Estoy haciendo un termopar, me pregunto si lo siguiente le será útil
1. Principios básicos de la medición de temperatura del termopar
Combine dos conductores de diferentes. Los materiales O semiconductores A y B se conectan para formar un circuito cerrado, formando un termopar. Como se muestra en la Figura 1. El extremo de temperatura t es el extremo de detección de temperatura y se denomina extremo de medición. El extremo de temperatura t0 es el extremo de conexión del instrumento y se denomina extremo de referencia o extremo frío cuando hay una diferencia de temperatura entre los dos puntos de conexión t y t0. de los conductores A y B, hay una diferencia de temperatura en el bucle. La fuerza electromotriz EAB(t,t0) se genera en el circuito, formando así una corriente en el bucle. Este fenómeno se llama efecto termoeléctrico. llamado potencial termoeléctrico, y el termopar utiliza este efecto para funcionar. El tamaño del potencial termoeléctrico está relacionado con t Está relacionado con el tamaño de la diferencia entre t0 Cuando se conocen los dos materiales del electrodo caliente del termopar. Teoría de la distribución del potencial termoeléctrico del bucle del termopar, la diferencia de potencial termoeléctrico en ambos extremos del termopar se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0) )
Donde EAB(t,t0)－potencial termoeléctrico del termopar;
EAB(t)－el potencial termoeléctrico del extremo de trabajo cuando la temperatura es t
EAB(t0): el potencial termoeléctrico del extremo frío cuando la temperatura es t0
¡Se puede ver en la fórmula anterior cuando el medio medido en el extremo de trabajo cambia! , el potencial termoeléctrico cambia en consecuencia, siempre que se mida EAB(t,t0) y se conozca EAB(t0), se puede obtener EAB(t) y el potencial termoeléctrico se envía al instrumento de visualización para su indicación o registro. , o después de enviarlo a la microcomputadora para su procesamiento, se puede obtener el valor t de la temperatura final de medición.
Para comprender realmente la aplicación de los termopares, debemos mencionar varias propiedades importantes del circuito de termopar:
p>La ley de los materiales homogéneos: En un circuito cerrado compuesto de un material homogéneo, no se genera potencial termoeléctrico en el circuito independientemente de la distribución de temperatura a lo largo del material. Esta ley requiere que los dos materiales que lo componen. El termopar debe ser homogéneo, de lo contrario se generará potencial adicional debido al gradiente de temperatura a lo largo del termopar, lo que introducirá errores debido a materiales desiguales del termopar.
Ley del conductor intermedio: insertar un tercero (. o Una variedad de) materiales homogéneos, siempre que la temperatura de los puntos de conexión en ambos extremos del material insertado sea la misma, el tercer material insertado no afecta el potencial termoeléctrico del bucle original. Esta ley muestra que el potencial termoeléctrico. se puede medir en el circuito del termopar siempre que el instrumento esté a una temperatura ambiente estable, también muestra que las uniones del termopar no solo se pueden soldar, sino también conectar mediante conductores homogéneos e isotérmicos. > Ley de temperatura intermedia: dos. Para un circuito de termopar compuesto de diferentes materiales, el potencial termoeléctrico EAB(t,to) cuando las temperaturas de unión son t y to respectivamente es igual al potencial termoeléctrico correspondiente del termopar cuando las temperaturas de unión son ( t,tn) y (tn,to). La suma algebraica de los potenciales EAB(t,tn) y EAB(tn,to), donde tn es la temperatura intermedia. Esta ley establece que cuando la temperatura del extremo de referencia del termopar es. no 0 °C, siempre que se conozca el potencial termoeléctrico EAB(t, to) y to, la tabla de indexación de termopares aún se puede utilizar para obtener el valor t de temperatura medida.
La ley de conexión. Conductores: en un circuito de termopar, si se utilizan los materiales de electrodo A y B del termopar, están conectados a los cables de conexión A1 y B1 respectivamente (como se muestra en la figura siguiente). Las temperaturas de las uniones relevantes son t, tn. y a. Entonces el potencial termoeléctrico total del bucle es igual al potencial termoeléctrico EAB ( t, tn) y la suma algebraica del potencial termoeléctrico EA1B1 (tn, to) en los dos extremos de los cables de conexión A1 y B1 en el condiciones de temperatura de tn y to.
La ley de la temperatura intermedia y la ley del conductor de conexión son la base teórica para la aplicación de cables de compensación en la medición de temperatura de termopares industriales.
2. Causas y soluciones provocadas por diversos errores
2.1 La influencia de las características termoeléctricas inestables de los termopares
2.1.1 La influencia de la contaminación y el estrés y su eliminación método
Durante el proceso de producción de termopares, la superficie del cable del termopar siempre se tiñe después de múltiples reducciones y estiramientos. Al mismo tiempo, desde la estructura interna del termopar, la tensión es inevitable y la falta de homogeneidad de la red.
La tensión introducida por el enfriamiento o el trabajo en frío se puede eliminar básicamente mediante el recocido. El error causado por un recocido no calificado puede alcanzar desde varias décimas hasta varios grados. Está relacionado con la temperatura a medir y el gradiente de temperatura en el electrodo del termopar. Los cables de los termopares metálicos baratos generalmente se entregan en un estado "recocido". Si es necesario recocer un termopar metálico barato para altas temperaturas, la temperatura de recocido debe ser superior al límite superior de su temperatura de funcionamiento y la profundidad de inserción debe ser mayor. también ser mayor que la profundidad real de uso. Los termopares de metales preciosos se deben limpiar cuidadosamente (decapado y limpieza con tetraborato de sodio) y recocidos para eliminar la contaminación y la tensión en el termopar.
2.1.2 Influencia de la falta de homogeneidad
En términos generales, si un termopar está hecho de un conductor homogéneo, su potencial termoeléctrico sólo está relacionado con la temperatura en ambos extremos del electrodo caliente. Si el material no es uniforme y el electrodo caliente está en un campo de gradiente de temperatura, el termopar generará un potencial termoeléctrico adicional, que es un "potencial eléctrico desigual". Su tamaño depende de la distribución del gradiente de temperatura a lo largo del electrodo caliente, la forma desigual y el grado de irregularidad del material y la posición del electrodo caliente en el campo de temperatura. Las principales razones de electrodos calientes desiguales incluyen: distribución desigual de impurezas en términos de composición química, segregación de componentes, volatilización local del metal en la superficie del electrodo caliente, oxidación u oxidación selectiva de ciertos elementos metálicos, difusión térmica del extremo de medición en altas temperaturas y los termopares están sujetos a contaminación y corrosión en atmósferas dañinas. En términos de estado físico, existe una distribución desigual de la tensión y una estructura de electrodos desigual.
En uso industrial, a veces el error adicional causado por el potencial desigual alcanza hasta 30°C, lo que afectará seriamente la estabilidad y la intercambiabilidad del termopar. La solución principal es utilizar únicamente termopares para inspección. que están dentro del rango de error permitido.
2.1.3 Influencia de la inestabilidad del termopar
La inestabilidad se refiere al cambio en el valor de graduación de un termopar con diferentes tiempos y condiciones de uso. En la mayoría de los casos, puede ser la principal causa de inexactitud. Los factores que afectan la inestabilidad incluyen la contaminación, la volatilización de electrodos calientes a altas temperaturas, la oxidación y reducción, la fragilización, la radiación, etc. Si el cambio del valor de graduación es relativamente lento y uniforme, entonces se debe organizar una verificación de supervisión frecuente o una verificación periódica basada en el uso real, lo que puede reducir los errores causados por la inestabilidad.
2.2 Influencia de la temperatura final de referencia y método de corrección
El tamaño de la fuerza termoelectromotriz del termopar está relacionado con la temperatura del material del electrodo caliente y el extremo de trabajo. El medidor de índice de termopar y el instrumento de visualización de temperatura basado en la escala del medidor de índice se basan en la condición de que la temperatura del extremo de referencia del termopar sea igual a 0 °C. Cuando realmente se usa un termopar, su temperatura del extremo frío (extremo de referencia) no solo no es de 0 °C, sino que a menudo cambia el valor de temperatura medido por el instrumento de medición de temperatura, lo que generalmente produce un gran error. Se utilizan los siguientes métodos para corregirlo.
2.2.1 Método de corrección del potencial termoeléctrico
Según la ley de temperatura intermedia, el potencial termoeléctrico EAB(t,tn)=EAB(t,t0)- cuando la temperatura final de referencia es tn EAB(tn,t0). Por lo tanto, utilizando un sensor de temperatura a temperatura normal, solo necesita medir la temperatura tn del extremo de referencia, luego averiguar el potencial termoeléctrico E (tn, t0) a la temperatura correspondiente en la tabla de escala del par eléctrico correspondiente, y luego compare este potencial termoeléctrico con el requerido. El E(t,tn) real medido se suma algebraicamente y el resultado es que cuando la temperatura del extremo de referencia del termopar es 0 grados, corresponde al potencial termoeléctrico E(t,t0) cuando la temperatura del extremo de medición es t. Finalmente, del índice La temperatura correspondiente a E (t, 0) se encuentra en la tabla. Esta temperatura es la temperatura real t en el extremo de medición del termopar. Hoy en día, a medida que se utilizan cada vez más las computadoras, se pueden utilizar métodos de procesamiento de software, especialmente en sistemas de medición multipunto o medición y control de alta temperatura. Este método puede resolver bien el problema de los cambios de temperatura en el extremo de referencia, siempre que la temperatura. se puede medir con precisión en cualquier momento, la temperatura del extremo de medición se puede obtener con precisión. Al mismo tiempo, se utiliza completamente la tabla de graduación correspondiente al termopar, se corrige el error no lineal y es adaptable a varios termopares.
2.2.2 Método de ajuste del punto de partida del medidor
Dado que el valor representado por el medidor es EAB(tn,t0) correspondiente a la fuerza electromotriz térmica, si la medición Cuando la línea es de circuito abierto, el ajuste de la posición cero del puntero en tn equivale a agregar un potencial eléctrico EAB (tn, t0) al instrumento por adelantado. Cuando la temperatura se mide con un circuito de medición cerrado, el potencial termoeléctrico EAB. (tn, t0) ingresada por el termopar se superpone con EAB(t,tn), la suma es exactamente igual a EAB(t,t0). Por lo tanto, es muy sencillo ajustar el punto de partida del instrumento para instrumentos de lectura directa.
2.2.3 Cable de compensación
Utilice el cable de compensación para extender el extremo de referencia del termopar hasta un lugar donde la temperatura sea relativamente constante y luego corríjalo. En esencia, no puede eliminar la influencia cuando la temperatura del terminal de referencia no es 0 ℃. Por lo tanto, debe combinarse con otros métodos de corrección para corregir la temperatura en la conexión entre el cable de compensación y el instrumento a 0 ℃. En este momento el terminal de referencia ha pasado a ser un nuevo terminal de referencia cuya temperatura permanece sin cambios o cambia muy poco. En este momento, el potencial termoeléctrico generado por el termopar no se ve afectado por el cambio de temperatura del terminal de referencia original. EAB (T, T10) es el potencial termoeléctrico medido cuando la temperatura del nuevo terminal de referencia T10 (no es igual a ℃), y T10 es una constante, TAB (T, T10) es el potencial termoeléctrico medido cuando la temperatura final de referencia T0 = 0°C y el extremo de trabajo es T10 (se puede encontrar en la tabla de indexación de termopares).
Al utilizar cables de compensación, no solo debe prestar atención a la polaridad de los cables de compensación, sino que también debe prestar especial atención a no utilizar los cables de compensación incorrectamente. Al mismo tiempo, también debe prestar atención a. la temperatura en ambos extremos de la conexión entre los cables de compensación y el termopar debe permanecer igual y la temperatura entre 0-100 ℃ (o 0-150 ℃), de lo contrario se producirán errores de medición.
2.2.4 Compensador de temperatura final de referencia
El compensador es un puente desequilibrado. Las tres resistencias del brazo del puente son devanados de alambre de cobre de manganeso con un pequeño coeficiente de temperatura de resistencia. Su resistencia básicamente no cambia con los cambios de temperatura y hace que R1 = R2 = R3 = 1Ω. La otra resistencia del brazo del puente, Rt, está hecha de cobre con un coeficiente de temperatura de resistencia grande, y hace que Rt = R1 = 1Ω a 20 ℃. En este momento, el puente está equilibrado y no hay salida de voltaje cuando la temperatura del puente. Cuando cambia, la resistencia de Rt también cambia, por lo que hay una salida de voltaje desequilibrada. Este voltaje de salida se utiliza para compensar el error de potencial termoeléctrico causado por el cambio de temperatura del terminal de referencia, obteniendo así una compensación. (Nota: mi país también utiliza 0°C como temperatura del punto de equilibrio). Cuando la temperatura alcanza los 40°C (es decir, la temperatura del punto de cálculo), el voltaje de salida del puente compensa exactamente el cambio de potencial termoeléctrico causado por la temperatura. del extremo de referencia del termopar que se desvía de la temperatura del punto de equilibrio.
Para los potenciómetros electrónicos, el puente de medición en sí tiene la función de compensación automática de temperatura y no es necesario ajustar el punto de inicio de temperatura del instrumento durante el uso. Además del punto de equilibrio y el punto de cálculo, solo se puede obtener una compensación aproximada en otros valores de temperatura final de referencia. Por lo tanto, utilizar un compensador de extremo frío como método de procesamiento de temperatura final de referencia generará ciertos errores adicionales.
2.3 La influencia de la transferencia de calor y la instalación del termopar
Dado que la medición de la temperatura del termopar es una medición de contacto, cuando el termopar se inserta en el medio medido, absorberá del medio medido. El calor aumenta su propia temperatura y al mismo tiempo lo disipa a lugares de baja temperatura mediante radiación térmica y conducción térmica. Cuando el calor disipado fuera del extremo de medición es igual al calor absorbido del flujo de aire, se alcanza un equilibrio dinámico. En este momento, el termopar alcanza una indicación estable, pero no representa la temperatura real del flujo de aire, porque el calor disipado por el ambiente en el extremo de medición se compensa con el calentamiento del flujo de aire. El intercambio de calor entre el extremo de medición y el flujo de aire está en un estado desequilibrado. Por lo tanto, sus temperaturas también es imposible tener el mismo valor numérico. Cuanto más fuerte sea la transferencia de calor entre el extremo de medición y el ambiente, mayor será la desviación de la temperatura del extremo de medición con respecto a la temperatura del flujo de aire.
2.3.1 Error de radiación térmica
El error de radiación térmica es causado por el intercambio de calor por radiación entre el extremo de medición del termopar y el ambiente. Esta es la diferencia entre el termopar y el flujo de aire. La transferencia de calor por convección no puede lograr resultados de equilibrio térmico. Las formas de reducir el error de radiación son aumentar la transferencia de calor por convección y debilitar la transferencia de calor por radiación.
Los métodos específicos incluyen:
Minimizar la diferencia de temperatura entre la pared del dispositivo y el extremo de medición, es decir, colocar una capa aislante en la pared de la tubería;
Agregar una cubierta protectora al área de trabajo. extremo del termopar;
Aumentar el coeficiente de liberación de calor del fluido, es decir, aumentar el caudal, fortalecer la perturbación, reducir el diámetro del acoplador o formar un flujo cruzado entre el electrodo caliente. y el flujo de aire, etc.
2.3.2 Error de conducción térmica
Al medir la temperatura del flujo de aire a alta temperatura, debido al gradiente de temperatura a lo largo del termopar, el extremo de medición inevitablemente conducirá calor a lo largo electrodo caliente, provocando que la temperatura indicada se desvíe de la temperatura real. Cuanto mayor es la diferencia en la conductividad térmica, mayor es el error correspondiente. Por lo tanto, cualquier factor que pueda aumentar la convección y debilitar la conductividad térmica se puede utilizar para reducir los errores de conducción térmica. Los métodos específicos son:
Aumentar L/d;
Cambiar la instalación vertical del termopar a instalación oblicua o instalación en un codo. Al realizar la instalación, se debe prestar atención a la fabricación. El extremo del termopar mira hacia la dirección del flujo de aire y en la posición donde la velocidad del flujo es máxima;
Seleccione materiales con menor conductividad térmica para el termopar y la varilla de soporte.
2.4 Efecto de las fugas en el sistema de medición
Un mal aislamiento es la principal causa de las fugas de corriente. Tiene un gran impacto en la precisión del termopar y puede distorsionar el potencial termoeléctrico medido. . La pantalla del instrumento está distorsionada o incluso no funciona correctamente. Las fugas provocan errores en muchos aspectos. Por ejemplo, la resistencia de aislamiento del tubo de porcelana aislante del electrodo térmico es deficiente, lo que provoca que la corriente térmica se desvíe. Si el equipo de medición eléctrica tiene fugas, también se puede desviar la corriente de trabajo, provocando errores de medición. Dado que los potenciómetros utilizados para medir el potencial termoeléctrico son todos de baja resistencia, sus requisitos de resistencia de aislamiento no son altos. La fuga que afecta la medición del potencial termoeléctrico proviene principalmente de la alta temperatura del sistema que se está midiendo, debido a que el tubo de protección del termopar y el calor. Los electrodos son La resistencia de aislamiento de los materiales aislantes disminuirá a medida que aumenta la temperatura, que es lo que solemos llamar el "error de derivación" de los termopares blindados. Generalmente se utiliza conexión a tierra u otros métodos de blindaje. Para el error de derivación de los termopares blindados, generalmente reducimos el error aumentando su diámetro, aumentando el espesor de la capa de aislamiento, acortando la longitud de la tira calefactora y reduciendo el valor de resistencia del termopar.
2.5 Error de respuesta dinámica
Después de insertar el termopar en el medio medido, no puede indicar inmediatamente la temperatura del flujo de aire medido debido a su inercia térmica. Se obtiene un valor de indicación estable. se alcanza sólo después de que el calor alcanza el equilibrio dinámico. Durante todo el proceso inestable desde la inserción del termopar hasta la estabilización del valor de indicación, hay una desviación entre el valor de indicación instantáneo del termopar y el valor de indicación después de la estabilización. En este momento, además de varios errores de estabilidad, existen. También hay errores causados por el termopar. La desviación introducida por la inercia térmica uniforme es el error de respuesta dinámica. Los métodos para superar este tipo de error son: primero, determinar el error de respuesta dinámica y corregirlo; segundo, reducir el error de respuesta dinámica dentro del rango permitido. En este momento, se puede considerar que T medición = T gas. .
2.6 La influencia de los cambios estructurales ordenados de corto alcance (estado K)
Cuando se utilizan termopares tipo K en el rango de 250-600°C, debido a cambios en su microestructura, corto alcance La estructura ordenada afectará el valor del potencial termoeléctrico y producirá errores. Este es el llamado estado K. Este es un cambio de red único en la aleación de Ni-Cr. Cuando el WCr está en el rango del 5% al 30%, la red atómica cambia del orden al desorden. Los errores provocados por estos cambios se deben a diferencias en el contenido de Cr y la temperatura. Generalmente, sus propiedades termoeléctricas se pueden restaurar mediante un tratamiento térmico por encima de 800°C durante un corto tiempo. Debido a la existencia del estado K, los procedimientos de calibración del termopar tipo K estipulan claramente la secuencia de calibración: de baja temperatura a alta temperatura, calentamiento y calibración punto por punto. Además, en el punto de calibración de 400°C, no sólo el efecto de transferencia de calor es pobre y es difícil lograr el equilibrio térmico, sino que también está exactamente dentro del rango de error máximo del estado K. Por lo tanto, debes tener mucho cuidado al juzgar si este punto está calificado o no. El fenómeno del cambio estructural ordenado de corto alcance de la aleación Ni-Cr no sólo existe en el tipo K, sino también en el electrodo positivo del termopar tipo E. Sin embargo, la cantidad de cambio del termopar tipo E es solo 2/3 del termopar tipo K. En resumen, el estado K está relacionado con la temperatura y el tiempo. Cuando cambia la distribución de temperatura o la posición del termopar, su desviación también cambiará mucho. Por lo tanto, es difícil evaluar con precisión el tamaño de la desviación.
3. Resumen
A través del resumen de los principios del termopar y las fuentes de error, tenemos una comprensión sistemática de los errores de medición de la temperatura del termopar y sacamos algunas conclusiones.
La inestabilidad del termopar, la falta de uniformidad, los cambios de temperatura del extremo de referencia, la conducción de calor y la instalación y el uso inadecuados de los termopares causarán errores de medición. Algunos se deben a errores en el proceso de fabricación o en el sistema de medición y el instrumento en sí, y otros se deben a errores en el proceso de fabricación o en el sistema de medición y el instrumento en sí. causados por humanos, que pueden evitarse siempre que seamos cuidadosos y tengamos un cierto conocimiento de las características de los termopares.