Termokopel #20

Termokopel terhubung ke multimeter
menampilkan suhu kamar dalam °C.

Sebuah termokopel adalah perangkat yang terdiri dari dua konduktor yang berbeda, biasanya paduan-paduan logam (metal alloys), yang menghasilkan tegangan yang berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua ujung pasangan konduktor. Termokopel adalah jenis sensor suhu yang banyak digunakan untuk pengukuran dan kontrol, dan juga dapat digunakan untuk mengubah gradien panas menjadi listrik. Termokopel itu murah, mudah dipertukarkan, dapat dipasok dengan konektor standar, dan dapat mengukur selang suhu yang lebar. Berbeda dengan kebanyakan metode pengukuran suhu yang lain, termokopel itu self powered (swa tenaga) dan tidak memerlukan bentuk eksitasi eksternal.


Keterbatasan utama dengan termokopel adalah akurasi dan kesalahan sistem kurang dari satu derajat Celsius (C) bisa sulit untuk mencapai.

Setiap junction dari logam yang berlainan akan menghasilkan potensial listrik yang berhubungan dengan suhu. Termokopel untuk pengukuran suhu yang praktis junction dari metal alloy khusus yang memiliki hubungan diprediksi dan berulang antara temperatur dan tegangan. Metal alloys yang berlainan digunakan untuk rentang suhu yang berlainan. Properti seperti ketahanan terhadap korosi juga mungkin penting ketika memilih jenis termokopel. Dimana titik pengukuran adalah jauh dari alat ukur, koneksi menengah dapat dibuat dengan kabel ekstensi yang lebih murah daripada bahan yang digunakan untuk membuat sensor. Termokopel biasanya standar terhadap suhu acuan 0 derajat Celcius; instrumen praktis menggunakan metode elektronik dari dingin persimpangan kompensasi untuk menyesuaikan memvariasikan suhu di terminal instrumen. Instrumen elektronik juga dapat mengkompensasi karakteristik berbeda-beda termokopel, sehingga meningkatkan ketelitian dan ketepatan pengukuran.

Termokopel banyak digunakan dalam ilmu pengetahuan dan industri; aplikasi termasuk pengukuran suhu untuk kiln, turbin gas buang, mesin diesel, dan proses industri lainnya.

A thermocouple measuring circuit with a heat source, cold junction and a measuring instrument

Prinsip Kerja Efek Seebeck

Pada 1821, fisikawan Jerman-Estonia Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa ketika konduktor apapun dikenakan gradien termal, maka akan menghasilkan tegangan. Fenpmena ini sekarang dikenal sebagai efek termoelektrik atau efek Seebeck. Setiap usaha untuk mengukur tegangan ini selalu melibatkan menghubungkan konduktor lain untuk ujung 'hot' (panas). Konduktor tambahan ini kemudian akan juga mengalami gradien suhu, dan menimbulkan tegangan sendiri yang berlawanan dengan tegangan yang asli. Untungnya, besarnya efek tergantung pada logam yang digunakan. Dengan menggunakan logam yang berlainan untuk melengkapi rangkaian membentuk rangkaian di mana kedua ujungnya menghasilkan tegangan yang berbeda, meninggalkan perbedaan tegangan kecil yang tersedia untuk pengukuran. Perbedaan tegangan semakin besar mengikuti kenaikan suhu, dan perbedaan tegangan itu sebesar 1 dan 70 microvolts per derajat Celcius (μV/°C) untuk kombinasi logam standar.

Tegangan itu tidak dihasilkan pada junction dari dua logam dari termokopel melainkan pada sebagian dari panjang dari dua logam berlainan yang dikenakan gradien suhu. Karena kedua panjang logam yang berlainan itu mengalami gradien suhu yang sama, hasil akhirnya adalah pengukuran suhu pada junction dari termokopel.

Voltage–temperature relationship

Untuk logam yang biasa digunakan dalam termokopel, tegangan output meningkat hampir linear dengan perbedaan suhu (delta T) dalm rentang suhu yang terbatas. Untuk pengukuran yang tepat atau pengukuran di luar kisaran suhu linier, non-linearitas harus dikoreksi. Hubungan nonlinear antara perbedaan suhu (delta T) dan tegangan output (mV) dari termokopel dapat didekati dengan polinomial:

Koefisien a_n diketahui untuk n dari 0 sampai antara 5 dan 13 tergantung pada logamnya. Dalam beberapa kasus, akurasi yang lebih baik diperoleh dengan tambahan suku non-polinomial. Sebuah database tegangan sebagai fungsi suhu, dan koefisien untuk perhitungan suhu dari tegangan dan sebaliknya untuk berbagai jenis termokopel terersedia secara online.

Dalam peralatan modern persamaan biasanya diimplementasikan pada kontroler digital atau disimpan dalam tabel look-up; perangkat yang lebih tua menggunakan rangkaian analog.

Piece-wise linear approximations merupakan sebuah alternatif untuk koreksi pada polinomial.

Sepotong-bijaksana aproksimasi linear merupakan alternatif untuk koreksi polinomial. [6]

[Sunting] compensationThermocouples persimpangan Dingin mengukur perbedaan suhu antara dua titik, bukan temperatur absolut. Untuk mengukur satu suhu tunggal persimpangan-persimpangan biasanya dingin-dijaga pada suhu acuan dikenal, dan persimpangan lainnya adalah pada suhu yang akan dirasakan.

Memiliki persimpangan suhu yang dikenal, sementara berguna untuk kalibrasi laboratorium, tidak nyaman untuk pengukuran paling dan aplikasi kontrol. Sebaliknya, mereka mendirikan suatu persimpangan dingin buatan menggunakan perangkat sensitif termal seperti termistor atau dioda untuk mengukur suhu sambungan input pada instrumen, dengan perawatan khusus yang dilakukan untuk meminimalkan gradien suhu antara terminal. Oleh karena itu, tegangan dari persimpangan dingin yang diketahui dapat disimulasikan, dan koreksi yang sesuai diterapkan. Hal ini dikenal sebagai kompensasi persimpangan dingin. Beberapa sirkuit terpadu seperti LT1025 dirancang untuk output tegangan kompensasi berdasarkan jenis termokopel dan suhu dingin persimpangan.

[Sunting] Daya productionA termokopel dapat menghasilkan arus, yang berarti dapat digunakan untuk menggerakkan beberapa proses secara langsung, tanpa memerlukan sirkuit tambahan dan sumber daya. Misalnya, daya dari termokopel dapat mengaktifkan katup ketika perbedaan suhu muncul. Energi listrik yang dihasilkan oleh termokopel diubah dari panas yang harus dipasok ke sisi panas untuk mempertahankan potensial listrik. Sebuah aliran kontinu panas diperlukan karena arus yang mengalir melalui termokopel cenderung menyebabkan sisi panas untuk mendinginkan dan sisi dingin untuk memanaskan (efek Peltier).

Termokopel dapat dihubungkan secara seri untuk membentuk thermopile, di mana semua sambungan panas terkena suhu yang lebih tinggi dan semua sambungan dingin ke suhu yang lebih rendah. Output adalah jumlah tegangan di persimpangan individu, memberikan tegangan yang lebih besar dan output daya. Dalam termoelektrik radioisotop generator, peluruhan radioaktif dari unsur-unsur transuranic sebagai sumber panas telah digunakan untuk pesawat ruang angkasa daya pada misi terlalu jauh dari Matahari untuk menggunakan tenaga surya.

[Sunting] kawat GradesThermocouple tersedia dalam beberapa formulasi yang berbeda per jenis metalurgi, biasanya, dalam mengurangi tingkat akurasi dan biaya: batas khusus dari kesalahan, standar, dan nilai ekstensi.

[Sunting] Perpanjangan kabel kelas wireExtension terbuat dari logam yang sama sebagai termokopel kelas yang lebih tinggi digunakan untuk menghubungkan ke alat ukur agak jauh tanpa memperkenalkan persimpangan tambahan antara bahan berbeda yang akan menghasilkan tegangan yang tidak diinginkan, koneksi ke kabel ekstensi, yang dari logam seperti, tidak menghasilkan tegangan. Dalam kasus termokopel platina, kawat ekstensi adalah paduan tembaga, karena akan sangat mahal untuk menggunakan platinum untuk kabel ekstensi. Kabel ekstensi ditentukan untuk memiliki koefisien termal sangat mirip EMF dengan termokopel, tetapi hanya sedikit rentang suhu, ini mengurangi biaya secara signifikan.

Instrumen mengukur suhu harus memiliki impedansi masukan yang tinggi untuk mencegah menarik arus yang signifikan dari termokopel, untuk mencegah penurunan tegangan resistif di kawat. Perubahan dalam metalurgi sepanjang termokopel (seperti strip penghentian atau perubahan dalam kawat termokopel tipe) akan memperkenalkan persimpangan lain termokopel yang mempengaruhi akurasi pengukuran.

[Sunting] kombinasi TypesCertain paduan telah menjadi populer sebagai standar industri. Pemilihan kombinasi yang didorong oleh biaya, ketersediaan, kemudahan, titik lebur, sifat kimia, stabilitas, dan output. Berbagai jenis yang paling cocok untuk aplikasi yang berbeda. Mereka biasanya dipilih berdasarkan kisaran suhu dan kepekaan yang dibutuhkan. Termokopel dengan sensitivitas rendah (B, R, dan tipe S) memiliki resolusi yang lebih rendah Sejalan. Kriteria seleksi lainnya termasuk inertness dari bahan termokopel, dan apakah itu magnetik atau tidak. Standar termokopel tipe tercantum di bawah ini dengan elektroda positif pertama, diikuti oleh elektrode negatif.

[Sunting] KType K (chromel {90 persen nikel dan kromium 10 persen-alumel}) (Alumel terdiri dari 95% nikel, mangan 2%, 2% aluminium dan silikon 1%) adalah termokopel yang paling umum tujuan umum dengan sensitivitas sekitar 41 μV / ° C, chromel relatif positif untuk alumel [7]. Itu adalah murah, dan berbagai macam probe tersedia dalam -200 ° C sampai yang 1350 ° C / -328 ° F hingga 2462 ° F kisaran . Jenis K ditentukan pada saat metalurgi kurang maju daripada sekarang ini, dan akibatnya karakteristik dapat bervariasi antara sampel. Salah satu konstituen logam, nikel, adalah magnet, sebuah karakteristik dari termokopel dibuat dengan bahan magnetik adalah bahwa mereka mengalami kelainan pada output ketika material yang mencapai titik Curie, ini terjadi untuk termokopel tipe K pada sekitar 150 ° C. Sensitivitas sekitar 41 μV / ° C.

[Sunting] EType E (chromel-Constantan) [5] memiliki output yang tinggi (68 μV / ° C) yang membuatnya cocok untuk digunakan kriogenik. Selain itu, itu adalah non-magnetik.

[Sunting] JType J (besi-Constantan) memiliki rentang yang lebih terbatas daripada tipe K (-40 ° C sampai 750), tetapi sensitivitas yang lebih tinggi dari sekitar 55 μV / ° C. [2] Titik Curie besi (770 ° C) [8] menyebabkan perubahan mendadak dalam karakteristik, yang menentukan batas suhu atas.

[Sunting] NType N (Nicrosil-Nisil) (Nickel-Chromium-Silicon/Nickel-Silicon) termokopel yang cocok untuk digunakan pada suhu tinggi, melebihi 1200 ° C, karena stabilitas dan kemampuan untuk melawan oksidasi suhu tinggi. Sensitivitas adalah sekitar 39 μV / ° C pada 900 ° C, sedikit lebih rendah dibandingkan jenis K. Dirancang untuk menjadi tipe K meningkat karena peningkatan stabilitas pada suhu tinggi, hal ini menjadi lebih populer, meskipun perbedaan mungkin atau mungkin tidak cukup kuat untuk menjamin perubahan.

[Sunting] jenis Platinum B, R, dan STypes B, R, dan S termokopel platina digunakan atau paduan platina-rhodium untuk masing-masing konduktor. Ini adalah di antara termokopel yang paling stabil, tetapi memiliki sensitivitas yang lebih rendah daripada jenis lainnya, sekitar 10 μV / ° C. Tipe B, R, dan S termokopel biasanya digunakan hanya untuk pengukuran suhu tinggi karena biaya tinggi dan sensitivitas rendah.

B
Tipe B termokopel menggunakan paduan platina-rhodium untuk masing-masing konduktor. Satu konduktor mengandung rodium 30% sementara konduktor lain berisi rhodium 6%. Termokopel ini cocok untuk penggunaan sampai dengan 1800 ° C. Tipe B termokopel menghasilkan output yang sama pada 0 ° C dan 42 ° C, membatasi penggunaannya di bawah sekitar 50 ° C

R
Termokopel tipe R menggunakan paduan platina-rhodium yang mengandung 13% rodium untuk satu konduktor dan platinum murni untuk konduktor lainnya. Type R termokopel digunakan hingga 1600 ° C.

S
Termokopel tipe S yang dibangun menggunakan satu kawat Platinum Rhodium 90% dan 10% (tombol "+" positif atau kawat) dan kawat kedua platinum 100% (negatif atau "-" kawat). Seperti tipe R, termokopel tipe S yang digunakan sampai 1600 ° C. Secara khusus, tipe S digunakan sebagai standar kalibrasi untuk titik leleh emas (1064.43 ° C).

[Sunting] TType T (tembaga-Constantan) termokopel yang cocok untuk pengukuran di -200 sampai 350 ° C jangkauan. Sering digunakan sebagai pengukuran diferensial, karena kawat tembaga hanya menyentuh probe. Karena kedua konduktor non-magnetik, tidak ada titik Curie dan dengan demikian tidak ada perubahan mendadak dalam karakteristik. Termokopel tipe T memiliki sensitifitas sekitar 43 μV / ° C.

[Sunting] ctype C (tungsten renium 5% - 26% tungsten renium) termokopel yang cocok untuk pengukuran di 0 ° C sampai 2320 ° C jangkauan. Termokopel ini sangat cocok untuk tungku vakum pada temperatur yang sangat tinggi. Tidak pernah harus digunakan dalam kehadiran oksigen pada suhu di atas 260 ° C.

[Sunting] MType M termokopel menggunakan paduan nikel untuk masing-masing kawat. Kabel positif (20 Alloy) mengandung molibdenum 18% sedangkan kabel negatif (19 Alloy) mengandung kobalt 0,8%. Ini termokopel digunakan dalam tanur vakum untuk alasan yang sama seperti dengan tipe C. Upper suhu terbatas pada 1400 ° C. Hal ini kurang umum digunakan dibandingkan jenis lainnya.

[Sunting] Chromel-gold/ironIn chromel-gold/iron termokopel, kabel positif chromel dan kawat negatif adalah emas dengan sebagian kecil (0,03-0,15 persen atom) besi. Hal ini dapat digunakan untuk aplikasi kriogenik (1,2-300 K dan bahkan sampai 600 K). Baik sensitivitas dan kisaran suhu tergantung pada konsentrasi besi. Sensitivitas biasanya sekitar 15 μV / K pada suhu rendah dan suhu terendah digunakan bervariasi antara 1,2 dan 4,2 K.

[Sunting] Hukum untuk termokopel [sunting] Hukum homogen materialA termoelektrik saat ini tidak dapat dipertahankan dalam sirkuit dari bahan homogen tunggal dengan penerapan panas saja, terlepas dari bagaimana mungkin bervariasi secara cross section. Dengan kata lain, perubahan suhu di kabel antara input dan output tidak mempengaruhi tegangan output, asalkan semua kabel yang terbuat dari bahan yang sama seperti termokopel. Tidak ada arus mengalir di sirkuit yang terbuat dari logam tunggal dengan penerapan panas saja.

[Sunting] Hukum dari jumlah materialsThe antara aljabar dari EMFs thermoelectric dalam rangkaian terdiri dari sejumlah bahan berbeda adalah nol jika semua dari sambungan berada pada suhu yang seragam. Jadi Jika logam ketiga dimasukkan dalam kawat baik dan jika dua persimpangan baru pada temperatur yang sama, tidak akan ada tegangan netto yang dihasilkan oleh logam baru.

[Sunting] Hukum yang berurutan atau menengah dua bahan temperaturesIf homogen berbeda menghasilkan emf1 termal ketika persimpangan berada di T1 dan T2 dan menghasilkan emf2 termal ketika berada di persimpangan T2 dan T3 emf, yang dihasilkan ketika persimpangan berada di T1 dan T3 akan emf1 + emf2, asalkan T1 back