Mengapa Termokopel Menjadi Pilihan Utama untuk Pengukuran Suhu Presisi Tinggi?

Pertanyaan yang biasa diajukan mengandung asumsi yang tidak bertahan dalam perbandingan datasheet. Termokopel bukanlah sensor suhu paling akurat yang tersedia, dan tidak dijual sebagai sensor tersebut. Termometer resistansi platinum mencapai toleransi sekitar ±0,15 °C di dekat suhu kamar, dan termistor bekerja lebih baik pada pita sempit. Termokopel tipe K dimulai dengan ±1,5 °C di bawah standar toleransi internasional, sebelum terjadi penyimpangan apa pun dalam penggunaan.

Apa yang dilakukan termokopel lebih baik daripada keduanya adalah mencakup rentang yang tidak dapat dicapai oleh satu sensor resistansi pun, bertahan dalam lingkungan yang keras, pas di ruang berukuran beberapa milimeter, dan merespons dalam milidetik. Kombinasi itulah yang membuatnya mendominasi pengukuran industri, dan itu adalah klaim yang berbeda dari presisi. Pembeli yang membutuhkan ±0,1 °C pada 40 °C seharusnya tidak membeli termokopel, dan pembeli yang membutuhkan pembacaan pada 1.300 °C di dalam tungku tidak memiliki pilihan lain.

Halaman ini menyajikan perbandingan secara jujur, kemudian menunjukkan dari mana keakuratan termokopel sebenarnya berasal: kelas toleransi kawat, dua mekanisme penyimpangan yang memengaruhinya dalam penggunaan, sambungan dingin, dan titik kalibrasi. Keempat item tersebut menentukan hasilnya, dan tidak satu pun dari mereka adalah badan sensor.

Perbandingan di bawah ini adalah yang seharusnya menjadi awal spesifikasi. Angka-angka tersebut khas untuk setiap keluarga dan bergerak dengan produk spesifik, sehingga digunakan untuk menempatkan keluarga dan bukan untuk memilih suku cadang.

Baca baris pertama terhadap baris kedua. Keluarga dengan rentang terluas memiliki toleransi terlonggar, dan keluarga dengan toleransi terketat memiliki rentang tersempit. Itu bukanlah cacat pada salah satu produk. Itulah alasan mengapa keduanya ada, dan spesifikasi yang meminta rentang terluas dan toleransi terketat secara bersamaan meminta kombinasi yang tidak dapat diberikan oleh sensor mana pun.

IEC 60584-1 menetapkan toleransi keluaran termokopel berdasarkan tipe dan kelas, dan toleransi dinyatakan baik sebagai jumlah derajat tetap atau sebagai pecahan dari suhu yang diukur. Tabel memberikan batas Kelas 1 dan Kelas 2 untuk tipe logam dasar dan logam mulia yang umum, untuk diameter kawat antara sekitar 0,1 mm dan 3 mm.

Dua baris dalam tabel tersebut membawa lebih banyak informasi daripada yang lain. Tipe T adalah tipe logam dasar yang paling ketat pada suhu rendah, pada ±0,5 °C di bawah 125 °C, itulah sebabnya ia muncul dalam pekerjaan kriogenik dan medis. Tipe S dan R adalah tipe logam mulia, dan toleransinya hampir tidak bergantung pada suhu di bawah 1.100 °C pada ±1,0 °C, yang terdengar lebih buruk daripada tipe K sampai rentangnya dibaca: tipe K pada 1.000 °C diizinkan ±4 °C, dan tipe logam mulia masih diizinkan ±1 °C.

Standar juga menyatakan apa yang tidak dicakup oleh toleransi. Batas berlaku untuk kawat sebagaimana dipasok, dan tidak memperhitungkan penyimpangan kalibrasi selama penggunaan. Kalimat itu adalah alasan mengapa bagian selanjutnya ada.

Termokopel tidak tetap pada nilai sertifikatnya. Termoelemen berubah dalam penggunaan, dan perubahan tersebut muncul sebagai pergeseran tegangan yang dihasilkan pasangan tersebut pada suhu tertentu. Pada tipe K, kedua perubahan bertindak ke arah yang berlawanan, itulah sebabnya mengapa satu faktor koreksi tidak dapat memperbaikinya.

Mekanisme pertama adalah perubahan susunan atom dari termoelemen positif, paduan nikel-kromium. Antara sekitar 200 °C dan 600 °C, paduan mengembangkan keteraturan jarak pendek, yang berarti atom mengambil susunan yang lebih disukai secara lokal tanpa membentuk fase baru. Keteraturan itu meningkatkan koefisien Seebeck paduan, sehingga termokopel membaca tinggi. Efeknya bergantung pada waktu, tumbuh menuju maksimum pada suhu tertentu, dan perubahan maksimum terjadi di dekat 400 °C. Di atas 600 °C, termoelemen positif sepenuhnya tidak teratur, dan efeknya berbalik.

Mekanisme kedua adalah oksidasi. Dalam paduan nikel-kromium, kromium teroksidasi secara selektif, dan kandungan kromium paduan tidak cukup tinggi untuk membentuk lapisan oksida kromium eksternal yang kontinu. Hasilnya adalah oksida nikel eksternal di atas lapisan oksida yang kaya kromium, dan kromium yang membentuk lapisan itu diambil dari logam di bawahnya. Paduan tersebut menjadi miskin kromium, dan kandungan kromium yang lebih rendah berarti koefisien Seebeck yang lebih rendah, sehingga termokopel membaca rendah.

Konsekuensi praktisnya adalah bahwa termokopel tipe K yang telah mengalami kedua pita tersebut membawa kesalahan bersih yang tandanya bergantung pada riwayat instalasi, dan satu-satunya cara untuk mengetahuinya adalah dengan mengukurnya. Pemeriksaan kalibrasi setelah penggunaan adalah instrumen yang mengungkapkan jumlahnya, dan probe yang dikembalikan ke laboratorium kalibrasi setelah kampanye adalah satu-satunya cara yang dapat diandalkan untuk mengetahui seberapa jauh ia bergerak.

Termokopel mengukur perbedaan, bukan suhu absolut. Tegangan yang dihasilkannya adalah perbedaan antara efek Seebeck pada sambungan panas dan efek Seebeck pada terminal, sehingga instrumen harus mengetahui suhu terminal untuk melaporkan hasil. Itulah sambungan dingin, dan kesalahan di dalamnya langsung masuk ke pembacaan tanpa pelemahan.

Tiga metode umum digunakan, dan mereka berbeda dalam apa yang mereka asumsikan. Referensi tetap menjaga terminal pada suhu yang diketahui, secara historis bak es dan sekarang blok yang diatur suhunya. Terminal yang dikompensasi mengukur suhu terminal dengan sensor terpisah dan menambahkan tegangan yang sesuai secara elektronik. Blok isothermal mengasumsikan bahwa semua terminal berada pada suhu yang sama dan mengukur satu suhu itu sekali.

Kesalahan yang paling mudah dihilangkan adalah yang paling sering dibiarkan. Termokopel yang dipasang dengan kabel tembaga biasa antara kepala probe dan instrumen telah menciptakan dua sambungan baru pada transisi, dan sambungan tersebut berada pada suhu sekitar kabinet. Pembacaan kemudian bergantung pada suhu kabinet serta pada proses, dan ketergantungan tersebut tidak terlihat kecuali kabinet dipanaskan atau didinginkan.

Kabel kompensasi ada karena alasan ini. Kabel tersebut terbuat dari paduan yang sesuai dengan perilaku termoelektrik termokopel pada rentang suhu terbatas, sehingga transisi dari probe ke instrumen tidak menciptakan kesalahan. Kabel memiliki polaritas, memiliki rentang suhu di mana kecocokan berlaku, dan harus dihubungkan dengan benar. Kabel kompensasi yang terbalik menghasilkan kesalahan dua kali lipat dari suhu sambungan, yang besar dan terlihat seperti kesalahan instrumen.

Kelas toleransi adalah batas manufaktur dan bukan pernyataan tentang probe tertentu. Cara mengetahui apa yang dibaca probe adalah dengan mengkalibrasinya, dan pilihan metode kalibrasi menentukan seberapa banyak rentang yang dicakup.

Kalibrasi perbandingan menempatkan probe dan termometer referensi dalam bak atau tungku yang sama dan mencatat perbedaannya pada serangkaian titik. Ini cepat, mencakup rentang yang dapat dicapai bak, dan ketidakpastiannya dibatasi oleh referensi dan keseragaman bak. Kalibrasi titik tetap menjaga probe pada transisi fase termodinamika, seperti titik beku logam, di mana suhu ditentukan oleh fisika dan bukan oleh termometer referensi. Ini lebih lambat dan lebih mahal, dan memberikan ketidakpastian yang lebih rendah pada titik-titik yang digunakannya.

Tidak ada metode yang menghilangkan penyimpangan yang terjadi setelah kalibrasi. Probe yang dikalibrasi sebelum pemasangan dan digunakan selama satu tahun pada 400 °C memiliki sertifikat yang menjelaskan kondisi yang tidak lagi dimilikinya. Praktik yang menangkap ini adalah pemeriksaan berkala pada satu atau dua titik, dengan hasil dibandingkan dengan sertifikat asli, dan interval diatur oleh seberapa cepat pembacaan bergerak dan bukan oleh kalender.

Kasus untuk termokopel paling kuat di mana alternatifnya tidak dapat menjangkau. Tabel menyajikan kondisi dan alasan mengapa setiap kondisi menunjuk pada keluarga ini.

Empat properti kawat menentukan kinerja termokopel jadi, dan keempatnya ditetapkan sebelum probe dirakit.

Komposisi menetapkan koefisien Seebeck, dan kelas toleransi adalah pernyataan tentang seberapa ketat komposisi dan pemrosesan dipertahankan. Penyimpangan dalam kandungan kromium sepersekian persen menggeser keluaran pasangan tipe K sebesar jumlah yang penting pada batas toleransi, itulah sebabnya spesifikasi paduan untuk kawat termokopel lebih ketat daripada spesifikasi untuk paduan yang sama yang digunakan sebagai bahan resistansi atau struktural.

Homogenitas menetapkan seberapa banyak pembacaan bergantung pada di mana gradien suhu jatuh. Kawat yang telah dikerjakan secara tidak merata, atau yang memiliki gradien komposisi di sepanjang panjangnya, menghasilkan tegangan yang berbeda tergantung pada bagian mana yang berada di zona panas. Itulah sebabnya mengapa termokopel tidak boleh dipotong dari gulungan dan dipasang tanpa mengetahui riwayatnya, dan mengapa probe bekas yang telah dipersingkat dapat membaca berbeda dari yang digantikannya.

Kondisi permukaan menetapkan seberapa cepat mekanisme oksidasi berlangsung. Kawat dengan permukaan yang bersih dan seragam teroksidasi dengan cara yang dapat diprediksi, dan kawat dengan bekas tarikan atau sisa pelumas teroksidasi secara lokal dan menipiskan kromium secara tidak merata di sepanjang panjangnya.

Diameter menetapkan masa pakai. Kawat yang lebih tebal membutuhkan waktu lebih lama untuk kehilangan kromium yang dikonsumsi oleh lapisan oksida, sehingga probe berukuran berat bertahan lebih lama di tungku yang sama, dengan biaya respons yang lebih lambat. Perdagangan itu adalah yang dilakukan pembeli saat memilih antara kawat halus untuk respons dan kawat berat untuk masa pakai.

Kawat termokopel dipesan berdasarkan tipe, kelas, diameter, dan insulasi, dan standar yang mengatur keluaran terpisah dari standar yang mengatur paduan.

DLX memasok paduan termokopel di Changzhou, Jiangsu, dalam kawat mulai dari 0,025 mm, batang bulat hingga 50 mm, dan strip dari 0,50 mm hingga 2,5 mm tebalnya. Rangkaian ini mencakup paduan nikel-kromium dan nikel-silikon untuk tipe K dan tipe N, paduan tembaga-nikel untuk tipe T dan tipe J, dan paduan platinum-rhodium untuk tipe S dan tipe R, bersama dengan paduan kabel kompensasi yang cocok.

Kawat dipasok berdasarkan spesifikasi paduan dan kelas toleransi yang disebutkan pada pesanan, dengan sertifikat EN 10204 3.1 berdasarkan permintaan dan nomor panas yang dapat dilacak ke hasil pengujian. Pertanyaan yang berguna bukanlah tipe mana yang paling akurat secara umum, melainkan tipe mana yang mempertahankan toleransinya selama rentang dan atmosfer instalasi.

Tidak, dan datasheet mengatakannya. Termometer resistansi platinum Kelas A mencapai sekitar ±0,15 °C di dekat suhu kamar, sementara termokopel tipe K Kelas 1 diizinkan ±1,5 °C di bawah 375 °C. Termokopel unggul dalam rentang, ukuran, kecepatan respons, dan kemampuan bertahan di lingkungan yang keras. Termometer resistansi unggul dalam akurasi dan stabilitas di mana ia dapat digunakan.

Ini adalah toleransi manufaktur dari IEC 60584-1: ±1,5 °C antara -40 dan 375 °C, dan ±0,004 kali suhu yang diukur antara 375 dan 1.000 °C, yang merupakan ±4 °C pada 1.000 °C. Standar menyatakan bahwa batas berlaku untuk kawat sebagaimana dipasok dan tidak memperhitungkan penyimpangan kalibrasi selama penggunaan, sehingga probe Kelas 1 yang telah menghabiskan satu tahun pada suhu mungkin tidak lagi berada dalam Kelas 1.

Karena dua mekanisme bekerja pada pita suhu yang berbeda dan mendorong pembacaan ke arah yang berlawanan. Antara sekitar 200 dan 600 °C, kaki positif mengembangkan keteraturan jarak pendek, yang meningkatkan koefisien Seebeck-nya dan membuat pasangan membaca tinggi, dengan efek terbesar di dekat 400 °C. Di atas sekitar 900 °C di udara, kromium teroksidasi dan logam di bawahnya menjadi miskin kromium, yang menurunkan koefisien Seebeck dan membuat pasangan membaca rendah. Kesalahan bersih bergantung pada riwayat instalasi.

Dapat dihubungkan, dan sambungan tersebut menciptakan dua sambungan baru pada suhu sekitar kabinet. Pembacaan kemudian bergantung pada suhu sekitar itu serta pada proses, dan ketergantungan tersebut tidak terlihat sampai kabinet dipanaskan. Kabel kompensasi yang terbuat dari paduan yang sesuai dengan termokopel pada rentang terbatas menghindari kesalahan, asalkan itu adalah tipe yang benar dan dihubungkan dengan polaritas yang benar.

Interval harus mengikuti penyimpangan yang sebenarnya diamati, dan bukan kalender tetap. Probe dalam tungku bersih pada suhu stabil menyimpang lebih sedikit daripada yang berulang melalui pita keteraturan atau berjalan di udara di atas 900 °C. Pemeriksaan berkala pada satu atau dua titik, dibandingkan dengan sertifikat asli, memberikan laju penyimpangan, dan laju tersebut menentukan interval.

Ketika suhu di atas rentang praktis tipe logam dasar, atau ketika toleransi harus berlaku pada suhu tinggi. Tipe K diizinkan ±4 °C pada 1.000 °C dalam Kelas 1, sementara tipe S atau R diizinkan ±1,0 °C hingga 1.100 °C. Tipe logam mulia lebih mahal, lebih sensitif terhadap kontaminasi, dan merupakan solusi di mana akurasi pada suhu lebih penting daripada harga kawat.

Termokopel adalah pilihan yang disukai untuk pengukuran suhu industri karena mencakup rentang yang tidak dapat dicapai oleh sensor resistansi, bertahan dalam lingkungan yang menghancurkannya, dan merespons dalam milidetik. Ini bukanlah sensor paling akurat, dan spesifikasi yang memperlakukannya demikian dimulai dari premis yang salah.

Akurasi yang tersedia berasal dari empat item: kelas toleransi kawat, penyimpangan yang dihasilkan instalasi, sambungan dingin, dan kalibrasi. Penyimpangan memiliki dua mekanisme pada tipe K yang bertindak ke arah berlawanan, itulah sebabnya mengapa faktor koreksi tidak dapat menggantikan pemeriksaan kalibrasi. Kesalahan sambungan dingin masuk ke pembacaan tanpa pelemahan, itulah sebabnya mengapa kabel kompensasi dan blok terminal yang seragam penting seperti probe.

IEC 60584-1, termokopel, fungsi referensi dan toleransi. Sumber untuk toleransi Kelas 1 dan Kelas 2 berdasarkan tipe dan rentang suhu, termasuk batas ±1,5 °C dan ±0,004 kali t untuk tipe K, batas ±0,5 °C dan ±0,004 kali t untuk tipe T, dan batas ±1,0 °C dan ±(1 + 0,003 x (t - 1.100)) untuk tipe S dan R.

IEC 60584-2, termokopel, toleransi, sebagai dokumen pendamping fungsi referensi.

Data teknis yang diterbitkan tentang kawat termokopel tipe K, memberikan perubahan ggl yang dihasilkan sekitar 42 mikrovolt per kelvin pada 100 °C dan 39 pada 1.000 °C, rentang kontinu 0 hingga 1.100 °C, rentang jangka pendek -180 hingga 1.350 °C, dan pernyataan bahwa toleransi standar tidak memperhitungkan penyimpangan kalibrasi selama penggunaan.

Penelitian yang diterbitkan dari University of Cambridge tentang penyimpangan pada termokopel kawat telanjang tipe K. Sumber untuk transformasi keteraturan jarak pendek pada termoelemen positif antara 200 dan 600 °C, peningkatan koefisien Seebeck yang dihasilkannya, efek maksimum di dekat 400 °C, keadaan tidak teratur di atas 600 °C, dan mekanisme penipisan kromium yang disebabkan oleh oksidasi selektif di atas 900 °C yang menurunkan koefisien Seebeck.

IEC 60751, termometer resistansi platinum industri dan sensor suhu platinum, sebagai sumber toleransi Kelas A sekitar ±0,15 °C di dekat suhu kamar yang digunakan dalam perbandingan.

ASTM E230, spesifikasi standar dan tabel gaya gerak listrik suhu untuk termokopel standar, sebagai rekan Amerika Utara untuk fungsi referensi IEC.

ASTM E220, metode uji standar untuk kalibrasi termokopel dengan teknik perbandingan.

EN 10204, dokumen inspeksi, untuk definisi sertifikat 3.1 sebagai dokumen yang berisi hasil pengujian aktual dan disahkan oleh perwakilan inspeksi independen produsen.

Toleransi dan suhu di atas adalah nilai standar untuk tipe dan kelas yang disebutkan, dan berlaku untuk kawat sebagaimana dipasok dan bukan untuk probe dalam penggunaan. Toleransi adalah batas manufaktur dan bukan ketidakpastian pengukuran, dan ketidakpastian pembacaan tertentu mencakup sambungan dingin, kawat ekstensi, instrumen, dan penyimpangan yang dihasilkan instalasi. Mekanisme penyimpangan yang dijelaskan untuk tipe K bekerja seiring waktu dan besarnya bergantung pada suhu, atmosfer, dan paparan, sehingga probe harus diperiksa dan tidak diasumsikan. Angka akurasi untuk termometer resistansi dan termistor adalah nilai tipikal untuk kelas yang disebutkan dan bervariasi dengan produk spesifik. Spesifikasi produk direvisi, dan edisi yang disebutkan pada pesanan pembelian berlaku. Tidak ada dalam halaman ini yang menggantikan rilis teknik atau pengujian kualifikasi yang disepakati antara pembeli dan pemasok.