Internet termoeléctrico de las cosas
(1) Selección del punto de medición de temperatura
La selección de la ubicación de instalación del termopar, es decir, el punto de medición de temperatura, es la más importante. La ubicación del punto de medición de temperatura debe ser típica y representativa del proceso de producción, de lo contrario se perderá el significado de medición y control.
(2) Profundidad de inserción
Cuando se inserta un termopar en la ubicación medida, se producirá un flujo de calor a lo largo del sensor. Cuando la temperatura ambiente es baja, habrá pérdida de calor, lo que provocará temperaturas inconsistentes entre el termopar y el objeto que se mide, lo que provocará errores en la medición de temperatura. En resumen, el error causado por la conducción térmica está relacionado con la profundidad de inserción. Y la profundidad de inserción está relacionada con el material del tubo protector. Los tubos protectores de metal tienen buena conductividad térmica y deben insertarse más profundamente (entre 15 y 20 veces el diámetro). Los materiales cerámicos tienen un buen aislamiento térmico y pueden insertarse a menor profundidad (entre 10 y 15 veces el diámetro). Para la medición de temperatura de ingeniería, la profundidad de inserción también está relacionada con si el objeto que se mide está estacionario o fluye. Por ejemplo, la medición de la temperatura del líquido que fluye o del flujo de aire a alta velocidad no estará sujeta a las restricciones anteriores. La profundidad de inserción puede ser poco profunda y el valor específico debe determinarse mediante experimentos.
2. Influencia del tiempo de respuesta
El principio básico de la medición de la temperatura de contacto es que el elemento de medición de temperatura debe alcanzar el equilibrio térmico con el objeto que se está midiendo. Por lo tanto, se debe mantener un cierto período de tiempo al medir la temperatura para permitir que ambos alcancen el equilibrio térmico. El tiempo de retención está relacionado con el tiempo de respuesta térmica del elemento de medición de temperatura. El tiempo de respuesta térmica depende principalmente de la estructura del sensor y las condiciones de medición y varía mucho. Para medios gaseosos, especialmente gases estáticos, debe mantenerse durante al menos 30 minutos para alcanzar el equilibrio; para líquidos, debe tardar más de 5 minutos como máximo.
Para el lugar medido donde cambia la temperatura, especialmente el proceso de cambio instantáneo, todo el proceso dura solo 1 segundo, por lo que se requiere que el tiempo de respuesta del sensor esté en el nivel de milisegundos. Por lo tanto, los sensores de temperatura ordinarios no sólo no pueden mantener el ritmo de cambio de temperatura del objeto medido, sino que también producen errores de medición porque no pueden lograr el equilibrio térmico. Lo mejor es elegir un sensor con respuesta rápida. Además de la influencia del tubo protector, el diámetro del extremo de medición del termopar también es un factor importante, es decir, cuanto más delgado sea el cable uniforme, menor será el diámetro del extremo de medición y más corto será su tiempo de respuesta térmica. El error de respuesta térmica del elemento de medición de temperatura se puede determinar mediante la siguiente fórmula.
δθ=δθ0 exp(-t/t)(1)
Fórmula
δθ - causado por el elemento de medición de temperatura en t, k o ℃ Error
δθ0—momento “t = 0”, error causado por el elemento de medición de temperatura, k o ℃
t—Tiempo de medición, s
τ- Constante de tiempo , s
ε—la base del logaritmo natural (2.718)
Por lo tanto, cuando t=τ, entonces δ θ = δ θ 0/e.
Es decir, 0,368,
Si t=2τ, entonces δθ=δθ0/E2.
Eso es 0,135.
Cuando la temperatura del objeto medido sube o baja a una cierta velocidad α (k/s o ℃/s), después de que haya pasado suficiente tiempo, el error de respuesta se puede expresar como:
Δθ∞=-ατ (2)
Fórmula
δθ∞——El error causado por el elemento de medición de temperatura después de suficiente tiempo.
Se puede ver en la ecuación (2) que el error de respuesta es proporcional a la constante de tiempo (τ). Para mejorar la eficiencia de la calibración, muchas empresas utilizan dispositivos de calibración automática para calibrar los termopares entrantes, pero los dispositivos no son perfectos. En el taller de tratamiento térmico de la Fábrica de Transmisión de Automóviles No. 2, se descubrió que si el tiempo de temperatura constante a 400°C no es suficiente y no se puede lograr el equilibrio térmico, es fácil que se produzcan errores de cálculo.
3. Influencia de la radiación térmica
El termopar insertado en el horno para medir la temperatura se calentará mediante la radiación térmica de objetos de alta temperatura. Suponiendo que el gas en el horno es transparente y la diferencia de temperatura entre el termopar y la pared del horno es grande, se producirán errores en la medición de la temperatura debido al intercambio de energía.
En unidad de tiempo, la energía de radiación intercambiada entre ellos es P, que se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
P=σε(Tw4-Tt4) (3)
Fórmula
Constante σ-Stefan-Boltz
ε - emisividad
TT-temperatura del termopar, k
Tw——temperatura de la pared del horno, k
Unidad de tiempo, la energía del intercambio de calor entre el termopar y el gas circundante (la temperatura es T) a través de la convección y la conducción de calor es P '
P'=αA(T-Tt) (4)
Donde, α es la conductividad térmica.
a-El área de superficie del termopar
En condiciones normales, P=P', el error es:
Tt-T=σε( Tt4-Tw4) / αA (5)
Para unidad de área, el error es
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/ α (6)
Por lo tanto, para reducir el error de radiación térmica, se debe aumentar la conducción de calor y la temperatura de la pared del horno Tw debe ser lo más cercana posible a la temperatura del termopar Tt. También tenga en cuenta que la posición de instalación del termopar debe estar lo más alejada posible de la radiación de calor sólido para que no pueda irradiarse a la superficie del termopar, preferiblemente el termopar está equipado con una protección contra la radiación térmica;
4. Efecto del aumento de la resistencia térmica
Cuando el termopar se utiliza a alta temperatura, si el medio medido está en estado gaseoso, el polvo depositado en la superficie del tubo protector se acumulará. se derriten en la superficie, provocando que la protección La resistencia térmica del tubo aumenta. Si el medio medido es una masa fundida, se depositará escoria durante el uso, lo que no solo aumenta el tiempo de respuesta del termopar, sino que también reduce la temperatura indicada. Por lo tanto, además de la verificación periódica, para reducir errores, también se requieren inspecciones periódicas por muestreo. Por ejemplo, los hornos de fundición de cobre importados no solo están equipados con termopares para la medición continua de la temperatura, sino también con dispositivos consumibles de medición de la temperatura del termopar para calibrar la precisión de los termopares de medición continua de la temperatura de manera oportuna.
Tres cosas a tener en cuenta al medir la temperatura con termopares
1 Efecto de falta de uniformidad del cable del termopar
(1) El material del termopar no es uniforme. .
Cuando el termopar se calibra en la sala de medición, la profundidad de inserción en el horno de calibración es de solo 300 mm como exige la normativa. Por lo tanto, los resultados de la calibración de cada termopar solo pueden reflejar o reflejar principalmente el comportamiento termoeléctrico del cable del termopar de 300 mm de largo desde el extremo de medición. Pero cuando el termopar es más largo, la mayoría de los cables del termopar se encuentran en la zona de alta temperatura. Si los cables del termopar son homogéneos, entonces, de acuerdo con las leyes de los circuitos homogéneos, los resultados de la medición son independientes de la longitud. Sin embargo, el cable del termopar no es uniforme, especialmente el cable de termopar de metal barato no es uniforme y se encuentra en una situación de gradiente de temperatura, por lo que se generará un potencial termoeléctrico localmente, lo que se denomina potencial parásito. Los errores causados por potenciales parásitos se denominan errores no uniformes.
En las regulaciones de calibración existentes para termopares de metales preciosos y baratos, no existe ninguna disposición para la desigualdad de los termopares. Sólo en los estándares de materiales de los cables de los termopares, existe un cierto límite para los requisitos de desigualdad de los cables de los termopares. . La termo-EMF no uniforme se obtiene mediante un método de verificación de extremo a extremo utilizando termopares metálicos económicos. Los fabricantes habituales de cables para termopares producen productos con potencial termoeléctrico desigual de acuerdo con las normas nacionales.
(2) Desigualdad del cable del termopar después de su uso
Para termopares recién fabricados, incluso si la fuerza termoelectromotriz desigual cumple con los requisitos, será causada por procesamiento y flexión repetidos. Al procesar la deformación, el termopar también perderá su uniformidad. Además, el uso prolongado de termopares a altas temperaturas también provocará cambios en la fuerza termoelectromotriz debido al deterioro de los cables del termopar. Por ejemplo, un termopar insertado en un horno industrial se deteriorará a lo largo del cable del termopar y el deterioro aumentará a medida que aumente la temperatura. Cuando las piezas degradadas se encuentran en un lugar con un gradiente de temperatura, también se generará una fuerza electromotriz parásita superpuesta a la fuerza electromotriz térmica total, lo que provocará errores de medición.
En la práctica, el autor descubrió que algunos productos de termopares (en su mayoría termopares metálicos baratos) no pasaron la prueba cuando se usaron en el sitio, pero aún así pasaron la prueba cuando se devolvieron al departamento de medición para su verificación. debido a cables de acoplamiento desiguales. Los técnicos que producen termopares han experimentado personalmente que la tasa de falla de los termopares también aumenta a medida que aumenta su longitud, lo que se ve afectado por la irregularidad de los cables del termopar.
En resumen, el error causado por la falta de uniformidad, es decir, la fuerza electromotriz parásita, depende de la falta de uniformidad del propio cable del termopar y del tamaño del gradiente de temperatura. Es extremadamente difícil cuantificarlo.
2. Error de derivación del termopar blindado
(1) Error de derivación
No se permite que el termopar blindado utilizado en el horno de carburación del Grupo Wazhou sea solo Úselo durante una semana. Para explorar el motivo, el autor visitó el sitio y no encontró anomalías. Lo sacó del horno y lo verificó en la sala de mediciones. Entonces, ¿cuál es el problema? Finalmente, basándose en las características de instalación en campo del termopar, se encontró que los problemas anteriores fueron causados por el error de derivación del termopar blindado.
El llamado error de derivación se refiere a cuando se utiliza un termopar blindado para medir la temperatura del horno. Cuando la distribución de temperatura en el medio del termopar supera los 800°C, el termopar indica una anomalía debido a su. Resistencia de aislamiento reducida. Según la ley de circuitos homogéneos, la medición de la temperatura del termopar solo está relacionada con la temperatura en ambos extremos del extremo de medición y el extremo de referencia, y no tiene nada que ver con la distribución de temperatura en el medio. Sin embargo, dado que el aislamiento del termopar blindado es MgO en polvo, su resistencia de aislamiento disminuye en un orden de magnitud cada vez que la temperatura aumenta 100 °C. Si la temperatura en la parte media es alta, debe haber una fuga de corriente, lo que provocará un error de derivación en el potencial de salida del termopar.
(2) Condiciones para el error de derivación.
El termopar blindado se inserta horizontalmente en el horno. Sus especificaciones y condiciones experimentales son: diámetro 4,8 mm, longitud 25 m, zona de calentamiento intermedia 20 m, temperatura 1000 °C. En este experimento, la diferencia de temperatura entre el extremo de medición y la parte media del termopar es de 200°C. Si la temperatura en el extremo de medición es mayor que la parte media, se producirá un error negativo; por el contrario, se producirá un error positivo. Si la diferencia de temperatura entre los dos es de 200°C, el error de derivación es de aproximadamente 100°C. Esto no se debe ignorar, las condiciones para el error de derivación están relacionadas con el tipo y diámetro del termopar blindado, como se muestra en la tabla.
3. Factores que influyen y contramedidas del error de derivación
El fenómeno del error de derivación producido por termopares blindados a altas temperaturas está atrayendo la atención de la gente, por lo que es necesario comprender los factores que influyen en él. error de derivación y tomar las contramedidas correspondientes para reducir o eliminar el impacto de los errores de derivación.
Diámetro del termopar blindado (1)
Para un termopar blindado tipo K (aislamiento de MgO) con una longitud de 9 m, solo se calienta la parte media del termopar. Los resultados experimentales muestran que el error de derivación es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su diámetro (el diámetro es demasiado pequeño y no cumple con esta ley), es decir, cuanto menor es el diámetro, mayor es el error de derivación.
Cuando la temperatura en la parte media es superior a 800 ℃, el termopar blindado de 3,2 mm producirá un error de derivación. Para termopares blindados de 6,4 mm y φ 8 mm, cuando la temperatura de la parte media es de 900 °C, no se encuentra ningún error de derivación. Para termopares blindados de φ6,4 mm (el diámetro del cable del electrodo térmico es φ1,4 mm) y φ 8 mm (el diámetro del cable del electrodo caliente es 2,0 mm), cuando la temperatura en el medio es de 1100 °C, el error de derivación del termopar blindado de φ 8 mm termopar Es solo la mitad de φ6,4 mm. Este valor (50) es aproximadamente la relación cuadrada de los diámetros de los cables de los electrodos de los dos termopares blindados (1,42/2,02). alambres de electrodos. Por lo tanto, para reducir el error de derivación, se deben seleccionar termopares blindados de gran diámetro tanto como sea posible.
(2) Temperatura de la parte media
Si la temperatura de la parte media supera los 800 °C, puede producirse un error de derivación y su tamaño aumentará exponencialmente a medida que aumenta la temperatura. . Por lo tanto, excepto el extremo de medición, otras partes deben intentar evitar exceder los 800°C.
Cuando la temperatura de la zona de calefacción central es superior a 800 °C, cuanto más larga sea la zona de calefacción y más alejada del extremo de medición, mayor será el error de derivación. Por lo tanto, la longitud de la tira calefactora debe acortarse tanto como sea posible y el calentamiento no debe realizarse lejos del extremo de medición para reducir los errores de derivación.
(3) Resistencia del cable del termopar
Cuando el diámetro del termopar blindado es el mismo, el error de derivación aumentará a medida que aumenta la resistencia del cable del termopar. Por lo tanto, es mejor utilizar cable de termopar con baja resistencia. Por ejemplo, el error de derivación de un termopar blindado tipo S con el mismo diámetro es un 40% menor que el de un termopar tipo K. Por lo tanto, los termopares tipo S se pueden utilizar para medir la distribución del campo de temperatura en el horno. Aunque son costosos, son muy precisos.
(4) Resistencia de aislamiento
A altas temperaturas, la resistividad del óxido disminuirá exponencialmente a medida que aumenta la temperatura. El tamaño del error de derivación depende principalmente del aislamiento del alto. -Parte de temperatura. Cuanto menor sea la resistencia de aislamiento, más fácil será producir errores de derivación. Cuando la resistencia de aislamiento aumenta 10 veces o disminuye a 1/10, su error de derivación también disminuye 1/10 veces o aumenta 10 veces. Para reducir el error de derivación, se deben utilizar termopares blindados de gran diámetro tanto como sea posible y se debe aumentar el espesor de la capa de aislamiento. Si las medidas anteriores no resultan efectivas, se deben utilizar termopares ensamblados.
4. Influencia de los cambios estructurales ordenados de corto alcance (estado K)
Cuando el termopar tipo K se utiliza en el rango de temperatura de 250 ~ 600 °C, su microestructura cambia. , formando una estructura ordenada de corto alcance afectará el potencial termoeléctrico y producirá errores, lo que se denomina estado K. Se trata de un cambio de red único en las aleaciones de níquel-cromo. Cuando el contenido de Cr está en el rango de 5 ~ 30, hay un error causado por la transición orden → desorden de la red atómica, que cambia con el contenido de Cr y la temperatura. Caliente el termopar tipo K de 300 ℃ a 800 ℃, tome un punto cada 50 ℃ y mida el potencial en ese punto. La desviación máxima puede alcanzar 4 ℃ a 450 ℃ y es positiva en el rango de 350 ~ 600 ℃. Debido a la existencia del estado K, los resultados de calibración de los termopares tipo K son inconsistentes al calentar o enfriar. Por lo tanto, el "Reglamento de calibración para termopares metálicos baratos" estipula claramente la secuencia de calibración: de baja temperatura a alta temperatura, punto por punto. calentamiento puntual; y en el punto de calibración de 400 °C, no solo el efecto de transferencia de calor es deficiente y es difícil lograr el equilibrio térmico, sino que también se encuentra en el rango máximo de error del estado K. Así que tenga cuidado al juzgar si esto califica.
El fenómeno de cambio estructural ordenado de corto alcance de la aleación de níquel-cromo existe no solo en el tipo K, sino también en el ánodo del termopar tipo E, pero el termopar tipo E es solo 2/3 de Tipo K. En resumen, el estado K está relacionado con la temperatura y el tiempo. Cuando cambia la distribución de temperatura o la posición del termopar, su desviación también cambiará significativamente, lo que dificulta evaluar con precisión la desviación.
5. Efecto del uso de la atmósfera
(1) Oxidación selectiva
Para aleaciones de níquel-cromo que contienen Fe, si la presión parcial de oxígeno es inferior a un cierto valor, el Cr con alta afinidad por el O2 sufrirá oxidación selectiva, que es una oxidación del límite de grano única de las aleaciones de níquel-cromo. Si se utiliza un microscopio para observar la capa de óxido en la superficie exterior, se pueden ver precipitados verdes, que a menudo se denominan "corrosión verde". Especialmente cuando la temperatura está en el rango de 800 a 1050 °C y el sistema contiene gases reductores como CO y H2, es más probable que el ánodo del termopar tipo K se oxide selectivamente. Este bajo potencial termoeléctrico causado por el contenido reducido de Cr se ha convertido en un factor limitante para el uso a largo plazo de termopares tipo K en la industria de tratamiento térmico.
Si el gas utilizado es puro y el sistema no contiene oxígeno, la vida útil del termopar se puede extender, por ejemplo, cuando hay una capa de óxido en la superficie del cable del termopar, puede; todavía proporcionan suficiente para la oxidación selectiva de Cr de oxígeno. Por lo tanto, se deben utilizar alambres limpios y uniformemente pulidos cuando se utilicen en un entorno no oxidante. Al mismo tiempo, se debe evitar en la medida de lo posible el uso de gases inertes que contengan trazas de oxígeno o aire con baja presión parcial de oxígeno. Cuando la longitud y el diámetro del tubo protector son grandes (es decir, el tubo protector es muy delgado), debido a una mala circulación del aire, se forma un estado anóxico y la pequeña cantidad restante de oxígeno aún puede proporcionar las condiciones para la oxidación selectiva. de Cr.
(2) Contramedidas para la oxidación selectiva
Para prevenir o ralentizar el deterioro de los termopares tipo K provocado por la oxidación selectiva, además de mejorar los materiales, la estructura de los El termopar también debe mejorarse. Tome las contramedidas correspondientes: (a) Elija un metal con mayor afinidad por el oxígeno que el Cr como captador, séllelo en un tubo protector para evitar la oxidación selectiva del Cr o aumente el contenido de oxígeno aumentando el diámetro del el tubo protector o soplando aire. (b) Realización del termopar ensamblado. El producto patentado desarrollado por el autor, el termopar para horno de cementación de sólidos, es un termopar ensamblado con una estructura sellada que puede evitar la oxidación selectiva del Cr. Esta solución ha demostrado ser eficaz durante muchos años de uso por parte de más de una docena de empresas, incluidas Wazhou Group, FAW, Second Automobile Works, Ipson Industrial Furnace, Heavy Industry, Shenya y Qianjiang Motorcycle. La vida útil es de más de 12 meses y los usuarios están muy satisfechos.
(3) Influencia del uso de la atmósfera
La estabilidad de los termopares, debido a diferentes temperaturas y atmósferas de funcionamiento, la temperatura de funcionamiento máxima del mismo sensor, como el termopar tipo K, varía con el diámetro. De manera diferente, la estabilidad de los termopares tipo K con el mismo diámetro también varía mucho debido a las diferentes estructuras. Al seleccionar un termopar, debe considerar las condiciones de uso: temperatura común y temperatura máxima de uso uso de atmósferas redox y otras vibraciones;
Para los termopares ensamblados, la influencia de la atmósfera depende primero del material del tubo protector y de la estructura del termopar, por lo que es necesario estar familiarizado y dominar las propiedades físicas y químicas de varios materiales de los tubos protectores. Por ejemplo, en la industria de la pulvimetalurgia, los tubos de molibdeno se utilizan a menudo como tubos de protección de termopares y funcionan bien en una atmósfera de H2 a 1600 °C. Sin embargo, en una atmósfera oxidante, el tubo de molibdeno se oxida y corroe en un corto período de tiempo. En segundo lugar, se debe seleccionar el termopar apropiado según la atmósfera de uso. Es mejor utilizar termopares de platino-rodio en atmósferas oxidantes superiores a 1300°C y termopares de tungsteno-renio en condiciones reductoras y de vacío.
Para los termopares tipo K, son adecuados para trabajar en atmósferas como aire y O2. Sin embargo, cuando se utilizan en atmósfera de H2, su superficie se reducirá en H2 y no tendrá ningún efecto en un corto período. de tiempo. Por ejemplo, la exposición prolongada al H2 acelerará la reducción y hará que los filamentos pares crezcan y se rompan. En una atmósfera reductora como la de CO o gas, su deterioro se acelerará significativamente y superará el rango permitido.
En los termopares blindados, el radio de los átomos de hidrógeno es muy pequeño, y es fácil entrar al interior a través de la camisa, lo que también acelerará el deterioro, resultando en una disminución significativa del potencial termoeléctrico.
(4) Influencia de la resistencia de aislamiento
A altas temperaturas, la resistencia de aislamiento del aislante utilizado para los termopares disminuye drásticamente a medida que aumenta la temperatura, por lo que habrá corriente de fuga en el aislador. con resistencia de aislamiento reducida fluirá hacia el instrumento, causando que la indicación del instrumento sea inestable o causando errores de medición, y también puede hacer que el registrador registre datos a voluntad.
Deterioro y vida útil de cuatro termopares
1. Degradación del termopar
La vida útil de los termopares está relacionada con su degradación. El llamado deterioro del termopar significa que el termopar envejecerá y se deteriorará después de su uso. Para termopares hechos de metal o aleaciones, los granos internos crecerán gradualmente a altas temperaturas. Al mismo tiempo, la aleación contiene una pequeña cantidad de impurezas y su posición o forma también cambiará y también reaccionará con gases reductores u oxidantes en el entorno circundante. Junto con los cambios anteriores, la fuerza termoelectromotriz del termopar también cambiará de manera extremadamente sensible. Por tanto, la degradación del termopar es inevitable.
2. La vida útil del termopar
El deterioro del termopar es un proceso cuantitativo, que es difícil de cuantificar y variará con el tipo, diámetro, temperatura, atmósfera. , y tiempo del termopar y cambio. La vida útil de un termopar es el tiempo que tarda en deteriorarse más allá del error permitido, incluso si el termopar está dañado.
(1) Vida útil de los termopares ensamblados
Las normas chinas solo exigen la estabilidad de los termopares. Es decir, especifica el cambio en la fuerza electromotriz termoeléctrica antes y después de 200 horas de uso a una determinada temperatura. Sin embargo, no se especifica la vida útil. Los requisitos de Japón para la vida útil de los termopares se basan en el tiempo de uso continuo de los termopares especificado en la norma japonesa JIS (C-1602-1995). Para termopares tipo B, R y S, es 2000h. Para termopares K, E, J y T, es 10000h.
En el uso real, los termopares ensamblados suelen estar equipados con tubos protectores y se utilizan como cables desnudos sólo en circunstancias especiales. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, la vida útil del tubo protector determina la vida útil del termopar. Para determinar la vida útil real de un termopar, es necesario recopilar y acumular datos en condiciones de uso reales durante un período prolongado para obtener resultados más precisos.
(2) La vida útil del termopar blindado
Dado que el termopar blindado está protegido del ambiente externo por la carcasa, el material de la carcasa tiene un impacto en la vida útil del termopar blindado. La influencia es grande, por lo que el cable del termopar y el manguito metálico deben seleccionarse según el propósito. Una vez seleccionado el material, su vida útil aumentará a medida que aumente el diámetro del termopar blindado. Los termopares blindados tienen muchas ventajas sobre los termopares ensamblados, pero su vida útil suele ser más corta que la de los termopares ensamblados.