Termoelement: princip delovanja, naprava

Obstaja veliko različnih naprav in mehanizmov, ki omogočajo merjenje temperature. Nekateri se uporabljajo v vsakdanjem življenju, nekateri - za različne fizikalne študije, proizvodne procese in druge panoge.

Ena takšna naprava je termočlen. Načelo delovanja in shema te naprave bodo obravnavane v naslednjih poglavjih.

Fizična osnova termočlenov

Načelo delovanja termočlenov temelji na navadnih fizičnih procesih. Prvič je učinek, na podlagi katerega ta naprava deluje, raziskal nemški znanstvenik Thomas Seebeck.

Bistvo tega pojava, na katerem drži načelo delovanja termočlenov, je naslednja. V zaprtem električnem krogu, sestavljenem iz dveh prevodnikov različnih vrst, se električna energija ustvari, ko se uporablja določena temperatura okolice.

Nastali električni tok in temperatura okolice, ki delujejo na vodnikih, so linearno odvisni. To pomeni, da je višja temperatura, večji je električni tok, ki ga proizvaja termočlen. To je načelo delovanja termoelementa in uporovnega termometra.

V tem primeru je en termočlenski kontakt v točki, kjer je potrebno meriti temperaturo, se imenuje "vroč". Drugi stik, z drugimi besedami - "hladno", - v nasprotni smeri. Aplikacija za merjenje termoelementov je dovoljena le, če je sobna temperatura nižja kot na mestu merjenja.

To je kratka shema operacije termoelementov, načelo delovanja. V nadaljevanju bomo pregledali tipe termoelementov.

Vrste termoelementov

V vsaki industriji, kjer se zahtevajo meritve temperature, se v glavnem uporablja termoelement. Naprava in načelo delovanja različnih tipov te enote so navedene spodaj.

Kromel-aluminijski termočleni

Te termočlenske vezice se v večini primerov uporabljajo za proizvodnjo različnih senzorjev in sond, ki omogočajo nadzor nad temperaturo v industrijski proizvodnji.

Njihove posebne lastnosti lahko imenujemo precej nizka cena in velik obseg izmerjene temperature. Ti vam omogočajo, da določite temperaturo od -200 do +13000 stopinj Celzija.

Neprimerno je uporabljati termočlove s podobnimi zlitinami v delavnicah in na objektih z visoko vsebnostjo žvepla v zraku, saj je to kemični element Negativno vpliva na krom in aluminij, kar povzroča motnje pri delovanju naprave.

Chromel-Copel Thermocouples

Načelo termočlenov, katere kontaktna skupina je sestavljena iz teh zlitin, je enaka. Toda te naprave delajo predvsem v tekočem ali plinastem mediju z nevtralnimi, neagresivnimi lastnostmi. Zgornji temperaturni indeks ne presega +8000 stopinj Celzija.

Uporablja se podoben termoelement, načelo delovanja pa omogoča njegovo uporabo pri določanju stopnje segrevanja vseh površin, na primer za določitev temperature odprtih ognjišč ali drugih podobnih konstrukcij.

Železni konstantni termoelementi

Ta kombinacija stikov v termočlenu ni tako pogosta kot prva od obravnavanih sort. Načelo delovanja termoelementa je enako, vendar se je ta kombinacija izkazala za dobro v raztopljeni atmosferi. Najvišja raven izmerjene temperature ne sme presegati +12500 stopinj Celzija.

Če pa se temperatura začne dvigovati nad +7000 stopinj, obstaja nevarnost kršitve natančnosti meritev zaradi spremembe fizikalnih in kemičnih lastnosti železa. Obstajajo celo primeri korozije kontaktov železa termoelementa, kadar so v zraku v vodi vodne pare.

Platinum / Platinum Thermocouples

Najdražji termočlen v predelovalnih dejavnostih. Načelo delovanja je enako, vendar se od svojih kolegov razlikuje z zelo stabilnimi in zanesljivimi temperaturnimi odčitki. Je zmanjšana občutljivost.

Glavno področje uporabe teh naprav je merjenje visokih temperatur.

Tungsten-rhenium termoelementi

Uporablja se tudi za merjenje ultrahigh temperatur. Najvišja meja, ki jo lahko določimo s to shemo, je 25.000 stopinj Celzija.

Njihova uporaba zahteva določene pogoje. Tako je v postopku merjenja temperature potrebno popolnoma izločiti okoliško atmosfero, kar negativno vpliva na kontakte, ki so posledica oksidacijskega procesa.

Za ta volfram-renij Termoelementi so običajno nameščeni v zaščitna ohišja, napolnjena z inertnim plinom, ki ščiti njihove elemente.

Zgoraj smo upoštevali vsak obstoječi termoelement, napravo, načelo delovanja, odvisno od uporabljenih zlitin. Zdaj pa razmislimo o nekaterih konstruktivnih značilnostih.

Izdelki termoparjev

Obstajata dve glavni tipi termoelementov.

• Z uporabo izolacijskega sloja. Ta konstrukcija termoelementa zagotavlja izolacijo delovnega sloja naprave iz električnega toka. Takšna shema omogoča uporabo termoelementa v procesu, ne da bi izolirali vhod iz tal.

• Brez uporabe izolacijske plasti. Takšne termoelemente je mogoče povezati samo z merilnimi tokokrogi, katerih vhodi nimajo stika s tlemi. Če ta pogoj ni izpolnjen, ima naprava dve neodvisni zaprti vezji, zaradi česar odčitki, dobljeni s termočlenom, ne bodo ustrezali realnosti.

Zagon termoelementa in njegova uporaba

Obstaja ločena različica te naprave, imenovane "teče". Načelo delovanja potujočega termoelementa je sedaj podrobneje obravnavano.

Ta zasnova se uporablja predvsem za določanje temperature jeklene gredice, ko je strojno obdelana na struženje, rezkanje in druge podobne stroje.

Opozoriti je treba, da je v tem primeru mogoče uporabiti običajen termoelement, če pa proizvodni proces zahteva visoko natančnost temperaturnega režima, ne moremo precenjevati tekočega termoelementa.

Ko se ta metoda uporablja, se njegovi kontaktni elementi predhodno varijo v obdelovanec. Nato pri predelavi gredice, ti stiki so stalno izpostavljene delovnega orodja ali druge stroju, pri čemer se spoj (ki je glavna sestavina v značilnostih temperaturnih odstranitev), saj "prog" kontaktov.

Ta učinek se splošno uporablja v industriji kovin.

Tehnološke značilnosti modelov termočel

Pri izdelavi delovnega tokokroga termoelementa sta povezana dva kovinska kontakta, za katera je znano, da so izdelani iz različnih materialov. Stičišče se imenuje "križišče".

Opozoriti je treba, da te povezave ni treba uporabljati z uporabo konic. Dovolj je samo, da oba vtaknete skupaj. Ampak taka način proizvodnje ne bo imela zadostne ravni zanesljivosti in lahko povzroči napake pri odstranjevanju indikatorjev temperature.

Če je potrebno meriti visoke temperature, se kovinski koniček nadomesti z varjenjem. To je posledica dejstva, da ima spajk, ki se uporablja v povezavi, nizko tališče in se uniči, ko je njena raven prekoračena.

Sheme, za katere je bil varjen, lahko prenesejo širši temperaturni razpon. Toda ta način povezave ima svoje pomanjkljivosti. Notranja struktura kovine pod vplivom visoke temperature med varjenjem se lahko spremeni, kar bo vplivalo na kakovost pridobljenih podatkov.

Poleg tega je treba spremljati stanje termoelektričnih kontaktov med delovanjem. Tako je mogoče spremeniti lastnosti kovin v vezju zaradi vpliva agresivnega okolja. Lahko pride do oksidacije ali medsebojne difuzije materialov. V takšni situaciji je potrebno delovno vezje termoelementa zamenjati.

Vrste termoelementov

Sodobna industrija proizvaja več modelov, ki se uporabljajo pri izdelavi termočel:

• z odprtim križiščem;

• z izoliranim križiščem;

• z ozemljenim križiščem.

Značilnost termočel z odprtim križiščem je slaba odpornost na zunanje vplive.

Za merjenje temperature v korozivnih okoljih, ki imajo uničujoči učinek na kontaktni par, se lahko uporabita naslednji dve vrsti konstrukcije.

Poleg tega industrija trenutno razvija proizvodne tokokroge termoelementov za polprevodniške tehnologije.

Merilna napaka

Pravilnost temperaturnih parametrov, dobljenih s termočlenom, je odvisna od materiala kontaktne skupine in zunanjih faktorjev. Slednji vključujejo tlak, sevanje ozadja ali druge vzroke, ki lahko vplivajo na fizikalno-kemijske parametre kovin, iz katerih se izdelajo stiki.

Merilna napaka sestavljajo naslednje komponente:

• naključna napaka, ki jo povzročijo funkcije izdelave termočel;

• napaka, ki jo povzroči kršitev temperaturnega režima "hladnega" kontakta;

• napaka, ki jo povzročijo zunanje motnje;

• nepravilnost kontrolne opreme.

Prednosti uporabe termoelementov

Prednosti uporabe takšnih naprav za nadzor temperature, ne glede na področje uporabe, vključujejo:

• velik izbor indikatorjev, ki jih je mogoče pritrditi s termočlenom;

• Konico termoelementa, ki neposredno sodeluje pri odčitavanju, je mogoče postaviti v neposredni stik z merilno točko;

• preprost postopek izdelave termočelov, njihova moč in vzdržljivost delovanja.

Pomanjkljivosti merjenja temperature s termočlenom

Slabosti uporabe termočlenov vključujejo:

• Potreba po stalnem nadzoru temperature "hladnega" termočlenskega kontakta. To je značilnost oblikovanja merilnih instrumentov, ki temelji na termoelementu. Načelo delovanja te sheme omejuje področje njegove uporabe. Uporabljajo se lahko le, če je temperatura okolja nižja od temperature na merilni točki.

• Kršitev notranje strukture kovin, ki se uporabljajo pri izdelavi termočel. Dejstvo je, da zaradi vpliva zunanjega okolja stiki izgubijo homogenost, kar povzroča napake pri dobljenih temperaturnih indeksih.

• Med merjenjem je kontaktna skupina termoelementa običajno izpostavljena negativnemu vplivu okolja, kar povzroča motnje med delovanjem. To znova zahteva zapečatenje kontaktov, kar povzroča dodatne stroške vzdrževanja takih senzorjev.

• Obstaja nevarnost elektromagnetnih valov, ki delujejo na termočlen, katerega zasnova zagotavlja dolgo kontaktno skupino. To lahko vpliva tudi na rezultate meritev.

• V nekaterih primerih pride do kršitve linearnega razmerja med električnim tokom v termoelementu in temperaturo na mestu merjenja. Podobno stanje zahteva kalibracijo nadzorne opreme.

Zaključek

Kljub obstoječim pomanjkljivostim, metoda merjenja temperatura z uporabo termočel, ki je bila prvič izumljena in testirana v 19. stoletju, je našla široko uporabo v vseh panogah sodobne industrije.

Poleg tega obstajajo aplikacije, kjer je uporaba termočelov edini način za pridobivanje temperaturnih podatkov. Ko ste se seznanili s tem gradivom, ste v celoti razumeli osnovna načela svojega dela.