Perché le termocoppie sono la scelta preferita per la misurazione della temperatura ad alta precisione?

La domanda, come di solito viene posta, contiene un presupposto che non sopravvive a un confronto di fogli di dati.Un termometro a resistenza in platino raggiunge una tolleranza di circa ±0Un termopare di tipo K inizia a ± 1,5 °C sotto lo standard di tolleranza internazionale, prima di qualsiasi deriva in servizio.

Quello che una termocoppia fa meglio di entrambe è coprire una gamma che nessun singolo sensore di resistenza può raggiungere, sopravvivere in un ambiente ostile, adattarsi in uno spazio di pochi millimetri di diametro,e rispondere in millisecondiQuesta combinazione è la ragione per cui domina la misurazione industriale, ed è una pretesa diversa dalla precisione.e un compratore che ha bisogno di una lettura a 1300 °C all'interno di un forno non ha altra scelta.

Questa pagina pone il confronto onestamente, poi mostra da dove viene la precisione di una termocoppia: la classe di tolleranza del filo, i due meccanismi di deriva che agiscono su di esso in servizio,la giunzione freddaQuesti quattro elementi decidono il risultato, e nessuno di loro è il corpo del sensore.

I numeri sono tipici di ciascuna famiglia e si muovono con il prodotto specifico.quindi sono utilizzati per posizionare le famiglie e non per selezionare una parte.

Leggi la prima riga contro la seconda: la famiglia con la gamma più ampia ha la tolleranza più libera, e la famiglia con la tolleranza più stretta ha la gamma più stretta.Non si tratta di un difetto in nessuno dei due prodotti.È la ragione per cui esistono entrambi, e una specifica che richiede la gamma più ampia e la tolleranza più stretta allo stesso tempo richiede una combinazione che nessun sensore offre.

La norma IEC 60584-1 stabilisce la tolleranza di uscita di una termocoppia per tipo e per classe, e la tolleranza è espressa in un numero fisso di gradi o in una frazione della temperatura misurata.La tabella fornisce i limiti di classe 1 e classe 2 per i tipi di metalli comuni e nobili, per fili di diametro compreso tra circa 0,1 mm e 3 mm.

Due righe di tale tabella contengono più informazioni del resto: il tipo T è il tipo di metallo base più rigido a bassa temperatura, a ± 0,5 °C sotto i 125 °C,E' per questo che appare nei lavori criogenici e medici.I tipi S e R sono i tipi di metalli nobili e la loro tolleranza è quasi indipendente da una temperatura inferiore a 1.100 °C a ±1,0 °C, il che suona peggio del tipo K fino a quando non viene letto l'intervallo: un tipo K a 1,000 °C è consentito ±4 °C, e il tipo di metallo nobile è ancora consentito a ±1 °C.

La norma specifica anche ciò che la tolleranza non copre: i limiti si applicano al filo come fornito e non consentono la deriva di taratura durante l'uso.Quella frase è la ragione per cui esiste la sezione successiva..

Una termocoppia non rimane al suo valore certificato. I termoelementi cambiano in servizio e il cambiamento appare come uno spostamento della tensione che la coppia produce a una data temperatura.Nel tipo K le due variazioni agiscono in direzioni opposte, motivo per cui un singolo fattore di correzione non può risolverli.

Il primo meccanismo è un cambiamento nella disposizione atomica del termoelemento positivo, la lega nichel-cromo.il che significa che gli atomi assumono una disposizione preferita localmente senza formare una nuova faseQuesto ordine aumenta il coefficiente di Seebeck della lega, quindi la termoparia si legge in alto.e la variazione massima avviene vicino a 400 °CAl di sopra di 600 °C il termoelemento positivo è completamente disordinato e l'effetto si inverte.

Il secondo meccanismo è l'ossidazione.e il contenuto di cromo della lega non è sufficientemente elevato da formare uno strato esterno continuo di ossido di cromoIl risultato è un ossido di nichel esterno su uno strato di ossido ricco di cromo, e il cromo che forma lo strato viene prelevato dal metallo sottostante.e un contenuto inferiore di cromo significa un coefficiente Seebeck inferiore, quindi la termoparte è bassa.

La conseguenza pratica è che una termocoppia di tipo K che ha visto entrambe le bande presenta un errore netto il cui segno dipende dalla storia dell'impianto,E l' unico modo per saperlo e' misurarlo.Un controllo di calibrazione dopo il servizio è lo strumento che rivela la somma, e una sonda restituita a un laboratorio di calibrazione dopo una campagna è l'unico modo affidabile per sapere fino a che punto si è spostata.

Una termocoppia misura una differenza, non una temperatura assoluta. La tensione che produce è la differenza tra l'effetto Seebeck alla giunzione calda e l'effetto Seebeck ai terminali,quindi lo strumento deve conoscere la temperatura terminale per segnalare un risultatoQuesta è la giunzione fredda, e l'errore in essa passa direttamente nella lettura senza attenuazione.

Tre metodi sono in uso comune, e differiscono per quanto presuppongono: un riferimento fisso mantiene i terminali a una temperatura nota, storicamente un bagno di ghiaccio e ora un blocco termostato.Un terminale compensato misura la temperatura del terminale con un sensore separato e aggiunge la corrispondente tensione elettronicamenteUn blocco isotermo presuppone che tutti i terminali siano alla stessa temperatura e misura una temperatura una volta.

L'errore che è più facile da eliminare è quello che più spesso viene lasciato in piedi.Una termocoppia installata con cavo di rame ordinario tra la testa della sonda e lo strumento ha creato due nuove giunzioni alla transizioneLa lettura dipende quindi dalla temperatura dell'armadio e dal processo,e la dipendenza è invisibile a meno che l'armadio non sia riscaldato o raffreddato.

Per questo motivo esiste un cavo di compensazione, fatto di leghe che corrispondono al comportamento termoelettrico della termocoppia in un intervallo di temperatura limitato.quindi il passaggio dalla sonda allo strumento non crea un erroreIl cavo ha una polarità, ha un intervallo di temperatura su cui regge il fiammifero, e deve essere collegato nel modo giusto.Un cavo di compensazione invertito produce un errore del doppio della temperatura di giunzione, che è grande e sembra un guasto dello strumento.

Una classe di tolleranza è un limite di fabbricazione e non una dichiarazione su una particolare sonda.e la scelta del metodo di taratura determina quanto del range è coperto.

Una calibrazione di confronto mette la sonda e un termometro di riferimento nello stesso bagno o forno e registra la differenza in un insieme di punti.e la sua incertezza è limitata dal punto di riferimento e dall'uniformità del bagnoUna taratura a punto fisso mantiene la sonda in una transizione di fase termodinamica, come il punto di congelamento di un metallo, dove la temperatura è definita dalla fisica e non da un termometro di riferimento.È più lento e più costoso, e dà una minore incertezza nei punti utilizzati.

Nessun metodo elimina la deriva che si verifica dopo la taratura. Una sonda tarata prima dell'installazione e utilizzata per un anno a 400 °C ha un certificato che descrive una condizione che non ha più.La pratica che cattura questo è un controllo periodico in uno o due punti, con il risultato confrontato con il certificato originale, e l'intervallo stabilito dalla velocità con cui le letture si sono spostate e non da un calendario.

Il caso di una termocoppia è più forte dove le alternative non possono andare.

Quattro proprietà del filo determinano le prestazioni della termocoppia finita, e tutte e quattro sono impostate prima dell'assemblaggio della sonda.

La composizione stabilisce il coefficiente di Seebeck e la classe di tolleranza è una dichiarazione su quanto strettamente la composizione e la lavorazione sono state mantenute.Una deviazione del contenuto di cromo di una frazione di percentuale muove la produzione di una coppia di tipo K di una quantità che conta al limite di tolleranza, motivo per cui la specifica della lega per il filo a termocoppia è più rigorosa rispetto alla specifica della stessa lega utilizzata come resistenza o materiale strutturale.

L'omogeneità determina quanto la lettura dipenda da dove cade il gradiente di temperatura.produce una tensione diversa a seconda di quale parte si trova nella zona caldaÈ per questo che una termocoppia non deve essere tagliata da una bobina e installata senza conoscere la sua storia, e perché una sonda usata che è stata abbreviata può leggere in modo diverso da quella che ha sostituito.

Le condizioni della superficie determinano la velocità con cui procede il meccanismo di ossidazione.e un filo con segni di disegno o lubrificante residuo ossida localmente e esaurisce il cromo in modo irregolare lungo la sua lunghezza.

Un filo più spesso impiega più tempo per perdere il cromo che lo strato di ossido consuma, quindi una sonda di calibro pesante dura più a lungo nello stesso forno, a costo di una risposta più lenta.Questo scambio è quello che fa un compratore quando sceglie tra un filo sottile per la risposta e un filo pesante per la vita.

Il filo di termocoppia è ordinato per tipo, classe, diametro e isolamento, e lo standard che regola l'uscita è separato dallo standard che regola la lega.

DLX fornisce leghe di termocoppie a Changzhou, Jiangsu, in filo da 0,025 mm, barra rotonda a 50 mm e strisce da 0,50 mm a 2,5 mm di spessore.La gamma comprende le leghe nichel-cromo e nichel-silicio per il tipo K e il tipo N, le leghe di rame e nichel per il tipo T e il tipo J, e le leghe di platino e rodio per il tipo S e il tipo R, insieme alle leghe di cavi compensatori corrispondenti.

Il filo viene fornito secondo le specifiche delle leghe e la classe di tolleranza indicata nell'ordine, con un certificato EN 10204 3.1 su richiesta e il numero di calore tracciabile ai risultati delle prove.La domanda utile non è quale tipo è più preciso in generale, ed è il tipo che mantiene la sua tolleranza sull'intervallo e sull'atmosfera dell'impianto.

Un termometro di resistenza in platino di classe A raggiunge circa ± 0,15 °C vicino alla temperatura ambiente, mentre un termopare di classe 1 di tipo K è consentito ± 1,5 °C sotto 375 °C.La termocoppia guadagna a distanza.Il termometro di resistenza vince per precisione e stabilità dove può essere utilizzato.

Si tratta di una tolleranza di fabbricazione di IEC 60584-1: ±1,5 °C tra -40 e 375 °C e ±0,004 volte la temperatura misurata tra 375 e 1.000 °C, che è ±4 °C a 1.000 °C.La norma stabilisce che i limiti si applicano al filo come fornito e non consentono la deriva di taratura durante l'uso, quindi una sonda di Classe 1 che ha trascorso un anno a temperatura potrebbe non essere più all'interno della Classe 1.

Dato che due meccanismi agiscono su diverse fasce di temperatura e spingono la lettura in direzioni opposte, tra circa 200 e 600 °C la gamba positiva sviluppa un ordine di corto raggio.che aumenta il suo coefficiente di Seebeck e fa leggere la coppia alta, con effetto maggiore vicino a 400 °C. Al di sopra di circa 900 °C in aria il cromo si ossida e il metallo sottostante è impoverito di cromo,che abbassa il coefficiente di Seebeck e fa leggere la coppia bassaL'errore netto dipende dalla cronologia dell'installazione.

Può essere collegato, e la connessione crea due nuove giunzioni alla temperatura ambiente dell'armadio.e la dipendenza è invisibile fino a quando il gabinetto è riscaldatoIl cavo di compensazione realizzato con leghe che corrispondono alla termocoppia su una gamma limitata evita l'errore, a condizione che sia del tipo giusto e collegato con la giusta polarità.

L'intervallo dovrebbe seguire la deriva effettivamente osservata, e non un calendario fisso.Una sonda in un forno pulito a temperatura costante deriva meno di una che fa il ciclo attraverso la banda di ordinazione o corre in aria superiore a 900 °CUn controllo periodico in uno o due punti, confrontato con il certificato originale, dà il tasso di deriva e il tasso determina l'intervallo.

Quando la temperatura è superiore all'intervallo pratico dei tipi di metalli comuni o quando la tolleranza deve essere mantenuta ad alta temperatura.mentre un tipo S o R è consentito ±1I tipi di metalli nobili costano di più, sono più sensibili alla contaminazione e rappresentano la soluzione per i casi in cui l'accuratezza della temperatura è più importante del prezzo del filo.

Una termocoppia è la scelta preferita per la misurazione della temperatura industriale perché copre un intervallo che nessun sensore di resistenza raggiunge, sopravvive a ambienti che lo distruggono,e risponde in millisecondiNon è il sensore più preciso, e una specifica che lo tratta come tale parte da una falsa premessa.

L'accuratezza disponibile dipende da quattro elementi: la classe di tolleranza del filo, la deriva prodotta dall'installazione, la giunzione a freddo e la taratura.La deriva ha due meccanismi di tipo K che agiscono in direzioni opposte, per cui un fattore di correzione non può sostituire un controllo di taratura.che è il motivo per cui il cavo di compensazione e un blocco terminale uniforme importa tanto quanto la sonda.

IEC 60584-1, termocoppie, funzioni di riferimento e tolleranze: fonte per le tolleranze di classe 1 e classe 2 per tipo e intervallo di temperatura, compresi i limiti di ±1,5 °C e ±0,004 volte t per il tipo K,i limiti di ±0,5 °C e ±0,004 volte t per il tipo T e i limiti di ±1,0 °C e ±(1 + 0,003 x (t - 1,100)) per i tipi S e R.

IEC 60584-2, termocoppie, tolleranze, come documento di accompagnamento alle funzioni di riferimento.

Dati tecnici pubblicati sul filo di termocoppia di tipo K, che forniscono la variazione emf generata approssimativa di 42 microvolts per kelvin a 100 °C e 39 a 1000 °C, nell'intervallo continuo da 0 a 1.100 °C,l'intervallo a breve termine da -180 a 1, 350 °C e l'indicazione che le tolleranze standard non consentono deviazioni di taratura durante l'uso.

Ricerca pubblicata dall'Università di Cambridge sulla deriva nelle termocoppie a filo nudo di tipo K. Fonte per la trasformazione di ordine a breve raggio nel termoelemento positivo tra 200 e 600 °C,l'aumento del coefficiente di Seebeck da esso prodotto, l'effetto massimo vicino a 400 °C, lo stato disordinato superiore a 600 °C,e il meccanismo di deplezione del cromo causato dall'ossidazione preferenziale sopra i 900 °C che abbassa il coefficiente di Seebeck.

IEC 60751, termometri di resistenza industriali in platino e sensori di temperatura in platino, come fonte per la tolleranza di classe A di circa ± 0,15 °C vicino alla temperatura ambiente utilizzata nel confronto.

ASTM E230, tabelle di specifiche standard e di temperatura di forza elettromotrice per termocoppie standardizzate, come controparte nordamericana delle funzioni di riferimento della CEI.

ASTM E220, metodo di prova standard per la taratura delle termocoppie mediante tecniche di confronto.

EN 10204, documenti di ispezione, per la definizione del certificato 3.1 come documento contenente i risultati effettivi delle prove e avallato dal rappresentante di ispezione indipendente del fabbricante.

Le tolleranze e le temperature di cui sopra sono valori standard per i tipi e le classi indicati e si applicano al filo come fornito e non a una sonda in servizio.Una tolleranza è un limite di produzione e non un'incertezza di misura, e l'incertezza di una determinata lettura comprende la giunzione a freddo, il filo di prolungamento, lo strumento e la deriva prodotta dall'impianto.I meccanismi di deriva descritti per il tipo K agiscono nel tempo e la loro magnitudine dipende dalla temperatura, l'atmosfera e l'esposizione, quindi una sonda deve essere verificata e non presunta.I valori di precisione dei termometri e dei termistori di resistenza sono valori tipici per le classi indicate e variano a seconda del prodotto specifico.Le specifiche del prodotto sono riviste e la versione indicata sull'ordine di acquisto è la più valida.Nessuna disposizione di questa pagina sostituisce una versione tecnica o la prova di qualificazione concordata tra acquirente e fornitore..