열전대 란 무엇입니까, 작동 원리, 주요 유형 및 유형

열전대는 과학 및 기술의 모든 분야에서 온도를 측정하는 장치입니다. 이 기사에서는 장치의 설계 및 작동 원리에 대한 분석과 함께 열전대의 일반적인 개요를 제공합니다. 간략한 특성을 가진 다양한 열전대에 대해 설명하고 측정기로서의 열전대에 대한 평가도 제공합니다.

열전대 장치

열전대의 작동 원리. 제벡 효과

열전대의 작동은 1821년 독일 물리학자 토마스 제벡(Tomas Seebeck)이 발견한 열전 효과의 발생에 기인합니다.

이 현상은 특정 주변 온도에 노출될 때 폐쇄된 전기 회로에서 전기가 발생하는 것을 기반으로 합니다. 전류는 구성이 다른 두 도체(열전극)(이종 금속 또는 합금) 사이에 온도차가 있을 때 발생하며 접점(접합)의 위치를 ​​유지하여 유지됩니다. 장치는 연결된 보조 장치의 화면에 측정된 온도 값을 표시합니다.

출력 전압과 온도는 선형적으로 관련되어 있습니다. 이는 측정된 온도가 증가하면 열전대의 자유단에서 더 높은 밀리볼트 값이 발생한다는 것을 의미합니다.

온도 측정 지점에 위치한 접합부를 "hot"이라고 하고 전선이 변환기에 연결되는 곳을 "cold"라고 합니다.

냉접점 온도 보상(CJC)

냉접점 보상(CJC)은 열전대 리드가 연결된 지점에서 온도를 측정할 때 총 판독값에 대한 수정으로 적용되는 보상입니다. 이는 냉접점의 실제 온도와 0°C에서 냉접점 온도에 대한 보정 테이블의 계산된 판독값 사이의 불일치 때문입니다.

CCS는 알려진 냉접점 온도(기준 접합이라고도 함)에서 절대 온도 판독값을 찾는 차동 방법입니다.

열전대 설계

열전대를 설계할 때 외부 환경의 "공격성", 물질의 응집 상태, 측정된 온도 범위 등과 같은 요인의 영향이 고려됩니다.

열전대 설계 기능:

1) 도체의 접합부는 추가 전기 아크 용접(드물게 납땜)으로 꼬거나 꼬아서 상호 연결됩니다.

중요한: 접합 특성이 빠르게 손실되므로 비틀림 방법을 사용하지 않는 것이 좋습니다.

2) 열전극은 접점을 제외하고 전체 길이에 걸쳐 전기적으로 절연되어야 합니다.

3) 절연 방법은 온도 상한을 고려하여 선택됩니다.

• 최대 100-120°C - 모든 단열재;
• 최대 1300°C - 도자기 튜브 또는 구슬;
• 최대 1950°C - 알루미늄 튜브₂영형₃;
• 2000°С 이상 - MgO, BeO, ThO로 만든 튜브₂, ZrO₂.

4) 보호 커버.

재료는 열 전도성이 우수하고 열 및 화학적 저항성이 있어야 합니다(금속, 세라믹). 부츠를 사용하면 특정 환경에서 부식을 방지할 수 있습니다.

연장(보상) 전선

이 유형의 와이어는 열전대의 끝을 보조 기기 또는 장벽으로 확장하는 데 필요합니다. 열전쌍에 통합 출력 신호가 있는 내장 변환기가 있는 경우 와이어는 사용되지 않습니다. 가장 널리 사용되는 것은 소위 "태블릿"이라고 하는 통합 신호 4-20mA로 센서의 표준 터미널 헤드에 위치한 정규화 변환기입니다.

와이어의 재료는 열전극의 재료와 일치할 수 있지만 기생(유도된) 열 기전력의 형성을 방지하는 조건을 고려하여 더 저렴한 재료로 대체되는 경우가 가장 많습니다. 연장 와이어를 사용하면 생산을 최적화할 수도 있습니다.

인생 해킹! 보상 전선의 극성을 올바르게 결정하고 열전대에 연결하려면 MM-마이너스가 자화된다는 니모닉 규칙을 기억하십시오. 즉, 우리는 자석을 가져 가면 플러스와 달리 보상의 마이너스가 자화됩니다.

열전대의 유형 및 유형

다양한 열전대는 사용된 금속 합금의 다양한 조합으로 설명됩니다. 열전쌍의 선택은 산업 및 필요한 온도 범위에 따라 수행됩니다.

열전대 크로멜-알루멜(TXA)

양극: 크로멜 합금(90% Ni, 10% Cr).
음극: 알루멜 합금(95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

단열재: 도자기, 석영, 금속 산화물 등

온도 범위 -200°С ~ 1300°С 단기 및 1100°С 장기 가열.

작업 환경: 불활성, 산화성(O₂=2-3% 또는 완전히 제외됨), 건조 수소, 단기 진공. 보호 덮개가 있는 환원 또는 산화 환원 분위기.

단점: 변형이 쉽고 열 EMF의 가역적 불안정성.

대기에는 미량의 황이 존재하고 크로멜은 약하게 산화되는 대기("녹색 점토")에서 부식 및 취화되는 경우가 있을 수 있습니다.

열전대 chromel-kopel(TKhK)

양극: 크로멜 합금(90% Ni, 10% Cr).
음극: Kopel 합금(54.5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0.5% Mn).

온도 범위 -253°С ~ 800°С 장기 및 1100°С 단기 가열.

작업 환경: 불활성 및 산화, 단기 진공.

단점: 열전극 변형.

장기간 진공 상태에서 크롬 증발 가능성; 황, 크롬, 불소를 포함하는 분위기와의 반응.

열전대 철-콘스탄탄(TGK)

양극: 상업적으로 순수한 철(연강).
음극: 콘스탄탄 합금(59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

환원성, 불활성 매체 및 진공 측정에 사용됩니다. -203°С ~ 750°С 장기 및 1100°C 단기 가열의 온도.

응용 프로그램은 양수 및 음수 온도의 공동 측정에서 개발됩니다. 음의 온도에만 사용하는 것은 수익성이 없습니다.

단점: 열전극 변형, 낮은 내식성.

약 700°C와 900°C에서 철의 물리화학적 특성 변화. 황 및 수증기와 반응하여 부식을 형성함.

텅스텐-레늄 열전대(TVR)

양극: 합금 BP5(95% W, 5% Rh) / BAP5(실리카 및 알루미늄 첨가제가 포함된 BP5) / BP10(90% W, 10% Rh).
음극: BP20 합금(80% W, 20% Rh).

단열재: 화학적으로 순수한 금속 산화물 세라믹.

기계적 강도, 내열성, 오염에 대한 낮은 민감도, 제조 용이성이 주목됩니다.

1800°С에서 3000°С까지의 온도 측정, 하한은 1300°С입니다. 측정은 불활성 가스, 건조 수소 또는 진공 환경에서 수행됩니다. 빠른 공정에서 측정을 위한 산화 환경에서만.

단점: 열 EMF의 낮은 재현성, 조사 중 불안정, 온도 범위에서 불안정한 감도.

열전대 텅스텐 몰리브덴(VM)

양극: 텅스텐(상업용 순수).
음극: 몰리브덴(상업적으로 순수한).

절연체: 알루미나 세라믹, 석영 팁으로 보호됨.

불활성, 수소 또는 진공 환경. 절연체가 있는 산화 환경에서 단기 측정이 가능합니다.측정 온도 범위는 1400-1800°C이며 최대 작동 온도는 약 2400°C입니다.

단점: 열 EMF의 열악한 재현성 및 감도, 극성 반전, 고온에서의 취성.

열전대 백금-로듐-백금(TPP)

양극: 백금-로듐(Pt c 10% 또는 13% Rh).
음극: 백금.

단열재: 석영, 도자기(일반 및 내화물). 최대 1400°C - Al 함량이 높은 세라믹₂영형₃, 1400°C 이상 - 화학적으로 순수한 Al 세라믹₂영형₃.

최대 작동 온도 1400°C 장기, 1600°C 단기. 저온 측정은 일반적으로 수행되지 않습니다.

작업 환경: 산화 및 불활성, 보호 장치가 있는 경우 환원.

단점: 높은 비용, 조사 중 불안정, 오염에 대한 높은 민감도(특히 백금 전극), 고온에서 금속 입자 성장.

열전대 백금-로듐-백금-로듐(TPR)

양극: 30% Rh의 Pt 합금.
음극: 6% Rh의 Pt 합금.

매체: 산화, 중성 및 진공. 보호 장치가 있는 상태에서 금속 또는 비금속 증기를 감소 및 억제하는 데 사용합니다.

최대 작동 온도 1600°C 장기, 1800°C 단기.

단열재: 알 세라믹₂영형₃ 높은 순도.

백금-로듐-백금 열전대보다 화학적 오염 및 입자 성장에 덜 민감합니다.

열전대 배선도

• 전위차계 또는 검류계를 도체에 직접 연결합니다.
• 보상 전선과의 연결;
• 통합 출력이 있는 열전대에 대한 기존 구리 와이어 연결.

열전대 도체 색상 표준

유색 도체 절연체는 단자에 대한 적절한 연결을 위해 열전극을 서로 구별하는 데 도움이 됩니다. 표준은 국가마다 다르며 도체에 대한 특정 색상 코드는 없습니다.

중요한: 오류를 방지하기 위해 기업에서 사용하는 표준을 알아야 합니다.

측정 정확도

정확도는 열전대 유형, 온도 범위, 재료 순도, 전기 노이즈, 부식, 접합 특성 및 제조 공정에 따라 다릅니다.

열전쌍에는 측정 신뢰 구간을 설정하는 공차 등급(표준 또는 특수)이 할당됩니다.

중요한: 제조시 특성은 작동 중에 변경됩니다.

측정 속도

속도는 온도 점프와 이를 따르는 측정 장치의 입력 신호 흐름에 신속하게 대응하는 1차 변환기의 능력에 의해 결정됩니다.

성능을 향상시키는 요소:

1. 1차 변환기의 길이를 올바르게 설치하고 계산합니다.
2. 보호 슬리브가 있는 변환기를 사용할 때 슬리브의 더 작은 직경을 선택하여 장치의 질량을 줄여야 합니다.
3. 1차 변환기와 보호 슬리브 사이의 공극 최소화
4. 스프링이 장착된 1차 변환기를 사용하고 슬리브의 빈 공간을 열전도성 필러로 채웁니다.
5. 빠르게 움직이거나 밀도가 더 높은 매체(액체).

열전대 성능 점검

성능을 확인하려면 특수 측정 장치(테스터, 검류계 또는 전위차계)를 연결하거나 밀리볼트미터로 출력 전압을 측정하십시오. 화살표 또는 디지털 표시기가 흔들리면 열전쌍을 수리할 수 있으며 그렇지 않으면 장치를 교체해야 합니다.

열전대 고장의 원인:

1. 보호 차폐 장치를 사용하지 않는 경우
2. 전극의 화학적 조성 변화;
3. 고온에서 발생하는 산화 과정;
4. 제어 및 측정장치 등의 고장

열전대 사용의 장점과 단점

이 장치를 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 넓은 온도 측정 범위;
• 높은 정밀도;
• 단순성과 신뢰성.

단점은 다음과 같습니다.

• 냉접점의 지속적인 모니터링 구현, 제어 장비의 검증 및 교정
• 장치 제조 중 금속의 구조적 변화;
• 대기 조성에 따라 밀봉 비용;
• 전자파로 인한 측정 오류.

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