Копійна термопара замінить цілий прилад. Легко

Термопара являє собою пристрій, що складається із з'єднання (щупів) двох різнорідних металів, здатних у будь-якому місці зчитувати температурні показники в діапазоні від -250 до 2000°C. Як приклад: щодо виробництва фарб і процесів затвердіння порошкових компонентів, то зазвичай застосовують
термопари класу К, у яких одна "нога" виконана з нікель хрому, а друга "нога" з нікель алюмінію ("Alumel"). Термопара працює через створення різниці напруги між цими двома провідними висновками, що пропорційно температурі всього цього з'єднання. Це називається ефектом Сібека а честь Томаса Сібека, який відкрив цей феномен у 1821 р.

Рис.1. Термопара типу K складається з базових відкритих гарячих з'єднань. Дві ноги термопари спаяні разом для формування металевої намистини, яка застосовується для вимірювання різниці напруги.  

Тип K термопари популярний завдяки своєму широкому температурному діапазону, можливістю застосування цієї термопари у жорстких умовах промислового виробництва та недорогої вартості. Різні типи термопар Типу До мають різну точність показань, що генеруються, тому ми рекомендуємо такий тип термопари, який би володів спеціальними обмеженнями на помилки. Це тип К, сертифікований за стандартами ANSIMC96.1 spec, що дозволяє здійснювати вимірювання з точністю ± 1.98 °F або ± 0.4% від значення вимірюваної температури, при діапазоні вимірювань від 32 °F до 2282 °F.

Знати, що вимірюєте

Термопара працює за принципом контактного вимірювання температури. Будь-які вимірювання за таким принципом несуть у собі ризики, пов'язані з точністю показань, тому щоб уникнути цього, враховуються три важливі критерії:

1. Якість контакту між сенсором та об'єктом вимірювання – якщо такий контакт недостатньо здійснений, то дуже ймовірно, що ви швидше вимірюєте температуру навколишнього середовища, а не об'єкта або отримуєте якісь усереднені дані.
2. Вплив самої термопари на температурні характеристики об'єкта, що вимірювається. Пам'ятайте, що прикріплюючи термопару до об'єкта вимірювань, ви до певної міри змінюєте його (об'єкта) фізичну термальну масу, тим самим змінюєте характеристики нагріву.
3. Неодноразові переустановки термопари. Чи можна за допомогою таких переустановок надійно помістити сенсор на те саме місце об'єкта вимірювань? Пам'ятайте, що термопара не здатна брехати, вона вимірює саме ту температуру, яку приймає. Складні об'єкти вимірювань мають ділянки, на яких температурні показники суттєво відрізняються один від одного через варіації термальних мас.

При виборі та застосуванні термопари необхідно враховувати усі перелічені вище коментарі, щоб бути впевненим, що насправді ви вимірюєте саме те, що треба.

Вибір правильної термопари для якісних вимірів

Цілком очевидно, що точність зчитуваних показань надзвичайно важливий фактор, але його треба враховувати спільно з іншими питаннями, як то: повторюваність вимірювань між послідовними тестами, простота і швидкість приміщення пробників у необхідне місце, а також врахування того, що самі виміри проходитимуть у суворих промислових умов. Наприклад, немає жодного сенсу вибирати термопару з чудовими показниками точності, якщо процедура встановлення цієї термопари займає цілу хвилину, а доступ до об'єкта вимірювань на виробничій лінії (наприклад, між камерою для фарбування і піччю) обмежений до 30 сек. Знову ж як приклад: кожна процедура затвердіння фарби і тип того чи іншого продукту певною мірою відрізняються один від одного, тому під кожен технологічний процес необхідно вибирати відповідний тип термопари. Хоча основний принцип функціонування всіх термопар є однаковим, існує безліч різних підходів до кріплення цих пристроїв. Під кожну ситуацію не існує ідеальної техніки кріплення термопар, а тому інженеру необхідно приймати компромісні рішення, які б брали до уваги точність, стабільність і швидкість вимірювань, а також простоту використання тестера в цілому. Це питання набуває ще більшої значущості, якщо порівнювати наведені нижче 2 технології, на яких побудовані термопари.

Рис.2,3 Порівняння працездатності різних варіантів термопар

Термопара 1: Тонкий патч-зонд – Тонке з'єднання термопари кріпиться до об'єкта вимірювань за допомогою самоклеючого пластиру з додатковою високотемпературною стрічкою для полегшення натягу.

Термопара 2: Магнітний поверхневий зонд – контакт сенсора термопари до залізного матеріалу із задіянням магніту та пружного сталевого настановного важеля

Вибір термопари - Огляд

Наведена нижче інформація (огляд) дає характеристики різних типів пробників та їх характеристики, з чого можна зробити висновки про придатність термопар для їх застосування в тих чи інших випадках.

Стандартна термопара з магнітною поверхнею

Автоматичне приміщення сенсора на залізний плоский субстрат з фіксуванням магнітом. Підпружинений сталевий важіль гарантує, що гарячий спай термопари лежить абсолютно плоско на поверхні металу. Щоб уникнути похибки теплової маси, магніт поміщається на 3.5” (90 мм) убік від точки вимірювань. Такий тип термопари зазвичай використовується при фарбуванні автомобілів для моніторингу якості їх лакофарбового покриття. Приміщення термопар на внутрішню частину корпусу автомобілів повинно обов'язково проводитися, оскільки автомобіль постійно переміщається між камерою фарбування і входом в піч. До 8 термопар потрібно їх приміщення на різні ділянки, при цьому час на таку операцію відводиться менше 1 хв.

Поверхнева термопара MicroMag

Адаптація стандартної магнітної термопари, в якій сенсор вбудований безпосередньо у магніт. Зменшення відбитка ноги термопари може застосовуватися у важкодоступних місцях, а також на вигнутих або нерівних поверхнях. Щоб уникнути високих теплових значень, застосовується маленький, але дуже потужний Самарій Кобальт дисковий магніт, що забезпечує міцну якість з'єднань термопар з об'єктом вимірювань.

При розгляді можливості застосування магнітів як фіксатори, необхідно враховувати температурний вплив на властивості магніту. Сильний магніт при кімнатній температурі не працює як і при температурі затвердіння. Магніт Самарій Кобальт за температури 1508 °F втрачає свої магнітні властивості. Втрата магнітних властивостей від впливу температури збільшується через значення Br% C -0.032. Це означає, що за 482°F магнітна сила становить на 8% менше, ніж при кімнатній температурі. Тим не менш, така температурна толерантність значно перевершує аналогічні властивості, що є у магнітів, виконаних з інших матеріалів.

Термопари на технології Захоплення/Затискання

Інженерами також широко застосовуються термопари, в яких сенсори поміщаються на об'єкті вимірювань за допомогою фіксуючих кліщів на основі простої затискної пружини. Затискні кліщі адаптовані таким чином, що можуть відкриватися та затискатись на будь-якій товщині (до 1 дюйма) ділянки об'єкта вимірювань. Такий підхід ідеальний для об'єктів з екструзії алюмінію або аналогів цьому, включаючи вузькі плоскі секції.

Єдиним обмеженням для затискного пробника є те, що йому потрібний наріжний виступ, що обмежує фіксацію цього пробника щодо країв плоских секцій.

Відкриті з'єднувальні зонди

Відкриті сполучні зонди, як вони і названі, передбачає під собою те, що ці зонди є найпростішою формою конструкції термопари, де сенсор не що інше, як припаяні один до одного дві ноги термопари від проводу «гаряче з'єднання». Такі пробники дуже корисні через свою гнучкість. Очевидно, що той самий пробник може моніторити як температуру навколишнього середовища, так і температуру об'єкта через установку його на вивірену точку «гарячого з'єднання». «Гарячі з'єднання» мають мінімальну термальну масу, а тому їх характеристики по зворотному зв'язку дуже швидкі, тим самим точність показань висока, при цьому термопари такого роду можна вважати найлегшим вимірювальним інструментом, виконаним з металу.

Матеріали кабелю та способи кріплення цього типу пробників сильно залежать від технологічного процесу та вимірюваних температур. Методи кріплення таких термопар досить затратні за часом, при тому, що часто доводиться подряпати покриті фарбою ділянки об'єкта вимірювань, а не встановлювати пробники відразу на поверхню.

Термопари з відкритим контактом типу PTFE – найкращий вибір для вимірювань низьких температур. Робоча межа матеріалу PTFE становить 265 °C/509 °F. Кабель у такому разі має бути гнучким та простим у використанні.

При роботі нижче 509 °F кріплення повинне використовуватися спільно з високотемпературною каптонною стрічкою, як це показано на рис. 8. Високотемпературна стрічка дуже гнучка, тим самим вона може застосовуватися практично на всіх сухих та чистих поверхнях. Такий тип кріплення часом може бути ненадійним, коли мають місце множинні рухи або натяг кабелю. Зазвичай застосовується вторинне кріплення кабелю на кілька дюймів вище «гарячого кріплення».
Для цього застосовується або стрічка або, як це показано на малюнку, магнітний пробник, що монтується так, щоб зняти напругу і запобігти відриву зонда від продукту.

Під час роботи з температурами вище 509 °F потрібне застосування скловолоконного кабелю, градуйованого до 1300 °F. Високотемпературна стрічка може використовуватися до 600 °F, але при більш високих температурах рекомендується більш просунутий метод фізичного кріплення, оскільки клей, що кріпить, втрачає свою міцність захоплення. Існує один метод фізичного кріплення, який може бути застосований у цьому випадку для термопар із відкритими зондами, це точкове зварювання. За такої технології застосовуються струми з високими значеннями для спаювання металевої ділянки «гарячого з'єднання» термопари з відповідною ділянкою об'єкта вимірювань. Ця методологія вимагає наявності щодо складного обладнання та навичок з боку користувача, але при цьому вигода від цього очевидна: пробник стає частиною об'єкта вимірювань, оскільки його стик з об'єктом надійно гарантований.
Менш складним методом з'єднання є гайки/шайби для кріплення кабелю/гарячого з'єднання до поверхні із застосуванням або болтів, або шурупів. Знову ж таки звертаємо увагу на те, що при такій технології важливо уникати додавання значної кількості термальної маси на підкладку за допомогою додаткових фіксаторів. Що стосується важких, громіздких об'єктів вимірювань, як відлиті фундаменти/пологи, то термальна маса гарячого з'єднання термопари не така важлива. Враховуючи ці припущення, застосовується спеціально виготовлений пробник із шайбою. Як показано нижче на малюнку, гаряче з'єднання термопари робиться у вигляді укрупненої шайби, яка може накручуватися безпосередньо на підкладку об'єкта вимірювань.

При цьому обсяг пластику, що облицьовується, на термопарі зростає. Важливо пам'ятати, що сам пластик є матеріалом з низькою термальною масою, тому задіяна для моніторингу цього матеріалу термопара сама повинна бути з низькою термальною масою. Ідеальним вибором може стати патч-зонд для «легких режимів» експлуатації. У разі однониткової термопари з'єднання пробника і ділянки тестування забезпечується пластиром. Чутливі ноги термопари і гаряче з'єднання лежать плоско на підкладці, тим самим швидко реагуючи на будь-які зміни температури поверхні. Необхідно враховувати тонкий конструктив ніжок термопари, тому пам'ятайте це під час їх монтажу та демонтажу. Сам пробник повинен застосовуватися з великою обережністю для різноманітних тестів, при цьому ставлення до нього має бути як до витратного матеріалу у разі, наприклад, умов масового виробництва за винятком лабораторій тощо.

За екстремальних температур або відкритого вогню, а також інших «ворожих» умов рекомендується використовувати термопару з мінеральною ізоляцією. Футляр для термопар типу NicrobelTM створює дуже міцну конструкцію, яка на відміну від PTFE або скловолокна стійка до пошкоджень від гострих країв. Сама собою природа міцного конструктиву означає, що гнучкість проводів у своїй обмежується, що привносить проблеми при фіксуванні зондів. "Гаряче з'єднання" термопари розташовується на кінчику проводів. Встановлення контакту з поверхнею підкладки має здійснюватися обережно. Схема на рис. 11 ілюструє те, як це можна зробити якнайкраще. Міцність кріплення забезпечується шайбою та гайкою, а пілотна ямочка дає ділянку контакту для «гарячого з'єднання».

Пробник для алюмінієвих конструкцій в автомобілях

Так історично склалося, що виробники автомобілів вважають за краще застосовувати сталь під час виробництва корпусів своєї продукції. У міру розвитку технологій використання алюмінію стало більш перспективним через переваги, якими володіє цей матеріал, а саме співвідношення маса/міцність. Очевидно, що приміщення пробника в тій області печі, де здійснюється температурний моніторинг, є проблемою, якщо відсутня магніт алюмінієвий матеріал. Підпружинена шпулька була спеціально розроблена для термопари, закріпленої на алюмінієвому корпусі автомобіля, який постійно переміщається по складальному конвеєру. Шпулька підрізається до будь-якого зручного поглиблення або виїмки на внутрішній частині автомобіля. Підпружинений сталевий важіль у зборі регулюється доти, як температурний сенсор не виявиться на зовнішній частині корпусу, там, де потрібно здійснювати вимірювання.

ВИСНОВКИ

Цілком очевидно, що будь-яка робота та зусилля по точним вимірам температур сильно залежать від правильного вибору термопари. Вибравши правильну термопару для вирішення конкретних завдань, інженер гарантовано отримує точні дані від об'єкта вимірювань, що визначає хід поточних технологічних процесів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник струмових кліщів: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/tokovye-kleshchi