Ebben a blogbejegyzésben röviden áttekintem a hőelemeket, különös tekintettel a hidegpontra és a különböző hidegpont-kompenzációs módszerekre.
A folyamatszabályzó műszerek kalibrálásával eltöltött sok év során gyakran meglepődöm azon, hogy még azok az emberek is, akik sokat dolgoznak hőelemekkel, nem mindig tudják, hogyan működnek a hőelemek, különösen a hidegpont (referenciapont) és ezért hibáznak a mérés és a kalibrálás során.
Ahhoz, hogy a hidegpontról beszélhessünk, először röviden át kell tekintenünk a hőelem elméletét és a hőelem működését.
Nem fogok nagyon mélyen belemenni az elméleti tudományba, inkább a gyakorlati megfontolásoknál maradok, azoknál a dolgoknál, amiket tudnod kell, amikor hőelem-mérésekkel és -kalibrálással dolgozol egy tipikus feldolgozóüzemben.
Terminológia: Hidegpont vagy Referenciapont
A hőelemes „hidegpontot” gyakran „referenciapontként” emlegetik, de úgy tűnik számomra, hogy az emberek gyakrabban használják a „hidegpont” kifejezést, ezért ebben a szövegben ezt fogom használni.
Hőelemek
A hőelemek nagyon gyakori hőmérséklet-érzékelők a feldolgozóüzemekben. A hőelemeknek van pár kedvező tulajdonságuk, ami széles körben elterjedtté teszi őket. Nagyon magas hőmérsékletek mérésére használhatók, sokkal magasabbak, mint az RTD-k (ellenállás-hőmérséklet-érzékelők). A hőelem egy nagyon robusztus érzékelő, ritkán megy tönkre. Bár a hőelemek nem olyan pontosak, mint az RTD-érzékelők, de sok alkalmazásnál ez nem is követelmény. A hőelemek viszonylag olcsó érzékelők és a hőelem mérőáramköre nem igényel gerjesztőáramot, mint egy RTD áramkör, így az áramkört ebben az értelemben egyszerűbb elkészíteni. Számos különböző hőelemtípus létezik, amelyeket különböző alkalmazásokhoz optimalizáltak.
Egy hőelemes érzékelő használata nagyon egyszerűnek tűnik – csak két vezeték – mi romolhat el?
Figyelembe véve a hidegpontot és a mérőkör összes csatlakozását, a dolog nem mindig olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. Kezdjük a hidegpontokkal kapcsolatos megbeszélést, de előtte még néhány szót a hőelem-elméletről, hogy jobban megértsük a hidegpontokkal kapcsolatos vitát.
Hogyan működik egy termoelem?
Nézzük meg, hogyan működik egy hőelem. A hőelem két különböző anyagú vezetékből áll, amelyek az egyik végén (a „forró” végén) vannak összekötve, vagyis azon a végén, amellyel a hőmérsékletet mérni szeretnénk.
Ahogy azt Thomas Johann Seebeck 1821-ben felfedezte, amikor ezeknek a vezetékeknek a csatlakozási pontját különböző hőmérsékletek közé tesszük, termoelektromos áram keletkezik, ami kis feszültséget okoz a vezetékek nyitott végén. A feszültség a hőmérséklettől és a használt vezető vezetékek anyagától függ. Ezt a hatást Seebeck-effektusnak nevezték el.
Egy hőelem egyszerűsített elvi ábrája:
A fenti képen: az „1-es és 2-es hőelem anyaga” a hőelem két különböző anyagát jelöli. A „T1” a hőelem melegpontja, azaz a hőmérséklet mérésére használt pont. A két „Tcj” a hidegpontok hőmérsékletét jelöli.
A fenti magyarázat némileg leegyszerűsített, mivel a termofeszültséget valójában a hőelemvezeték hőmérsékleti gradiensei generálják, egészen a „meleg” és a „hideg” átmenetek között. Tehát nem a csatlakozási pontok generálják a feszültséget, hanem a vezeték mentén mért hőmérsékleti gradiens. Könnyebb ezt megérteni, ha úgy gondoljuk, hogy a termofeszültség a csatlakozásokban, a meleg és a hideg átmenetekben keletkezik. Talán egy későbbi, tudományosabb hőelem-elméletet is bemutathatunk, de ebben maradjunk a gyakorlati megfontolásoknál.
Hőelem típusok és anyagok
Sokféle hőelemet gyártanak különböző anyagokból és ötvözetekből. A különböző anyagok eltérő érzékenységet, azonos hőmérsékleten eltérő nagyságú feszültséget eredményeznek, és befolyásolják más jellemzőket, például a maximálisan mérhető hőmérsékletet.
Többféle hőelemtípust szabványosítottak, és a felhasznált anyagokhoz elnevezéseket adtak. A nevek jellemzően nagyon rövidek, gyakran csak egy betűből állnak, például K, R, S, J, K stb. típusúak.
A leggyakoribb hőelemek és anyagaik közül néhányat az alábbi táblázat tartalmaz:
Vezetékszínek
A jó hír az, hogy a hőelem vezetékei színkódoltak a könnyebb felismerés érdekében. A rossz hír az, hogy a színkódokra sokféle szabvány létezik, és ezek különböznek egymástól. A fő szabványok az IEC60584-3 (nemzetközi) és az ANSI (egyesült államokbeli), de számos más szabvány is létezik, például japán, francia, brit, holland, német stb. Így sajnos kissé bonyolult a típus felismerése a szín alapján.
Hőelem termofeszültsége
Mivel a különböző hőelemek különböző anyagokból készülnek, a termofeszültségük is eltérő, ezt az alábbi kép szemlélteti. Nagy különbség van az azonos hőmérsékleten keletkező feszültségben a különböző típusok között.
Ha alacsonyabb hőmérsékletet szeretne mérni, nyilvánvalóan jobb az érzékenyebb típusokat használni, mivel ezek magasabb feszültséget adnak, ami könnyebben mérhető. De ha magas hőmérsékleteket kell mérnie, akkor a kevésbé érzékeny típusokat kell választania, amelyek ilyen magas hőmérsékleten is használhatók.
A Seebeck-együttható megmutatja, hogy mennyit változik a hőelem feszültsége a hőmérsékletváltozáshoz képest. Erről később bővebben.
A fenti kép, amely a különböző hőelemek közötti eltérő érzékenységet szemlélteti, azt is megmagyarázza, hogy egy hőelem-kalibrátor miért rendelkezik jellemzően eltérő pontossági specifikációkkal a különböző hőelemtípusokhoz. Egy mérőeszköz, vagy kalibrátor, általában feszültségmérési pontossággal rendelkezik, amely feszültségben van megadva. Például 4 mikrovolt pontossággal rendelkezhet. Ez a 4 mikrovolt pontosság a hőelem típusától függően eltérő hőmérsékleti pontosságot jelent a különböző hőelem-érzékenységek miatt.
Mérőeszköz (kalibrátor) példa
Vizsgáljuk meg a két szélső értéket: az E és a B típust 200 °C hőmérsékleten. Az E típus érzékenysége (Seebeck-együttható) 200 °C-on körülbelül 74 µV/ °C, míg a B típus együtthatója 200 °C-on körülbelül 2 µV/ °C. Tehát 37-szeres különbség van a kettő között.
Például, ha a mérőeszközöd 4 µV elektromos pontossággal tud mérni, az azt jelenti, hogy az E típus esetében 200 °C-on körülbelül 0,05 °C (4 µV osztva 74 µV/°C-kal), a B típus esetében pedig 2 °C (4 µV osztva 2 µV/°C-kal) pontosságot biztosít.
Tehát láthatjuk, miért vannak gyakran nagyon eltérő pontossági előírások a hőelem mérőeszközökre/kalibrátorokra a különböző hőelemtípusok esetében.
Kalibrátor pontossága
Ha egy hőmérséklet-kalibrátor adatlapján ugyanaz a pontossági specifikáció szerepel minden hőelem típusnál, légy óvatos! Ez általában azt jelenti, hogy a specifikációkat/adatlapot a marketing osztály készítette, és nem a műszaki osztály… ;-)
Ez egyszerűen nem túl realisztikus.
Szabványok
Vannak olyan szabványok is (például az AMS2750E), amelyek minden hőelemtípus esetében azonos pontosságot írnak elő, és ez a gyakorlatban nem igazán logikus a különböző típusok érzékenysége közötti hatalmas különbség miatt.
Seebeck-együtthatók
Már említettem a Seebeck-együtthatót. Ez a hőelem érzékenysége, azaz megmagyarázza, hogy mennyi feszültség keletkezik hőmérsékletváltozáskor.
Az alábbi kép néhány különböző hőelem Seebeck-együtthatóját mutatja:
Hidegpont
Most pedig kezdjük el mélyebben is elmerülni a „hidegpont” fogalmában...
Korábban bemutattam az egyszerűsített hőelem-elv ábráját, amely azt mutatja, hogy a feszültség a „melegpont” csatlakozásnál keletkezik, ahol a két különböző vezetőt összekötik. A nagy kérdés, amit itt fel kell tenned: De mi a helyzet a vezetékek másik végével?
Milyen jó kérdés! Örülök, hogy feltetted… ;-)
Amikor megméred a hőelem feszültségét, a hőelem vezetékeit egy multiméterbe is bekötheted. Egyszerű, ugye? Nem igazán! A multiméter csatlakozóanyaga jellemzően réz vagy aranyozott, tehát más anyagból készül, mint a hőelem, ami azt jelenti, hogy két új hőelemet hozol létre a multiméter csatlakozóiban!
Szemléltessük ezt egy képpel:
A fenti képen az 1-es és a 2-es anyag (Material 1-2) a két hőelem anyaga, amelyek a hőelemet alkotják. A „hot end” az a pont, ahol össze vannak hegesztve, és ez az a pont, amely méri a folyamathőmérsékletet, itt keletkezik az U1 feszültség. Ezt az U1 feszültséget szeretnénk mérni. A „hidegponti” pontokban a hőelem egy feszültségmérőhöz csatlakozik, amelynek különböző anyagból, a 3-as anyagból készült csatlakozásai vannak. Ezekben a csatlakozásokban U2 és U3 hőfeszültség keletkezik. Ezeket az U2 és U3 feszültségeket nem akarjuk mérni, ezért meg akarunk szabadulni tőlük, vagy kompenzálni akarjuk őket.
Amint a fenti képen látható, valójában három sorba kapcsolt hőelem feszültségét méred. Nyilvánvalóan csak a „forró” átmenet feszültségét/hőmérsékletét szeretnéd mérni, a másik két csatlakozási pontot nem.
Szóval, mit tehetsz?
Valahogy ki kell küszöbölni vagy kompenzálni kell a hidegpontokban keletkező hőelemeket. Ennek többféle módja is van. Nézzük meg ezeket a következőkben.
Hidegponti lehetőségek és kompenzációs módszerek
1. Hidegpont jégfürdőben
Természetéből adódóan egy hőelemes átmenet nem generál hőfeszültséget 0°C (32°F) hőmérsékleten. Tehát a hidegpontot ezen a hőmérsékleten is elkészíthetjük, például egy jégfürdőben vagy egy pontos hőmérsékletmérő blokkban. A hőelem vezetékeit a jégfürdőben lévő rézvezetékekhez csatlakoztathatjuk, és ebben a csatlakozásban nem keletkezik hőfeszültség. Így egyáltalán nem kell aggódnunk a hidegpont miatt.
A csatlakozásokat elektromosan le kell szigetelni a jégfürdőben lévő víztől, hogy elkerüljük a hibákat okozó szivárgási áramokat vagy az esetleges korróziót.
Ez egy nagyon pontos módszer, és jellemzően kalibráló laboratóriumokban alkalmazzák. Egy feldolgozóüzemben egyébként sem túl praktikus, ezért általában nem is használják ott.
Példa:
Az N típusú hőelem a képen látható módon van bekötve. A voltmérő 20808 µV-ot mutat. Mekkora a mért hőmérséklet?
E = E N (t U1 ) – E N (t r )
Ahol:
- E = mért feszültség = 20808 µV
- E N (t U1 ) = a forróponton keletkező feszültség
- E N (t r ) = a hidegponton (referenciaponton) keletkező feszültség = 0 µV (IEC 60584 N típus, 0 °C)
- E N (t U1 ) = E + E N (t r ) = 20808 µV + 0 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 N típus, 20808 µV)
Tehát a hőmérséklet 605 °C.
2. Hidegpont ismert, fix hőmérsékleten
Mivel a jégfürdős megoldás nem bizonyult praktikusnak, a hidegpont-csatlakozást más ismert, fix hőmérsékleten is elvégezhetjük. Használhatunk egy kis csatlakozódobozt, amelynek hőmérséklet-szabályozója mindig egy bizonyos hőmérsékleten tartja a dobozt. A hőmérséklet jellemzően magasabb, mint a környezeti hőmérséklet, így a doboznak csak fűtésre van szüksége, hűtésre nem.
Ha ismeri a hidegpont hőmérsékletét, és ismeri a hőelem típusát is, akkor kiszámíthatja és kompenzálhatja a hidegpont termofeszültségét.
Sok mérőeszköz vagy hőmérséklet-kalibrátor rendelkezik olyan funkcióval, amellyel megadhatjuk a hidegpont hőmérsékletét, és a készülék elvégzi helyettünk az összes számítást és a kompenzációt.
Példa:
Az N típusú hőelem a képen látható módon van bekötve. A feszültségmérő 19880 µV-ot mutat. A hideg (referencia) átmenet hőmérséklete 35 °C. Mekkora a mért hőmérséklet?
E = E N (t U1 ) – E N (t r )
Ahol:
- E = mért feszültség = 19880 µV
- E N (t U1 ) = a melegpont által generált feszültség
- E N (t r ) = a referenciapontban (vagy hidegpontban) keletkező feszültség = 928 µV (IEC 60584 N típus, 35 °C)
- E N (t U1 ) = E + E N (t r ) = 19880 µV + 928 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 N típus, 20808 µV)
Tehát a mért hőmérséklet 605 °C.
Felhívjuk a figyelmet , hogy a hőelem-számításokat mindig feszültségben kell elvégezni. Gyakori hiba, hogy a mért feszültség táblázatos értékéhez adják hozzá a hidegpont hőmérsékletét. Ebben az esetben a mért 19880 µV-nak megfelelő hőmérséklet az IEC 60584 szabvány szerint 581,2 °C. A hőmérsékleti értékek felhasználásával végzett számítás 581,2 °C + 35 °C = 616,2 °C értéket eredményezne. A hiba + 11,2 °C.
3. Mérje meg a hidegpont hőmérsékletét
Ha nem állítod be a hidegpont hőmérsékletét, mint az előző példában, akkor is megmérheted a hidegpont hőmérsékletét egy hőmérséklet-szondával. Így kompenzálhatod a hidegpont hatását, de a kompenzálás egy kicsit nehezebb, mivel folyamatosan mérned kell a hidegpont hőmérsékletét, és ismerve a hőelem típusát, számításokat kell végezned a hidegpont hatásának megismeréséhez.
Szerencsére sok hőmérséklet-kalibrátor kínál funkciót a hidegpont hőmérsékletének mérésére hőmérséklet-szondával, és az eszköz automatikusan elvégzi az összes kompenzációt és számítást.
4. Automatikus online kompenzáció a mérőeszközben
Megemlítettem, hogy az előző példa nehéz volt, mivel folyamatosan ki kell számolni a kompenzációt, de ezt rá lehet bízni a mérőeszközre, hogy automatikusan elvégezze. A mérőeszköz (legyen az távadó, DCS bemeneti kártya vagy hőmérséklet-kalibrátor) folyamatosan mérheti a hidegpont hőmérsékletét, és automatikusan elvégezheti a hidegpont hibájának online kompenzációját. Mivel a mérőeszköz ismeri a hőelem típusát is (ezt a menüben lehet kiválasztani), a kompenzációt automatikusan és folyamatosan elvégezheti.
Természetesen ez a legegyszerűbb és legpraktikusabb módja a hidegpont kompenzálásának a normál mérések és kalibrálások során, mivel nem kell aggódni a hidegpont miatt, és a berendezésre kell hagyni a dolgát. Csak be kell dugni a hőelem vezetékét a készülékbe. Ehhez sokszor egy speciális diódát kell bekötni a sorkapocsra.
Az eredeti cikk ide kattintva tekinthető meg.
