Κατηγορίες και Βασικές Ιδιότητες Θερμοστοιχείων.

Κεφάλαιο 3 Κατηγορίες και Βασικές Ιδιότητες Θερμοστοιχείων. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μετατροπέων για τη μέτρηση θερμοκρασίας. Οι βασικότεροι από αυτούς είναι τα θερμόμετρα διαστολής, τα θερμοζεύγη, οι μετατροπείς αντίστασης μετάλλου, τα θερμίστορ και οι ημιαγωγικοί μετατροπείς θερμοκρασίας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχτηκαν θερμοζεύγη τύπου Κ και θερμικές αντιστάσεις τύπου PT100. Μερικά από τα πλεονεκτήματα αυτών των θερμοστοιχείων είναι ο μικρός όγκος, η μηχανική αντοχή και η γραμμική συμπεριφορά τους. Επίσης καλύπτουν πλήρως το εύρος θερμοκρασιών που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα. Με τη χρήση δύο διαφορετικών τύπων θερμοστοιχείων είναι δυνατή η σύγκριση των μετρήσεων και έτσι τα αποτελέσματα είναι πιο αξιόπιστα. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά τους ενώ στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται αναλυτικότερα τα κριτήρια επιλογής τους. 3.1 Θερμοζεύγη T/V. 27

Τα θερμοζεύγη ή θερμοηλεκτρικά στοιχεία ή θερμοστοιχεία είναι ενώσεις δύο συρμάτων Α και Β διαφορετικών υλικών. Η εμφάνιση τάσης Ε μεταξύ των δύο ελεύθερων άκρων των συρμάτων οφείλεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, γνωστό ως φαινόμενο Seebeck. Αυτό έχει ως εξής: Αν το υλικό Α βρίσκεται σε υψηλότερη ενεργειακά στάθμη από εκείνη του Β, τότε ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται από το Α στο Β. Η ένωση ΑΒ πλέον, μετατρέπεται σε μία πηγή τάσης Ε με δύο πόλους που είναι τα ελεύθερα άκρα των συρμάτων. Ο θετικός πόλος είναι το υλικό Α και ο αρνητικός το υλικό Β. I A (+) T 1 E T 2 B (-) Σχήμα 3.1 : Αρχή θερμοζεύγους Το ρεύμα Ι του σχήματος Α.1 έχει την συμβατική φορά, αντίθετη αυτής των ηλεκτρονίων όπου Τ1 : είναι η θερμοκρασία της κεφαλής του θερμοζεύγους, δηλαδή του σημείου της ένωσης των δύο συρμάτων, και Τ2 : είναι η θερμοκρασία των ελεύθερων άκρων των συρμάτων. Τα θερμοζεύγη που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές έχουν τυποποιηθεί. Οι συμβολισμοί τους κατά ANSI (American National Standard Institute) φαίνονται στον πίνακα 3.1 μαζί με μερικά βασικά χαρακτηριστικά τους. Το πρώτο υλικό αναφέρεται στον θετικό πόλο της θερμοηλεκτρεγερτικής δύναμης. Τα θερμοζεύγη έχουν μεγάλη περιοχή μέτρησης πράγμα που είναι σημαντικό πλεονέκτημα. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η γρήγορη απόκρισή τους. Αυτός μπορεί να είναι της τάξης των msec. Υπάρχουν ακόμη θερμοζεύγη από κράματα βολφραμίου τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 2500 C. Σύμβολο Είδος Περιοχή Μέγιστη επιτρεπτή 28 Τάση εξόδου

T Χαλκός / κονσταντάν (99,9% Cu / 55% Cu+45% Ni E Χρωμιονικέλιο / κονσταντάν (90% Νi+10% Cr / 55% Cu + 45% Ni) J Σίδηρος / κονσταντάν (99,9% Fe / 55% Cu+45% Ni K Χρωμιονικέλιο / Αλουμέλ (90% Νi + 10%Cr / 95% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si) Λευκόχρυσος /Λευκόχρυσος, ρόδιο (13%), (100% Pt / 87% Pt + 13% h) S Λευκόχρυσος /Λευκόχρυσος, ρόδιο (10%), (100% Pt / 90% Pt+ 10% h) B Λευκόχρυσος,ρόδιο /Λευκόχρυσος, ρόδιο, (94% Pt + 6% h /70% Pt + 30% h) λειτουργίας ( C) θερμοκρασία ( C) (μv/ C) -250 έως 400 500 42-200 έως 850 1100 60,9-200 έως 850 1100 51,7-200 έως 1250 1300 40,44 0-1400 1650 0-1400 1650 0-1500 1700 Πίνακας 3.1 : Τύποι θερμοζευγών Τα θερμοζεύγη υπόκεινται σε διάβρωση και οξείδωση. Η διάρκεια ζωής τους εξαρτάται από την θερμοκρασία λειτουργίας, το περιβάλλον λειτουργίας, την διάμετρο των καλωδίων τους και τον τύπο βέβαια του θερμοστοιχείου. Τα θερμοζεύγη με ευγενή 29

μέταλλα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Άλλα θερμοζεύγη έχουν διάρκεια ζωής μερικών χιλιάδων ωρών για θερμοκρασίες λειτουργίας κοντά στο ανώτερο σημείο της περιοχής μέτρησης τους. Το θερμοζεύγος τύπου Τ είναι κατάλληλο για υγρό περιβάλλον καθώς και για ελαφρά οξειδωτικό περιβάλλον. Συνιστάται για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Το θερμοζεύγος τύπου Ε μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο κενό καθώς και σε ελαφρά οξειδωτικό περιβάλλον. Επίσης, για χαμηλές θερμοκρασίες δεν υφίσταται διάβρωση. Το θερμοζεύγος J είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία. Το θερμοζεύγος Κ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οξειδωτικό περιβάλλον. Τέλος, τα θερμοζεύγη με λευκόχρυσο, S, B έχουν μεγάλη αντοχή σε διάβρωση και οξείδωση. Το υδρογόνο, ο άνθρακας και οι ατμοί μετάλλων π.χ. σιδήρου, επιδρούν στο θερμοζεύγος σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι ενώσεις των ελεύθερων άκρων του θερμοζεύγους με το εκάστοτε όργανο μέτρησης, ονομάζονται ενώσεις αναφοράς και η θερμοκρασία τους (Τ2) λέγεται θερμοκρασία αναφοράς. Η τάση που μετριέται κάθε φορά αντιστοιχεί στην θερμοκρασία Τ1 της κεφαλής και την θερμοκρασία αναφοράς. Για να υπάρχει απόλυτη ακρίβεια στις μετρήσεις θα πρέπει να είναι Τ2=0 C μιας και η αντιστοιχία τάσης - θερμοκρασίας στους πίνακες βρέθηκε για θερμοκρασία αναφοράς 0 C. Εξαίρεση αποτελεί ο πίνακας 3.1. Αυτό επιτυγχάνεται με βύθιση των ενώσεων αναφοράς σε μπάνιο πάγου νερού. Με άλλα λόγια, η τάση στα ελεύθερα άκρα των συρμάτων Α και Β είναι ίση με την θερμοηλεκτρεγερτική δύναμη του θερμοζεύγους μόνο όταν η θερμοκρασία αναφοράς είναι 0 C. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση η τάση εξόδου που μετράται δεν αντιστοιχεί ακριβώς στην πραγματική τάση που παράγει η διμεταλλική ένωση. Έτσι, ακολουθώντας τα στοιχεία κάποιου σχετικού πίνακα, οδηγούμαστε σε σφάλμα. Το σφάλμα αυτό για τις συνήθεις θερμοκρασίες αναφοράς (20-30 C) στις οποίες γίνονται οι μετρήσεις είναι τόσο μικρό που εύκολα μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο και αγνοηθεί. Σε όλες πάντως τις περιπτώσεις η εσωτερική αντίσταση του μετρητικού οργάνου πρέπει να είναι πολύ μεγάλη έτσι ώστε να κυκλοφορεί μικρό ρεύμα και η μεταβολή της θερμοκρασίας της ένωσης λόγω της ύπαρξης ρεύματος να είναι μικρή. Σφάλματα επίσης εισάγονται από την οξείδωση και την διάβρωση της ένωσης του θερμοζεύγους. Η ένωση μπορεί να προστατευτεί με καλύμματα από μέταλλο ή κεραμικό υλικό. Τότε ονομάζεται προστατευμένη ενώ σε αντίθετη περίπτωση εκτεθειμένη. Επειδή σε μια προστατευμένη ένωση δεν υπάρχει άμεση επαφή με το υλικό, την θερμοκρασία του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε, ο χρόνος απόκρισης είναι μεγαλύτερος από εκείνον μιας εκτεθειμένης ένωσης. Η ένωση του σχήματος 3.2.γ ονομάζεται γειωμένη ένωση και έχει μικρότερο χρόνο απόκρισης από ότι η μη γειωμένη ένωση του σχήματος 3.2.β. 30

Σχήμα 3.2 : (α) Εκτεθειμένη ένωση, (β) και (γ) Προστατευμένες ενώσεις Ο χρόνος απόκρισης είναι επίσης μικρός όταν τα σύρματα του θερμοζεύγους είναι λεπτά, οπότε η επίδραση της απαγωγής της θερμότητας μέσω των συρμάτων αυτών μειώνεται. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε ότι, θερμοζεύγος με διάμετρο συρμάτων 0,025 mm έχει χρόνο απόκρισης μερικά msec. Λεπτά σύρματα όμως εύκολα αλλάζουν χαρακτηριστικά λόγω μηχανικής καταπόνησης για π.χ. στρίψιμο, λύγισμα κ.λ.π. Έτσι, τα σύρματα βρίσκονται για λόγους προστασίας μέσα σε ένα προστατευτικό πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα. Μεταξύ του υλικού αυτού και των συρμάτων των θερμοζευγών υπάρχει μονωτικό υλικό, που είναι συχνά κεραμικό. Σύρματα προέκτασης χρησιμοποιούνται επίσης συχνά για την σύνδεση του θερμοζεύγους σε ένα όργανο μέτρησης. Σε θερμοζεύγη από μη ευγενή μέταλλα τα σύρματα αυτά κατασκευάζονται από το ίδιο υλικό με τα σύρματα του θερμοζεύγους. Αντίθετα για θερμοζεύγη από ευγενή μέταλλα όπως λευκόχρυσος, τα σύρματα προέκτασης είναι από φθηνά υλικά, για την μείωση του κόστους. Σε κάθε περίπτωση τα σύρματα προέκτασης είναι μονωμένα ενώ μπορεί ενδεχομένως να φέρουν προστατευτικό πλέγμα. Τέλος, οι μηχανικές δονήσεις και επαναλαμβανόμενοι κύκλοι θέρμανσης - ψύξης μειώνουν την απόδοση του θερμοζεύγους. Για να μετρηθεί η ηλεκτρεγερτική δύναμη ενός θερμοστοιχείου απαιτείται σημαντική ενίσχυση διότι αυτή είναι της τάξης των μερικών mv. Αν το περιβάλλον δεν έχει πολύ θόρυβο μπορούν να χρησιμοποιηθούν τελεστικοί ενισχυτές με μικρή ολίσθηση (drift) και μικρή απόκλιση (offset). Σε περίπτωση που υπάρχει θόρυβος καλό είναι να χρησιμοποιείται ενισχυτής μέτρησης. Υπάρχουν επίσης έτοιμα συστήματα προσαρμογής για θερμοστοιχεία τα οποία αντισταθμίζουν την θερμοκρασία αναφοράς ενώ συγχρόνως ενισχύουν την τάση των θερμοστοιχείων. Η έξοδος των συστημάτων αυτών είναι σε μορφή ρεύματος 4-20mA. 4mA αντιστοιχούν στην ελάχιστη και 20mA στη μέγιστη μετρούμενη θερμοκρασία. Η έξοδος ενός θερμοστοιχείου μερικές φορές μετατρέπεται σε συχνότητα μέσω ενός μετατροπέα τάσης-συχνότητας. Έτσι, η κάθε μετρούμενη θερμοκρασία αντιστοιχεί σε μία συχνότητα. 31

3.2. Θερμοζεύγοι τύπου Κ. Υπάρχουν διάφοροι τύποι θερμοζευγών ανάλογα με τα μέταλλα που ενώνονται κάθε φορά. Τα συγκεκριμένα θερμοζεύγη που χρησιμοποιήθηκαν στη διπλωματική είναι τύπου Κ (βλ. εικόνα 3.3). Αυτά παράγουν στα άκρα τους τάση της κλίμακας 40,44 μv/ C. Η διμεταλλική τους ένωση σχηματίζεται από χρώμιο και αλουμίνιο, ενώ ποσοστό νικελίου υπάρχει και στα δύο σύρματα του θερμοζεύγους. Τα δύο αυτά σύρματα, θετικό και αρνητικό, είναι λεπτά, μονωμένα μεταξύ τους και εσωκλείνονται μαζί σε συνθετικό μονωτικό υλικό εμποτισμένο με βερνίκι. Το σύρμα νικελίου - αλουμινίου είναι το αρνητικό και έχει επένδυση χρώματος μπλε, ενώ το αντίστοιχο νικελίου - χρωμίου είναι το θετικό και έχει επένδυση χρώματος καφέ. Το μονωτικό περίβλημα του θερμοζεύγους είναι αρκετά εύκαμπτο και ανθεκτικό στη θερμοκρασία. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των συγκεκριμένων θερμοζευγών τύπου Κ που χρησιμοποιήθηκαν στην διπλωματική είναι : Τάση εξόδου : 40,44 μv/ C Σύσταση : Χρώμιο / νικέλιο - Αλουμίνιο / νικέλιο Μήκος καλωδίου : 2 m Διάμετρος κεφαλής : 0,315 mm Μήκος κεφαλής : 1 mm Διάμετρος μονωτικού περιβλήματος : 1,5 mm Περιοχή λειτουργίας : -40 έως 400 C ΣΗΜΕΙΩΣΗ : Υπάρχουν θερμοζεύγη τύπου Κ με περιοχή λειτουργίας πολύ μεγαλύτερη, από -200 έως +1250 C. 32

Εικόνα 3.3 : Θερμοζεύγος τύπου Κ. 3.3. Θερμικές Αντιστάσεις T/ τύπου PT100. Οι θερμικές αντιστάσεις ή αισθητήρια θερμοκρασίας με αντιστάσεις είναι διεθνώς γνωστές ως TD (esistance Temperature Detector). Αποτελούνται από μέταλλα ή κράματα των οποίων η αντίσταση μεταβάλλεται με την θερμοκρασία. Η μεταβολή της αντίστασης εν γένει δεν είναι γραμμική. Μπορεί όμως να είναι γραμμική σε μία περιοχή με αρκετή προσέγγιση όπως στην περίπτωση του λευκόχρυσου (Pt). Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται κυρίως σαν TD είναι : - ο χαλκός, - ο λευκόχρυσος, - το νικέλιο και - το βολφράμιο. Οι καμπύλες των αντιστάσεων των παραπάνω μετάλλων σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας, φαίνονται ενδεικτικά στο σχήμα 3.4. είναι η αντίσταση σε μία θερμοκρασία Τ και o είναι η αντίσταση σε 0 C. Αυτή συνήθως έχει τις τιμές 0 =100Ω ή 0 =500Ω. Tα αισθητήρια αυτά λειτουργούν σε θερμοκρασίες από -220 C περίπου, έως 1000 C. 33

Σχήμα 3.4 : Συναρτήσεις αντίστασης - θερμοκρασίας Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός TD είναι : - Η ονομαστική αντίσταση. Είναι η αντίσταση στους 0 C. Η τιμή της είναι συνήθως 100Ω αλλά κατασκευάζονται και TD με 200Ω και 500Ω ονομαστική τιμή. - Περιοχή θερμοκρασίας μέτρησης. - Χρόνος απόκρισης. - Ευστάθεια διάρκειας. Δηλαδή το ποσοστό μεταβολής της ακρίβειας της μέτρησης με τον χρόνο. Υπάρχουν δύο τρόποι για την μέτρηση της θερμοκρασίας των TD : α) Με μέτρηση της πτώσης τάσης που προκαλεί στο TD η διέλευση γνωστού ρεύματος, και β) μέσω γέφυρας. Αν για παράδειγμα ρεύμα 1mA που παράγεται από μία πηγή ρεύματος, διαρρέει την TD τότε η πτώση τάσης θα είναι 1mV /Ω. Η TD μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάταξη γέφυρας όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5. Η γέφυρα ισορροπεί σε μία θερμοκρασία στο μέσο της περιοχής μέτρησης ή στο ένα άκρο. Αν πρέπει να χρησιμοποιηθούν μακριά καλώδια σύνδεσης του TD με την υπόλοιπη γέφυρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η διάταξη του σχήματος 3.5.β. Αυτή λέγεται γέφυρα με διάταξη τριών αγωγών. Ο αγωγός αβ βρίσκεται στον βραχίονα 3 ενώ ο αγωγός γδ βρίσκεται στον βραχίονα του TD. Έτσι, οι επιδράσεις των αντιστάσεων των αβ και γδ καθώς και των μεταβολών τους αλληλοαναιρούνται. Από τον αγωγό εβ περνάει πολύ μικρό ρεύμα άρα η αντίσταση του αμελείται. 34

1 3 1 3 M M ε α 2 TD 2 β (α) (β) δ TD γ Σχήμα 3.5 : Χρήση TD σε γέφυρα. Η μεταβολή της τάσης που βλέπει το όργανο Μ δεν είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας διότι η μεταβολή της TD στην περιοχή μέτρησης είναι μεγάλη. Αν όμως η τιμή των 1, 3 είναι πολύ μεγαλύτερη, περίπου 10 φορές από την τιμή των 2 και TD και η γέφυρα ισορροπεί στο μέσον της περιοχής μέτρησης, τότε η μη γραμμικότητα της τάσης σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας είναι σχεδόν αμελητέα. Για TD από νικέλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μη γραμμικότητα της καμπύλης -T για να αντισταθμίσει την μη γραμμικότητα της τάσης εξόδου της γέφυρας σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά. Τα TD διατίθενται σε σχήμα κατάλληλο για ποικίλες εφαρμογές όπως για την μέτρηση της θερμοκρασίας μέσα σε ρευστά και σε επιφάνειες στερεών σωμάτων. Οι θερμικές αντιστάσεις τύπου Pt 100 αποτελούν ένα από τα διάφορα είδη αισθητηρίων θερμοκρασίας με αντίσταση. Ειδικά χαρακτηριστικά του τύπου Pt 100 είναι τα εξής : α) Η κεφαλή τους είναι από λευκόχρυσο - πλατίνα (Pt), β) Παρουσιάζουν αντίσταση 100Ω στους 0 C, γ) Παρουσιάζουν θετική γραμμική μεταβολή με την θερμοκρασία, δ) Η κεφαλή τους όπως επίσης και τα άκρα τους συναντώνται σε ποικίλες μορφές και διαστάσεις. Οι συγκεκριμένες θερμικές αντιστάσεις που επιλέχθηκαν έχουν σαν κύριο γνώρισμα τις μικρότερες διαστάσεις κεφαλής που υπάρχουν στην αγορά (βλ. εικόνα 3.6). Αυτό ήταν απαραίτητο στοιχείο για να καταστεί στην συνέχεια δυνατή η τοποθέτηση τους στα επιλεγμένα από πριν σημεία της περιέλιξης του κινητήρα. Έτσι, τα χαρακτηριστικά των επιλεγμένων Pt 100 είναι : - Ωμική αντίσταση εξόδου : 0,385 Ω/ C από 0 C έως 100 C και 0,373 Ω/ C από 100 C έως 200 C - Περιοχή λειτουργίας : 0-450 C - Μήκος κεφαλής : 50 mm - Διάμετρος κεφαλής : 4 mm 35

- Μήκος καλωδίου : 2 m Η περιοχή θερμοκρασιών που μας ενδιαφέρει εκτείνεται από 0 C έως 200 C. Για την περιοχή αυτή οι επιλεγμένες θερμικές αντιστάσεις έχουν τις τιμές που δίνονται στον πίνακα 3.2. C 0 100 0 100,00 138,5 10 103,9 142,29 20 107,8 146,06 30 111,67 149,82 40 115,54 153,58 50 119,39 157,32 60 123,24 161,04 70 127,07 164,76 80 130,89 168,47 90 134,7 172,16 100 138,5 175,84 Πίνακας 3.2 Εικόνα 3.6 : Θερμική αντίσταση τύπου Pt 100 36