צמד תרמי הוא מכשיר למדידת טמפרטורות בכל ענפי המדע והטכנולוגיה. מאמר זה מציג סקירה כללית של צמדים תרמיים עם ניתוח של העיצוב ועקרון הפעולה של המכשיר. מתוארים זנים של צמדים תרמיים עם המאפיינים הקצרים שלהם, וניתנת גם הערכה של הצמד התרמי כמכשיר מדידה.
תוֹכֶן
מכשיר תרמי
עקרון הפעולה של צמד תרמי. אפקט Seebeck
פעולתו של צמד תרמי נובעת מהתרחשות האפקט התרמו-אלקטרי, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הגרמני תומס סיבק ב-1821.
התופעה מבוססת על התרחשות חשמל במעגל חשמלי סגור בעת חשיפה לטמפרטורת סביבה מסוימת. זרם חשמלי מתרחש כאשר יש הפרש טמפרטורה בין שני מוליכים (תרמו-אלקטרודות) בהרכב שונה (מתכות או סגסוגות שונות) והוא נשמר על ידי שמירה על מקום המגעים שלהם (צמתים). המכשיר מציג את ערך הטמפרטורה הנמדדת על המסך של המכשיר המשני המחובר.
מתח המוצא והטמפרטורה קשורים קשר ליניארי. המשמעות היא שעלייה בטמפרטורה הנמדדת גורמת לערך מיליווולט גבוה יותר בקצוות החופשיים של הצמד התרמי.
הצומת הממוקם בנקודת מדידת הטמפרטורה נקרא "חם", והמקום בו מחוברים החוטים לממיר נקרא "קר".
פיצוי טמפרטורת צומת קר (CJC)
פיצוי צומת קר (CJC) הוא פיצוי המופעל כתיקון לקריאה הכוללת בעת מדידת הטמפרטורה בנקודה שבה מחוברים מובילי הצמד התרמי. הסיבה לכך היא פערים בין הטמפרטורה בפועל של הקצוות הקרים לבין הקריאות המחושבות של טבלת הכיול עבור טמפרטורת הצומת הקרה ב-0°C.
CCS היא שיטה דיפרנציאלית שבה קריאות טמפרטורה מוחלטות נמצאות מטמפרטורת צומת קר ידועה (הידועה גם כצומת ייחוס).
עיצוב צמד תרמי
בעת תכנון צמד תרמי, נלקחת בחשבון ההשפעה של גורמים כגון "האגרסיביות" של הסביבה החיצונית, מצב הצבירה של החומר, טווח הטמפרטורות הנמדדות ואחרים.
תכונות עיצוב של צמד תרמי:
1) צמתים של מוליכים מחוברים זה לזה על ידי פיתול או פיתול עם ריתוך נוסף בקשת חשמלית (לעיתים רחוקות על ידי הלחמה).
חָשׁוּב: לא מומלץ להשתמש בשיטת הפיתול עקב אובדן מהיר של מאפייני הצומת.
2) תרמואלקטרודות חייבות להיות מבודדות חשמלית לכל אורכן, למעט נקודת המגע.
3) שיטת הבידוד נבחרה תוך התחשבות בגבול הטמפרטורה העליון.
- עד 100-120 מעלות צלזיוס - כל בידוד;
- עד 1300 מעלות צלזיוס - צינורות פורצלן או חרוזים;
- עד 1950°C - צינורות אל2O3;
- מעל 2000°С - צינורות עשויים MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) כיסוי מגן.
החומר חייב להיות עמיד תרמית וכימית, עם מוליכות תרמית טובה (מתכת, קרמיקה). השימוש במגף מונע קורוזיה בסביבות מסוימות.
חוטי הארכה (פיצוי).
סוג זה של חוט נדרש כדי להאריך את קצוות הצמד התרמי למכשיר המשני או המחסום. אין שימוש בחוטים אם לצמד התרמי יש ממיר מובנה עם אות פלט אחיד. הנפוץ ביותר הוא ממיר המנרמל, הממוקם בראש המסוף הסטנדרטי של החיישן עם אות מאוחד 4-20mA, מה שנקרא "טאבלט".
החומר של החוטים עשוי להתאים לחומר של תרמו-אלקטרודות, אך לרוב הוא מוחלף באחד זול יותר, תוך התחשבות בתנאים המונעים היווצרות של תרמו-emfs טפיליים (מושרה). השימוש בחוטי הארכה מאפשר גם לייעל את הייצור.
פריצת חיים! כדי לקבוע נכון את הקוטביות של החוטים המפצים ולחבר אותם לצמד התרמי, זכור את הכלל המנמוני MM - מינוס ממוגנט. כלומר, ניקח כל מגנט והמינוס של הפיצוי יתמגנט, בניגוד לפלוס.
סוגים וסוגים של צמדים תרמיים
מגוון הצמדים התרמיים מוסבר על ידי שילובים שונים של סגסוגות מתכת בשימוש. בחירת הצמד התרמי מתבצעת בהתאם לתעשייה ולטווח הטמפרטורות הנדרש.
צמד תרמי כרומל-אלומל (TXA)
אלקטרודה חיובית: סגסוגת כרומל (90% Ni, 10% Cr).
אלקטרודה שלילית: סגסוגת אלומל (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
חומר בידוד: פורצלן, קוורץ, תחמוצות מתכת וכו'.
טווח הטמפרטורות מ-200°C עד 1300°С לטווח קצר ו-1100°С לטווח ארוך.
סביבת עבודה: אינרטי, מחמצן (O2= 2-3% או לא נכלל לחלוטין), מימן יבש, ואקום לטווח קצר. באווירת צמצום או חיזור בנוכחות כיסוי מגן.
חסרונות: קלות דפורמציה, חוסר יציבות הפיכה של תרמו-EMF.
ייתכנו מקרים של קורוזיה והתפוררות של אלומל בנוכחות עקבות של גופרית באטמוספירה וכרומל באטמוספרה מחמצנת חלשה ("חימר ירוק").
צמד תרמי כרומל-קופל (TKhK)
אלקטרודה חיובית: סגסוגת כרומל (90% Ni, 10% Cr).
אלקטרודה שלילית: סגסוגת קופל (54.5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0.5% Mn).
טווח הטמפרטורות מ-253°C עד 800°С לטווח ארוך ו-1100°С לטווח קצר.
סביבת עבודה: אינרטי ומחמצן, ואקום לטווח קצר.
חסרונות: דפורמציה תרמו-אלקטרודה.
אפשרות של אידוי כרום תחת ואקום ממושך; תגובה עם אטמוספירה המכילה גופרית, כרום, פלואור.
צמד תרמי ברזל-קונסטנטן (TGK)
אלקטרודה חיובית: ברזל טהור מסחרית (פלדה עדינה).
אלקטרודה שלילית: סגסוגת קבועה (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
משמש למדידות במדיה מצמצמת, אינרטית ובוואקום. טמפרטורה מ-203°С עד 750°С לטווח ארוך ו-1100°С חימום לטווח קצר.
יישום מתפתח על מדידה משותפת של טמפרטורות חיוביות ושליליות. זה לא משתלם להשתמש רק עבור טמפרטורות שליליות.
חסרונות: עיוות תרמו-אלקטרודה, עמידות נמוכה בפני קורוזיה.
שינויים בתכונות הפיזיקוכימיות של ברזל בכ-700 מעלות צלזיוס ו-900 מעלות צלזיוס. מגיב עם גופרית ואדי מים ליצירת קורוזיה.
צמד תרמי טונגסטן-רניום (TVR)
אלקטרודה חיובית: סגסוגות BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 עם תוסף סיליקה ואלומיניום) / BP10 (90% W, 10% Rh).
אלקטרודה שלילית: סגסוגות BP20 (80% W, 20% Rh).
בידוד: קרמיקת תחמוצת מתכת טהורה מבחינה כימית.
חוזק מכני, עמידות בחום, רגישות נמוכה לזיהום, קלות ייצור מצוינים.
מדידת טמפרטורות מ-1800 מעלות צלזיוס עד 3000 מעלות צלזיוס, הגבול התחתון הוא 1300 מעלות צלזיוס. המדידות מתבצעות בסביבת גז אינרטי, מימן יבש או ואקום. בסביבות מחמצנות רק למדידה בתהליכים מהירים.
חסרונות: שחזור לקוי של תרמו-EMF, חוסר היציבות שלו בזמן הקרנה, רגישות לא יציבה בטווח הטמפרטורות.
צמד תרמי טונגסטן-מוליבדן (VM)
אלקטרודה חיובית: טונגסטן (טהור מסחרית).
אלקטרודה שלילית: מוליבדן (טהור מסחרית).
בידוד: קרמיקה אלומינה, מוגן בקצות קוורץ.
סביבת אינרטית, מימן או ואקום. ניתן לבצע מדידות לטווח קצר בסביבות מחמצנות בנוכחות בידוד.טווח הטמפרטורות הנמדדות הוא 1400-1800 מעלות צלזיוס, טמפרטורת הפעולה המקסימלית היא כ-2400 מעלות צלזיוס.
חסרונות: יכולת שחזור ורגישות לקויה של EMF תרמי, היפוך קוטביות, שבירה בטמפרטורות גבוהות.
צמדים תרמיים פלטינה-רודיום-פלטינה (TPP)
אלקטרודה חיובית: פלטינה-רודיום (Pt c 10% או 13% Rh).
אלקטרודה שלילית: פלטינה.
בידוד: קוורץ, פורצלן (רגיל ועמיד). עד 1400°C - קרמיקה עם תכולה גבוהה של אל2O3, מעל 1400°C - קרמיקה מאל טהור מבחינה כימית2O3.
טמפרטורת עבודה מקסימלית 1400°C לטווח ארוך, 1600°C לטווח קצר. מדידה של טמפרטורות נמוכות בדרך כלל לא מתבצעת.
סביבת עבודה: מחמצן ואינרטי, מפחית בנוכחות הגנה.
חסרונות: עלות גבוהה, חוסר יציבות בזמן הקרנה, רגישות גבוהה לזיהום (במיוחד אלקטרודת הפלטינה), גידול גרגירי מתכת בטמפרטורות גבוהות.
צמדים תרמיים פלטינה-רודיום-פלטינה-רודיום (TPR)
אלקטרודה חיובית: סגסוגת Pt עם 30% Rh.
אלקטרודה שלילית: סגסוגת Pt עם 6% Rh.
בינוני: מחמצן, ניטרלי ואקום. שימוש בהפחתת והכלת אדים של מתכות או לא מתכות בנוכחות הגנה.
טמפרטורת עבודה מקסימלית 1600°C לטווח ארוך, 1800°C לטווח קצר.
בידוד: אל קרמיקה2O3 טוהר גבוה.
פחות רגיש לזיהום כימי ולגידול גרגרים מאשר צמד תרמי פלטינה-רודיום-פלטינה.
תרשים חיווט תרמי
- חיבור פוטנציומטר או גלוונומטר ישירות למוליכים.
- חיבור עם חוטי פיצוי;
- חיבור עם חוטי נחושת קונבנציונליים לצמד תרמי עם פלט אחיד.
תקני צבע מוליכים תרמיים
בידוד מוליכים צבעוניים עוזר להבחין בין תרמואלקטרודות זו לזו לצורך חיבור נכון לטרמינלים. התקנים שונים לפי מדינה, אין קודי צבע ספציפיים למנצחים.
חָשׁוּב: יש צורך להכיר את התקן המשמש בארגון כדי למנוע שגיאות.
דיוק מדידה
הדיוק תלוי בסוג הצמד התרמי, טווח הטמפרטורות, טוהר החומר, רעש חשמלי, קורוזיה, מאפייני הצומת ותהליך הייצור.
צמדים תרמיים מקבלים דרגת סובלנות (סטנדרטית או מיוחדת) הקובעת רווח סמך מדידה.
חָשׁוּב: מאפיינים בזמן הייצור משתנים במהלך הפעולה.
מהירות מדידה
המהירות נקבעת על פי יכולתו של הממיר הראשי להגיב במהירות לקפיצות הטמפרטורה ולזרימת אותות הכניסה של מכשיר המדידה העוקבת אחריהם.
גורמים שמגבירים את הביצועים:
- התקנה נכונה וחישוב אורך הממיר הראשי;
- בעת שימוש במתמר עם שרוול מגן, יש צורך להפחית את המסה של היחידה על ידי בחירת קוטר קטן יותר של השרוולים;
- מזעור פער האוויר בין הממיר הראשי לשרוול המגן;
- שימוש בממיר ראשוני קפיצי ומילוי החללים בשרוול במילוי מוליך חום;
- מדיום שזז מהר או צפוף יותר (נוזל).
בדיקת ביצועים של צמד תרמי
כדי לבדוק את הביצועים, חבר מכשיר מדידה מיוחד (בוחן, גלוונומטר או פוטנציומטר) או מדוד את מתח המוצא בעזרת מילי-וולטמטר. אם יש תנודות של החץ או המחוון הדיגיטלי, הצמד התרמי ניתן לשירות, אחרת יש להחליף את המכשיר.
גורמים לכשל של צמד תרמי:
- אי שימוש בהתקן מגן מגן;
- שינוי בהרכב הכימי של האלקטרודות;
- תהליכי חמצון המתפתחים בטמפרטורות גבוהות;
- תקלה של מכשיר הבקרה והמדידה וכו'.
יתרונות וחסרונות של שימוש בצמדים תרמיים
היתרונות בשימוש במכשיר זה הם:
- טווח מדידת טמפרטורה גדול;
- דיוק גבוה;
- פשטות ואמינות.
החסרונות כוללים:
- יישום ניטור רציף של צומת קר, אימות וכיול של ציוד בקרה;
- שינויים מבניים במתכות במהלך ייצור המכשיר;
- תלות בהרכב האטמוספרה, עלות האיטום;
- שגיאת מדידה עקב גלים אלקטרומגנטיים.
