Thermoelemente

• Um ein ideales Thermoelement auszuwählen, müssen wir zunächst den Bedarf der Messanwendung verstehen.
  • Faktoren, die die Temperaturänderung beeinflussen
  • Erforderliche Genauigkeit – Einfluss der Sensorgenauigkeit auf die Gesamtmessgenauigkeit.
  • Dauer des Einsatzes
  • Auswahl des Thermoelementmaterials
  • Auswahl der Messstelle
  • Haltbarkeit
• Zu messender Temperaturbereich.
  • Bestimmen Sie den maximalen und minimalen Bereich, in dem Sie die Temperatur messen möchten, und wählen Sie das Thermoelement mit dem höheren maximalen Temperaturbereich aus.
  • Überprüfen Sie, ob die Linearität des Thermoelements den Bereichsanforderungen entspricht.
• Umweltaspekte
  • Wählen Sie das richtige Mantelmaterial, um chemischen Reaktionen standzuhalten.
  • Perfekte Isolierung gegen Lärm.
  • Thermoelemente müssen Vibrationen und Abrieb standhalten.
• Es müssen entsprechende Stecker und Kabel zwischen Thermoelement und Messgeräten verwendet werden.
• Um ein genaues Ergebnis zu erzielen, sollten geeignete Messgeräte verwendet werden.

• Da es sich bei Thermistoren um Halbleiter handelt, neigen sie bei hohen Temperaturen eher zu einer dauerhaften Dekalibrierung als RTDs oder Thermoelemente.
• Der Einsatz von Thermistoren ist im Allgemeinen auf einige Hundert Grad Celsius begrenzt und die Hersteller weisen darauf hin, dass der Thermistor bei längerer Einwirkung seinen angegebenen Toleranzbereich verlässt.
• Thermistoren können sehr klein hergestellt werden, was bedeutet, dass sie schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Dies bedeutet jedoch auch, dass sie aufgrund ihrer geringen thermischen Masse besonders anfällig für Selbsterhitzungsfehler sind.
• Thermistoren sind wesentlich zerbrechlicher als RTDs oder Thermoelemente und müssen sorgfältig montiert werden, um ein Zerdrücken oder eine Trennung der Verbindungen zu vermeiden.

Zur Bildung der heißen Verbindung muss eine geeignete Methode angewendet werden, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Thermoelementdrähten zu erhalten.
Für Chromal/Alumal und andere Kombinationen zur Verwendung bei Hochtemperaturmessungen ist Schweißen die einzige Methode, um eine geeignete Verbindung herzustellen. Zu diesem Zweck werden hauptsächlich WIG-Schweißen und Laserstrahlschweißen verwendet.

WIG-Schweißen

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), auch Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) genannt, ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine nicht abschmelzende Wolframelektrode zum Schweißen verwendet wird. Der Schweißbereich wird durch ein Schutzgas vor atmosphärischer Verunreinigung geschützt.

Laserstrahlschweißen

Laserstrahlschweißen (LBW) ist eine Schweißtechnik, die zum Verbinden mehrerer Metallteile mithilfe eines Lasers verwendet wird. Der Strahl liefert eine konzentrierte Wärmequelle, die schmale, tiefe Schweißnähte und hohe Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht. LBW ist ein vielseitiges Verfahren, mit dem Kohlenstoffstahl, HSLA-Stahl, Edelstahl, Aluminium und Titan geschweißt werden können. Die Schweißgeschwindigkeit ist proportional zur zugeführten Leistung, hängt aber auch von der Art und Dicke der Werkstücke ab.

• ASTM E 235: Standard-Spezifikation für Thermoelemente, ummantelt, Typ K und Typ N für nukleare oder andere hochzuverlässige Anwendungen.
• ASTM E 839: Standardprüfverfahren für ummantelte Thermoelemente und ummantelte Thermoelementkabel.
• ASTM E 220: Prüfverfahren zur Kalibrierung von Thermoelementen mittels Vergleichstechniken
• ASTM E 230: Spezifikations- und Temperatur-EMF-Tabellen für standardisierte Thermoelemente.
• ASTM E 585: Standard-Spezifikation für verdichtete MI-, MS- und Nichtedelmetall-Thermoelementkabel.
• ASTM E 608: Standard-Spezifikation für verdichtete MI-, MS- und Nichtedelmetall-Thermoelemente.
• ASTM E 696: Standard-Spezifikationen für Thermoelementdrähte aus Wolfram-Rhenium-Legierung.
• ASTM E 1652: ASTM E 1652: Standard-Spezifikation für Magnesiumoxid- und Aluminiumoxidpulver und zerbrechliche Isolatoren, die in metallummantelten PRTs, Thermoelementen aus Edelmetallen, Thermoelementen aus unedlen Metallen und den entsprechenden Kabeln verwendet werden.
• IS 12579: Spezifikation für Thermoelementkabel und Thermoelemente mit mineralisolierter Nichtedelmetall-Isolierung.
• GB/T 1598-2010: Chinesischer Standard für Platin-Thermoelemente.
• IEC 584: Internationaler Standard für Thermoelemente.

Zur Herstellung akzeptabler Thermoelemente wurden viele Materialkombinationen verwendet, jedes mit seinem eigenen Anwendungsspektrum. Allerdings sind nur wenige spezifische Typen heute leicht erhältlich und decken den Großteil der Temperatur- und Umweltanwendungen ab.

Die Norm umfasst die acht spezifizierten und am häufigsten verwendeten Thermoelemente. Diese Thermoelementtypen können in drei Gruppen unterteilt werden: Thermoelemente aus unedlen Metallen, Edelmetallen (seltenen Metallen) und Thermoelemente aus feuerfesten Metallen.Thermoelemente aus unedlen Metallen

Thermoelementtypen aus unedlen Metallen bestehen aus üblichen, preiswerten Metallen wie Nickel, Eisen und Kupfer. Die Thermoelementtypen E, J, K, N und T gehören zu dieser Gruppe und sind die am häufigsten verwendeten Thermoelementtypen.

Edelmetall-Thermoelemente

Thermoelemente aus Edelmetall werden aus Drähten hergestellt, die aus Edelmetallen wie Platin und Rhodium bestehen. Die Haupttypen sind R, S und B.

Thermoelemente aus feuerfesten Metallen

Thermoelemente aus feuerfesten Metallen werden aus den exotischen Metallen Wolfram und Rhenium hergestellt. Diese Metalle sind teuer, schwierig herzustellen und Drähte aus diesen Metallen sind sehr spröde.

Thermoelemente aus Edelmetall werden aus Drähten hergestellt, die aus Edelmetallen wie Platin und Rhodium bestehen. Thermoelemente aus Edelmetall können in oxidierenden oder inerten Anwendungen eingesetzt werden und müssen mit einem keramischen Schutzrohr um das Thermoelementelement herum verwendet werden. Diese Sensoren sind normalerweise zerbrechlich und dürfen nicht in reduzierenden Anwendungen oder in Anwendungen verwendet werden, die Metalldämpfe enthalten.

• Typ R – Thermoelemente vom Typ R bestehen aus einem positiven Schenkel aus Platin/13%-Rhodium und einem negativen Schenkel aus reinem Platin. Der Temperaturbereich für Typ R beträgt 0 bis 1450ºC (32 – 2642ºF).
• Typ S – Thermoelemente vom Typ S bestehen aus einem positiven Platin-/10%-Rhodium-Anschluss und einem negativen Platin-Anschluss. Der Temperaturbereich für Typ S beträgt 0 bis 1450ºC (32 – 2642ºF).
• Typ B – Thermoelemente vom Typ B bestehen aus einem positiven Platin/30%-Rhodium-Anschluss und einem negativen Platin/6%-Rhodium-Anschluss. Der Temperaturbereich für Typ B beträgt 0 bis 1700ºC (32 – 3092ºF).

Thermoelemente aus feuerfesten Metallen werden aus Drähten hergestellt, die aus den exotischen Metallen Wolfram und Rhenium bestehen. Diese Metalle sind teuer, schwer herzustellen und Drähte aus diesen Metallen sind sehr spröde. Diese Thermoelemente sind für den Einsatz in Vakuumöfen bei extrem hohen Temperaturen vorgesehen und dürfen niemals in Gegenwart von Sauerstoff bei Temperaturen über 300 °C verwendet werden. Es gibt mehrere verschiedene Legierungskombinationen, die in der Vergangenheit verwendet wurden, aber derzeit wird im Allgemeinen nur eine (Typ C) verwendet.

• Typ C – Typ C – Das Thermoelement Typ C besteht aus einem positiven Wolfram/5%-Rhenium-Bein und einem negativen Wolfram-26%-Rhenium-Bein und hat einen Temperaturbereich von 0 – 2320 °C (32 – 4208 °F).
• Typ G- Thermoelement Typ G, technisch auch als WM26Re bekannt. Das Thermoelement Typ G hat eine Legierungskombination aus Wolfram (W) als Pluspol und Wolfram + 26% Rhenium (W-26% Re) als Minuspol. Der maximal nutzbare Temperaturbereich dieses Thermoelements beträgt 0 bis 2320 °C.
• Typ D- Typ D – Thermoelement Typ D technisch auch als W3ReM25Re bekannt. Thermoelement Typ D hat eine Legierungskombination aus Wolfram + 3% Rhenium (W-3%Re) als Pluspol und Wolfram + 25 % Rhenium (W-56% Re) als Minuspol. Der maximal nutzbare Temperaturbereich dieses Thermoelements beträgt 0 bis 2320 °C./li>

Thermoelemente eignen sich für Messungen über einen großen Temperaturbereich von bis zu 2300ºC. Sie sind weniger geeignet für Anwendungen, bei denen kleinere Temperaturunterschiede mit hoher Genauigkeit gemessen werden müssen, beispielsweise im Bereich von 0-100ºC mit einer Genauigkeit von 0,1ºC. Für solche Anwendungen sind Thermistoren und Widerstandstemperaturfühler besser geeignet. Zu den Anwendungen gehören Temperaturmessungen für Brennöfen, Gasturbinenabgase, Dieselmotoren und andere industrielle Prozesse. Einige andere Anwendungen sind wie folgt:

• Stahlindustrie
• Zementindustrie
• Pharmazeutische Industrie
• Petrochemische Industrie
• Nuklearindustrie
• Energiewirtschaft
• Laboratorien
• Ofenindustrie

Am häufigsten werden zwei Arten von Thermoelementkonstruktionen verwendet: MI-Thermoelemente (mineralisoliert) und Nicht-MI-Thermoelemente.

Mineralisolierte Thermoelemente:

Mineralisolierte Thermoelemente (meistens Magnesiumoxid) werden in vielen Prozess- und Laboranwendungen eingesetzt. Sie sind robust und biegsam, und ihre relativ hohen Temperaturbeständigkeiten machen MgO-Thermoelemente zu einer beliebten Wahl für eine Vielzahl von Temperaturmessanwendungen.

MgO-Sensoren werden hergestellt, indem ein oder mehrere Elemente in eine Hülle aus geeignetem Material und in geeigneter Größe gelegt werden, die Elemente mit losem oder zerbrechlichem Magnesiumoxidpulver oder Isolatoren gegeneinander und gegen die Hülle isoliert werden und die gefüllte Hülle dann auf ihre endgültige reduzierte Größe heruntergepresst oder gezogen wird. Der Pressvorgang erzeugt ein Element mit hochverdichteter MgO-Isolierung und sorgt für eine Isolierung mit hoher dielektrischer Festigkeit zwischen den Elementen selbst und ihrer Hülle.

Mineralisolierte Thermoelemente bestehen aus Thermoelementdrähten, die in eine dicht gepackte Isolierung aus feuerfestem Oxidpulver eingebettet sind, das Ganze umhüllt von einer nahtlosen, gezogenen Metallhülle (normalerweise Edelstahl).

An einem Ende werden Adern und Mantel an einer „heißen“ Verbindungsstelle verschweißt. Am anderen Ende wird das Thermoelement mit einem „Übergang“ aus Verlängerungsdrähten, Anschlusskopf oder Stecker verbunden.

Nicht-MI-Thermoelemente

Bei Nicht-MI-Thermoelementen sind Thermoelementdrähte entweder mit Keramikperlen oder Keramikrohren isoliert und nach der Isolierung aus Keramik mit einer Metallummantelung (normalerweise Edelstahl) umhüllt. Außerdem ist eine Art Abschluss (Verlängerungskabel, Anschlusskopf oder Stecker) vorgesehen. Bei dieser Art von Konstruktion sind Thermoelementdrähte vor der Messumgebung geschützt, wenn ein Ummantelungsschutz vorgesehen ist. Das Ummantelungsmaterial hängt von der Messumgebung ab. Normalerweise wird Edelstahl verwendet. Je nach korrosiver Umgebung wird die Ummantelung ausgewählt.

Diese Konstruktion bietet keine Flexibilität und ist nicht in kleinen Größen zu finden. Nicht allzu gute mechanische Festigkeit.

Bei Nicht-MI-Konstruktionen kann die Hülle je nach Eignung aus Keramik oder Metall bestehen.

Sowohl in der MI- als auch in der Nicht-MI-Konstruktion werden alle Arten von Verbindungen gebildet: freiliegend, geerdet und ungeerdet.

• Geringe Gesamtabmessungen und hohe Flexibilität ermöglichen die Temperaturmessung an schwer zugänglichen Orten.
• Gute mechanische Festigkeit.
• Schutz der Thermoelementleitungen vor Oxidation, Korrosion und Verschmutzung.
• Schnelle thermische Reaktion.

Die zur Isolierung verwendeten Mineraloxide sind stark hygroskopisch und Kabel mit offenen Enden müssen wirksam abgedichtet werden (normalerweise mit Epoxidharzen), um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern. Ein sorgfältig hergestelltes mineralisoliertes Thermoelement weist normalerweise einen hohen Isolationswiderstand auf (viele Hundert Megaohm).

Normalerweise werden drei alternative Spitzenkonfigurationen angeboten:

• Ein exponierter (Mess-)Verbindung wird für die Messung der Temperatur fließender oder statischer nicht korrosiver Gase empfohlen, wenn höchste Empfindlichkeit und schnellste Reaktion erforderlich sind.
  
• Eine isolierte Die Verbindung ist für korrosive Medien besser geeignet, obwohl die thermische Reaktion langsamer ist. In einigen Anwendungen, in denen mehr als ein Thermoelement an die zugehörigen Instrumente angeschlossen wird, kann eine Isolierung erforderlich sein, um das Auftreten von Störsignalen in den Messkreisen zu vermeiden. Wenn nicht angegeben, ist dies der Standard.
  
• Ein geerdeter (geerdete) Verbindung ist auch für korrosive Medien und Hochdruckanwendungen geeignet. Sie reagiert schneller als die isolierte Verbindung und bietet keinen Schutz, den die freiliegende Verbindung bietet.
  

Die Verbindungsspitze eines mineralisolierten Thermoelements kann, wie zuvor beschrieben, von drei Typen sein. Die Spitze kann isoliert, geerdet und reduziert sein.

• Isolierte Spitze: Isolierte Hot-End-Verbindungen sind für die meisten Anwendungen geeignet, insbesondere wenn eine geringe EMF-Aufnahme wichtig ist. Der hohe Isolationswiderstand wird durch die extreme Verdichtung der hochreinen MgO-Pulverisolierung verbessert.
• Geerdeter Tipp: Verbundene oder geerdete Verbindungen bieten eine etwas schnellere Temperaturreaktion als der isolierte Verbindungstyp. Nicht empfohlen für Mehrpunktinstrumentierung.
• Reduzierte Spitze: Diese Verbindungen sind ideal für Anwendungen, bei denen geringe Masse und extrem schnelle Reaktionszeiten zusammen mit guter mechanischer Festigkeit erforderlich sind. Bei Thermoelementen mit einem Durchmesser von 1,0 bis 6,0 mm ist eine reduzierte Spitze erhältlich.
  

Toleranzen bei der Temperaturmessung

Die Toleranz bezeichnet den maximal zulässigen Wert, der durch Subtrahieren der Temperaturanzeige oder der Temperatur an der heißen Verbindungsstelle von der aus der geltenden EMK-Temperaturtabelle umgerechneten Standardtemperatur erreicht wird.

Maximale Betriebstemperatur

Die Betriebstemperaturgrenze bezeichnet die obere Temperatur, bei der das Thermoelement kontinuierlich verwendet werden kann. Die Höchsttemperaturgrenze bezeichnet die obere Temperatur, bei der das Thermoelement aufgrund unvermeidbarer Umstände vorübergehend für einen kurzen Zeitraum verwendet werden kann.

Die wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer eines Thermoelements beeinflussen, sind:

• Temperatur: Bei einem Temperaturanstieg von 500 °C verringert sich die Lebensdauer des Thermoelements um etwa 501 TP3T.
• Durchmesser: Durch die Verdoppelung des Drahtdurchmessers erhöht sich die Lebensdauer um das 2-3-fache.
• Thermische Zyklen: Wenn Thermoelemente Temperaturzyklen von Raumtemperatur auf über 500ºC ausgesetzt werden, verringert sich ihre Lebensdauer um etwa 50% im Vergleich zu einem Thermoelement, das dauerhaft bei der gleichen Temperatur verwendet wird.
• Schutz: Wenn Thermoelemente mit einer Schutzhülle umhüllt und in Keramikisolatoren eingesetzt werden, verlängert sich ihre Lebensdauer erheblich.

Reaktionszeiten des Thermoelements

Die Reaktionszeit eines Thermoelements wird üblicherweise als die Zeit definiert, die die Thermospannung (Ausgang) benötigt, um 63,2% des Maximums für die Temperaturänderung zu erreichen. Sie hängt von mehreren Parametern ab, darunter die Dimension, Konstruktion, Spitzenkonfiguration des Thermoelements und die Art des Mediums, in dem sich der Sensor befindet.

Eintauchlänge

Thermoelementbaugruppen sind „Spitzen“-Sensoren, die sich je nach Konstruktion sowohl für Oberflächen- als auch für Tauchanwendungen eignen. Tauchtypen müssen jedoch sorgfältig verwendet werden, um Fehler aufgrund von Leitfähigkeit des Schafts durch den Prozess zu vermeiden, die zu einem hohen bzw. niedrigen Messwert führen können. Als allgemeine Regel gilt, das Gerät mindestens bis zum 4-fachen des Außendurchmessers der Ummantelung in das Medium einzutauchen. Es gelten keine quantitativen Daten, aber um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, muss vorsichtig vorgegangen werden.

Oberflächentemperaturmessung

Obwohl Thermoelementbaugruppen in erster Linie Spitzensensoren sind, ist die Verwendung von Schutzrohren für die Oberflächenmessung unpraktisch. Physikalisch eignet sich die Sonde nicht für die Oberflächenmessung und die Leitung des Schafts würde zu Messfehlern führen. Wenn Thermoelemente zuverlässig für die Oberflächenmessung verwendet werden sollen, müssen sie entweder freiliegen, eine geschweißte Verbindung mit sehr geringer thermischer Masse aufweisen oder in einer Konstruktion untergebracht sein, die beim Anbringen an der Oberfläche echten Oberflächenkontakt ermöglicht.

Thermoelemente spielen in der Stahlindustrie eine wichtige Rolle. In verschiedenen Bereichen der Stahlindustrie werden verschiedene Arten von Thermoelementen verwendet:

THERMOELEMENT FÜR OFENKUPPEL

Der Ofendom/Heißwindofen ist einer der kritischsten Bereiche in der Stahlindustrie. Der Heißwind hat drei Betriebsstufen, entweder mit Gas, mit Wind oder in Flaschenform (bereit und wartend auf den Wind).

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Parameter zur Steuerung dieses kritischen Prozesses. Die Temperatur im Hochofen beträgt etwa 1100 °C und der Druck ist hoch. Die hohe Temperatur und der hohe Druck machen die Montage sehr kritisch.

THERMOELEMENT FÜR KOKSOFEN

Koks ist der wichtigste Rohstoff, der dem Hochofen zugeführt wird, da er sich auf den Hochofenbetrieb und die Qualität des Roheisens auswirkt. Beim Koksherstellungsprozess wird Kohle in einer sauerstoffarmen Atmosphäre bei hohen Temperaturen (1100 °C) verkohlt, um den Kohlenstoff zu konzentrieren.

Feuerfestes Thermoelement für Herd

Feuerfeste Thermoelemente sind für die Anlauf- und Betriebsphase der Feuerfestmaterialien in Stahlwerken sehr wichtig. Dabei handelt es sich normalerweise um sehr lange Thermoelemente (bis zu 40 Meter) in mineralisolierter Ausführung. Thermoelemente verschiedener Längen können für einen bestimmten Bereich des Ofens in einem einzigen Flansch zusammengefasst werden.

DRI-OFEN-THERMOELEMENTE

Schnell reagierendes Thermoelement, normalerweise Typ K mit Miniatur- oder Standardanschluss für DRI-Ofenanwendungen und normalerweise mit einem Handanzeiger zur sofortigen Überprüfung der Temperatur verwendet.

Thermoelemente werden häufig in verschiedenen Einheiten von Zementwerken verwendet:

• Ofen
• Klinkertemp.
• Vorwärmer.
• ESP-System (Elektrofilter).
• Kohlensilo.

In der pharmazeutischen Industrie werden Thermoelemente zur Validierung und für Prozesse eingesetzt. Verschiedene Anwendungsbereiche sind:

ZUR VALIDIERUNG

• Autoklav
• Spundprozessor
• Heißluftsterilisator (Tunnel)
• Lyophilisator (FD)

FÜR DEN PROZESS

• Tank
• Schiffe
• Kessel
• Reaktor
• Destillationskolonne
• Trockner
• Granulation

• Thermoelemente werden in der petrochemischen Industrie für verschiedene Anwendungen eingesetzt:
• Mehrpunkt-Thermoelemente für Reaktoren, Cracker und Flüssiggastanks.
• MI-Thermoelemente für Rohroberflächen
• Schwefelrückgewinnungsanlage
• Cracker und Flüssiggas in Tanks
• Einheit für katalytisches Cracken in flüssiger Form (FCCU)