTE ) ist in der Physik ein Materialpaar, dessen 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckter Seebeck-Effekt zur Temperaturmessung verwendet wird . Sie sind kostengünstig und ermöglichen die Messung über einen weiten Temperaturbereich. Die Hauptbeschränkung ist die erhaltene Präzision. Es ist relativ schwierig, Messungen mit einer geringeren Unsicherheit von 0,1  ° C zu erhalten .

Messprinzipien

Der Seebeck-Effekt

Wenn zwei Metalle verwendet werden, um eine offene Schleife zu bilden (kein Strom fließt durch die Drähte) (siehe nebenstehende Abbildung), kann ein elektrisches Potential zwischen den beiden ungebundenen Anschlüssen der Schleife erzeugt werden, wenn in der Schleife ein Temperaturgradient vorliegt. Das erzeugte elektrische Potential kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:

wird als Seebeck-Koeffizient (die Indizes a und b repräsentieren die unterschiedliche Natur der verwendeten Metalle) oder Empfindlichkeitskoeffizient bezeichnet.

Einbau eines Thermoelements

Ein Thermoelement ist eine Baugruppe, die den Seebeck-Effekt zur Bestimmung der Temperatur verwendet. Diese besteht aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die an einem ihrer Enden angeschweißt sind. Diese Verbindungsstelle trägt den üblichen Namen „Heißschweißung“ und wird in einer Umgebung installiert, deren Temperatur gemessen werden soll. Die beiden anderen Enden sind an die Klemmen eines Voltmeters anzuschließen. Die zwei an den Anschlüssen des Voltmeters gebildeten Übergänge werden üblicherweise als "Referenzschweißnähte" oder "Kaltschweißnähte" bezeichnet.

Um die Umwandlung der gemessenen Spannung in Temperatur zu erleichtern, muss sichergestellt werden, dass die beiden "Referenzschweißnähte" die gleiche Temperatur haben. Hierzu ist es möglich, eine sogenannte "Referenzbox" oder "Cold Box" zu verwenden.

Die vom Voltmeter gemessene Spannung ist eine Funktion der Temperatur der „Heißschweißung“ und der Temperatur der „Kaltschweißnähte“ und kann aus dem folgenden Ausdruck berechnet werden:

Um die Temperatur der Heißschweißung zu bestimmen, muss die Temperatur der "Kaltschweißnähte" bekannt sein. Dies kann beispielsweise durch einen Temperatursensor vom thermoresistiven Typ (typischerweise einen Platin-Thermoresistor pt100 oder pt1000) erreicht werden.

Aus der Kenntnis der Entwicklung des Seebeck-Koeffizienten der verwendeten Metalle als Funktion der Temperatur ist es möglich, die Temperatur der „Heißschweißung“ zu bestimmen.

In der Praxis wird nicht der Seebeck-Koeffizient verwendet, sondern die EMF (elektromotorische Kraft), die Spannung, die von einem Thermoelement erzeugt wird, dessen Referenztemperatur bei 0  ° C gehalten wird (schmelzendes Eis). Die Temperatur wird aus der EMF unter Verwendung von Polynomgleichungen berechnet. Diese Beziehungen sowie die daraus abgeleiteten Referenztabellen sind in der internationalen Norm IEC 60584-1 angegeben.

Die meisten Baugruppen halten keine Referenztemperatur von 0  ° C aufrecht . Eine direkte Verwendung der Tabellen aus IEC 60584-1 ist nicht möglich. Es ist dann notwendig, auf ein Spannungskompensationssystem zurückzugreifen.

Spannungskompensation

Das Verfahren ist wie folgt. Das Voltmeter (oder ähnliches) misst die Spannung . Die Temperatur der „Vergleichsstelle“ wird durch ein zusätzliches Mittel gemessen. Diese Temperatur wird anhand der Tabellen, die das betrachtete Thermoelement charakterisieren, in Spannung umgewandelt. Diese Kompensationsspannung wird zu der vom Voltmeter gemessenen Spannung addiert, um die Spannung an der "heißen Verbindungsstelle" zu bestimmen. Diese korrigierte Spannung wird schließlich unter Verwendung der hier in die andere Richtung verwendeten Kalibrierungstabellen in Temperatur umgewandelt. Das von den Voltmeter-Kabeln verwendete Material (normalerweise Kupfer) wird bei der Berechnung nicht berücksichtigt, sofern die beiden „Kaltschweißnähte“ die gleiche Temperatur haben. Normalerweise sind sie sehr nahe beieinander. Die "Kaltschweißnähte" erzeugen daher ein Thermoelement vom gleichen Typ wie die "Heißschweißung", jedoch mit entgegengesetzter Polarität. Der Einfluss des Zwischenmetalls (des Kupfers des Voltmeters) wird aufgehoben.

Alterung und Kalibrierung

Ein Thermoelement ist eine Einheit, deren Eigenschaften sich unmittelbar nach seiner Herstellung (Oxidation) schnell ändern und danach sehr stabil bleiben. Es ist daher nützlich, ein neues Thermoelement zu "altern", indem man es für eine lange Zeit auf die Temperaturen bringt, bei denen es verwendet wird. Es muss dann kalibriert werden, um seine FEM zu tabellieren.

Arten von Thermoelementen

Ein Thermoelement kann aus jedem Metallpaar gebildet werden. In der Praxis sind bei Fragen zu Kosten, Empfindlichkeit, Messbereich, Oxidation, mechanischer Festigkeit usw. die verwendeten Metallpaare beschränkt.

In der folgenden Liste sind Thermoelemente aufgeführt, einschließlich der in internationalen Normen genannten.

In der folgenden Liste ist für die Temperaturbereiche die Verwendung "kontinuierlich" und "intermittierend" angegeben. Jeder Thermoelementtyp kann in seinem gesamten Einsatzbereich verwendet werden. Wenn ein Thermoelement jedoch zu lange außerhalb seines Dauerbereichs verwendet wird, kann dies das Thermoelement und seine Leistung beeinträchtigen. Daher ist es ratsam, es nur gelegentlich in diesem Bereich mit intermittierendem Gebrauch zu verwenden.

Basierend auf unedlen Metallen

Typ E. Typ J. Typ K. Geben Sie N ein Typ T. Typ M oder NiMo / NiCo
  • Zusammensetzung  : Nickel-Molybdän 18% (positiver Draht) / Nickel-Kobalt 0,8% (negativer Draht)
  • Andere Namen Ni / NiMo18% / NiMo / Ni / NiMo
  • Verwendung von +400 bis +1 370 ° C.
  • Wird in Vakuumöfen verwendet, wenn die Temperatur 1370  ° C nicht überschreitet
  • Wird in Öfen unter hydrierter Atmosphäre verwendet
  • Der Standard ASTM E1751 gibt eine FEM-Tabelle wieder.
  • Die Kompensation erfolgt mit dem Verlängerungskabel K, ähnlich sind die kompensierten Steckverbinder vom Typ K.
  • Nicht standardisiert.

Basierend auf Edelmetallen

Typ R.
  • Zusammensetzung  : Platin- Rhodium (13%) / Platin
  • Dauerbetrieb von 0 bis 1600  ° C  ; Intermittierende Verwendung von 0 zu 1700  ° C .
  • Etwas höhere FEM als bei S. Höhere Stabilität als bei S.
  • Farben nach IEC 584-3: Hülle Orange / + Orange / - Weiß
  • Farben nach NF C 42-323 1985: Grün / + Gelb / - Grüne Hülle
  • Farben nach ANSI MC96-1: Hülle Grün / + Schwarz / - Rot
Typ S.
  • Zusammensetzung  : Platin-Rhodium (10%) / Platin
  • Dauerbetrieb von 0 bis 1550  ° C  ; Intermittierende Verwendung von 0 zu 1700  ° C .
  • Hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.
  • Leicht verschmutzt.
  • Farben nach IEC 584-3: Hülle Orange / + Orange / - Weiß
  • Farben nach NF C 42-323 1985: Grün / + Gelb / - Grüne Hülle
  • Farben nach ANSI MC96-1: Hülle Grün / + Schwarz / - Rot
Typ B.
  • Zusammensetzung  : Platin-Rhodium (30%) / Platin-Rhodium (6%)
  • Dauerbetrieb von 100 bis 1600  ° C  ; Intermittierende Verwendung von 0 zu 1800  ° C .
  • Schlechte Genauigkeit unterhalb 600  ° C .
  • Vernachlässigbaren Vergleichsstellen - Kompensation von 0  zu  50  ° C .
  • Farben nach IEC 584-3: Nicht standardisiert
  • Farben nach NF C 42-323 1985: Schwarz / + Gelb / - Schwarze Hülle
  • Farben nach ANSI MC96-1: Hülle Schwarz / + Schwarz / - Rot

Basierend auf feuerfesten Metallen

Typ C (oder W5)
  • Zusammensetzung  : Wolfram - Rhenium (5%) / Wolfram-Rhenium (26%)
  • Dauerbetrieb von 50 bis 1.820  ° C  ; Intermittierende Verwendung von 20 zu 2300  ° C .
  • Hohe und lineare EMF bei hoher Temperatur. Nicht geeignet für Messungen unterhalb 400  ° C .
  • Hoher Preis, schwer herzustellen, zerbrechlich.
  • Verwendung in einer inerten Atmosphäre. In einer oxidierenden Umgebung nicht empfohlen.
  • Nicht standardisiert.
Typ G (oder W)
  • Zusammensetzung  : Wolfram / Wolfram-Rhenium (26%)
  • Dauerbetrieb von 20 bis 2320  ° C  ; intermittierende Verwendung von 0 zu 2600  ° C .
  • Hohe und lineare EMF bei hoher Temperatur. Nicht geeignet für Messungen unterhalb 400  ° C .
  • Verwendung in einer inerten Atmosphäre. In einer oxidierenden Umgebung nicht empfohlen.
  • Nicht standardisiert.
Typ D (oder W3)
  • Zusammensetzung  : Wolfram-Rhenium (3%) / Wolfram-Rhenium (25%)
  • Dauerbetrieb von 20 bis 2320  ° C  ; intermittierende Verwendung von 0 zu 2600  ° C .
  • Hohe und lineare EMF bei hoher Temperatur. Nicht geeignet für Messungen unterhalb 400  ° C .
  • Verwendung in einer inerten Atmosphäre. In einer oxidierenden Umgebung nicht empfohlen.
  • Nicht standardisiert.

Auswahl

Der zu messende Bereich

Als erstes ist zu berücksichtigen, dass der zu messende Temperaturbereich mit dem optimalen Einsatzbereich des Thermoelements übereinstimmt.

Entwicklung der EMF als Funktion der Temperatur

Die von einem Thermoelement erzeugte Potentialdifferenz (oder FEM) ist eine Funktion des Seebeck-Koeffizienten des Thermoelements, der Temperatur der Heißschweißnaht und der Temperatur der Kaltschweißnähte.

In der Praxis wird diese EMF häufig durch Auferlegen der Temperatur der Kaltschweißnähte auf 0 ° C dargestellt.

Die Entwicklung der EMF als Funktion der Temperatur des heißen Übergangs für einen auf 0  ° C gehaltenen Referenzübergang ist nicht linear (nur die Kurve des Thermoelements vom Typ K über einen sehr begrenzten Temperaturbereich kann als konstant angesehen werden ).

Ein Thermoelement, dessen EMF erheblich variiert, ermöglicht Messungen mit höherer Empfindlichkeit. Somit ist die Messung genauer.

Bestimmte Anwendungen von Thermoelementen, insbesondere in einer industriellen Umgebung, werden unter Bedingungen durchgeführt, bei denen der Druck und die Temperatur hoch sein können. Dies kann die Genauigkeit und Verschleißrate des Thermoelements verändern. Es ist daher notwendig, Thermoelemente mit manchmal geringerer Präzision, aber mit besonderem Widerstand im Vergleich zu den Einsatzumgebungen zu verwenden.

Anmerkungen und Referenzen

  1. (in) "  Zusammenfassung der Norm IEC 60584-1 für Thermoelemente, Teiletabellen und Referenzfunktionen  "
  2. Internationale Standards der American Society for Testing and Materials (ASTM)
  3. SensorTec - Thermoelementtheorie
  4. "  TC Direct - Abhandlung über Thermometrie durch Thermoelement und Widerstand  "

Siehe auch

Externe Links