Tại sao nhiệt cặp là sự lựa chọn ưa thích cho đo nhiệt độ chính xác cao?

Câu hỏi thường được đặt ra chứa một giả định không còn đúng khi so sánh các bảng dữ liệu. Cặp nhiệt điện không phải là cảm biến nhiệt độ chính xác nhất hiện có và nó không được bán như vậy. Nhiệt kế điện trở bạch kim đạt được dung sai khoảng ±0,15 °C gần nhiệt độ phòng, và nhiệt điện trở hoạt động tốt hơn trong một dải hẹp. Cặp nhiệt điện loại K bắt đầu với ±1,5 °C theo tiêu chuẩn dung sai quốc tế, trước bất kỳ sự trôi dạt nào trong quá trình sử dụng.

Điều mà cặp nhiệt điện làm tốt hơn cả hai là bao phủ một phạm vi mà không cảm biến điện trở nào có thể đạt tới, tồn tại trong môi trường khắc nghiệt, vừa với không gian vài milimét, và phản ứng trong mili giây. Sự kết hợp đó là lý do tại sao nó chiếm ưu thế trong đo lường công nghiệp, và đó là một tuyên bố khác với độ chính xác. Người mua cần ±0,1 °C ở 40 °C thì không nên mua cặp nhiệt điện, và người mua cần đọc ở 1.300 °C bên trong lò nung thì không có lựa chọn nào khác.

Trang này đặt ra sự so sánh một cách trung thực, sau đó cho thấy độ chính xác của cặp nhiệt điện thực sự đến từ đâu: lớp dung sai của dây, hai cơ chế trôi dạt tác động lên nó trong quá trình sử dụng, mối nối lạnh và các điểm hiệu chuẩn. Bốn yếu tố đó quyết định kết quả, và không yếu tố nào trong số đó là thân cảm biến.

So sánh dưới đây là cái mà một thông số kỹ thuật nên bắt đầu. Các con số là điển hình của mỗi họ và chúng di chuyển theo sản phẩm cụ thể, vì vậy chúng được sử dụng để đặt các họ chứ không phải để chọn một bộ phận.

Đọc hàng đầu tiên so với hàng thứ hai. Họ có phạm vi rộng nhất có dung sai lỏng nhất, và họ có dung sai chặt nhất có phạm vi hẹp nhất. Đó không phải là lỗi của bất kỳ sản phẩm nào. Đó là lý do tại sao cả hai đều tồn tại, và một thông số kỹ thuật yêu cầu phạm vi rộng nhất và dung sai chặt nhất cùng một lúc là yêu cầu một sự kết hợp mà không có cảm biến nào cung cấp.

IEC 60584-1 quy định dung sai đầu ra của cặp nhiệt điện theo loại và lớp, và dung sai được biểu thị dưới dạng một số độ cố định hoặc một phần của nhiệt độ đo được. Bảng cung cấp giới hạn Lớp 1 và Lớp 2 cho các loại kim loại cơ bản và kim loại quý phổ biến, cho đường kính dây từ khoảng 0,1 mm đến 3 mm.

Hai hàng trong bảng đó mang nhiều thông tin hơn những hàng còn lại. Loại T là loại kim loại cơ bản có dung sai chặt nhất ở nhiệt độ thấp, ở mức ±0,5 °C dưới 125 °C, đó là lý do tại sao nó xuất hiện trong công việc đông lạnh và y tế. Loại S và R là các loại kim loại quý, và dung sai của chúng gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ dưới 1.100 °C ở mức ±1,0 °C, điều này nghe có vẻ tệ hơn loại K cho đến khi đọc phạm vi: loại K ở 1.000 °C được phép ±4 °C, và loại kim loại quý vẫn được phép ±1 °C.

Tiêu chuẩn cũng nêu rõ dung sai không bao gồm những gì. Giới hạn áp dụng cho dây khi cung cấp, và chúng không cho phép trôi dạt hiệu chuẩn trong quá trình sử dụng. Câu đó là lý do tại sao phần tiếp theo tồn tại.

Cặp nhiệt điện không giữ nguyên giá trị chứng nhận của nó. Các cặp nhiệt điện thay đổi trong quá trình sử dụng, và sự thay đổi xuất hiện dưới dạng sự dịch chuyển trong điện áp mà cặp tạo ra ở một nhiệt độ nhất định. Trong loại K, hai thay đổi tác động theo hướng ngược nhau, đó là lý do tại sao một hệ số hiệu chỉnh duy nhất không thể khắc phục chúng.

Cơ chế đầu tiên là sự thay đổi trong cấu trúc nguyên tử của cặp nhiệt điện dương, hợp kim niken-crom. Giữa khoảng 200 °C và 600 °C, hợp kim phát triển trật tự tầm ngắn, nghĩa là các nguyên tử có cấu trúc ưu tiên cục bộ mà không tạo thành một pha mới. Sự sắp xếp đó làm tăng hệ số Seebeck của hợp kim, do đó cặp nhiệt điện đọc cao. Hiệu ứng này phụ thuộc vào thời gian, nó tăng dần đến mức tối đa ở một nhiệt độ nhất định, và sự thay đổi tối đa xảy ra gần 400 °C. Trên 600 °C, cặp nhiệt điện dương hoàn toàn mất trật tự và hiệu ứng đảo ngược.

Cơ chế thứ hai là oxy hóa. Trong hợp kim niken-crom, crom bị oxy hóa ưu tiên, và hàm lượng crom của hợp kim không đủ cao để tạo thành một lớp oxit crom liên tục bên ngoài. Kết quả là một lớp oxit niken bên ngoài trên một lớp oxit giàu crom, và crom tạo thành lớp đó được lấy từ kim loại bên dưới. Hợp kim bị cạn kiệt crom, và hàm lượng crom thấp hơn có nghĩa là hệ số Seebeck thấp hơn, do đó cặp nhiệt điện đọc thấp.

Hậu quả thực tế là một cặp nhiệt điện loại K đã trải qua cả hai dải mang một sai số ròng có dấu phụ thuộc vào lịch sử lắp đặt, và cách duy nhất để biết nó là đo lường nó. Kiểm tra hiệu chuẩn sau khi sử dụng là công cụ tiết lộ tổng số, và một đầu dò được trả lại phòng thí nghiệm hiệu chuẩn sau một chiến dịch là cách duy nhất đáng tin cậy để biết nó đã di chuyển bao xa.

Cặp nhiệt điện đo sự khác biệt, không phải nhiệt độ tuyệt đối. Điện áp nó tạo ra là sự khác biệt giữa hiệu ứng Seebeck tại mối nối nóng và hiệu ứng Seebeck tại các đầu cuối, vì vậy thiết bị phải biết nhiệt độ đầu cuối để báo cáo kết quả. Đó là mối nối lạnh, và sai số trong đó đi trực tiếp vào kết quả đọc mà không bị suy giảm.

Ba phương pháp được sử dụng phổ biến, và chúng khác nhau về giả định của chúng. Một tham chiếu cố định giữ các đầu cuối ở nhiệt độ đã biết, theo lịch sử là bể băng và bây giờ là khối được điều chỉnh nhiệt độ. Một đầu cuối được bù đo nhiệt độ đầu cuối bằng một cảm biến riêng biệt và cộng điện áp tương ứng một cách điện tử. Một khối đẳng nhiệt giả định rằng tất cả các đầu cuối có cùng nhiệt độ và đo nhiệt độ đó một lần.

Sai số dễ loại bỏ nhất lại là sai số thường bị bỏ qua. Một cặp nhiệt điện được lắp đặt với cáp đồng thông thường giữa đầu dò và thiết bị đã tạo ra hai mối nối mới tại điểm chuyển tiếp, và các mối nối đó ở nhiệt độ môi trường của tủ. Kết quả đọc sau đó phụ thuộc vào nhiệt độ tủ cũng như quy trình, và sự phụ thuộc đó là vô hình trừ khi tủ được làm nóng hoặc làm mát.

Cáp bù tồn tại vì lý do này. Nó được làm từ các hợp kim phù hợp với hành vi nhiệt điện của cặp nhiệt điện trong một phạm vi nhiệt độ giới hạn, do đó sự chuyển tiếp từ đầu dò đến thiết bị không tạo ra sai số. Cáp có cực tính, nó có phạm vi nhiệt độ mà sự phù hợp được duy trì, và nó phải được kết nối đúng chiều. Cáp bù bị đảo ngược sẽ tạo ra sai số gấp đôi nhiệt độ mối nối, điều này lớn và trông giống như lỗi thiết bị.

Lớp dung sai là giới hạn sản xuất chứ không phải là tuyên bố về một đầu dò cụ thể. Cách để biết một đầu dò đọc bao nhiêu là hiệu chuẩn nó, và lựa chọn phương pháp hiệu chuẩn quyết định phạm vi được bao phủ.

Hiệu chuẩn so sánh đặt đầu dò và nhiệt kế tham chiếu vào cùng một bể hoặc lò và ghi lại sự khác biệt tại một tập hợp các điểm. Nó nhanh, nó bao phủ phạm vi mà bể có thể đạt tới, và độ không chắc chắn của nó bị giới hạn bởi tham chiếu và bởi sự đồng nhất của bể. Hiệu chuẩn điểm cố định giữ đầu dò tại một điểm chuyển pha nhiệt động lực học, chẳng hạn như điểm đóng băng của kim loại, nơi nhiệt độ được xác định bởi vật lý chứ không phải bởi nhiệt kế tham chiếu. Nó chậm hơn và tốn kém hơn, và nó cho độ không chắc chắn thấp hơn tại các điểm nó sử dụng.

Không phương pháp nào loại bỏ sự trôi dạt xảy ra sau khi hiệu chuẩn. Một đầu dò được hiệu chuẩn trước khi lắp đặt và sử dụng trong một năm ở 400 °C có một chứng chỉ mô tả một điều kiện mà nó không còn nữa. Thực hành bắt được điều này là kiểm tra định kỳ tại một hoặc hai điểm, với kết quả so sánh với chứng chỉ ban đầu, và khoảng thời gian được đặt bởi tốc độ đọc đã di chuyển nhanh như thế nào chứ không phải theo lịch.

Trường hợp cặp nhiệt điện mạnh nhất là khi các lựa chọn thay thế không thể hoạt động. Bảng trình bày các điều kiện và lý do mỗi điều kiện chỉ ra họ này.

Bốn thuộc tính của dây quyết định hiệu suất của cặp nhiệt điện hoàn chỉnh, và cả bốn đều được đặt trước khi đầu dò được lắp ráp.

Thành phần xác định hệ số Seebeck, và lớp dung sai là một tuyên bố về mức độ chặt chẽ của thành phần và quy trình được tuân thủ. Sự trôi dạt trong hàm lượng crom một phần trăm nhỏ làm thay đổi đầu ra của cặp loại K một lượng đáng kể ở giới hạn dung sai, đó là lý do tại sao đặc tả hợp kim cho dây cặp nhiệt điện chặt chẽ hơn đặc tả cho cùng một hợp kim được sử dụng làm vật liệu điện trở hoặc vật liệu kết cấu.

Tính đồng nhất xác định mức độ đọc phụ thuộc vào vị trí của gradient nhiệt độ. Một dây đã được gia công không đều, hoặc có gradient thành phần dọc theo chiều dài của nó, tạo ra điện áp khác nhau tùy thuộc vào phần nào của nó nằm trong vùng nóng. Đó là lý do tại sao một cặp nhiệt điện không nên được cắt ra khỏi cuộn và lắp đặt mà không biết lịch sử của nó, và tại sao một đầu dò đã qua sử dụng đã được rút ngắn có thể đọc khác với đầu dò đã thay thế.

Tình trạng bề mặt xác định tốc độ xảy ra cơ chế oxy hóa. Một dây có bề mặt sạch và đồng nhất bị oxy hóa theo cách có thể dự đoán được, và một dây có vết gia công hoặc cặn bôi trơn bị oxy hóa cục bộ và làm cạn kiệt crom không đều dọc theo chiều dài của nó.

Đường kính xác định tuổi thọ. Một dây dày hơn mất nhiều thời gian hơn để mất crom mà lớp oxit tiêu thụ, do đó một đầu dò cỡ lớn hơn tồn tại lâu hơn trong cùng một lò, với chi phí phản ứng chậm hơn. Sự đánh đổi đó là điều mà người mua thực hiện khi lựa chọn giữa dây nhỏ cho phản ứng và dây lớn cho tuổi thọ.

Dây cặp nhiệt điện được đặt hàng theo loại, theo lớp, theo đường kính và theo lớp cách điện, và tiêu chuẩn điều chỉnh đầu ra tách biệt với tiêu chuẩn điều chỉnh hợp kim.

DLX cung cấp hợp kim cặp nhiệt điện tại Thường Châu, Giang Tô, với dây từ 0,025 mm, thanh tròn đến 50 mm và dải từ 0,50 mm đến 2,5 mm về độ dày. Phạm vi bao gồm các hợp kim niken-crom và niken-silicon cho loại K và loại N, các hợp kim đồng-niken cho loại T và loại J, và các hợp kim bạch kim-rhodi cho loại S và loại R, cùng với các hợp kim cáp bù tương ứng.

Dây được cung cấp theo đặc tả hợp kim và lớp dung sai được đặt tên trên đơn đặt hàng, với chứng chỉ EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số lô có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả kiểm tra. Câu hỏi hữu ích không phải là loại nào chính xác nhất nói chung, mà là loại nào giữ được dung sai của nó trên phạm vi và bầu không khí của lắp đặt.

Không, và các bảng dữ liệu đã nói vậy. Nhiệt kế điện trở bạch kim Lớp A đạt khoảng ±0,15 °C gần nhiệt độ phòng, trong khi cặp nhiệt điện loại K Lớp 1 được phép ±1,5 °C dưới 375 °C. Cặp nhiệt điện thắng về phạm vi, kích thước, tốc độ phản hồi và khả năng tồn tại trong môi trường khắc nghiệt. Nhiệt kế điện trở thắng về độ chính xác và độ ổn định khi có thể sử dụng.

Đó là dung sai sản xuất theo IEC 60584-1: ±1,5 °C giữa -40 và 375 °C, và ±0,004 lần nhiệt độ đo được giữa 375 và 1.000 °C, tức là ±4 °C ở 1.000 °C. Tiêu chuẩn quy định rằng giới hạn áp dụng cho dây khi cung cấp và không cho phép trôi dạt hiệu chuẩn trong quá trình sử dụng, vì vậy đầu dò Lớp 1 đã trải qua một năm ở nhiệt độ có thể không còn nằm trong Lớp 1 nữa.

Vì hai cơ chế tác động trên các dải nhiệt độ khác nhau và đẩy kết quả đọc theo hướng ngược nhau. Giữa khoảng 200 và 600 °C, nhánh dương phát triển trật tự tầm ngắn, làm tăng hệ số Seebeck của nó và khiến cặp đọc cao, với hiệu ứng lớn nhất gần 400 °C. Trên khoảng 900 °C trong không khí, crom bị oxy hóa và kim loại bên dưới bị cạn kiệt crom, làm giảm hệ số Seebeck và khiến cặp đọc thấp. Sai số ròng phụ thuộc vào lịch sử lắp đặt.

Nó có thể được kết nối, và kết nối tạo ra hai mối nối mới ở nhiệt độ môi trường của tủ. Kết quả đọc sau đó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường đó cũng như quy trình, và sự phụ thuộc đó là vô hình cho đến khi tủ được làm nóng. Cáp bù làm từ hợp kim phù hợp với cặp nhiệt điện trong một phạm vi giới hạn tránh được sai số, với điều kiện đó là loại đúng và được kết nối với cực tính chính xác.

Khoảng thời gian nên tuân theo sự trôi dạt thực tế quan sát được, chứ không phải lịch cố định. Một đầu dò trong lò sạch ở nhiệt độ ổn định sẽ trôi dạt ít hơn một đầu dò trải qua dải sắp xếp hoặc hoạt động trong không khí trên 900 °C. Kiểm tra định kỳ tại một hoặc hai điểm, so sánh với chứng chỉ ban đầu, cho biết tốc độ trôi dạt, và tốc độ đó xác định khoảng thời gian.

Khi nhiệt độ vượt quá phạm vi thực tế của các loại kim loại cơ bản, hoặc khi dung sai phải được duy trì ở nhiệt độ cao. Loại K được phép ±4 °C ở 1.000 °C trong Lớp 1, trong khi loại S hoặc R được phép ±1,0 °C đến 1.100 °C. Các loại kim loại quý có giá cao hơn, chúng nhạy cảm hơn với sự nhiễm bẩn, và chúng là giải pháp khi độ chính xác ở nhiệt độ quan trọng hơn giá dây.

Cặp nhiệt điện là lựa chọn ưu tiên cho đo nhiệt độ công nghiệp vì nó bao phủ một phạm vi mà không cảm biến điện trở nào đạt tới, tồn tại trong môi trường phá hủy chúng, và phản ứng trong mili giây. Nó không phải là cảm biến chính xác nhất, và một thông số kỹ thuật coi nó như vậy thì bắt đầu từ một tiền đề sai lầm.

Độ chính xác có sẵn đến từ bốn yếu tố: lớp dung sai của dây, sự trôi dạt mà việc lắp đặt tạo ra, mối nối lạnh và hiệu chuẩn. Sự trôi dạt có hai cơ chế trong loại K tác động theo hướng ngược nhau, đó là lý do tại sao hệ số hiệu chỉnh không thể thay thế kiểm tra hiệu chuẩn. Sai số mối nối lạnh đi vào kết quả đọc mà không bị suy giảm, đó là lý do tại sao cáp bù và khối đầu cuối đồng nhất quan trọng như đầu dò.

IEC 60584-1, cặp nhiệt điện, hàm tham chiếu và dung sai. Nguồn cho dung sai Lớp 1 và Lớp 2 theo loại và phạm vi nhiệt độ, bao gồm giới hạn ±1,5 °C và ±0,004 lần t cho loại K, giới hạn ±0,5 °C và ±0,004 lần t cho loại T, và giới hạn ±1,0 °C và ±(1 + 0,003 x (t - 1.100)) cho loại S và R.

IEC 60584-2, cặp nhiệt điện, dung sai, như tài liệu đi kèm với các hàm tham chiếu.

Dữ liệu kỹ thuật được xuất bản về dây cặp nhiệt điện loại K, cung cấp sự thay đổi suất điện động tạo ra khoảng 42 microvolt trên kelvin ở 100 °C và 39 ở 1.000 °C, phạm vi liên tục từ 0 đến 1.100 °C, phạm vi ngắn hạn từ -180 đến 1.350 °C, và tuyên bố rằng dung sai tiêu chuẩn không cho phép trôi dạt hiệu chuẩn trong quá trình sử dụng.

Nghiên cứu được xuất bản từ Đại học Cambridge về sự trôi dạt trong cặp nhiệt điện dây trần loại K. Nguồn cho sự chuyển đổi sắp xếp tầm ngắn trong cặp nhiệt điện dương giữa 200 và 600 °C, sự gia tăng hệ số Seebeck mà nó tạo ra, hiệu ứng tối đa gần 400 °C, trạng thái mất trật tự trên 600 °C, và cơ chế cạn kiệt crom do oxy hóa ưu tiên trên 900 °C làm giảm hệ số Seebeck.

IEC 60751, nhiệt kế điện trở bạch kim công nghiệp và cảm biến nhiệt độ bạch kim, là nguồn cho dung sai Lớp A khoảng ±0,15 °C gần nhiệt độ phòng được sử dụng trong so sánh.

ASTM E230, đặc tả tiêu chuẩn và bảng nhiệt độ-điện áp suất điện động cho cặp nhiệt điện tiêu chuẩn hóa, như đối tác Bắc Mỹ với các hàm tham chiếu IEC.

ASTM E220, phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để hiệu chuẩn cặp nhiệt điện bằng kỹ thuật so sánh.

EN 10204, tài liệu kiểm tra, để định nghĩa chứng chỉ 3.1 là tài liệu mang kết quả kiểm tra thực tế và được xác nhận bởi đại diện kiểm tra độc lập của nhà sản xuất.

Dung sai và nhiệt độ trên là các giá trị tiêu chuẩn cho các loại và lớp được đặt tên, và chúng áp dụng cho dây khi cung cấp chứ không phải cho đầu dò trong quá trình sử dụng. Dung sai là giới hạn sản xuất chứ không phải là độ không chắc chắn của phép đo, và độ không chắc chắn của một lần đọc cụ thể bao gồm mối nối lạnh, dây nối dài, thiết bị và sự trôi dạt mà việc lắp đặt đã tạo ra. Các cơ chế trôi dạt được mô tả cho loại K tác động theo thời gian và độ lớn của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, bầu không khí và mức độ tiếp xúc, vì vậy đầu dò nên được kiểm tra và không được giả định. Các số liệu độ chính xác cho nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở là các giá trị điển hình cho các lớp được đặt tên và thay đổi theo sản phẩm cụ thể. Đặc tả sản phẩm được sửa đổi, và phiên bản được đặt tên trên đơn đặt hàng sẽ có hiệu lực. Không có gì trong trang này thay thế cho việc phát hành kỹ thuật hoặc cho kiểm tra đủ điều kiện đã thỏa thuận giữa người mua và nhà cung cấp.