Giải thích các loại cặp nhiệt điện: Loại K, J, T, E, N, R, S và cách chọn loại phù hợp

A cặp nhiệt điện là cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất trong điều khiển quy trình công nghiệp, hệ thống sưởi điện và thiết bị sản xuất. Nguyên lý hoạt động của nó rất đơn giản: hai dây kim loại khác nhau được nối ở một đầu (điểm nối đo) tạo ra một điện áp nhỏ tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối đo và đầu tham chiếu (điểm nối lạnh). Điện áp nhiệt điện này - hiệu ứng Seebeck - được đo bằng thiết bị được kết nối, chuyển đổi số đọc điện áp thành giá trị nhiệt độ dựa trên đường cong hiệu chuẩn cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa cho loại cặp nhiệt điện đó.

Điểm thực tế quan trọng đối với các kỹ sư, nhà thiết kế thiết bị và nhóm mua sắm là "cặp nhiệt điện" không phải là một sản phẩm duy nhất — nó là một nhóm các loại cảm biến được tiêu chuẩn hóa, mỗi loại được xác định bởi một cặp dây hợp kim cụ thể và mỗi loại có phạm vi nhiệt độ, độ nhạy đầu ra, khả năng tương thích hóa học và cấu hình độ chính xác riêng biệt. Việc chỉ định cặp nhiệt điện cho ứng dụng sưởi ấm công nghiệp có nghĩa là chọn đúng loại cho phạm vi nhiệt độ, môi trường xử lý và yêu cầu về độ chính xác - việc chọn sai loại sẽ tạo ra kết quả đo nhiệt độ không chính xác hoặc hỏng cảm biến sớm, cả hai đều làm giảm chất lượng quy trình và tăng chi phí bảo trì.

Hướng dẫn này giải thích các loại cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa chính, so sánh các thông số hiệu suất chính của chúng và cung cấp khuôn khổ thực tế để kết hợp loại cặp nhiệt điện với các yêu cầu ứng dụng.

Các loại cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa như thế nào

Các loại cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa trên phạm vi quốc tế — tiêu chuẩn IEC 60584 xác định các bảng tham chiếu (EMF so với mối quan hệ nhiệt độ) cho các loại cặp nhiệt điện được ký hiệu bằng chữ cái chính được sử dụng trên toàn cầu. ANSI/ASTM E230 là tiêu chuẩn tương đương của Hoa Kỳ và DIN EN 60584 là tiêu chuẩn hài hòa của Châu Âu. Mỗi loại cặp nhiệt điện được chỉ định bằng một chữ cái in hoa duy nhất (K, J, T, E, N, R, S, B, C) để xác định cặp hợp kim cụ thể được sử dụng cho hai dây dẫn của nó. Do ký hiệu chữ cái và bảng tham chiếu được tiêu chuẩn hóa quốc tế nên cặp nhiệt điện Loại K của một nhà sản xuất và cặp nhiệt điện Loại K của nhà sản xuất khác có thể hoán đổi cho nhau trong cùng một thiết bị đo nhiệt độ - miễn là cả hai đều được sản xuất theo bảng hiệu chuẩn tiêu chuẩn.

Trong mỗi loại cặp nhiệt điện, dung sai độ chính xác được xác định theo hai hoặc ba loại (Loại 1, Loại 2, Loại 3 theo IEC 60584-2), trong đó Loại 1 là dung sai chặt chẽ nhất và Loại 3 áp dụng cho phạm vi nhiệt độ thấp hơn. Loại được chọn phải phù hợp với yêu cầu về độ chính xác của quy trình - chỉ định Loại 1 trong đó Loại 2 phù hợp sẽ bổ sung thêm chi phí không cần thiết; sử dụng Loại 2 trong quy trình chính xác trong đó Loại 1 cần thiết sẽ tạo ra khả năng kiểm soát nhiệt độ không chính xác.

Các loại cặp nhiệt điện chính: Thuộc tính và ứng dụng

Loại K (Chromel / Alumel)

Loại K là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu - sự kết hợp giữa dải nhiệt độ rộng, độ chính xác phù hợp, khả năng chống oxy hóa tốt và chi phí thấp khiến nó trở thành thông số kỹ thuật mặc định cho phần lớn các ứng dụng đo nhiệt độ công nghiệp mà không yêu cầu đặc tính cụ thể của loại khác.

Phạm vi nhiệt độ: –200°C đến 1.260°C (nên sử dụng liên tục lên tới 1.100°C cho các thiết bị đo dây thường được sử dụng trong cặp nhiệt điện công nghiệp). Độ nhạy đầu ra khoảng 41 µV/°C ở 500°C.

Hợp kim dây: Dây dẫn dương - Chromel (khoảng 90% niken, 10% crom); Chất dẫn điện âm - Alumel (khoảng 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm, 1% silicon).

Điểm mạnh: Phạm vi nhiệt độ rộng; khả năng chống oxy hóa tốt; hiệu chuẩn ổn định trong thời gian dài sử dụng trong môi trường sạch sẽ; tuyến tính tốt trên hầu hết phạm vi của nó; chi phí thấp nhất của các loại phổ biến; sẵn có rộng rãi các thiết bị, đầu nối và dây nối dài tương thích.

Hạn chế: Bị ăn mòn "thối xanh" trong môi trường có hàm lượng oxy thấp, chứa lưu huỳnh - crom trong dây dẫn dương bị oxy hóa có chọn lọc trong những điều kiện này, gây ra sai lệch hiệu chuẩn. Không thích hợp để sử dụng trong môi trường khử, lưu huỳnh hoặc chân không mà không được bảo vệ. Thể hiện độ trễ trong phạm vi 300–600°C (hiệu ứng chu kỳ hiệu chuẩn nhỏ).

Tốt nhất cho: Đo nhiệt độ quy trình công nghiệp chung; bề mặt bộ phận làm nóng bằng điện và giám sát nhiệt độ quá trình; kiểm soát nhiệt độ lò và lò; gia công nhựa (ép phun, ép đùn) thùng và nhiệt độ chạy nóng; thiết bị chế biến và sấy khô thực phẩm; Hệ thống HVAC và xử lý không khí; bất kỳ ứng dụng công nghiệp tiêu chuẩn nào trong đó yêu cầu về đặc tính cụ thể không bắt buộc phải có loại khác.

Loại J (Sắt / Constantan)

Loại J là một trong những loại cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa sớm nhất và vẫn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các thiết bị công nghiệp hiện có, nơi nó có thông số kỹ thuật ban đầu và việc thay thế duy trì khả năng tương thích hiệu chuẩn.

Phạm vi nhiệt độ: –40°C đến 750°C (dải nhiệt độ trên bị giới hạn so với Loại K; trên 760°C, dây dẫn sắt bị oxy hóa nhanh chóng). Độ nhạy đầu ra khoảng 55 µV/°C ở 300°C — độ nhạy cao hơn một chút so với Loại K trong phạm vi hoạt động của nó.

Hợp kim dây: Dây dẫn dương - sắt; Dây dẫn âm - Constantan (hợp kim đồng-niken, khoảng 55% đồng, 45% niken).

Điểm mạnh: Độ nhạy đầu ra cao hơn Loại K ở phạm vi nhiệt độ thấp đến trung bình; thích hợp để sử dụng trong môi trường khử hoặc chân không (trong đó dây dẫn crom loại K có vấn đề); được hỗ trợ rộng rãi bởi các thiết bị đo đạc công nghiệp cũ; chi phí thấp hơn các loại kim loại quý.

Hạn chế: Dây dẫn sắt bị rỉ sét trong môi trường ẩm ướt - không thích hợp để sử dụng không được bảo vệ trong điều kiện ẩm ướt nếu không có vỏ bảo vệ bằng thép không gỉ; oxy hóa nhanh ở nhiệt độ trên 760°C; tuổi thọ sử dụng ngắn hơn Loại K trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ vừa phải do oxy hóa sắt; đang dần được thay thế bởi Loại N trong các ứng dụng mới.

Tốt nhất cho: Quy trình công nghiệp ở nhiệt độ thấp đến trung bình; các ứng dụng làm giảm hoặc hút chân không khí quyển; thay thế thiết bị hiện có được quy định ban đầu bằng Loại J; thiết bị ép phun nhựa (đặc điểm kỹ thuật lịch sử); lò xử lý nhiệt và ủ nhiệt độ dưới 750°C.

Loại T (Đồng/Constantan)

Loại T đặc biệt phù hợp với phép đo nhiệt độ thấp và nhiệt độ đông lạnh — sự kết hợp hợp kim đồng-Constantan của nó hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ xuống tới –270°C (làm lạnh) đồng thời phù hợp để sử dụng lên đến 350°C trong các ứng dụng công nghiệp tiêu chuẩn.

Phạm vi nhiệt độ: –270°C đến 400°C. Độ nhạy đầu ra khoảng 46 µV/°C ở 100°C.

Hợp kim dây: Dây dẫn dương - đồng; Dây dẫn âm - Constantan.

Điểm mạnh: Độ chính xác và ổn định tuyệt vời ở nhiệt độ thấp; thích hợp cho các ứng dụng đông lạnh; khả năng chống ẩm và ăn mòn nhẹ; ổn định tốt trong cả môi trường oxy hóa và khử; độ chính xác cao nhất của các loại cặp nhiệt điện kim loại cơ bản trong phạm vi –200°C đến 350°C.

Hạn chế: Giới hạn nhiệt độ trên 400°C hạn chế sử dụng cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp; dây dẫn bằng đồng có độ dẫn nhiệt cao, có thể gây ra lỗi dẫn điện trong các ứng dụng có độ dốc nhiệt độ dốc.

Tốt nhất cho: Đo nhiệt độ đông lạnh và nhiệt độ thấp; giám sát nhiệt độ tủ lạnh và tủ đông thực phẩm; giám sát dây chuyền lạnh dược phẩm; các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và khoa học đòi hỏi độ chính xác ở nhiệt độ thấp; cảm biến nhiệt độ chống ẩm trong HVAC và hệ thống tự động hóa tòa nhà.

Loại E (Chromel / Constantan)

Loại E có độ nhạy đầu ra cao nhất (EMF trên mỗi độ) so với bất kỳ loại cặp nhiệt điện được tiêu chuẩn hóa phổ biến nào — khoảng 68 µV/°C ở 300°C — khiến nó trở thành lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng cần cường độ tín hiệu tối đa để giảm thiểu yêu cầu về độ nhạy của thiết bị hoặc khi phải giải quyết chính xác chênh lệch nhiệt độ nhỏ.

Phạm vi nhiệt độ: –200°C đến 900°C. Không có từ tính (cả hai dây dẫn đều là hợp kim không từ tính).

Hợp kim dây: Dây dẫn dương - Chromel; Dây dẫn âm - Constantan.

Điểm mạnh: Độ nhạy cao nhất của các loại kim loại cơ bản tiêu chuẩn; cấu trúc không từ tính rất quan trọng trong các ứng dụng gần từ trường mạnh; khả năng chống oxy hóa tốt; hiệu chuẩn ổn định.

Hạn chế: Không thích hợp để khử hoặc hút chân không khí quyển (dây mạ crôm); ít phổ biến hơn Loại K hoặc J ở một số thị trường; chi phí cao hơn một chút so với Loại K.

Tốt nhất cho: Các ứng dụng yêu cầu độ nhạy tối đa ở mức chênh lệch nhiệt độ thấp; môi trường từ trường nơi các loại dây dẫn sắt không phù hợp; đo nhiệt độ dưới 0 với độ nhạy cao.

Loại N (Nicrosil/Nisil)

Loại N được phát triển như một giải pháp thay thế có độ ổn định cao hơn cho Loại K, giải quyết một số hạn chế về độ ổn định hiệu chuẩn đã biết của Loại K ở nhiệt độ cao. Nó sử dụng các hợp kim có công thức đặc biệt để giảm thiểu cơ chế lệch hiệu chuẩn (thứ tự trong phạm vi ngắn, oxy hóa chọn lọc) ảnh hưởng đến Loại K trên 300°C.

Phạm vi nhiệt độ: –200°C đến 1.300°C. Độ nhạy đầu ra khoảng 39 µV/°C ở 600°C.

Điểm mạnh: Độ ổn định hiệu chuẩn lâu dài tốt hơn Loại K ở nhiệt độ trên 300°C; khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn loại K; có khả năng chống trễ cao hơn trong phạm vi 300–600°C.

Tốt nhất cho: Các quy trình công nghiệp nhiệt độ cao trong đó độ ổn định hiệu chuẩn lâu dài là rất quan trọng; thay thế Loại K trong các ứng dụng mà độ lệch là vấn đề bảo trì định kỳ; lò nung và lò nung hoạt động ở khoảng 600–1.200°C.

Loại R và Loại S (Bạch kim-Rhodium / Bạch kim)

Loại R và S là cặp nhiệt điện kim loại quý — cả hai đều sử dụng hợp kim gốc bạch kim (Loại R: 13% Rhodium/Bạch kim dương; Loại S: 10% Rhodium/Bạch kim dương; cả hai đều sử dụng dây dẫn âm bạch kim nguyên chất). Cấu trúc kim loại quý mang lại cho chúng đặc tính ổn định và chính xác mà các loại kim loại cơ bản không thể sánh được, với chi phí cao hơn đáng kể.

Phạm vi nhiệt độ: 0°C đến 1.600°C (Loại R và S). Loại B (30% Rh/Pt / 6% Rh/Pt) mở rộng đến 1.700°C.

Điểm mạnh: Khả năng chịu nhiệt độ cao tới 1.600°C; độ ổn định hiệu chuẩn tuyệt vời ở nhiệt độ cao; độ chính xác cao (dung sai loại 1 ±1°C hoặc 0,25%); thích hợp để sử dụng trong môi trường oxy hóa và trơ; thang đo nhiệt độ quốc tế ITS-90 sử dụng Loại S làm một trong những công cụ nội suy xác định trong khoảng từ 630,74°C đến 1.064,43°C.

Hạn chế: Chi phí rất cao (chi phí hợp kim bạch kim-rhodium); độ nhạy đầu ra thấp (khoảng 10 µV/°C ở 1.000°C - yêu cầu thiết bị đo nhạy); dễ bị nhiễm bẩn do giảm khí và hơi kim loại (phải được bảo vệ bằng vỏ bọc bằng gốm hoặc bạch kim trong hầu hết các môi trường công nghiệp); dễ vỡ - không thể sử dụng mà không được bảo vệ trong môi trường sốc hoặc rung cơ học.

Tốt nhất cho: Lò sản xuất thủy tinh; lò gốm; gia công kim loại quý; tiêu chuẩn hiệu chuẩn phòng thí nghiệm; bất kỳ quy trình nhiệt độ cao nào vượt quá khả năng của các loại kim loại cơ bản trong đó độ chính xác của phép đo sẽ bù đắp chi phí cao hơn.

Bảng so sánh loại cặp nhiệt điện

Cấu tạo cặp nhiệt điện: Các loại dây trần, cách điện bằng khoáng chất và lắp ráp

Ngoài loại hợp kim, cấu trúc vật lý của cụm cặp nhiệt điện xác định tốc độ phản hồi, độ bền cơ học và sự phù hợp với các môi trường lắp đặt khác nhau:

Cặp nhiệt điện dây trần là dạng đơn giản nhất - hai dây cặp nhiệt điện được hàn ở đầu đo và chạy không được bảo vệ hoặc có lớp cách điện bằng gốm cơ bản. Chúng có phản ứng nhiệt nhanh nhất (không có khối bảo vệ giữa đầu và môi trường đo) và được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phản ứng nhanh và môi trường không yêu cầu bảo vệ cơ học — đo nhiệt độ dòng khí, ứng dụng nghiên cứu và giám sát quy trình có vòng đời ngắn.

Cặp nhiệt điện bọc kim loại cách điện (MIMS) (còn gọi là cặp nhiệt điện MI hoặc cáp cách điện bằng khoáng chất) bao gồm các dây cặp nhiệt điện được đóng gói bằng bột khoáng magie oxit (MgO) bên trong vỏ kim loại liền mạch (thép không gỉ, Inconel hoặc các hợp kim khác). Lớp cách điện MgO giúp cách ly điện giữa dây dẫn và vỏ bọc, trong khi vỏ bọc kim loại giúp bảo vệ cơ học và kháng hóa chất. Cặp nhiệt điện MIMS là kết cấu công nghiệp tiêu chuẩn — chúng chắc chắn, chống rung, có đường kính nhỏ (1–12mm OD) và có thể uốn cong thành các hình dạng lắp đặt phức tạp. Có sẵn với mối nối đo được nối đất (được hàn vào vỏ bọc để phản hồi nhanh hơn), không nối đất (cách ly với vỏ bọc để cách ly điện) hoặc lộ thiên (nhô ra ngoài vỏ bọc để phản hồi nhanh nhất).

Cặp nhiệt điện gắn trên giếng nhiệt chèn vào một giếng nhiệt được lắp đặt riêng biệt (một ống kín được cố định vào bình hoặc ống xử lý) thay vì tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo. Giếng nhiệt bảo vệ cặp nhiệt điện khỏi xói mòn dòng chảy, áp suất và sự tấn công của hóa chất, đồng thời cho phép tháo và thay thế cặp nhiệt điện mà không cần tắt quy trình. Phản ứng nhiệt chậm hơn một chút so với các loại ngâm trực tiếp, nhưng cần thiết cho các ứng dụng xử lý áp suất cao và tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

Tôi có thể thay thế cặp nhiệt điện Loại K bằng Loại N mà không thay đổi gì khác không?

Bạn có thể thay thế cặp nhiệt điện Loại K bằng cặp nhiệt điện Loại N một cách cơ học - kích thước vật lý của cặp nhiệt điện có thể giống hệt nhau. Tuy nhiên, các bảng hiệu chuẩn cho Loại K và Loại N là khác nhau (chúng tạo ra các giá trị EMF khác nhau ở cùng nhiệt độ), có nghĩa là thiết bị đo nhiệt độ được kết nối với cặp nhiệt điện phải được cấu hình lại cho đầu vào Loại N để hiển thị nhiệt độ chính xác. Nếu thiết bị được đặt cho Loại K và cặp nhiệt điện Loại N được kết nối, nhiệt độ hiển thị sẽ sai, thường thấp hơn vài độ so với thực tế ở nhiệt độ cao. Luôn cấu hình lại thiết bị và dây nối dài (Cần có dây nối dài Loại N cho cặp nhiệt điện Loại N) khi thay đổi loại cặp nhiệt điện.

Sự khác biệt giữa dây cặp nhiệt điện và dây nối dài cặp nhiệt điện là gì?

Dây cặp nhiệt điện là hợp kim cảm biến thực tế được sử dụng ở đầu đo - nó phải là cặp hợp kim chính xác cho loại cặp nhiệt điện được chỉ định (Chromel/Alumel cho Loại K, v.v.) và phải kéo dài liên tục từ điểm nối đo đến điểm nối tham chiếu (thiết bị đầu cuối của thiết bị) mà không tạo ra điểm nối kim loại khác nhau ở giữa. Dây kéo dài (còn gọi là cáp bù cho các loại cấp thấp hơn) được sử dụng để chạy tín hiệu cặp nhiệt điện từ đầu cặp nhiệt điện đến thiết bị trên khoảng cách xa với chi phí thấp hơn — nó sử dụng các hợp kim được chọn để khớp chặt chẽ với các đặc tính nhiệt điện của hợp kim cặp nhiệt điện ban đầu trong phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh khi chạy dây (thường là 0–200°C). Việc sử dụng dây đồng thông thường hoặc loại dây nối sai giữa cặp nhiệt điện và thiết bị sẽ gây ra lỗi đo tại điểm kết nối và tạo ra kết quả đo nhiệt độ không chính xác.

Làm thế nào để biết khi nào cặp nhiệt điện cần thay thế?

Sự hỏng hóc và xuống cấp của cặp nhiệt điện có một số chỉ báo có thể nhận dạng được: hỏng mạch hở đột ngột (thiết bị hiển thị số đọc lỗi, thường là thang đo tối đa hoặc mã lỗi - dây cặp nhiệt điện bị đứt tại điểm bị ăn mòn hoặc bị ứng suất cơ học); độ lệch hiệu chuẩn dần dần (thiết bị đọc ngày càng khác so với phép đo tham chiếu - hợp kim cặp nhiệt điện đã thay đổi thành phần thông qua quá trình oxy hóa, nhiễm bẩn hoặc tăng trưởng hạt ở nhiệt độ cao); số đọc không liên tục thay đổi thất thường (đứt một phần dây cặp nhiệt điện tạo ra và ngắt tiếp xúc khi chuyển động - khiến số đọc của thiết bị nhảy hoặc dao động). Việc thay thế theo lịch trình dựa trên thời hạn sử dụng do nhà sản xuất khuyến nghị đối với nhiệt độ và môi trường lắp đặt, thay vì chạy đến hỏng hóc, sẽ ngăn chặn sự gián đoạn kiểm soát quy trình không mong muốn do hỏng cặp nhiệt điện trong quá trình sản xuất.

Cặp nhiệt điện từ bộ phận làm nóng điện Xinghua Yading

Công ty TNHH phần tử sưởi ấm điện Xinghua Yading , Xinghua, Jiangsu, sản xuất cặp nhiệt điện công nghiệp loại K, loại J, loại T, loại E, loại N và các loại kim loại quý, ở dạng cách điện bằng khoáng chất (MIMS) và cấu hình lắp ráp. Vật liệu vỏ bọc bao gồm thép không gỉ 304/316, Inconel 600/601 và các hợp kim khác cho các ứng dụng môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao. Có sẵn các cấu hình đầu tiêu chuẩn và tùy chỉnh, đường kính vỏ bọc từ 1 mm đến 12 mm và các loại đầu kết nối. Cụm cặp nhiệt điện cho hệ thống sưởi điện, thiết bị ép phun, lò công nghiệp và kiểm soát nhiệt độ quy trình. Sản xuất OEM cho các thông số kỹ thuật tùy chỉnh và cấu hình dành riêng cho ứng dụng.

Liên hệ với chúng tôi về phạm vi nhiệt độ ứng dụng, môi trường xử lý, cấp độ chính xác cần thiết, vật liệu vỏ bọc và cấu hình cơ học để nhận được khuyến nghị và báo giá về thông số cặp nhiệt điện.

Sản phẩm liên quan: Cặp nhiệt điện | Máy sưởi hộp mực | Máy sưởi ban nhạc | Máy sưởi Á hậu nóng | Máy sưởi ngâm