Jaké typy termočlánků existují?
Termočlánek je zařízení sestávající ze spojení (sond) ze dvou různých kovů, které je schopné odečítat hodnoty teploty kdekoli v rozsahu od -250 do 2000 °C. Jako příklad: s ohledem na výrobu barev a vytvrzovací procesy práškových komponentů se obvykle používá
Termočlánky třídy K, ve kterých je jedna „noha“ vyrobena z nikl-chromu a druhá „noha“ je vyrobena z nikl-hliníku („Alumel“). Termočlánek funguje tak, že mezi těmito dvěma svorkami vodiče vytváří rozdíl napětí, který je úměrný teplotě celého spojení. Toto se nazývá Seebeckův efekt na počest Thomase Seebecka, který tento jev objevil v roce 1821.
Obr.1. Termočlánek typu K se skládá ze základních otevřených “horkých” spojů. Dvě nohy termočlánku jsou připájeny k sobě a tvoří kovovou kuličku, která se používá k měření rozdílů napětí.
Termočlánky typu K jsou oblíbené díky svému širokému teplotnímu rozsahu, možnosti použití v náročných průmyslových prostředích a nízké ceně. Různé typy termočlánků typu K mají různou přesnost v údajích, které generují, proto doporučujeme typ termočlánku, který má speciální limity chyb. Jedná se o typ K certifikovaný podle specifikace ANSIMC96.1, který umožňuje přesnost měření s přesností ±1.98 °F nebo ±0.4 % naměřené teploty v rozsahu měření od 32 °F do 2282 °F.
Vědět, co měříte
Termočlánek pracuje na principu kontaktního měření teploty. Jakákoli měření založená na tomto principu s sebou nesou rizika spojená s přesností odečtů, proto, aby se tomu zabránilo, je třeba vzít v úvahu 3 důležitá kritéria:
1. Kvalita kontaktu mezi senzorem a měřeným objektem – pokud takový kontakt není dostatečně proveden, pak je velmi pravděpodobné, že měříte teplotu prostředí spíše než objekt, nebo přijímáte nějaká zprůměrovaná data.
2. Vliv samotného termočlánku na teplotní charakteristiky měřeného objektu. Pamatujte, že připojením termočlánku k měřenému objektu do určité míry měníte jeho fyzickou tepelnou hmotnost (objektu), a tím měníte charakteristiky ohřevu.
3. Opakovaná instalace termočlánku. Je možné pomocí takových reinstalací spolehlivě umístit senzor na stejné místo měřeného objektu? Pamatujte, že termočlánek nemůže lhát, měří přesně teplotu, kterou přijímá. Komplexní měřicí objekty mají oblasti, kde se teplotní indikátory od sebe výrazně liší v důsledku změn tepelných hmotností.
Při výběru a používání termočlánku musíte vzít v úvahu všechny výše uvedené poznámky, abyste se ujistili, že to, co skutečně měříte, je to, co potřebujete.
Výběr správného termočlánku pro měření kvality
Je zřejmé, že přesnost naměřených hodnot je extrémně důležitým faktorem, ale je třeba ji vzít v úvahu ve spojení s dalšími problémy, jako je opakovatelnost měření mezi po sobě jdoucími testy, snadnost a rychlost umístění sond na požadované místo a skutečnost, že samotná měření budou probíhat v náročných průmyslových podmínkách. Například nemá smysl vybírat termočlánek s vynikající přesností, pokud proces instalace termočlánku trvá celou minutu a přístup k měřenému objektu na výrobní lince (například mezi stříkací kabinou a troubou) je omezený. na 30 sekund. Opět jako příklad: každý postup vytvrzování laku a typ výrobku se od sebe do určité míry liší, takže pro každý technologický proces je nutné zvolit vhodný typ termočlánku. Přestože základní princip činnosti všech termočlánků je stejný, existuje mnoho různých přístupů k montáži těchto zařízení. Neexistuje žádná ideální technika montáže termočlánku pro každou situaci, a proto musí technik učinit kompromisní rozhodnutí, která zohlední přesnost, stabilitu a rychlost měření a také snadnost použití testeru jako celku. Tato otázka nabývá ještě většího významu, porovnáme-li následující 2 technologie, na kterých jsou termočlánky postaveny.
Obr. 2,3 Porovnání výkonu různých variant termočlánků
Termočlánek 1: Tenká náplastová sonda – Tenká náplast termočlánku je připevněna k měřenému objektu pomocí samolepicí náplasti s přídavnou vysokoteplotní páskou pro uvolnění napětí.
Termočlánek 2: Magnetická povrchová sonda – kontaktování termočlánkového senzoru se železným materiálem pomocí magnetu a pružinového ocelového nastavovacího ramene
Výběr termočlánku – Přehled
Níže uvedené informace (přehled) uvádějí charakteristiky různých typů sond a jejich charakteristiky, z nichž lze v určitých případech vyvodit závěry o vhodnosti termočlánků pro jejich aplikace.
Standardní termočlánek s magnetickým povrchem
Automatické umístění senzoru na plochý železný podklad s magnetickou fixací. Pružinové ocelové napínací rameno zajišťuje, že horký spoj termočlánku leží zcela naplocho na kovovém povrchu. Aby se předešlo chybě tepelné hmotnosti, je magnet umístěn 3.5” (90 mm) od bodu měření. Tento typ termočlánku se běžně používá při lakování automobilů pro sledování kvality jejich laku. Umístění termočlánků na vnitřní stranu karoserie vozidla je nutností, protože vozidlo se neustále pohybuje mezi lakovací kabinou a vchodem do pece. K jejich umístění v různých oblastech je zapotřebí až 8 termočlánků a doba potřebná pro takovou operaci je méně než 1 minuta.
Povrchový termočlánek MicroMag
Adaptace standardního magnetického termočlánku, ve kterém je senzor zabudován přímo do magnetu. Snížení stopy termočlánku lze použít v těžko dostupných místech a na zakřivených nebo nerovných površích. Aby se předešlo vysokým teplotním hodnotám, je použit malý, ale velmi výkonný kotoučový magnet Samarium Cobalt, který zajišťuje pevné spojení mezi termočlánky a měřeným objektem.
Při zvažování použití magnetů jako držáků je nutné zvážit vliv teploty na vlastnosti magnetu. Silný magnet při pokojové teplotě nefunguje tak dobře jako při vytvrzovací teplotě. Magnet Samarium Cobalt ztrácí své magnetické vlastnosti při teplotě 1508 °F. Ztráta magnetických vlastností působením teploty se zvyšuje přes hodnotu Br%°C -0.032. To znamená, že při 482°F je magnetická síla o 8% menší než při pokojové teplotě. Tato teplotní tolerance však výrazně převyšuje podobné vlastnosti, které mají magnety vyrobené z jiných materiálů.
Technologie termočlánku Capture/Clamp
Inženýři také hojně využívají termočlánky, u kterých jsou snímače umístěny na měřený objekt pomocí upínacích svorek založených na jednoduché upínací pružině. Upínací kleště jsou uzpůsobeny tak, aby se mohly otevřít a upnout na libovolnou tloušťku (až 1 palec) plochy měřeného objektu. Tento přístup je ideální pro vytlačování hliníku nebo podobných předmětů, včetně plochých úzkých profilů.
Jediným omezením upínací sondy je to, že vyžaduje rohový okraj, který omezí fixaci sondy k okrajům plochých částí.
Otevřete připojovací sondy
Sondy s otevřeným připojením, jak jsou pojmenovány, naznačují, že tyto sondy jsou nejjednodušší formou konstrukce termočlánku, kde senzor není nic jiného než dvě nohy termočlánku připájené dohromady z drátu vyměnitelného za provozu. Tyto typy sond jsou velmi užitečné díky své flexibilitě. Je samozřejmé, že stejná sonda může monitorovat jak okolní teplotu, tak teplotu objektu tím, že ji nainstalujete na ověřený bod „horkého připojení“. „Hot junctions“ mají minimální tepelnou hmotnost, a proto jsou jejich zpětnovazební charakteristiky velmi rychlé, takže přesnost měření je vysoká, přičemž tento druh termočlánků lze považovat za nejlehčí měřicí přístroj vyrobený z kovu.
Materiály kabelů a způsoby montáže pro tento typ sondy jsou vysoce závislé na procesu a měřených teplotách. Způsoby připevnění takových termočlánků jsou poměrně časově náročné, a to navzdory skutečnosti, že je často nutné poškrábat lakem pokrytá místa měřeného objektu, spíše než instalovat sondy přímo na povrch.
Termočlánky z PTFE s otevřeným kontaktem jsou preferovanou volbou pro měření nízkých teplot. Provozní limit materiálu PTFE je 265 °C / 509 °F. Kabel by v tomto případě měl být flexibilní a snadno použitelný.
Při provozu pod 509 °F musí být spojovací prvek použit ve spojení s vysokoteplotní kaptonovou páskou, jak je znázorněno na Obr. 8. Vysokoteplotní páska je velmi flexibilní, takže ji lze použít téměř na všechny suché a čisté povrchy. Tento typ upevnění může být někdy nespolehlivý, pokud na kabelu dochází k vícenásobným pohybům nebo napětí. Typicky se používá sekundární držák kabelu několik palců nad horkým držákem.
K tomu použijte buď pásku nebo, jak je znázorněno na obrázku, magnetickou sondu namontovanou tak, aby se uvolnilo napětí a zabránilo se odtržení sondy od výrobku.
Při provozu při teplotách nad 509 °F je vyžadován kabel ze skelných vláken dimenzovaný na 1300 °F. Vysokoteplotní pásku lze použít až do 600 °F, ale při vyšších teplotách se doporučuje pokročilejší způsob fyzického upevnění, protože upevňovací lepidlo ztrácí svou přilnavost. Existuje jeden způsob fyzického připevnění, který lze v tomto případě použít pro termočlánky s odkrytými sondami, a to bodové svařování. U této technologie se používají vysoké proudy k připájení kovové části „horkého spoje“ termočlánku k odpovídající části měřeného objektu. Tato metodika vyžaduje poměrně sofistikované vybavení a dovednosti ze strany uživatele, ale výhoda z toho všeho je zřejmá: sonda se stává součástí měřeného objektu, protože její rozhraní s objektem je spolehlivě zaručeno.
Méně složitou metodou připojení jsou matice/podložky pro zajištění kabelu/horkého připojení k povrchu pomocí šroubů nebo samořezných šroubů. Znovu upozorňujeme na skutečnost, že u této technologie je důležité vyhnout se přidávání značného množství tepelné hmoty na substrát prostřednictvím dalších fixativů. U těžkých a objemných měřicích objektů, jako jsou lité základy/podložky, není tepelná hmotnost termočlánkového horkého spoje tak důležitá. S přihlédnutím k těmto předpokladům je použita speciálně vyrobená sonda s podložkou. Jak je znázorněno na obrázku níže, horké spojení termočlánku je provedeno ve formě zvětšené podložky, kterou lze našroubovat přímo na substrát měřeného objektu.
Současně se zvětšuje objem plastu potaženého na termočlánku. Je důležité si uvědomit, že samotný plast je materiál s nízkou tepelnou hmotností, takže termočlánek používaný k monitorování tohoto materiálu musí mít sám o sobě nízkou tepelnou hmotnost. Ideální volbou by zde byla patch sonda pro „lehké“ použití. V případě jednovláknového termočlánku je spojení mezi sondou a testovacím místem zajištěno náplastí. Citlivé nohy termočlánku a samotný horký spoj leží naplocho na substrátu, čímž rychle reagují na jakékoli změny povrchové teploty. Je nutné počítat s tenkým provedením nožiček termočlánku, proto na to pamatujte při jejich montáži a demontáži. Sonda samotná by měla být používána s velkou opatrností pro různé typy testů a mělo by se s ní zacházet jako se spotřebním materiálem v případě například podmínek sériové výroby s výjimkou laboratoří a podobně.
Při extrémních teplotách nebo otevřeném ohni nebo jiných nepřátelských podmínkách se doporučuje použít termočlánek s minerální izolací. Pouzdro termočlánku NicrobelTM vytváří velmi odolnou konstrukci, která je na rozdíl od PTFE nebo sklolaminátu odolná proti poškození ostrými hranami. Samotná povaha robustní konstrukce znamená, že flexibilita drátů je omezená, což přináší problémy při zajišťování sond. Termočlánek “horký spoj” je umístěn na špičce vodičů. Navázání kontaktu s povrchem podkladu musí být provedeno opatrně. Schéma na Obr. Obrázek 11 ukazuje, jak to lze nejlépe provést. Pevnost upevnění je zajištěna podložkou a maticí a vodicí důlek poskytuje kontaktní plochu pro „horké spojení“.
Sonda pro hliníkové konstrukce v automobilech
Historicky výrobci automobilů preferují použití oceli při výrobě karoserií svých produktů. Jak se technologie vyvíjela, používání hliníku se stalo slibnějším díky výhodám, které tento materiál má, a to poměru hmotnost/pevnost. Je zřejmé, že umístění sondy v oblasti pece, kde se provádí monitorování teploty, je problém, pokud není k dispozici magnet pro hliníkový materiál. Pružinová cívka byla speciálně navržena pro termočlánek namontovaný na hliníkové karoserii automobilu, který se zase neustále pohybuje podél montážní linky. Cívka je oříznuta do jakéhokoli vhodného vybrání nebo vybrání na vnitřní straně karoserie. Sestava odpruženého ocelového ramene se nastavuje, dokud není teplotní senzor umístěn na vnější straně pouzdra, kde je potřeba měření.
Závěr
Je jasné, že jakákoliv práce a úsilí o přesné měření teplot velmi závisí na správné volbě termočlánku. Výběrem správného termočlánku pro řešení konkrétních problémů má inženýr zaručeno, že dostane z měřeného objektu přesná data, která určují průběh současných technologických procesů.