Joncțiunea rece a unui termocuplu: de ce contează cu adevărat și cum funcționează CJC

Dacă ați comparat vreodată două termocupluri de pe aceeași țeavă și ați văzut cum nu sunt de acord cu câteva grade, probabil că vârful senzorului nu a fost problema. Mai des, răspunsul se află la celălalt capăt al buclei, în blocul de borne unde firele termocuplului se întâlnesc cu instrumentul. Acel punct de conexiune este joncțiunea rece și, odată ce înțelegeți ce face, măsurarea termocuplului încetează să pară o presupunere.

Acest articol prezintă ce este joncțiunea rece, de ce un termocuplu nu poate raporta o temperatură absolută fără ea, cum funcționează compensarea joncțiunii reci în instrumentele moderne și ce obiceiuri împiedică joncțiunea de referință să vă strice datele.

Cum un termocuplu produce o tensiune

Un termocuplu este format din două fire de metale diferite unite la un capăt. Acea articulație, joncțiunea de măsurare sau fierbinte, este ceea ce plasați în proces. Când cele două metale văd o diferență de temperatură între capătul îmbinat și capetele libere, efectul Seebeck generează o tensiune mică, de obicei de zeci de microvolți pe grad Celsius.

Detaliul care îi prinde pe oameni este următorul: acea tensiune nu corespunde numai temperaturii joncțiunii de măsurare. Ea corespunde diferenței dintre joncțiunea de măsurare și punctul în care se termină firele. Un termocuplu de tip K produce aproximativ 41 de microvolți pe grad Celsius, astfel încât o schimbare de 5 °C la terminale apare ca o schimbare de 5 °C în citire, chiar dacă procesul nu s-a mutat niciodată.

Ce este exact joncțiunea rece?

Joncțiunea rece, numită și joncțiune de referință, se formează acolo unde termocuplul sau firele sale de prelungire se conectează la instrumentul de citire: un bloc de borne al transmițătorului, o intrare a controlerului, un înregistrator de date sau un transmițător de temperatură.

Două lucruri despre el sunt de obicei înțelese greșit:

• Nu este doar temperatura camerei. Este temperatura reală a acelor terminale în acel moment, indiferent de curentul de aer, căldura incintei și încărcarea cablului.
• Nu este întotdeauna un loc convenabil. Fiecare conexiune intermediară realizată cu un fir greșit creează o joncțiune suplimentară și fiecare contribuie cu propria sa tensiune.

Dacă șuruburile de cupru sau pistele plăcii de circuite ating firele termocuplului, acele puncte de contact devin parte a circuitului termoelectric. Menținerea izotermei zonei terminale, adică toate conexiunile la aceeași temperatură, este baza fizică a unei bune proiectări a joncțiunii reci.

De la băile cu gheață la compensarea electronică

O mare parte a secolului trecut, joncțiunea de referință a fost ținută la o temperatură cunoscută de 0 °C într-un balon de gheață care se topește. Tensiunea măsurată ar putea fi apoi comparată direct cu tabelele publicate construite pe acea referință. A fost precis și este încă ideea din spatele meselor standard de termocuplu folosite astăzi, dar nu este practic practic pe o unitate petrochimică sau lângă un cuptor de tratament termic.

Instrumentele moderne rezolvă problema electronic. În loc să forțeze joncțiunea rece la 0 °C, ei măsoară temperatura reală a acesteia și adaugă tensiunea pe care termocuplul ar fi produs-o dacă referința sa ar fi fost la 0 °C. Acea cantitate adăugată este tensiunea de compensare a joncțiunii la rece.

Cum funcționează compensarea cold Junction

În interiorul unui transmițător, controler sau card de achiziție de date, procesul se descompune în trei etape.

1. Măsurați temperatura terminalului. Un mic RTD, termistor sau senzor de siliciu se află lângă blocul de borne, cât de aproape de joncțiunea reală, cât permite aspectul.
2. Convertiți acea temperatură într-un termocuplu EMF echivalent. Folosind tabele standard pentru tipul de termocuplu utilizat, instrumentul calculează tensiunea care ar apărea dacă joncțiunea de măsurare ar fi la acea temperatură terminală în timp ce referința rămâne la 0 °C.
3. Adăugați și liniarizați. Tensiunea de compensare este adăugată la semnalul măsurat, iar totalul este convertit prin polinoame sau tabele de căutare într-o valoare finală a temperaturii.

Deoarece corecția depinde de tipul de termocuplu, compensarea este valabilă numai atunci când intrarea instrumentului, senzorul și cablajul extensiei se potrivesc. Un senzor de tip K care alimentează un transmițător configurat pentru tipul J oferă o compensare sistematică pe care nicio cantitate de recalibrare nu o va elimina. Compensarea bazată pe software într-un sistem de achiziție de date urmează aceeași logică, dar senzorul de referință se află adesea mai departe de terminale, iar acea distanță este locul unde precizia se pierde cel mai ușor.

Capcane comune la joncțiunea rece

Cele mai multe probleme de joncțiune rece despre care auzim se încadrează într-o mână de modele. Tabelul de mai jos rezumă ce de obicei merge prost și ce tinde să o remedieze.

Sârmă de prelungire și compensare merită o mențiune specială, deoarece este porțiunea buclei cel mai des înlocuită cu orice era în depozit. Cablul de cupru este bun pentru a transporta un semnal de 4-20 mA, dar nu poate transporta un semnal de termocuplu fără a crea o nouă joncțiune la fiecare capăt. Sârma de compensare este realizată din aliaje potrivite cu tipul de termocuplu, iar valoarea sa de temperatură trebuie să acopere punctul cel mai fierbinte pe care îl trece, inclusiv orice secțiune care traversează un vas fierbinte sau carcasa cuptorului.

Sârmă de compensare a termocuplului împletit din oțel inoxidabil la temperatură înaltă din fibră de sticlă Pentru bucle de termocuplu, acest fir de compensare împletit din oțel inoxidabil, izolat cu fibră de sticlă, se întinde între -50 și 1600°C și acceptă cererile de oferte sau PDF. Vizualizare produs →

Hardware care se ocupă de joncțiunea rece pentru tine

Unde locuiește efectiv joncțiunea rece depinde de locul în care decideți să digitalizați semnalul. Trei aranjamente acoperă majoritatea instalațiilor industriale:

• Cablare directă la un controler sau un card de intrare, cu senzorul de referință în interiorul instrumentului.
• Un transmițător montat pe cap sau de câmp la senzor, care efectuează compensarea locală și trimite un semnal de 4-20 mA sau digital către camera de control.
• Un transmițător montat pe șină în dulap, pentru senzori care sunt greu de atins.

Mutarea transmițătorului către senzor este adesea cea mai mare îmbunătățire disponibilă. Termocuplul și cablurile sale de extensie devin mai scurte, joncțiunile intermediare dispar, iar semnalul parcurge cea mai mare parte a distanței ca o buclă de curent robustă în loc de un EMF la nivel de microvolt. Transmițătoarele noastre de temperatură integrate sunt construite exact pentru acest aranjament, cu joncțiunea de referință manipulată în interiorul carcasei, mai degrabă decât la capătul îndepărtat al unui cablu lung.

Transmițător de temperatură integrat cu ieșire SBWR/SBWZ cu două fire 4-20 mA Modulele SBWR/SBWZ se instalează în cutii de conexiune cu termocuplu sau RTD, scurtând cablajul senzorului și emitând 4-20 mA liniar pentru măsurare și control. Vizualizare produs →

Dacă cântăriți analogul cu transmițătoarele inteligente, ghidul nostru este cum funcționează transmițătoarele de temperatură acoperă mai detaliat clasele de precizie, deriva și criteriile de selecție.

Obiceiuri practice pentru o joncțiune rece de încredere

În timpul instalării

• Păstrați fiecare conexiune terminală a unui termocuplu într-o singură zonă izotermă în loc să o împărțiți în două blocuri.
• Nu montați blocuri de borne sau transmițătoare direct deasupra contactoarelor, variațiilor sau surselor de alimentare.
• Utilizați fir de calitate pentru termocuplu, respectați temperatura nominală a acestuia și verificați polaritatea înainte de strângere.
• Protejați bornele de fluxul direct de aer și lumina soarelui, în special în carcasele exterioare.

În serviciu

• Verificați bucla față de o referință cunoscută, cum ar fi un calibrator de bloc uscat sau o intrare simulată de milivolt.
• Inspectați terminalele pentru oxidare și restrângeți-le după primele cicluri termice ale unei noi instalații.
• Înregistrați temperatura cabinetului împreună cu citirile procesului; deriva sezonieră într-un proces stabil indică de obicei către incintă, nu către senzor.

Pe partea de control, un controler cu manevrare sonoră a joncțiunii de referință preia această muncă de pe mâinile operatorului. Controlerele noastre digitale compacte de temperatură PID acceptă intrări de termocuplu direct și gestionează joncțiunea rece în interior, ceea ce face ca derapajele mici, incubatoarele și cuptoarele să fie ușor de construit și ușor de întreținut.

Controler digital compact de temperatură PID xmtg1001 cu manipulare internă a joncțiunii la rece Pentru skid-uri mici, incubatoare sau cuptoare, acest controler de 48×48 mm acceptă intrări de termocuplu și gestionează joncțiunea de referință în interior cu ieșire releu. Vizualizare produs →

Tratând bucla ca un sistem

Comportamentul joncțiunii la rece este o parte a unei bucle de măsurare, iar restul buclei merită aceeași atenție. Tipul de senzor, materialul învelișului, tubul de protecție, metoda de montare și traseul cablului toate interacționează, iar un transmițător perfect compensat nu poate salva un termocuplu instalat acolo unde nu va supraviețui. În uzinele petrochimice, un termocuplu impermeabil, rezistent la uzură, asociat cu un fir de compensare evaluat corect, contează de obicei mai mult decât o mică diferență în acuratețea catalogului. În procesele de temperatură ridicată, senzorii de platină-rodiu și tungsten-reniu mențin joncțiunea de măsurare fiabilă acolo unde tipurile de metale de bază nu ar rezista. Puteți vedea cum aceste combinații se îmbină în cadrul nostru pagini de aplicații din industrie .

Nimic din toate acestea nu trebuie să fie complicat. Acceptați faptul că un termocuplu raportează o diferență mai degrabă decât o valoare absolută, dați joncțiunii de referință o casă stabilă și izotermă, utilizați un fir care se potrivește cu senzorul și lăsați un transmițător sau controler bine specificat să se ocupe de aritmetică. Faceți acele patru lucruri și joncțiunea rece încetează să mai fie o sursă ascunsă de eroare și devine ceea ce ar trebui să fie: o parte liniștită și înțeleasă a buclei de măsurare.