Qu'est-ce qu'un thermocouple?

Qu'est-ce qu'un thermocouple?

Il s'agit d'un élément de détection de température couramment utilisé dans les instruments de mesure de la température. Il mesure directement la température et convertit le signal de température en un signal de potentiel thermoélectrique, qui est ensuite converti par des instruments électriques (instruments secondaires) en température du milieu mesuré. Bien que les formes de divers thermocouples puissent varier considérablement en fonction de leur application, leur structure de base est largement la même, composée généralement d'un élément thermoélectrique, d'un tube de protection à manches isolant et d'une boîte de jonction. Ces thermocouples sont généralement utilisés en conjonction avec des instruments d'affichage, des instruments d'enregistrement et des régulateurs électroniques. Comment fonctionne un thermocouple Cette relation est largement utilisée dans la mesure pratique de la température. Étant donné que la jonction froide T0 reste constante, le potentiel thermoélectrique généré par le thermocouple ne varie qu'avec des changements dans la température de la jonction chaude (l'extrémité de mesure). Cela signifie qu'un potentiel thermoélectrique spécifique correspond à une température spécifique. En utilisant la méthode de mesure du potentiel thermoélectrique, nous pouvons atteindre le but de la mesure de la température Le principe fondamental de la mesure de la température du thermocouple est qu'un circuit fermé est formé par deux conducteurs composés de matériaux différents. Lorsqu'il y a un gradient de température entre les deux extrémités, le courant traverse le circuit, générant une force électromotive (EMF) entre les deux extrémités. Ce phénomène est connu comme l'effet Seebeck. Les deux conducteurs, faits de matériaux différents, sont les thermoéléments, avec l'extrémité plus chaude servant d'extrémité de travail et l'extrémité plus froide comme extrémité libre, qui est généralement maintenue à une température constante. Sur la base de la relation entre l'EMF et la température, une table d'étalonnage de thermocouple est créée. Ce tableau est basé sur la condition où la température d'extrémité libre est de 0 degrés, et différents thermocouples ont leurs propres tables d'étalonnage. Lorsqu'un troisième matériau métallique est ajouté au circuit de thermocouple, tant que les températures aux deux jonctions de ce matériau sont les mêmes, le potentiel thermoélectrique généré par le thermocouple restera inchangé, non affecté par l'ajout du troisième métal. Par conséquent, lors de l'utilisation d'un thermocouple pour la mesure de la température, un instrument de mesure peut être connecté pour mesurer le potentiel thermoélectrique, ce qui permet de déterminer la température du milieu. Lors de la mesure de la température avec un thermocouple, il est essentiel que la température à la jonction froide (l'extrémité connectée au circuit de mesure à travers les fils) reste constante, car cela garantit que le potentiel thermoélectrique est proportionnel à la température mesurée. Si la température à la jonction froide (l'environnement) change pendant la mesure, elle peut affecter considérablement la précision de la mesure. Pour compenser l'impact des changements dans la température de la jonction froide, des mesures sont prises à la jonction froide, qui est appelée compensation de la jonction froide. Des fils de compensation spéciaux sont utilisés pour se connecter à l'instrument de mesure.

Types communs et caractéristiques des thermocouples

Les thermocouples communs peuvent être classés en deux types principaux: la norme standard et non -. Les thermocouples standard sont ceux pour lesquels la norme nationale spécifie leur potentiel thermoélectrique - Relation de température, une erreur admissible et un tableau d'étalonnage unifié. Ils sont livrés avec des instruments d'affichage assortis pour la sélection. Les thermocouples standard non - ont une gamme ou une quantité d'applications plus petite par rapport aux thermocouples standard et manquent généralement d'un tableau d'étalonnage unifié, ce qui les rend principalement utilisés pour les mesures dans des situations spéciales. Depuis le 1er janvier 1988, la Chine a standardisé la production de thermocouples et de thermomètres de résistance selon les normes internationales de l'IEC, désignant sept types - S, B, E, K, R, J, T - comme thermocouples standard unifiés pour la Chine.

Théoriquement, deux conducteurs différents (ou semi-conducteurs) peuvent être jumelés pour former un thermocouple. Cependant, en tant que composants pratiques de mesure de la température, ils doivent répondre à plusieurs exigences. Pour garantir la fiabilité et une précision suffisante dans les applications d'ingénierie, tous les matériaux ne conviennent pas aux thermocouples. Généralement, les exigences de base pour les matériaux d'électrode des thermocouples sont:

1. Dans la plage de mesure de la température, les propriétés thermoélectriques sont stables et ne changent pas avec le temps, et il y a suffisamment de stabilité physique et chimique, qui n'est pas facile à oxyder ou à corroder;

2, petit coefficient de température de résistance, conductivité élevée, petite chaleur spécifique;

3. Le potentiel thermoélectrique généré dans la mesure de la température doit être important et le potentiel thermoélectrique est une relation de fonction unique linéaire ou presque linéaire avec la température;

4. Le matériau a une bonne reproductibilité,

Comment installer le thermocouple?

Dans la production, en raison de différents objets testés, différentes conditions environnementales, différentes exigences de mesure et différentes méthodes d'installation de résistances thermiques et de mesures prises, il y a de nombreux problèmes à prendre en compte. Cependant, en principe, il peut être pris en compte à partir de trois aspects: précision de la mesure de la température, de la sécurité et de la commodité de l'entretien. Pour éviter d'endommager l'élément de détection de température, il convient de garantir qu'il a une résistance mécanique suffisante. Pour protéger l'élément de l'usure, un écran ou un tube de protection doit être ajouté. Pour garantir la sécurité et la fiabilité, la méthode d'installation de l'élément de détection de température doit être déterminée en fonction de conditions spécifiques, telles que la température et la pression du milieu à mesurer, la longueur de l'élément, sa position d'installation et la forme. Voici quelques exemples pour attirer l'attention:

Tous les éléments de détection de température installés pour résister à la pression doivent assurer leur scellement. Pour les thermocouples fonctionnant à des températures élevées, pour éviter la déformation du tube de protection, ils doivent généralement être installés verticalement. Si une installation horizontale est nécessaire, elle ne doit pas être trop longue et un support doit être utilisé pour protéger le thermocouple. Si l'élément de détection de température est installé dans un pipeline avec une vitesse d'écoulement moyenne élevée, il doit être installé à un angle. Pour éviter une érosion excessive, il est préférable d'installer l'élément de détection de température aux virages du pipeline. Lorsque la pression moyenne dépasse 10MPA, un manchon protecteur doit être ajouté à l'élément de mesure. L'emplacement d'installation des thermocouples et des résistances thermiques devrait également considérer suffisamment d'espace pour le démontage, l'entretien et l'étalonnage. Les thermocouples et les résistances thermiques avec des tubes de protection plus longs doivent être faciles à démonter et à assembler

Méthode de mesure de la température du thermocouple

Le temps de réponse thermique est complexe et différentes conditions expérimentales peuvent conduire à des résultats de mesure variables. En effet, le temps de réponse thermique est influencé par le taux de transfert de chaleur entre le thermocouple et son milieu environnant; Un taux de transfert de chaleur plus élevé entraîne un temps de réponse thermique plus court. Pour s'assurer que le temps de réponse thermique des produits de thermocouple est comparable, les normes nationales spécifient que le temps de réponse thermique doit être mesuré à l'aide d'un dispositif d'essai d'écoulement d'eau spécialisé. Le débit d'eau doit être maintenu à 0,4 ± 0,05 m / s, avec une température initiale allant de 5 à 45 degrés et une étape de température de 40 à 50 degrés. Pendant le test, la température de l'eau ne doit pas changer de plus de ± 1% de l'étape de température. Le thermocouple doit être inséré à une profondeur de 150 mm ou à la profondeur d'insertion de conception (ce qui est plus petit) et cela doit être noté dans le rapport de test.

Parce que l'appareil est relativement complexe, seules quelques unités ont actuellement cet équipement, donc la norme nationale stipule que le fabricant et l'utilisateur peuvent négocier pour adopter d'autres méthodes de test, mais les données fournies doivent indiquer les conditions de test.

Étant donné que le potentiel thermoélectrique du thermocouple de type B est très faible à près de la température ambiante, le temps de réponse thermique n'est pas facile à mesurer. Par conséquent, la norme nationale stipule que l'ensemble d'électrode thermoélectrique de la même spécification du thermocouple de type S peut être utilisé pour remplacer son propre ensemble d'électrodes thermoélectriques, puis le test peut être effectué.

Pendant l'expérience, enregistrez le temps T0,5 lorsque la sortie du thermocouple passe à 50% de l'étape de température change. Si nécessaire, enregistrez également le temps de réponse thermique à 10% T0.1 et le temps de réponse thermique à 90% T0.9. Les temps de réponse thermique enregistrés devraient être la moyenne d'au moins trois tests, chaque mesure s'écartant de la moyenne de ± 10%. De plus, le temps requis pour le changement d'étape de température ne doit pas dépasser un - dixième du T0.5 du thermocouple testé. Le temps de réponse de l'instrument d'enregistrement ou du compteur ne doit pas non plus dépasser un - dixième du T0.5 du thermocouple testé.

Principaux types de thermocouples

1. Classification Selon le type de dispositif de fixation comme principal moyen de mesure de la température, le thermocouple a une large gamme d'utilisations, il existe donc de nombreuses exigences pour la fixation des appareils et des performances techniques. Par conséquent, les dispositifs de fixation du thermocouple sont divisés en six types: pas de type de dispositif de fixation, type fileté, type de bride fixe, type de bride mobile, type de règle d'angle de bride mobile, type de tube de protection conique.

2. Classification Selon l'assemblage et la structure Selon les performances et la structure des thermocouples, ils peuvent être divisés en: thermocouples détachables, explosion - thermocouples, thermocouples blindés et thermocouples à usage spécial tels que les thermocouples fixes à ressort de pression.

À quelles exigences devraient être prêtes à l'attention lors de l'installation du thermocouple?

Pour l'installation de thermocouples et de thermomètres de résistance, l'attention doit être accordée à la précision de la mesure de la température, de la sécurité et de la fiabilité et de l'entretien pratique, et ne affecte pas le fonctionnement des équipements et des opérations de production. Pour répondre aux exigences ci-dessus, lors de la sélection des pièces d'installation et de la profondeur d'insertion des thermocouples et des thermomètres de résistance, faites attention aux points suivants:

1. Afin d'assurer un échange de chaleur suffisant entre l'extrémité de mesure du thermocouple et du thermomètre de résistance et le milieu mesuré, le point de mesure doit être raisonnablement sélectionné, et le thermocouple ou le thermomètre de résistance doit être installé le plus loin possible des vannes, des coudes et des coins morts de pipelines et d'équipements.

2. Afin de réduire les erreurs de mesure, les thermocouples et les thermistances devraient avoir une profondeur d'insertion suffisante:

(1) Pour le thermocouple mesurant la température du fluide au centre du pipeline, il doit généralement être inséré au centre du pipeline (installation verticale ou installation inclinée). Si le diamètre du pipeline est de 200 mm, la profondeur d'insertion du thermocouple ou de la résistance doit être sélectionnée pour être 100 mm;

(2) Pour les mesures de température de la température élevée -, une pression élevée - et des fluides de vitesse élevés - (tels que la température principale de la vapeur), pour réduire la résistance de la manche de protection vers le liquide et l'empêcher de se casser sous pression du fluide, une méthode d'insertion peu profonde peut être utilisée pour le tube protatif ou une thermocolon thermique thermique. La profondeur du manchon de protection pour le thermocouple d'insertion peu profond ne doit pas être inférieure à 75 mm lorsqu'il est inséré dans le tuyau de vapeur principal; La profondeur d'insertion standard pour un thermocouple à manches thermiques est de 100 mm;

(3) S'il est nécessaire de mesurer la température des gaz de combustion dans le conduit, bien que le diamètre du conduit de conduit soit de 4 m, la profondeur d'insertion du thermocouple ou de la résistance est de 1 m;

(4) Lorsque la profondeur d'insertion de l'original de mesure dépasse 1 m, il doit être installé verticalement dans la mesure du possible, ou un cadre de support et un tuyau de protection doit être ajouté.

Les points suivants doivent être prêts attention afin d'utiliser correctement le thermocouple pour éviter les erreurs

L'utilisation correcte du thermocouple peut non seulement obtenir avec précision la valeur de la température, assurer la qualification du produit, mais également économiser la consommation de matériaux de thermocouple, à la fois économiser de l'argent et assurer la qualité du produit. Installation incorrecte, conductivité thermique et décalage temporel, ce sont les principales erreurs dans l'utilisation du thermocouple.

1. Les erreurs introduites par une mauvaise installation si la position d'installation et la profondeur d'insertion du thermocouple ne reflètent pas avec précision la température réelle du four, par exemple, le thermocouple ne doit pas être placé trop près de la porte ou des zones de chauffage, et sa profondeur d'insertion doit être d'au moins 8 à 10 fois le diamètre du tube de protection. L'espace entre le manchon de protection du thermocouple et la paroi du four n'est pas rempli de matériaux isolants, ce qui peut faire échapper à la chaleur ou à l'air froid pour envahir la fournaise. Par conséquent, l'écart entre le manchon de protection du thermocouple et la paroi du four doit être scellé avec de l'argile réfractaire ou de la corde d'amiante pour empêcher la convection de l'air chaud et froid, ce qui pourrait affecter la précision de la mesure de la température. Si l'extrémité froide du thermocouple est trop proche du corps du four, la température peut dépasser 100 degrés. L'installation du thermocouple doit éviter autant que possible les champs magnétiques puissants et les champs électriques, de sorte qu'il ne doit pas être installé dans le même conduit que les câbles d'alimentation pour éviter les interférences qui pourraient provoquer des erreurs. Le thermocouple ne doit pas être installé dans les zones où le milieu mesuré coule très peu. Lorsque vous mesurez la température du gaz à l'intérieur du tuyau avec un thermocouple, le thermocouple doit être installé dans la direction opposée au débit et doit avoir un contact suffisant avec le gaz.

2. Erreur introduite par détérioration de l'isolation si le thermocouple est isolé, trop de saleté ou de résidu de sel sur le tube de protection et la plaque de traction provoque une mauvaise isolation entre les pôles de thermocouple et la paroi du four, ce qui est plus grave à haute température. Cela entraînera non seulement la perte de potentiel thermoélectrique, mais introduira également des interférences, et l'erreur causée par cela peut parfois atteindre des centaines de degrés.

3. Erreur introduite par inertie thermique L'inertie thermique des thermocouples fait que la lecture de l'instrument est à la traîne des changements de température réels, ce qui est particulièrement visible pendant les mesures rapides. Par conséquent, il est conseillé d'utiliser des thermocouples avec des thermoéléments plus fins et des diamètres de tube de protection plus petits. Lorsque l'environnement de mesure le permet, le tube de protection peut être retiré. En raison du décalage de mesure, l'amplitude des fluctuations de température détectées par les thermocouples est plus petite que celles des températures du four. Plus le décalage de mesure est élevé, plus l'amplitude des fluctuations du thermocouple est faible et plus la différence est grande par rapport à la température réelle du four. Lorsque vous utilisez des thermocouples avec une grande constante de temps pour la mesure ou le contrôle de la température, l'instrument peut montrer des fluctuations de température minimales, mais la température réelle du four peut varier considérablement. Pour assurer une mesure précise de la température, les thermocouples avec une petite constante de temps doivent être choisis. La constante de temps est inversement proportionnelle au coefficient de transfert de chaleur et directement proportionnelle au diamètre de l'extrémité chaude du thermocouple, de la densité du matériau et de sa chaleur spécifique. Pour réduire le temps constant, en plus d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur, la méthode la plus efficace consiste à minimiser la taille de l'extrémité chaude. En pratique, les matériaux avec une bonne conductivité thermique, les parois de tube mince et les petits diamètres intérieurs sont généralement utilisés pour les manchons de protection. Pour des mesures de température plus précises, des thermocouples à fil nu sans manches de protection sont utilisés, mais ceux-ci peuvent être facilement endommagés et nécessitent un étalonnage ou un remplacement en temps opportun.

4. Erreur de résistance thermique à haute température, s'il y a une couche de suie sur le tube de protection et que la poussière y est fixée, la résistance thermique augmentera et la conduction thermique sera entravée. À l'heure actuelle, l'indication de température est inférieure à la valeur réelle de la température mesurée. Par conséquent, la propreté externe du tube de protection du thermocouple doit être maintenue pour réduire l'erreur.

Les principaux avantages des thermocouples

1. Précision de mesure élevée. Parce qu'il est en contact directement avec l'objet mesuré, il n'est pas affecté par le milieu intermédiaire.

2. Plage de mesure large. Les thermocouples communs peuvent être mesurés en continu à partir de 50 degrés --1600 degrés, et certains thermocouples spéciaux peuvent être mesurés comme basses à 269 degrés (comme le chrome de nickel en fer doré) et aussi élevé que 2800 degrés (comme le tungstène, le rhénium).

3. Structure simple et facile à utiliser. Les thermocouples sont généralement composés de deux fils métalliques différents et ne sont pas limités par taille et début. Ils ont une manche protectrice à l'extérieur, ce qui les rend très pratiques à utiliser.

Quelles sont les tendances futures et les champs d'application du thermocouple?

I. Future Development Trend Materials Innovation and Performance Amélioration de nouveaux matériaux thermoélectriques: Développer des matériaux avec une sensibilité plus élevée et une plage de température plus large (telle que les thermocouples à oxyde, les nanocomposites) pour remplacer les alliages métalliques traditionnels (tels que K -, j - Thermocouples de film minces - (tels que l'électronique imprimée). Matériaux supraconducteurs à haute température: explorer des schémas de mesure de température stables dans des environnements extrêmes (tels que les réacteurs aérospatiaux et nucléaires). Traitement du signal intégré intelligent et intégré: amplificateur miniature intégré et circuit de compensation numérique, sortie directe du signal numérique, réduisez les interférences externes. Fusion IoT: surveillance à distance via la transmission sans fil (comme LORA, NB - IoT) pour soutenir l'industrie 4.0 et les applications Smart City. Système alimenté par Self -: Utilisation de l'effet SeeBeck des thermocouples pour alimenter les dispositifs d'alimentation - bas (tels que les nœuds de capteur sans fil). Optimisation de la précision et de la fiabilité de la technologie d'étalonnage de l'IA: grâce à l'apprentissage automatique pour compenser dynamiquement l'erreur non linéaire et la dérive du vieillissement, prolongez la durée de vie. Multi - Fusion de capteurs: combinée avec infrarouge, RTD, etc., pour améliorer la fiabilité de la mesure dans un environnement complexe. Processus MEMS à faible coût et standardisation: La production d'échelle - de systèmes microélectromécaniques réduit le coût des micro-thermocouples et élargit les applications de consommation. Unification standard internationale: s'adapter à la chaîne d'approvisionnement mondiale, simplifier le processus de sélection et de maintenance.

2, Emerging Application Fields New Energy and Carbone Neutrality Photovoltaic and Energy Storage: Survenez la température du panneau solaire (pour prévenir l'effet de point chaud) et la gestion thermique des systèmes de stockage d'énergie. Énergie d'hydrogène: production d'hydrogène à haute pression et surveillance de la température des piles de piles à combustible. Fusion nucléaire: mesures à température élevée extrême pour les réacteurs futurs (tels que les thermocouples de tungstène et de rhénium). Haute - Fabrication finale et automatisation Manufacturation des semi-conducteurs: contrôle de la température de précision de l'équipement de traitement et de gravure de la plaquette (réponse en millisecondes requise). Fabrication additive: réalité - rétroaction temporelle de la température du pool de fonte dans le processus d'impression 3D pour optimiser la qualité de la moulure. Robot: Protection de surchauffe conjointe du robot collaboratif. Chirurgie biomédicale et de santé mini-invasive: les thermocouples ultrafines sont intégrés dans un cathéter ou un endoscope pour surveiller la température des tissus en temps réel. Dispositifs portables: surveillance continue des changements de température corporelle (comme les besoins de gestion de la santé après l'épidémie). Thérapie à basse température: contrôle précis de la température pendant la cryothérapie liquide azote. Aircraft supersonique aérospatial et de défense: surveillance du chauffage aérodynamique de surface (matériaux résistants à plus de 2000 c requis). Contrôle thermique par satellite: amélioration de la fiabilité dans l'environnement de température extrême de l'espace. Gestion de la santé du moteur: surveillance de la distribution de la température de la lame de turbine. Appareils intelligents à domicile et à la consommation Smart Home: Contrôle précis des fours, machines à café et autres appareils électroménagers. Dispositifs AR / VR: Empêchez la surchauffe du processeur d'affecter l'expérience utilisateur. Environnement et agriculture Smart Agriculture: Surveillance de la serre et de la température du sol. Exploration géothermique: mesure de la température en profondeur pour aider le développement de l'énergie.

résumer

L'avenir des thermocouples se concentrera sur trois domaines clés: les matériaux de performance élevés -, l'intelligence et l'intégration du domaine croisée -. Ils continueront de pénétrer les secteurs finaux élevés - tels que la nouvelle énergie, les soins de santé et l'aérospatiale, et entreront sur le marché de la consommation à mesure que les coûts diminuent. Leurs principaux avantages - Structure simple, aucune exigence d'alimentation et la résistance à la chaleur - assurent leur irreplaceabilité, mais ils doivent également se développer en tandem avec des technologies de capteurs émergentes.