svenska english

Läs även

Termoelement teori

Innehåll

Termoelement
Hela kretsen mäter 
Översikt termoelement
Termoelement toleransklasser (IEC 60584)

Egenskaper och felkällor
Grönröta
Varning för ersättningsmaterial
Främmande material i mätpunkten
SRO hysteres
Andra ålderskrämpor

Felaktiga inkopplingar
Avbrott
Kortslutning
Polvändning av hela mätkretsen
Polvändning av givaren
Dubbel polvändning av anslutningsledningen

Olika konstruktioner av termoelement
Trådgivare
Armerade fjäderbelastade trådgivare
Metallmantlade termoelement
Tre olika mätpunktsutföranden
Metallmantlade termoelement i yttre skyddsrör
Signalanslutningar för metallmantlade termoelement

Anslutnings- och kompensationsledning
Felgränser för anslutnings- och kompensationsledning (IEC 60584-3)
Felgränser för volfram-rhenium ledningar (ASTM E 988)

 

Termoelement 

Termoelementet har 150 år på nacken och är industrins i särklass mest använda givartyp. Den är relativt billig och enkel att använda och dess brister grundligt kartlagda.

Rätt använt är termoelementet en ypperlig givare. Använd utan kunskap kan den förvandla mätningen till rena gissningsleken.

 

Seebeck och hans upptäckt

Termoelementet skapades av T J Seebeck år 1821. Han upptäckte att en elektrisk spänning bildas i en krets av två olika metaller eller legeringar som utsätts för en temperaturskillnad. Ju större skillnaden var, desto större spänning kunde han uppmäta.

De två föreningspunkterna kallas mätpunkt och referensställe. Mätpunkten finns i temperaturgivarens spets. Referensstället är normalt beläget vid anslutningarna till indikator eller transmitter.

 

Nya teorier

Idag vet vi att Seebeck inte fullt ut förstod mekanismerna bakom termoelementet. Dåtida voltmetrar belastade kretsen och gav upphov till strömmar som orsakade spänningsfall och andra fenomen.

Vetenskapen har övergått till teorier om renodlade Seebeck-spänningar. Teorin gör det enklare att avslöja bristerna i en mätkrets och genomgås på Pentronics kurser. Se även Pentronics teknikartiklar om termoelement. Moderna instrument har ingångsförstärkare med mycket högt ingångsmotstånd och därmed kan kretsen betraktas som obelastad.

Om du placerar en metalltråd i en temperaturgradient uppstår en seebeckspänning efter hela sträckan i gradienten. Ju brantare gradienten är, desto större spänning uppstår just där.

 

Hela kretsen mäter

Ett termoelement består av två metalltrådar med olika seebeck-koefficienter. Dessa genererar olika stora spänningar och resultatet blir en mätbar skillnadsspänning som varierar med temperaturskillnaden i gradienten.

Alla delar av mätkretsen som befinner sig i en temperaturgradient, även kompensationsledning och skarvmaterial, kan således bidra med spänning.

Om icke kontrollerat termoelementmaterial befinner sig i en gradient måste man utgå från de normerade tillverkningstoleranserna vid beräkning av mätosäkerheten. Toleransen är ±2,5°C för typerna K, N och J enligt IEC 60584 klass 2 vid lägre temperatur. Se toleranstabell nedan.

3_1_w 200_sv

Överst i diagrammet är en enkel metalledare och, nedanför, ett komplett termoelement. Båda ligger i samma temperaturgradient, T1 till T2. De respektive utsignalerna är EA och EAB. Den fiktiva seebeckspänningen i den enkla metalltråden blir:
EA = SA (T1 - T2) där SA är den antaget konstanta seebeckkoefficienten för tråd-materialet. På samma sätt följer:
EB = SB (T2 - T1).

För hela termoelementet erhålls följande uttryck:
EAB = EA - EB = (SA - SB) (T1 - T2) som normalt skrivs:
EAB = SAB (T1 - T2).

EAB bör matematiskt beskrivas som en summa av produkterna (integral) SAB · (T1-T2) längs hela termoelementets utsträckning.

Instrumentets betydelse

Termoelement mäter temperaturskillnad mellan mätpunkten och övergången till indikatorns eller transmitterns terminaler. Det är referensställets temperatur som uppmäts där termoelementmaterialet övergår i kopparledare. Förr kallades detta "kompensering för kalla lödstället". Kompenseringen är normalt optimerad för rumstemperatur (20-25°C).

Det betyder att mätvärdet blir felaktigt så fort referenstemperaturen avviker från rumstemperatur. I laboratorier brukar referenspunkten som alternativ placeras i ett isvattenbad för att undvika detta fel.

Översikt termoelement

Det finns ett tiotal standardiserade typer av termoelement. Typerna kompletterar varandra avseende mätsignal, temperaturområde och tålighet för olika atmosfärer. Typerna S, B och R innehåller platina.

Här följer de normerade termoelementen ur IEC 60584:2013:

Typ

Temperatur-område
(°C)

Atmosfär
T -200 - 370 Bra för låga temperaturer. Skyddsrör över 240°C.
J -200 - 760 Ej oxiderande miljö eller syror.
E -200 - 900 Bra i oxiderande atmosfär.
K -200 - 1260 Bra i oxiderande atmosfär. Ej lämplig i reducerande, tex svavel, cyanid, kol och väte.
N -200 - 1300 Som typ K, men bättre över 200 °C.
S, R 0 - 1480 Keramiskt skyddsrör i alla atmosfärer.
B 0 - 1700 Keramiskt skyddsrör i alla atmosfärer.
C 425 - 2315 Keramiskt skyddsrör i alla atmosfärer. Används främst i vakuum.
A 1000 - 2500 Keramiskt skyddsrör i alla atmosfärer. Används främst i vakuum.

Olika utsignal

En viktig skillnad mellan olika termoelementtyper är utsignalen som beror på materialens relativa seebeck-koefficient.

Tillverkningstoleranser för temoelement

IEC är den internationella elektrotekniska kommissionen, vars standarder är internationella och bör följas så långt det är möjligt. På sikt kommer nationella standarder över hela världen att anpassas till IEC:s.

IEC 60584:2013

IEC 60584 senast reviderad 2013 upptar referenstabeller och beräknings-polynom för de standardiserade termoelementens utsignal som funktion av temperatur samt färgkoder för identifiering av termoelementtyp. Desssutom ges toleranser för anslutnings- och kompensationsledningar

Polynomen samt utsignal (seebeckspänning) och seebeckkoefficient för var tionde grad finns tabellerade i ett senare avsnitt av detta teorikapitel. Tätare tabeller kan erhållas från Pentronic.

Tolerans ska inte blandas ihop med begreppet mätosäkerhet. Den enskilda givarens egenskaper fastställs vid kalibrering. Tolerans anger de temperaturgränser från normriktigt värde på en grupp termoelement för att dessa ska få kallas termoelement av viss typ.

Toleransklasser för termoelement enligt IEC 60584:2013

(Referensstället vid 0°C)

Termoelement
typ

Toleransklass 1
(°C)
Toleransklass 2
(°C)
Toleransklass 3
(°C)
T      
Temperaturområde  -40 < T < 350  -40 < T < 350 -200 < T <40
Störst av: ±0,5
eller
±0,004 · lTl
±1
 eller
±0,0075 · lTl
-200 < T < 40
eller
±0,005 · lTl
J      
Temperaturområde  -40 < T < 750   -40 < T < 750 -
Störst av: ±1,5
eller
±0,004 · lTl

±2,5
eller
±0,0075 · lTl 

 - 
E      
Temperaturområde -40 < T < 800 -40 < T < 900 -200 < T <40
Störst av:  ±1,5
eller
±0,004 · lTl

 ±2,5
eller
±0,0075 · lTl 

-200 < T < 40
eller
±2,5 · lTl
K och N      
Temperaturområde  -40 < T < 1000 -40 < T < 1200  -200 < T <40
Störst av:  ±1,5
eller
±0,004 · lTl
±2,5
eller
±0,0075 · lTl  
±2,5
eller
±0,0075 · lTl   
S och R      
Temperaturområde  0 < T < 1600  0 < T < 1600   -
Störst av: 

±1
för T<1100
eller
[±1+0,003 · (T-1100)]
för T>1100

±1,5
eller
±0,0025 · T   

-
B      
Temperaturområde  - 600 < T < 1700  600 < T < 1700 
Störst av:  - ±1,5
eller 
±0,0025 · T 
±4
eller
±0,005 · T 
C      
Temperaturområde  - 426 < T < 2315  -
Tolerans  - ±0,01 · T  -
A      
Temperaturområde  - 1000 < T < 2500 -
Tolerans  - ±0,01 · T  -

Termoelementen C och A är nytillskott i IEC-standarden. De innehåller olika proportioner av wolfram och rhenium enligt följande:

Typ C: W-5%Re / W-26%Re
Typ A: W-5%Re / W-20%Re

Typen D: W-3%Re / W-25%Re finns också men har inte upptagits av IEC.

Observera att de angivna toleransvärdena endast gäller obegagnade termoelement. Redan efter kort användning kan känsligheten ändras. Det gäller särskilt de oädla termoelementen. Förändringar påskyndas av hög temperatur och elaka miljöer.

Kalibrering av enskilda termoelementindivider eller batcher vid låga temperaturer och i neutrala miljöer kan reducera drift i känsligheten och därmed mätfelet.

Egenskaper och felkällor

Materialfel och åldring

Alla typer av termoelement slits och åldras i varierande grad i olika miljöer. Därför ska alla typer av givare regelbundet kontrolleras och kalibreras. Termoelement typ K är den mest använda och bäst kartlagda.

Följande är dess mest påtagliga risker:

Grönröta

Grönröta som är en typ av korrosion uppstår i den positiva skänkeln hos termoelement K om två kriterier är uppfyllda:

• Temperatur inom cirka 800 - 1100 °C
• Låg syrenivå runt trådarna

Felet kommer smygande i takt med att tråden bryts ned. Om det inte upptäcks i tid finns risk för mätfel på tiotals grader. Som mest har Pentronic hittat mätfel på 50 °C eller mera.

Tråd- eller manteltermoelement gör ingen skillnad. Det finns mantel-termoelement med inlagda offertrådar av titan som fördröjer reaktionen.

Andra lösningar är att gå över till termoelement typ N eller möjligen typ S som dock kräver keramiskt skyddsrör.

Varning för ersättningsmaterial

Vissa termoelement är dyrbara. Därför är det lockande att använda andra material som "skarvsladd". Gör aldrig det!

Som vi tidigare beskrivit bildas seebeckspänningen i hela mätkretsen. Inblandning av material med andra seebeck-koefficienter kan orsaka felaktig utsignal.

Det finns ersättningsmaterial, s k kompensationsledning, med samma elektriska egenskaper som termoelementet inom begränsade temperaturområden.

Bäst är att använda termoelementmaterial i hela kretsen. Om det inte är möjligt, välj rätt kompensationsledning och kontakter som är kompen-serade för den typ av termoelement som du använder. Kompenserade kontakter har dessutom stift som hindrar polvändning.

Främmande material i mätpunkten

Främmande material används ibland som mätpunkt. Ett typiskt fall är när man löder fast termoelementets trådar på en bricka, som skruvas fast där man vill mäta.

Det fungerar om brickan har god elektrisk ledningsförmåga och båda trådändarna håller samma temperatur. Trådarna ska sitta så nära varandra som möjligt så att de antar samma temperatur. Denna representerar då uppmätt värde.

SRO hysteres

SRO är ett hysteresfenomen som påverkar termoelement K vid mätning över 200 °C. Vid tillverkning glödgas termoelementet. Ett smärre kaos uppstår i metallgittret och vid nedkylning stannar legeringsatomerna på den plats där de för tillfället befinner sig.

Naturen strävar efter en låg energinivå och i temperaturer över ca 200 °C vandrar atomerna mot effektivare former. Vid denna process ökar seebeckspänningen med mätfel som följd. Felet kan bli 5 °C.

Andra termoelement drabbas inte lika hårt av short ranged ordering. För termoelement typ N handlar det t ex om någon grad.

Processen är reversibel. Vid glödgning återfår termoelementet sina ursprungliga egenskaper. Om givaren inte ska användas över 600 °C, kan man utnyttja fenomenet genom att åldra den innan användning.

Andra ålderskrämpor

Tidens tand sätter sina spår på alla typer av termoelement.En vanlig anledning till förändrad emk är att material vandrar från ena skänkeln till den andra.

Ett tydligt exempel är termoelement typ S med skänklar av platina/rodium och ren platina. I höga temperaturer förångas rodium över till den rena platinaskänkeln. Resultatet blir gradvis minskad utsignal vid en given temperatur.

Liknande växelverkan sker mellan termoelementtrådar och mantel, isolering och skyddsrör. Processen påskyndas av hög värme, vakuum och olika atmosfärer. Även fysiskt våld kan förändra termoelementets egenskaper.

Återkommande kontroller och kalibreringar är den enda effektiva försäkringen mot mätfel.

 

Felaktiga inkopplingar 

Lägg märke till att färgkoden i teckningarna refererar till ANSI MC 96.1, som är en amerikansk standard. Där gäller, för typ K gul markering för positiv och röd markering för negativ tråd.

Avbrott (öppen mätkrets)

Givartråden har gått av, lossnat eller har dålig kontakt med instrumentet. Moderna instrument larmar t ex genom att skriva "Open" på skärmen.

3_2_w 200

Kortslutning

Om isoleringen nöts av och trådarna kortsluts, uppstår en mätpunkt på detta ställe. Instrumentet visar temperaturen i kortslutningspunkten istället för i givarspetsen.

3_3_w 200

Polvändning av hela mätkretsen

Vid polvändning går instrumentet "baklänges". En temperaturökning registreras som minskad temperatur.

3_4_w 200

Polvändning inom mätkretsen

Anslutningskabeln måste ha samma polaritet som termoelementtrådarna. Om termoelementet är polvänt får man motverkande spänningar. Avläst värde blir dubbla temperaturen i kopplingshuvudet minus mätpunktens temperatur.

3_5_w 200

Dubbel polvändning av anslutningsledningen

Om anslutningskabeln är polvänd i bägge ändar påverkar ändpunkternas temperatur också signalen. Avläst värde blir mätpunktens temperatur minskad med dubbla temperaturskillnaden mellan kopplingshuvud och referenspunkt.

Tänk på att en inkopplad temperaturregulator med börvärdet 1000 °C skulle reglera upp effekten så att ärvärdet blir ca 150°C över börvärdet. Trots detta visar indikatorn 1000°C. Se bilden.

3_6_w 200

 

Olika konstruktioner av termoelement 

Trådgivare

I sin enklaste form består termoelementet av ett trådpar som sammanfogats i en mätpunkt. Mätpunkten måste vara elektriskt ledande och kan svetsas, klämmas eller tvinnas ihop beroende på hållfasthetskrav.

Trådgivare används oftast vid låga temperaturer i gynnsamma miljöer. Begränsningarna är isoleringsmaterialet, t ex PVC, nylon, kapton, teflon eller någon typ av glasfibermaterial. Dessutom är mätpunkten exponerad för omgivande miljö.

PVC-isolering tål ca 100°C medan vissa keramiska fibermaterial klarar över 1000°C.

3_7_w 200

Armerade fjäderbelastade trådgivare

Vid industriella tillämpningar måste trådgivare skyddas mot klämskador och heta stänk. Det kan göras med en metallslang, s k rostfri flexibel armering.

Armeringen har ett spiralformat spår på utsidan. Givaren ansluts med en fjäderbelastad bajonett, som kan skruvas längs armeringen. Därmed kan instickslängden fritt varieras.

Mätpunkten är normalt jordad i spetsen, men kan isoleras med inlägg av teflon eller genom att man använder mantelmaterial i spetsen, som gör att givaren tål högre temperatur. 

6203000-iso -w 200

Manteltermoelement

I manteltermoelementet är trådarna isolerade av hårt packad magnesiumoxid mantlat i en metallegering som passar ihop med det aktuella termoelementet.

Mantelmaterialet tillverkas i olika diametrar och levereras på rulle från tråddrageriet. Därmed kan vi tillverka t ex ett ø 3 mm och 100 meter långt manteltermoelement i ett stycke. Manteltermoelementet har flera fördelar: 

  • Metallmanteln är hermetiskt sluten. 
     
  • Tål högre temperaturer än trådgivare i motsvarande dimensioner.
     
  • Mantelmaterialet kan bockas till önskad form.
     
  • Tåligt mot vibrationer.
3_9_w 200_sv

Tre olika spetsar

Manteltermoelementet finns med olika spetsar. Pentronic levererar normalt givarna med isolerad mätpunkt, men vi tillverkar de andra varianterna på beställning.

Isolerad mätpunkt 

Den säkraste konstruktionen som är att föredra i de allra flesta fall. Man kan t ex utan hinder använda givaren för differensmätningar, slipper problemet med jordströmmar och vinner mekanisk hållfasthet.

3_10_w 132

Jordad mätpunkt

Trådarna svetsas fast i förslutningen. Ger något kortare svarstid. Mantel, isolering och termoelementtrådar har olika värmeutvidgning. Snabba och stora temperaturförändringar kan leda till att trådarna lossnar från spetsen.

3_11_w 132

Exponerad mätpunkt

Mätpunkten ligger utanför manteln och röret tätas med t ex glasmassa. Styrkan är kortast möjliga svarstid. Men på samma gång tar man bort flera av det slutna manteltermoelementets fördelar som hög temperatur-tålighet.

Vi rekommenderar bara exponerad mätpunkt när kort svarstid ligger absolut högst på kravlistan.

3_12_w 132

Tillverkningsmetoder avgörande

När givaren tillverkas friläggs trådarna i båda ändar. I mätänden svetsas trådarna ihop till en mätpunkt, röret återfylls med magnesiumoxid som hårdpackas för ökad värmeledning och därefter försluts röret. I den andra änden ansluts kontakt, kabel eller plint.

Tillverkningen av mätpunkt och anslutning ställer höga krav på renlighet. Olja, smuts och andra föroreningar kan förstöra isolering och termoelement. Materialet måste hållas förseglat under tillverkningen, annars uppstår isolationsproblem på grund av luftens fuktighet med mätfel som följd. Fuktskadorna kan ej värmas bort i tillräcklig grad.

Manteltermoelement i yttre skyddsrör

Manteltermoelementet ersätter en äldre typ av termoelement som mätinsats i skyddsrör. Tidigare användes grova, oisolerade termoelementtrådar som separerades från varandra och skyddsröret med kutsar av keramik. Konstruktionen är ömtålig och det är svårt att få mätpunkten att hamna i spetsen av skyddsröret.

Insatser av mantelmaterial är enklare att arbeta med och har bättre livslängd trots klenare tråddimensioner. Dessutom kan kopplingsplinten fjäderbelastas så att mätinsatsen ligger an mot skyddsrörets botten.

Manteltermoelementen används oftast som mätinsatser i temperaturer över 500 till 600°C, alltså över Pt100:ans normala temperaturområde

3_17_w 200

Mätinsats med plint monteras i armatur med kopplingshuvud.

Signalanslutningar på manteltermoelement

Det finns flera alternativ på anslutningar till manteltermoelement. De vanligaste presenteras nedan.

Det metallmantlade termoelementet (manteltermoelement) med anslutningsplint är den moderna ersättningen för tidigare använda blanktrådstermoelement isolerade av keramiska kutsar.

(Den utgångna men välkända standarden DIN 43763, typ A beskriver byggsättet).

3_13_w 200
Kompenserad kontakt gjuten eller monteradd direkt på mantel-termoelementet. TC-8102000-iso -w 200
Manteltermoelementets egna ledare lämnade fria för anslutning i efterhand. TC-8101000-w 200
Manteltermoelement fast förbundet med förlängningsledning via skarvhylsa. Beroende på anslutningsledningens diameter finns olika skarvhylsediametrar att tillgå. TC-8105000-w 200

 

Anslutnings- och kompensationsledning

Anslutnings- (KX) och kompensationsledning (KCA)

Termoelementtyperna betecknas med bokstavskod enligt IEC 60584-2 enligt Översikt termoelement ovan.

Trådtyp

Egenskaper

K

Termoelementmaterial av typ K med en sammansättning och efterföljande värmebehandlingar som leder till att toleranskraven i IEC 60584-2 uppfylls.
 

KX

Förlängningsledning av lika material och behandling som K men med begränsat temperaturområde. Det är sannolikt att material som ej uppfyller hela det föreskrivna temperatur-området för K nedklassas till KX.
 

KCA

Kompensationsledning består av trådar som tillverkats av helt annat material än termoelementets och uppvisar termoelektriska egenskaper som ligger nära termoelemen-tets. Dock inom ett ännu snävare temperaturintervall än KX, vanligen 0 - 100/200 C. Tilläggsbokstaven, A eller B, betecknar en specifik materialkombination. Se vidare i tabellen nedan.

 

Numera är det egentligen bara typ S (och R) platina 10% (13%) rodium mot platina som behöver förlängningsledning av avsevärt billigare material.

I tillverkarleden har med tiden tillverkningsmetoderna förbättrats och t ex IEC 60584-2 beskriver två klasser över 0 °C, klass 1 och klass 2. För att särskilja klass 1 med snävare toleranser än klass 2 (standard) använder tillverkarna vanligen dubbla termoelementbokstaven, t ex KK.

IEC 60584-3 (1989). Felgränser för anslutnings- och kompensationsledning.

  Uppskattning av mätfel
Beteckning Toleransklass (tol.kl) Förläggnings temperatur Mätpunkts-temperatur 

Fel
(±°C)

Fel
(±°C)


Anslutnings-
ledning (X)


(±µV)

(±µV)
min/max (°C)  (°C) tol.kl 1 tol.kl 2
TX 30 60 -25/100 300 0,5 1,0
JX 85 140 -25/200 500 1,5 2,5
EX 120 200 -25/200 500 1,5 2,5
KX 60 100 -25/200 900 1,5 2,5
NX 60 100 -25/200 900 1,5 2,5

Kompensations-
ledning (C)
KCA - 100 0/150 900 - 2,5
KCB - 100 0/100 900 - 2,5
NC - 100 0/150 900 - 2,5
 
SCA - 30 0/100 1000 - 2,5
SCB - 60 0/200 1000 - 2,5
 
RCA - 30 0/100 1000 - 2,5
RCB - 60 0/200 1000 - 5,0

 

Färgkod IEC 60584-3 (1989)

Kabel och anslutningsdon (kontakter) är kodade med färger. Tyvärr används ännu ett antal olika nationella färgkoder. Dessbättre finns en ny standard också beskriven i IEC 60584-3 med enhetlig färgkod för kabel och kabeltillverkarna har redan trådtyperna enligt de nya färgerna.

Kontakter är ännu inte färgkodade av IEC men den svenska standarden anger samma färger som för kablarnas ytterhölje.

 

W-Re ledningars felgränser enligt ASTM E988 (1990)

Anslutningskabel för termoelement innehållande volfram och renium är inte standardiserad av IEC. En amerikansk standard finns i ASTM E988-90 som visas nedan:

Anslutnings-ledning Temperatur
område(°C)

Felgränser
Referens vid 0°C

Fel vid låg/hög gräns (°C)
För W 3%Re / W 25%Re: x x
300P/300N 0 – 330 ±125µV 7/13
203P/225N 0 – 260 ±110µV 6,5/11,5
För W 5%Re / W 26%Re: x x
405P/426N 0 – 871 ±110µV 6/9