Warum sind Thermoelemente die bevorzugte Wahl für hochdruckige Temperaturmessungen?

Die Frage, wie sie üblicherweise gestellt wird, enthält eine Annahme, die einem Vergleich von Datenblättern nicht standhält. Ein Thermoelement ist nicht der genaueste Temperatursensor, der verfügbar ist, und es wird auch nicht als solcher verkauft. Ein Platin-Widerstandsthermometer erreicht eine Toleranz von etwa ±0,15 °C in der Nähe von Raumtemperatur, und ein Thermistor ist über ein schmales Band besser. Ein Thermoelement vom Typ K beginnt nach dem internationalen Toleranzstandard bei ±1,5 °C, bevor es im Betrieb zu einer Drift kommt.

Was ein Thermoelement besser kann als beide, ist die Abdeckung eines Bereichs, den kein einzelner Widerstandssensor erreichen kann, das Überleben in einer feindlichen Umgebung, die Anpassung an einen Raum von wenigen Millimetern und die Reaktion in Millisekunden. Diese Kombination ist der Grund, warum es die industrielle Messtechnik dominiert, und das ist eine andere Aussage als Präzision. Ein Käufer, der bei 40 °C ±0,1 °C benötigt, sollte kein Thermoelement kaufen, und ein Käufer, der bei 1.300 °C in einem Brennofen eine Messung benötigt, hat keine andere Wahl.

Diese Seite stellt den Vergleich ehrlich dar und zeigt dann, woher die Genauigkeit eines Thermoelements tatsächlich stammt: die Toleranzklasse des Drahtes, die beiden Driftmechanismen, die im Betrieb darauf wirken, die Kaltstelle und die Kalibrierungspunkte. Diese vier Punkte entscheiden über das Ergebnis, und keiner davon ist der Sensorkörper.

Der folgende Vergleich ist der, mit dem eine Spezifikation beginnen sollte. Die Zahlen sind typisch für jede Familie und ändern sich mit dem spezifischen Produkt, daher werden sie verwendet, um die Familien zu positionieren und nicht, um ein Teil auszuwählen.

Lesen Sie die erste Zeile gegen die zweite. Die Familie mit dem größten Bereich hat die lockerste Toleranz, und die Familie mit der engsten Toleranz hat den engsten Bereich. Das ist kein Mangel an einem der Produkte. Es ist der Grund, warum beide existieren, und eine Spezifikation, die den breitesten Bereich und die engste Toleranz gleichzeitig verlangt, verlangt eine Kombination, die kein Sensor liefert.

IEC 60584-1 legt die Ausgangstoleranz eines Thermoelements nach Typ und Klasse fest, und die Toleranz wird entweder als feste Gradzahl oder als Bruchteil der gemessenen Temperatur ausgedrückt. Die Tabelle gibt die Grenzwerte der Klassen 1 und 2 für die gängigen unedlen und Edelmetalltypen für Drahtdurchmesser zwischen etwa 0,1 mm und 3 mm an.

Zwei Zeilen in dieser Tabelle enthalten mehr Informationen als die anderen. Typ T ist der engste unedle Typ bei niedriger Temperatur, mit ±0,5 °C unter 125 °C, weshalb er in der Kryotechnik und in der Medizin eingesetzt wird. Typ S und R sind die Edelmetalltypen, und ihre Toleranz ist bei Temperaturen unter 1.100 °C bei ±1,0 °C nahezu temperaturunabhängig, was schlechter klingt als Typ K, bis man den Bereich liest: Ein Typ K bei 1.000 °C darf ±4 °C haben, und der Edelmetalltyp darf immer noch ±1 °C haben.

Der Standard besagt auch, was die Toleranz nicht abdeckt. Die Grenzwerte gelten für den gelieferten Draht und lassen keine Kalibrierungsdrift während des Gebrauchs zu. Dieser Satz ist der Grund, warum der nächste Abschnitt existiert.

Ein Thermoelement bleibt nicht bei seinem Zertifikatswert. Die Thermoelemente ändern sich im Betrieb, und die Änderung erscheint als Verschiebung der Spannung, die das Paar bei einer gegebenen Temperatur erzeugt. Bei Typ K wirken die beiden Änderungen in entgegengesetzte Richtungen, weshalb ein einziger Korrekturfaktor sie nicht beheben kann.

Der erste Mechanismus ist eine Änderung der atomaren Anordnung des positiven Thermoelements, der Nickel-Chrom-Legierung. Zwischen etwa 200 °C und 600 °C entwickelt die Legierung eine kurzreichweitige Ordnung, was bedeutet, dass die Atome eine lokal bevorzugte Anordnung einnehmen, ohne eine neue Phase zu bilden. Diese Ordnung erhöht den Seebeck-Koeffizienten der Legierung, so dass das Thermoelement hoch anzeigt. Der Effekt ist zeitabhängig, er wächst bei einer gegebenen Temperatur zu einem Maximum an, und die maximale Änderung tritt nahe 400 °C auf. Oberhalb von 600 °C ist das positive Thermoelement vollständig ungeordnet, und der Effekt kehrt sich um.

Der zweite Mechanismus ist die Oxidation. In einer Nickel-Chrom-Legierung oxidiert das Chrom bevorzugt, und der Chromgehalt der Legierung ist nicht hoch genug, um eine kontinuierliche äußere Chromoxidschicht zu bilden. Das Ergebnis ist ein äußeres Nickeloxid über einer chromreichen Oxidschicht, und das Chrom, das diese Schicht bildet, wird aus dem darunter liegenden Metall entnommen. Die Legierung ist dann chromverarmt, und ein geringerer Chromgehalt bedeutet einen geringeren Seebeck-Koeffizienten, so dass das Thermoelement niedrig anzeigt.

Die praktische Konsequenz ist, dass ein Thermoelement vom Typ K, das beide Bänder gesehen hat, einen Nettifehler aufweist, dessen Vorzeichen von der Geschichte der Installation abhängt, und der einzige Weg, ihn zu kennen, ist, ihn zu messen. Eine Kalibrierungsprüfung nach dem Einsatz ist das Instrument, das die Summe offenbart, und eine Sonde, die nach einer Kampagne an ein Kalibrierlabor zurückgegeben wird, ist der einzige zuverlässige Weg, um zu wissen, wie weit sie sich bewegt hat.

Ein Thermoelement misst eine Differenz, keine absolute Temperatur. Die von ihm erzeugte Spannung ist die Differenz zwischen dem Seebeck-Effekt an der heißen Stelle und dem Seebeck-Effekt an den Klemmen, daher muss das Instrument die Klemmentemperatur kennen, um ein Ergebnis zu melden. Das ist die Kaltstelle, und der Fehler darin überträgt sich direkt auf die Anzeige ohne Dämpfung.

Drei Methoden sind gebräuchlich und unterscheiden sich in ihren Annahmen. Eine feste Referenz hält die Klemmen auf einer bekannten Temperatur, historisch ein Eisbad und jetzt ein thermostatisiertes Block. Eine kompensierte Klemme misst die Klemmentemperatur mit einem separaten Sensor und addiert die entsprechende Spannung elektronisch. Ein isothermer Block geht davon aus, dass alle Klemmen die gleiche Temperatur haben und misst diese eine Temperatur einmal.

Der am einfachsten zu entfernende Fehler ist der, der am häufigsten unberücksichtigt bleibt. Ein Thermoelement, das mit einem gewöhnlichen Kupferkabel zwischen dem Sondenanschluss und dem Instrument installiert ist, hat an der Übergangsstelle zwei neue Verbindungen geschaffen, und diese Verbindungen haben die Umgebungstemperatur des Gehäuses. Die Anzeige hängt dann von der Gehäusetemperatur sowie vom Prozess ab, und die Abhängigkeit ist unsichtbar, es sei denn, das Gehäuse wird erwärmt oder gekühlt.

Kompensationskabel gibt es aus diesem Grund. Es besteht aus Legierungen, die das thermoelektrische Verhalten des Thermoelements über einen begrenzten Temperaturbereich anpassen, so dass der Übergang von der Sonde zum Instrument keinen Fehler verursacht. Das Kabel hat eine Polarität, es hat einen Temperaturbereich, über den die Anpassung gilt, und es muss richtig herum angeschlossen werden. Ein falsch angeschlossenes Kompensationskabel erzeugt einen Fehler, der doppelt so groß ist wie die Verbindungstemperatur, was groß ist und wie ein Instrumentenfehler aussieht.

Eine Toleranzklasse ist eine Fertigungsgrenze und keine Aussage über eine bestimmte Sonde. Um zu wissen, was eine Sonde anzeigt, muss sie kalibriert werden, und die Wahl der Kalibrierungsmethode bestimmt, wie viel vom Bereich abgedeckt wird.

Eine Vergleichskalibrierung platziert die Sonde und ein Referenzthermometer im selben Bad oder Ofen und zeichnet die Differenz an einer Reihe von Punkten auf. Sie ist schnell, deckt den Bereich ab, den das Bad erreichen kann, und ihre Unsicherheit wird durch die Referenz und die Gleichmäßigkeit des Bades begrenzt. Eine Festpunktkalibrierung hält die Sonde an einem thermodynamischen Phasenübergang, wie dem Gefrierpunkt eines Metalls, wo die Temperatur durch Physik und nicht durch ein Referenzthermometer definiert ist. Sie ist langsamer und teurer und liefert eine geringere Unsicherheit an den verwendeten Punkten.

Keine der beiden Methoden beseitigt die Drift, die nach der Kalibrierung auftritt. Eine Sonde, die vor der Installation kalibriert und ein Jahr lang bei 400 °C verwendet wurde, hat ein Zertifikat, das einen Zustand beschreibt, den sie nicht mehr hat. Die Praxis, die dies auffängt, ist eine periodische Überprüfung an einem oder zwei Punkten, wobei das Ergebnis mit dem ursprünglichen Zertifikat verglichen wird, und das Intervall wird danach festgelegt, wie schnell sich die Messwerte bewegt haben, und nicht nach einem Kalender.

Der Fall für ein Thermoelement ist am stärksten, wo die Alternativen nicht hinkommen. Die Tabelle stellt die Bedingungen dar und erklärt, warum jeder Punkt auf diese Familie hinweist.

Vier Eigenschaften des Drahtes bestimmen die Leistung des fertigen Thermoelements, und alle vier werden festgelegt, bevor die Sonde montiert wird.

Die Zusammensetzung bestimmt den Seebeck-Koeffizienten, und die Toleranzklasse ist eine Aussage darüber, wie eng die Zusammensetzung und die Verarbeitung eingehalten wurden. Eine Abweichung im Chromgehalt um einen Bruchteil eines Prozents verschiebt die Ausgabe eines Typ-K-Paares um einen Betrag, der an der Toleranzgrenze relevant ist, weshalb die Legierungsspezifikation für Thermoelementdraht enger ist als die Spezifikation für die gleiche Legierung, die als Widerstands- oder Strukturmaterial verwendet wird.

Die Homogenität bestimmt, wie stark die Anzeige davon abhängt, wo der Temperaturgradient liegt. Ein Draht, der ungleichmäßig bearbeitet wurde oder einen Zusammensetzungsgradienten entlang seiner Länge aufweist, erzeugt eine unterschiedliche Spannung, je nachdem, welcher Teil davon in der heißen Zone liegt. Deshalb sollte ein Thermoelement nicht aus einer Spule geschnitten und ohne Kenntnis seiner Geschichte installiert werden, und warum eine gebrauchte Sonde, die gekürzt wurde, anders anzeigen kann als die, die sie ersetzt hat.

Der Oberflächenzustand bestimmt, wie schnell der Oxidationsmechanismus abläuft. Ein Draht mit einer sauberen und gleichmäßigen Oberfläche oxidiert auf vorhersagbare Weise, und ein Draht mit Ziehspuren oder Restschmierstoff oxidiert lokal und verarmt Chrom ungleichmäßig entlang seiner Länge.

Der Durchmesser bestimmt die Lebensdauer. Ein dickerer Draht braucht länger, um das Chrom zu verlieren, das die Oxidschicht verbraucht, so dass eine Sonde mit starker Gauge in derselben Furnace länger hält, auf Kosten einer langsameren Reaktion. Dieser Kompromiss ist der, den ein Käufer eingeht, wenn er zwischen einem feinen Draht für die Reaktion und einem starken Draht für die Lebensdauer wählt.

Thermoelementdraht wird nach Typ, Klasse, Durchmesser und Isolierung bestellt, und der Standard, der den Ausgang regelt, ist getrennt vom Standard, der die Legierung regelt.

DLX liefert Thermoelementlegierungen in Changzhou, Jiangsu, in Draht ab 0,025 mm, Rundstäbe bis 50 mm und Band von 0,50 mm bis 2,5 mm Dicke. Das Sortiment umfasst die Nickel-Chrom- und Nickel-Silizium-Legierungen für Typ K und Typ N, die Kupfer-Nickel-Legierungen für Typ T und Typ J sowie die Platin-Rhodium-Legierungen für Typ S und Typ R, zusammen mit den passenden Kompensationskabellegierungen.

Der Draht wird gegen die Legierungsspezifikation und die auf der Bestellung angegebene Toleranzklasse geliefert, mit einem EN 10204 3.1 Zertifikat auf Anfrage und der Chargennummer, die auf die Prüfergebnisse zurückführbar ist. Die sinnvolle Frage ist nicht, welcher Typ im Allgemeinen am genauesten ist, sondern welcher Typ seine Toleranz über den Bereich und die Atmosphäre der Installation beibehält.

Nein, und die Datenblätter sagen das. Ein Platin-Widerstandsthermometer der Klasse A erreicht nahe Raumtemperatur etwa ±0,15 °C, während einem Thermoelement vom Typ K der Klasse 1 unter 375 °C ±1,5 °C erlaubt sind. Das Thermoelement gewinnt bei Reichweite, Größe, Reaktionsgeschwindigkeit und der Fähigkeit, eine feindliche Umgebung zu überstehen. Das Widerstandsthermometer gewinnt bei Genauigkeit und Stabilität, wo es eingesetzt werden kann.

Es ist eine Fertigungstoleranz nach IEC 60584-1: ±1,5 °C zwischen -40 und 375 °C und ±0,004 mal die gemessene Temperatur zwischen 375 und 1.000 °C, was ±4 °C bei 1.000 °C entspricht. Der Standard besagt, dass die Grenzwerte für den gelieferten Draht gelten und keine Kalibrierungsdrift während des Gebrauchs zulassen, so dass eine Sonde der Klasse 1, die ein Jahr bei Temperatur war, möglicherweise nicht mehr innerhalb der Klasse 1 liegt.

Weil zwei Mechanismen auf unterschiedliche Temperaturbereiche wirken und die Anzeige in entgegengesetzte Richtungen verschieben. Zwischen etwa 200 und 600 °C entwickelt der positive Schenkel eine kurzreichweitige Ordnung, die seinen Seebeck-Koeffizienten erhöht und das Paar hoch anzeigen lässt, mit der größten Wirkung nahe 400 °C. Oberhalb von etwa 900 °C an Luft oxidiert das Chrom und das darunter liegende Metall verarmt an Chrom, was den Seebeck-Koeffizienten senkt und das Paar niedrig anzeigen lässt. Der Nettofehler hängt von der Geschichte der Installation ab.

Es kann angeschlossen werden, und die Verbindung erzeugt zwei neue Verbindungen bei der Umgebungstemperatur des Gehäuses. Die Anzeige hängt dann von dieser Umgebungstemperatur sowie vom Prozess ab, und die Abhängigkeit ist unsichtbar, bis das Gehäuse erwärmt wird. Kompensationskabel aus Legierungen, die dem Thermoelement über einen begrenzten Bereich entsprechen, vermeiden den Fehler, vorausgesetzt, es ist der richtige Typ und mit der richtigen Polarität angeschlossen.

Das Intervall sollte der tatsächlich beobachteten Drift folgen und nicht einem festen Kalender. Eine Sonde in einem sauberen Ofen bei konstanter Temperatur driftet weniger als eine, die durch das Ordnungsband zyklisch läuft oder an Luft über 900 °C betrieben wird. Eine periodische Überprüfung an einem oder zwei Punkten, verglichen mit dem ursprünglichen Zertifikat, ergibt die Driftgeschwindigkeit, und die Geschwindigkeit bestimmt das Intervall.

Wenn die Temperatur über dem praktischen Bereich der unedlen Typen liegt oder wenn die Toleranz bei hoher Temperatur eingehalten werden muss. Ein Typ K darf bei 1.000 °C in Klasse 1 ±4 °C haben, während ein Typ S oder R bis 1.100 °C ±1,0 °C haben darf. Die Edelmetalltypen sind teurer, empfindlicher gegenüber Verunreinigungen und die Antwort, wenn die Genauigkeit bei Temperatur wichtiger ist als der Preis des Drahtes.

Ein Thermoelement ist die bevorzugte Wahl für die industrielle Temperaturmessung, da es einen Bereich abdeckt, den kein Widerstandssensor erreicht, Umgebungen übersteht, die einen zerstören, und in Millisekunden reagiert. Es ist nicht der genaueste Sensor, und eine Spezifikation, die es als solchen behandelt, beginnt mit einer falschen Prämisse.

Die verfügbare Genauigkeit ergibt sich aus vier Punkten: der Toleranzklasse des Drahtes, der Drift, die die Installation erzeugt, der Kaltstelle und der Kalibrierung. Die Drift hat bei Typ K zwei Mechanismen, die in entgegengesetzte Richtungen wirken, weshalb ein Korrekturfaktor eine Kalibrierungsprüfung nicht ersetzen kann. Der Kaltstellenfehler überträgt sich ungedämpft auf die Anzeige, weshalb Kompensationskabel und ein gleichmäßiger Anschlussblock genauso wichtig sind wie die Sonde.

IEC 60584-1, Thermoelemente, Referenzfunktionen und Toleranzen. Quelle für die Toleranzen der Klassen 1 und 2 nach Typ und Temperaturbereich, einschließlich der Grenzwerte von ±1,5 °C und ±0,004 mal t für Typ K, der Grenzwerte von ±0,5 °C und ±0,004 mal t für Typ T und der Grenzwerte von ±1,0 °C und ±(1 + 0,003 x (t - 1.100)) für Typen S und R.

IEC 60584-2, Thermoelemente, Toleranzen, als Begleitdokument zu den Referenzfunktionen.

Veröffentlichte technische Daten zu Thermoelementdraht vom Typ K, die die ungefähre erzeugte EMK-Änderung von 42 Mikrovolt pro Kelvin bei 100 °C und 39 bei 1.000 °C, den kontinuierlichen Bereich von 0 bis 1.100 °C, den Kurzzeitbereich von -180 bis 1.350 °C und die Aussage angeben, dass die Standardtoleranzen keine Kalibrierungsdrift während des Gebrauchs zulassen.

Veröffentlichte Forschung der Universität Cambridge über die Drift in blanken Thermoelementdrähten vom Typ K. Quelle für die kurzreichweitige Ordnungstransformation im positiven Thermoelement zwischen 200 und 600 °C, die Erhöhung des Seebeck-Koeffizienten, die sie verursacht, die maximale Wirkung nahe 400 °C, den ungeordneten Zustand oberhalb von 600 °C und den Chromverarmungsmechanismus, der durch bevorzugte Oxidation oberhalb von 900 °C verursacht wird und den Seebeck-Koeffizienten senkt.

IEC 60751, industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren, als Quelle für die Klasse-A-Toleranz von etwa ±0,15 °C nahe Raumtemperatur, die im Vergleich verwendet wird.

ASTM E230, Standard Spezifikation und Temperatur-Elektromotivkraft-Tabellen für standardisierte Thermoelemente, als nordamerikanisches Gegenstück zu den IEC-Referenzfunktionen.

ASTM E220, Standard-Prüfverfahren für die Kalibrierung von Thermoelementen durch Vergleichstechniken.

EN 10204, Inspektionsdokumente, für die Definition des 3.1-Zertifikats als Dokument, das tatsächliche Prüfergebnisse enthält und von einem unabhängigen Prüfbeauftragten des Herstellers bestätigt wird.

Die oben genannten Toleranzen und Temperaturen sind Standardwerte für die genannten Typen und Klassen und gelten für den gelieferten Draht und nicht für eine Sonde im Betrieb. Eine Toleranz ist eine Fertigungsgrenze und keine Messunsicherheit, und die Unsicherheit einer bestimmten Messung umfasst die Kaltstelle, das Verlängerungskabel, das Instrument und die Drift, die die Installation erzeugt hat. Die für Typ K beschriebenen Driftmechanismen wirken über die Zeit und ihre Größe hängt von Temperatur, Atmosphäre und Exposition ab, daher sollte eine Sonde überprüft und nicht als gegeben hingenommen werden. Genauigkeitsangaben für Widerstandsthermometer und Thermistoren sind typische Werte für die genannten Klassen und variieren je nach spezifischem Produkt. Produktangaben werden überarbeitet, und die auf der Bestellung angegebene Ausgabe ist maßgebend. Nichts auf dieser Seite ersetzt eine technische Freigabe oder die zwischen Käufer und Lieferant vereinbarte Qualifizierungsprüfung.