Копеечная термопара заменит целый прибор. Легко

Термопара представляет собой устройство, состоящее из соединения (щупов) двух разнородных металлов, способных в любом месте считывать температурные показатели в диапазоне от -250 до 2000°C. Как пример: что касается производства красок и процессов отверждения порошковых компонентов, то обычно применяют 
термопары класса К, у которых одна «нога» выполнена из никель хрома, а вторая «нога» из никель алюминия (“Alumel”). Термопара работает через создание разницы напряжения между двумя этими проводными выводами, что пропорционально температуре всего этого соединения. Это называется эффектом Сибека а честь Томаса Сибек, который открыл этот феномен в 1821 г. 

 

 

Рис.1. Термопара типа K состоит из базовых открытых «горячих» соединений. Две ноги термопары спаяны вместе для формирования металлической бусины, которая применяется для измерений разницы напряжения.  

 

 

Тип K термопары популярен благодаря своему широкому температурному диапазону, возможностью применения этой термопары в жёстких условиях промышленного производства и недорогой стоимости. Различные типы термопар Типа К обладают разной точностью генерируемых показаний, потому мы рекомендуем такой тип термопары, который бы обладал специальными ограничениями на ошибки. Это тип К, сертифицированный по стандартам ANSIMC96.1 spec, что позволяет осуществлять измерения с точностью ± 1.98 °F или же  ± 0.4% от значения измеряемой температуры, при диапазоне измерений от 32 °F до 2282 °F.

Знать, что измеряете

Термопара работает по принципу контактного измерения температуры. Любые измерения по такому принципу несут в себе риски, связанные с точностью показаний, потому во избегание этого, учитываются 3 важный критерия:

1. Качество контакта между сенсором и объектом измерения – если такой контакт недостаточно осуществлён, то очень вероятно, что вы скорее измеряете температуру окружающей среды, а не объекта или же получаете какие-то усреднённые данные.
2. Воздействие самой термопары на температурные характеристики измеряемого объекта. Помните, что прикрепляя термопару к объекту измерений, вы до определённой степени изменяете его (объекта) физическую термальную массу, тем самым изменяете и характеристики нагрева. 
3. Неоднократные переустановки термопары. Возможно ли посредством таких переустановок надёжно поместить сенсор на то же самое место объекта измерений? Помните, что термопара не способна лгать, она измеряет именно ту температуру, что принимает. Сложные объекты измерений имеют участки, на которых температурные показатели существенно отличаются друг от друга из-за вариаций термальных масс. 

При выборе и применении термопары необходимо учитывать все перечисленные выше комментарии, чтобы быть уверенным, что в реальности вы измеряете именно то, что надо.

Выбор правильной термопары для качественных измерений

Совершенно очевидно, что точность считываемых показаний чрезвычайно важный фактор, но его надо учитывать совместно с другими вопросами, как то: повторяемость измерений между последовательными тестами, простота и скорость помещения пробников в требуемое место, а также учёт того, что сами измерения будут проходить в суровых промышленных условиях. Например, нет никакого смысла выбирать термопару с прекрасными показателями точности, если процедура установки этой термопары занимает целую минуту, а доступ к объекту измерений на производственной линии (например, между покрасочной камерой и печью) ограничен до 30 сек.  Опять же в качестве примера: каждая процедура отверждения краски и тип того или иного продукта в определённой степени отличаются друг от друга, поэтому под каждый технологический процесс необходимо выбирать соответствующий тип термопары. Хотя основной принцип функционирования всех термопар одинаковый, существует множество различных подходов к креплению этих устройств. Под каждую ситуацию не существует идеальной техники крепления термопар, а потому инженеру необходимо принимать компромиссные решения, которые бы принимали в расчёт точность, стабильность и скорость измерений, а также простоту использования тестера в целом. Этот вопрос принимает ещё большую значимость, если сравнивать приводимые ниже 2 технологии, на которых построены термопары. 

Рис.2,3 Сравнение работоспособности различных вариантов термопар

Термопара 1: Тонкий патч-зонд – Тонкое соединение термопары крепится к объекту измерений посредством  самоклеющегося пластыря с дополнительной высокотемпературной лентой для облегчения натяжения.

Термопара 2: Магнитный поверхностный зонд – контакт сенсора термопары к железному материалу с задействованием магнита и подпружиненного стального установочного рычага

Выбор термопары - Обзор

Приводимая ниже информация (обзор) даёт характеристики различных типов пробников и их характеристики, из чего можно сделать выводы о пригодности термопар для их применений в тех или иных случаях. 

Стандартная термопара с магнитной поверхностью

Автоматическое помещение сенсора на плоский железный субстрат с фиксированием магнитом. Подпружиненный стальной натяжной рычаг гарантирует, что  горячий спай термопары лежит абсолютно плоско на поверхности металла. Во избегание погрешности тепловой массы, магнит помещается на 3.5” (90 mm) в сторону от точки измерений. Такой тип термопары обычно используется при покраски автомобилей для мониторинга качества их лакокрасочного покрытия.  Помещение термопар на внутреннюю часть корпуса автомобилей должно обязательно проводиться, поскольку автомобиль постоянно перемещается  между покрасочной камерой и входом в печь. До 8 термопар требуется для их помещения на различные участки, при этом время на такую операцию отводится менее 1 мин.

 

Поверхностная термопара MicroMag 

Адаптация стандартной магнитной термопары, в которой сенсор встроен непосредственно в магнит.  Уменьшение «отпечатка ноги» термопары может применяться в труднодоступных местах, а также на изогнутых или неровных поверхностях. Во избежание высоких тепловых значений применяется маленький, но очень мощный Самарий Кобальт дисковый магнит, что обеспечивает прочное качество соединений термопар с объектом измерений.   

При рассмотрении возможности применения магнитов в качестве фиксаторов, необходимо учитывать температурное воздействие на свойства магнита. Сильный магнит при комнатной температуре не работает также как и при температуре отверждения. Магнит Самарий Кобальт при температуре 1508 °F теряет свои магнитные свойства. Потеря магнитных свойств от воздействия температуры увеличивается через значение Br%°C -0.032. Это означает, что при 482°F магнитная сила составляет на 8% меньше, чем при комнатной температуре. Тем не менее, такая температурная толерантность значительно превосходит аналогичные свойства, что присутствуют у магнитов, выполненных из других материалов.

Термопары на технологии Захват/Зажим

Инженерами также широко применяются термопары, в которых сенсоры помещаются на объекте измерений посредством фиксирующих клещей на основе простой зажимной пружины. Зажимные клещи адаптированы таким образом, что могут открываться и зажиматься на любой толщине (до 1 дюйма) участка объекта измерений.  Такой подход идеален для объектов из экструзии алюминия или же аналогов этому, включая плоские узкие секции.

Единственным ограничением для зажимного пробника является то, что ему требуется краеугольный выступ, ограничивающий фиксацию этого пробника относительно краёв плоских секций. 

Открытые соединительные зонды

Открытые соединительные зонды, как они и названы, предполагает под собой то, что эти зонды представляют собой простейшую форму конструкции термопары, где сенсор не что иное, как припаянные друг к другу две ноги термопары от провода «горячее соединение».   Такого рода пробники очень полезны из-за своей гибкости. Очевидно, что один и тот же пробник может мониторить как температуру окружающей среды, так и температуру объекта через установку его на выверенную точку «горячего соединения». «Горячие соединения» имеют минимальную термальную массу, а потому их характеристики по обратной связи очень быстры, тем самым точность показаний высока, при этом такого рода термопары можно считать самым лёгким измерительным инструментом, выполненным из металла.   

Материалы кабеля и способы крепления этого типа пробников сильно зависят от технологического процесса и измеряемых температур. Методы крепления таких термопар довольно затратные по времени, притом, что часто приходится процарапывать покрытые краской участки объекта измерений, а не устанавливать пробники сразу на поверхность.

Термопары с открытым контактом типа PTFE – предпочтительный выбор для измерений низких температур. Рабочий предел материала PTFE составляет 265 °C / 509 °F. Кабель в таком случае должен быть гибким и простым в использовании.

При работе ниже 509 °F крепление должно использоваться совместно с высокотемпературной Каптон лентой, как это показано на рис. 8. Высокотемпературная лента очень гибка, тем самым она может применяться практически на всех сухих и чистых поверхностях. Такой тип крепления порой может быть ненадёжным, когда имеют место множественные движения или натяжения кабеля. Обычно применяется вторичное крепление кабеля на несколько дюймов выше от «горячего крепления». 
Для этого применяется либо лента или же, как это показано на рисунке, магнитный пробник, монтируемый так, чтобы  снять напряжение и предотвратить отрыв зонда от продукта.

При работе с температурами выше 509 °F требуется применение стекловолоконного кабеля, градуированного до 1300 °F. Высокотемпературная лента может использоваться до 600 °F, но при более высоких температурах рекомендуется более продвинутый метод физического крепления, поскольку крепящий клей теряет свою прочность захвата. Существует один метод физического крепления, который может быть применён в этом случае для термопар с открытыми зондами, это точечная сварка. При такой технологии задействуются токи с высокими значениями для спаивания металлического участка «горячего соединения» термопары с соответствующим участком объекта измерений. Эта методология требует наличия относительно сложного оборудования и навыков со стороны пользователя, но при этом выгода от всего этого очевидна: пробник становится частью объекта измерений, поскольку его стык с объектом надёжно гарантирован.   
Менее сложным методом соединения являются гайки/шайбы для крепления кабеля/горячего соединения к поверхности с применением либо болтов, либо саморезов. Опять же обращаем внимание на то, что при такой технологии важно избегать добавления значительного кол-ва термальной массы на подложку посредством дополнительных фиксаторов. Что касается тяжёлых, громоздких объектов измерений, как то отлитые фундаменты/подлоги, то термальная масса горячего соединения термопары не столь уж важна. Учитывая эти допущения, применяется специально изготовленный пробник с шайбой. Как это показано ниже на рисунке, горячее соединение термопары делается в виде укрупнённой шайбы, которая может накручиваться непосредственно на подложку объекта измерений. 

При этом объём облицовываемого пластика на термопаре растёт. Важно помнить, что сам пластик, является материалом с низкой термальной массой, поэтому задействуемая для мониторинга этого материала термопара сама должна быть с низкой термальной массой. Идеальным выбором здесь может стать патч-зонд для «легких режимов» эксплуатации. В случае однонитевой термопары, соединение пробника и участка тестирования обеспечивается пластырем. Чувствительные ноги термопары и само горячее соединение лежат плоско на подложке, тем самым быстро реагируя на любые изменения температуры поверхности. Необходимо учитывать тонкий конструктив ножек термопары, потому помните это при их монтаже и демонтаже. Сам пробник должен применяться с большой осторожностью для различного рода тестов, при этом отношение к нему должно быть как к расходному материалу в случае, например, условий массового производства за исключением лабораторий и тому подобного.

При экстремальных температурах или открытого огня, а также иных «враждебных» условий рекомендуется использовать термопару с минеральной изоляцией. Футляр для термопары типа NicrobelTM создаёт очень крепкую конструкцию, которая в отличие от PTFE или стекловолокна устойчива к повреждениям от острых краёв. Сама по себе природа крепкого конструктива означает, что гибкость проводов при этом ограничивается, что привносит проблемы при фиксировании зондов. «Горячее соединение» термопары располагается на кончике проводов. Установление контакта с поверхностью подложки должно осуществляться с осторожностью. Схема на рис. 11 иллюстриует то, как это можно сделать наилучшим образом. Прочность крепления обеспечивается шайбой и гайкой, а пилотная ямочка даёт участок контакта для «горячего соединения».
 
Пробник для алюминиевых конструкций в автомобилях

Так исторически сложилось, что производители автомобилей предпочитают применять сталь при производстве корпусов своей продукции. По мере развития технологий, использование алюминия стало более перспективным из-за преимуществ, которыми обладает этот материал, а именно соотношение масса/прочность. Очевидно, что помещение пробника в той области печи, где осуществляется температурный мониторинг, является проблемой, если отсутствует магнит для  алюминиевого материала. Подпружиненная шпулька была специально разработана для термопары, закреплённой на алюминиевом корпусе автомобиля, который в свою очередь постоянно перемещается по сборочному конвейеру.   Шпулька подрезается до любого удобного углубления или выемки на внутренней части корпуса автомобиля. Подпружиненный стальной рычаг в сборе регулируется до того положения, как температурный сенсор не окажется на внешней части корпуса, там, где требуется осуществлять измерения. 

 

ВЫВОДЫ

Совершенно очевидно, что любая работа и усилия по точным измерениям температур сильно зависят от правильного выбора термопары. Выбрав правильную термопару под решения конкретных задач, инженер гарантированно получает точные данные от объекта измерений, что и определяет ход текущих технологических процессов.

 Магазин Gtest® - авторизованный поставщик токовых клещей: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/tokovye-kleshchi