Che cos'e' la termocoppia di platino-rodio?

Una termocoppia platino-rodio è un sensore di temperatura le cui due gambe sono leghe di platino-rodio, ed è acquistata per un motivo che la distingue da ogni coppia di metalli base: è lo strumento con cui vengono controllati gli altri strumenti. La misurazione è accurata, l'uscita è stabile per lunghi periodi ad alta temperatura, e il prezzo che accompagna queste due proprietà è un segnale molto debole, una scelta limitata di leghe e un materiale che perde la sua calibrazione quando la sua superficie viene attaccata.

La pagina seguente copre i tre tipi di metalli nobili e quali sono le loro gambe, l'accuratezza consentita dagli standard, cosa significa il segnale debole per lo strumento a cui è collegata la coppia, cosa limita effettivamente la vita di uno di questi sensori e la forma corazzata in cui la maggior parte di essi viene acquistata.

La lettera fissa la coppia di leghe e nient'altro. Tre tipi di metalli nobili sono di uso generale, e la differenza tra loro è il contenuto di rodio delle gambe, che è ciò che determina l'uscita, l'intervallo e il comportamento in un forno contaminato.

Il punto del Tipo B merita di essere enunciato per intero, perché è il motivo per cui un acquirente lo sceglie. Con platino-rodio su entrambe le gambe non c'è un ramo di platino puro che un contaminante possa attaccare e nessun ramo di platino puro su cui un ossido depositato possa cambiare, e il materiale pubblicato sulla selezione delle termocoppie lo indica come motivo per cui il Tipo B tollera atmosfere contaminate meglio degli altri due tipi di metalli nobili. Il compromesso è l'uscita: la stessa coppia di leghe produce una forza elettromotrice inferiore rispetto al Tipo S o al Tipo R alla stessa temperatura, e non viene normalmente utilizzata al di sotto dei 600 °C per questo motivo.

La tolleranza di una coppia di metalli nobili è pubblicata come classe di accuratezza, e la classe è una banda sulla curva della forza elettromotrice e non una lega diversa. Un certificato che indica una classe sta dichiarando la deviazione entro cui il lotto è accettato, e una classe più stretta è una banda di accettazione più stretta sulla stessa curva.

Due qualificazioni appartengono alla tabella. Gli equivalenti ASTM di queste classi sono i limiti speciali e standard di errore, quindi un certificato può indicare uno dei due sistemi, e i due non sono numeri identici. E la classe descrive la coppia, non la misurazione: la giunzione fredda, il cavo di estensione e il trasmettitore aggiungono ciascuno alla deviazione, quindi l'accuratezza fornita al sistema di controllo è inferiore alla classe sul certificato del filo.

Una coppia di metalli nobili produce una frazione dell'uscita di una coppia di metalli base, e tutto ciò che riguarda il suo cablaggio ne consegue. Due conseguenze valgono la pena di essere messe per iscritto prima di ordinare il sensore.

La prima è la giunzione fredda. Una termocoppia misura una differenza, quindi la temperatura ai terminali deve essere nota e compensata, e con un segnale debole l'errore di compensazione è una quota maggiore del totale. La seconda è il cavo tra la coppia e lo strumento, e ci sono due scelte con significati diversi. Un cavo di estensione è realizzato con le stesse leghe della coppia, quindi la coppia viene semplicemente estesa allo strumento. Un cavo di compensazione utilizza leghe diverse scelte per fornire la stessa uscita su un intervallo di temperatura limitato, ed è l'opzione più economica dove il percorso è breve e fresco. In entrambi i casi il cavo fa parte del circuito e le sue leghe decidono se la lettura sopravvive al viaggio.

Il Tipo B porta un vantaggio pratico che gli altri due non hanno, e i dati di tipo pubblicati lo dichiarano chiaramente: poiché l'uscita della coppia è trascurabile nell'intervallo da 0 °C a 50 °C, la compensazione della giunzione fredda non è normalmente richiesta. In un impianto dove i terminali si trovano in un normale armadio di controllo, ciò rimuove un intero anello dalla catena di misurazione.

Una coppia platino-rodio non si guasta per fusione. Si guasta meccanicamente o perdendo la sua calibrazione, e i due meccanismi sono pubblicati e separati. Entrambi agiscono sul metallo, e la guaina e il riempimento attorno ad essa possono rallentare uno di essi e non possono toccare l'altro.

Il limite di deriva è quello che colpisce gli utenti di sonde guainate, e la distinzione vale la pena di essere dichiarata una volta. Una guaina protegge la coppia da danni meccanici e dal contatto con contaminanti. Non protegge il filo dalla perdita di rodio dalla sua superficie, perché la coppia raggiunge comunque la temperatura del forno, e una sonda guainata che è stata in un forno ossidante caldo per un lungo periodo quindi deriva nella stessa direzione di una nuda.

La termocoppia corazzata, chiamata anche termocoppia isolata mineralmente o MI, non è una coppia assemblata da parti sciolte all'interno di un tubo di protezione. I fili, l'isolamento e la guaina sono costruiti come un unico cavo, trafilato attraverso matrici finché la polvere ceramica all'interno non viene compattata attorno ai fili e l'intero assemblaggio è solido e flessibile. Quella costruzione è da dove provengono le proprietà del prodotto, e le tre parti portano ciascuna una decisione.

Quattro cose derivano da quella costruzione, e le guide pubblicate sulla costruzione le dichiarano in questi termini. La polvere compattata riempie lo spazio attorno ai fili e li protegge da umidità, gas e contaminazione molto meglio degli isolanti ceramici sciolti all'interno di un tubo, che è una via attraverso cui la deriva viene rallentata. L'assemblaggio solido resiste a vibrazioni, urti e schiacciamenti molto meglio di una sonda assemblata, che è la risposta meccanica all'arto fragile descritto sopra. Il cavo può essere piegato e instradato attorno agli ostacoli, cosa che un tubo ceramico rigido non può fare, e può essere trafilato in diametri molto piccoli, quindi una sonda MI si adatta dove una convenzionale non lo fa. Il tempo di risposta segue dal diametro della guaina, perché una guaina sottile ha poca massa termica, e la polvere compattata conduce efficientemente il calore alla giunzione.

L'intervallo di lavoro pubblicato per la costruzione dipende dalla guaina e dall'isolamento insieme. Le sonde isolate con ossido di magnesio sono pubblicate per l'uso fino a 2.400 °F, che sono 1.316 °C, e le termocoppie MI in generale sono descritte come servono da temperature criogeniche nell'intervallo di 1.000-1.200 °C e superiori dove vengono utilizzate leghe e design speciali. Per una coppia platino-rodio il soffitto pratico in aria è determinato dalla deriva descritta sopra e non dal cavo, e la stessa distinzione si applica qui come ovunque in questo materiale.

Quattro limitazioni appartengono allo stesso documento dei vantaggi, perché tutte e quattro sono decisioni che un acquirente deve prendere e non difetti da evitare.

La quarta riga è quella che viene solitamente trascurata. Un'affermazione che i fili si trovano in uno stato ermetico e isolante descrive l'intento di progettazione della costruzione e la condizione alla temperatura di lavoro deve essere verificata rispetto alla scheda tecnica, perché la ceramica che isola perfettamente quando fredda conduce molto meglio quando calda. Questa è una proprietà dell'isolamento e si applica a ogni produttore di queste sonde.

Un'ulteriore scelta appartiene alla costruzione e non alla coppia. La giunzione di misurazione è formata alla punta in uno dei tre modi, e i tre scambiano risposta contro protezione e contro isolamento elettrico.

Le gambe. Il Tipo S è platino con 10% di rodio contro platino puro, il Tipo R è platino con 13% di rodio contro platino puro, e il Tipo B è platino con 30% di rodio contro platino con 6% di rodio. Il Tipo S e il Tipo R sono utilizzati per lavori di riferimento e calibrazione, e il Tipo B è quello scelto dove l'atmosfera del forno è contaminata, perché con platino-rodio su entrambe le gambe non c'è un ramo di platino puro che un contaminante possa attaccare.

A causa delle due proprietà nel primo paragrafo di questa pagina, e perché gli standard le dichiarano come numeri. La tolleranza è pubblicata come classe di accuratezza sulla curva della forza elettromotrice, con ±1.0 °C nell'intervallo da 0 a 1.100 °C per i Tipi S e R, che si allarga sopra, e ±0.5 °C per il Tipo B nel suo intervallo. Un tipo di metallo base sullo stesso standard ha una banda più ampia, tipicamente ±1.5 °C, motivo per cui uno viene utilizzato per il controllo e l'altro per il riferimento.

È una coppia costruita come un cavo isolato mineralmente e non assemblata da parti sciolte: i due fili, un isolamento ceramico compattato che è più comunemente ossido di magnesio, e una guaina metallica senza saldatura, trafilati insieme finché l'assemblaggio non è solido. I materiali della guaina vanno dall'acciaio inossidabile e Inconel a leghe speciali e metalli nobili, e la costruzione offre protezione contro la contaminazione, resistenza a vibrazioni e urti, piegabilità, piccoli diametri e un tempo di risposta determinato dal diametro della guaina.

Rallenta una via e non può toccare l'altra. L'isolamento compattato limita l'ingresso di gas e umidità nei fili molto meglio degli isolanti sciolti, il che rallenta la contaminazione. Non ferma la perdita di rodio dalla superficie del filo, perché la coppia raggiunge comunque la temperatura del forno, e sopra circa 1.100 °C il rodio migra come vapore metallico e gli ossidi volatili portano via il metallo. La guida pubblicata per l'uso in atmosfere ossidanti limita i Tipi R e S all'operazione continua fino a circa 1.300 °C per questo motivo.

La linea guida pubblicata è un raggio di curvatura minimo di circa cinque volte il diametro esterno della guaina, ed è più conservativa per guaine sottili e per piegature ripetute. Piegare troppo bruscamente può fessurare l'isolamento, deformare i fili o danneggiare la guaina in un modo che non è visibile dall'esterno, e la piegatura ripetuta della stessa sezione indurisce per lavoro la guaina. Piegare lontano dalla punta della giunzione e dalla transizione del connettore, e formare la forma finale prima che la sonda venga installata.

Normalmente no, e i dati di tipo pubblicati ne danno il motivo: l'uscita della coppia è trascurabile nell'intervallo da 0 °C a 50 °C, quindi la temperatura del terminale non deve essere corretta. I Tipi S e R non hanno questo vantaggio, ed entrambi sono cablati con un cavo di estensione delle stesse leghe o un cavo di compensazione abbinato al tipo su un intervallo di temperatura limitato.

Una termocoppia platino-rodio è un sensore di metallo nobile, e i tre tipi in uso sono separati dal contenuto di rodio delle loro gambe: Tipo S al 10% di rodio, Tipo R al 13%, e Tipo B con 30% e 6% di rodio sulle sue due gambe. L'accuratezza è pubblicata come classe sulla curva della forza elettromotrice, a ±1.0 °C nell'intervallo da 0 a 1.100 °C per i Tipi S e R e ±0.5 °C per il Tipo B nel suo intervallo, e la classe descrive la coppia e non l'intera misurazione, poiché la giunzione fredda, il cavo e il trasmettitore aggiungono ciascuno alla deviazione. Il Tipo B ha il vantaggio pratico che la sua uscita è trascurabile tra 0 °C e 50 °C, quindi la compensazione della giunzione fredda non è normalmente richiesta.

Due meccanismi limitano la vita di una coppia di questa famiglia, e sono la crescita del grano negli arti e la perdita di rodio dalla superficie, che deposita ossido sull'arto di platino e sposta la calibrazione. La forma corazzata risponde al primo e rallenta il secondo tenendo i contaminanti lontani dal filo, e non ferma la deriva, motivo per cui il limite continuo pubblicato per i Tipi R e S in atmosfere ossidanti è di circa 1.300 °C anche dove la coppia stessa sopravvive a temperature più alte. La piegatura è limitata a un raggio di circa cinque volte il diametro della guaina, l'estremità aperta deve essere sigillata perché l'ossido di magnesio è igroscopico, e la resistenza di isolamento deve essere letta alla temperatura di lavoro e non a temperatura ambiente. Le coppie e le sonde corazzate vengono fornite da Changzhou, Jiangsu nei Tipi S, R e B, nel diametro della guaina, lunghezza e forma della giunzione richieste dall'installazione.

1. IEC 60584-1, termocoppie, tabelle di riferimento e classi di tolleranza, con ASTM E230 e i suoi limiti di errore, e il trattamento dei materiali per termocoppie dell'ASM Handbook. Fonte per le composizioni delle gambe dei tre tipi di metalli nobili, le bande di classe di accuratezza citate per i Tipi S, R e B e per i tipi di metalli base, l'equivalenza tra la classe e i limiti speciali e standard di errore, e il comportamento comparativo del Tipo B in atmosfere contaminate.
2. Dati di tipo pubblicati per le termocoppie di metalli nobili, inclusi i limiti di temperatura del Tipo B e l'affermazione che la sua uscita è trascurabile nell'intervallo da 0 °C a 50 °C in modo che la compensazione della giunzione fredda non sia normalmente richiesta, insieme alla nota che il tipo non viene normalmente utilizzato al di sotto dei 600 °C. Fonte per le cifre dell'intervallo e per la posizione della giunzione fredda.
3. Bureau International des Poids et Mesures, Guide to Thermocouple Thermometry, Part 1. Fonte per la migrazione del rodio come vapore metallico sopra 1.100 °C, per la formazione di ossidi volatili di platino e rodio in presenza di ossigeno ad alta temperatura, e per l'affermazione che i Tipi R e S possono essere utilizzati continuamente in atmosfere ossidanti fino a circa 1.300 °C.
4. Pearce e collaboratori, lavori pubblicati sulla deriva termoelettrica delle termocoppie platino-rodio sopra 1.200 °C e sulla perdita di massa dei fili platino-rodio a 1.324 °C. Fonte per le due modalità di guasto nominate di una coppia Tipo R o S, che sono la crescita eccessiva del grano nell'arto di platino che causa la rottura del filo e la deriva di temperatura causata dalla deposizione di ossido di rodio sull'arto di platino.
5. Guide tecniche pubblicate sulle termocoppie isolate mineralmente, insieme al documento tecnico pubblicato sui sensori isolati con ossido di magnesio. Fonte per la costruzione del cavo dai fili, l'isolamento compattato e la guaina senza saldatura, per l'uso di ossido di magnesio e ossido di alluminio, per i materiali della guaina nominati, per la protezione da umidità, gas e contaminazione, per il comportamento a vibrazioni e urti, per la piegabilità, i piccoli diametri e il tempo di risposta che segue il diametro della guaina, per l'intervallo di lavoro fino a 2.400 °F e l'intervallo di 1.000-1.200 °C per le termocoppie MI in generale, per il raggio di curvatura minimo di circa cinque volte il diametro esterno della guaina e l'indurimento per lavoro causato dalla piegatura ripetuta, per il comportamento igroscopico dell'isolamento a un'estremità non sigillata, per l'affermazione che la sua resistenza di isolamento scende drasticamente man mano che la sonda raggiunge la temperatura operativa, e per le opzioni di giunzione a terra, non a terra ed esposta.
6. Guida pubblicata su cavi di estensione e di compensazione, e dati di prodotto detenuti da DLX Alloy. Fonte per la distinzione tra un cavo di estensione, che utilizza le stesse leghe della coppia, e un cavo di compensazione, le cui leghe differiscono e sono abbinate all'uscita su un intervallo di temperatura limitato, per la condizione ricotto brillante in cui questi gradi vengono forniti, e per i tipi, i diametri della guaina, le lunghezze e le forme della giunzione fornite da Changzhou.

Ogni cifra sopra è un valore pubblicato o un requisito pubblicato per il materiale e la costruzione nominati, e le classi di accuratezza sono le bande pubblicate negli standard e non misurazioni su un sensore consegnato. Le classi di tolleranza si applicano alla coppia, e la misurazione fornita allo strumento include la giunzione fredda, il cavo e il trasmettitore. I limiti di piegatura, umidità e resistenza di isolamento sono proprietà della costruzione, e la cifra per la guaina e il diametro ordinato dovrebbe essere confermata rispetto alla scheda tecnica del produttore. I limiti di temperatura in aria sono determinati dalla deriva per questa famiglia e non dall'intervallo di fusione delle leghe, motivo per cui le cifre continue pubblicate sono inferiori alle cifre di sopravvivenza, e una sonda scelta per un lavoro in forno dovrebbe essere specificata rispetto al limite di deriva e non rispetto alla temperatura massima sul foglio del tipo.