Princip činnosti a konstrukce termočlánku je extrémně jednoduchý. To vedlo k popularitě tohoto zařízení a jeho širokému použití ve všech oborech vědy a techniky. Termočlánek je určen k měření teplot v širokém rozmezí - od -270 do 2500 stupňů Celsia. Zařízení je po celá desetiletí nepostradatelným pomocníkem techniků a vědců. Funguje spolehlivě a bezchybně a hodnoty teploty jsou vždy pravdivé. Dokonalejší a přesnější zařízení prostě neexistuje. Všechna moderní zařízení pracují na principu termočlánku. Pracují v obtížných podmínkách.
Přiřazení termočlánku
Toto zařízení převádí tepelnou energii na elektrický proud a umožňuje měření teploty. Na rozdíl od tradičních rtuťových teploměrů je schopen provozu v podmínkách extrémně nízkých i extrémně vysokých teplot. Tato vlastnost vedla k širokému použití termočlánků v nejrůznějších instalacích: průmyslové metalurgické pece, plynové kotle, vakuové komory pro chemické tepelné zpracování, trouba pro plynová kamna pro domácnost. Princip činnosti termočlánku vždy zůstává nezměněn a nezávisí na zařízení, ve kterém je namontován.
Spolehlivý a nepřerušovaný provoz termočlánku závisí na činnosti systému nouzového vypnutí zařízení v případě překročení přípustných teplotních limitů. Proto musí být toto zařízení spolehlivé a musí poskytovat přesné hodnoty, aby nedošlo k ohrožení života lidí.
Výhody používání termočlánků
Mezi výhody používání těchto zařízení pro regulaci teploty, bez ohledu na aplikaci, patří:
- velké množství indikátorů, které lze zaznamenat pomocí termočlánku;
- pájení termočlánku, který je přímo zapojen do odečítání hodnot, může být umístěn v přímém kontaktu s měřicím bodem;
- jednoduchý proces výroby termočlánků, jejich pevnost a trvanlivost.
Jak funguje termočlánek
Termočlánek má tři hlavní prvky. Jedná se o dva vodiče elektřiny z různých materiálů a také ochrannou trubici. Dva konce vodičů (také nazývané termoelektrody) jsou připájeny a další dva jsou připojeny k potenciometru (zařízení pro měření teploty).
Zjednodušeně řečeno, princip činnosti termočlánku spočívá v tom, že spojení termoelektrod je umístěno v prostředí, jehož teplota musí být měřena. V souladu s Seebeckovým pravidlem vzniká na vodičích potenciální rozdíl (jinak - termoelektřina). Čím vyšší je teplota média, tím významnější je potenciální rozdíl. V souladu s tím se šipka zařízení odchyluje více.
V moderních měřicích komplexech nahradily digitální ukazatele teploty mechanické zařízení. Nové zařízení však zdaleka není vždy ve svých vlastnostech lepší než staré zařízení z doby sovětské. Na technických univerzitách a ve výzkumných institucích dodnes používají potenciometry před 20–30 lety. A vykazují úžasnou přesnost a stabilitu měření.
Druhy zařízení
Každý typ termočlánku má své vlastní označení a jsou rozděleny podle obecně přijímané normy. Každý typ elektrody má svou vlastní zkratku: TXA, TXK, TBR atd. Převaděče jsou distribuovány podle klasifikace:
- Typ E - je slitina chromelu a konstantanu. Za charakteristiku tohoto zařízení se považuje vysoká citlivost a výkon. To je zvláště vhodné pro použití při extrémně nízkých teplotách.
- J - označuje slitinu železa a konstantanu. Vyznačuje se vysokou citlivostí, která může dosáhnout až 50 μV / ° C.
- Typ K je považován za nejoblíbenější slitinu chrom / hliník. Tyto termočlánky mohou detekovat teploty v rozmezí od -200 ° C do +1350 ° C. Zařízení se používají v obvodech umístěných v neoxidačních a inertních podmínkách bez známek stárnutí. Pokud se zařízení používají v poměrně kyselém prostředí, chromel rychle koroduje a stává se nepoužitelným pro měření teploty pomocí termočlánku.
- Typ M - představuje slitiny niklu s molybdenem nebo kobaltem. Zařízení vydrží až 1400 ° C a používají se v instalacích pracujících na principu vakuových pecí.
- Typ N - zařízení Nichrosil-Nisil, jejichž rozdíl je považován za odolnost proti oxidaci. Používají se k měření teplot v rozmezí od -270 do +1300 ° C.
Bude to pro vás zajímavé.
Existují termočlánky vyrobené ze slitin rhodia a platiny. Patří k typům B, S, R a jsou považovány za nejstabilnější zařízení. Mezi nevýhody těchto převodníků patří vysoká cena a nízká citlivost.
Při vysokých teplotách se široce používají zařízení vyrobená ze slitin rhenia a wolframu. Kromě toho mohou být termočlánky podle svého účelu a provozních podmínek ponorné a povrchové.
Podle návrhu mají zařízení statický a pohyblivý spoj nebo přírubu. Termoelektrické převodníky jsou široce používány v počítačích, které jsou obvykle připojeny přes port COM a jsou určeny k měření teploty uvnitř pouzdra.
Seebeckův efekt
Princip činnosti termočlánku je založen na tomto fyzikálním jevu. Závěrem je toto: pokud připojíte dva vodiče vyrobené z různých materiálů (někdy se používají polovodiče), pak bude proud proudit podél takového elektrického obvodu.
Pokud je tedy spojení vodičů zahřáté a ochlazeno, jehla potenciometru osciluje. Proud lze také detekovat galvanometrem připojeným k obvodu.
V případě, že vodiče jsou vyrobeny ze stejného materiálu, pak elektromotorická síla nenastane, respektive nebude možné měřit teplotu.
Schéma připojení termočlánku
Nejběžnějšími metodami pro připojení měřicích přístrojů k termočlánkům jsou takzvaná jednoduchá metoda, stejně jako metoda diferencovaná. Podstata první metody je následující: zařízení (potenciometr nebo galvanometr) je přímo připojeno ke dvěma vodičům. U diferencované metody není pájen jeden, ale oba konce vodičů, zatímco jedna z elektrod je měřicím zařízením „zlomena“.
Nelze nezmínit tzv. Dálkovou metodu připojení termočlánku. Princip činnosti zůstává nezměněn. Jediný rozdíl je v tom, že do obvodu jsou přidány prodlužovací vodiče. Pro tyto účely není vhodný obyčejný měděný kabel, protože kompenzační vodiče musí být nutně vyrobeny ze stejných materiálů jako vodiče termočlánku.
Nevýhody měření teploty pomocí termočlánku
Nevýhody použití termočlánku zahrnují:
- Potřeba neustálého sledování teploty "studeného" kontaktu termočlánku. Toto je charakteristická vlastnost konstrukce měřicích přístrojů založených na termočlánku. Princip tohoto režimu zužuje rozsah jeho použití. Lze je použít pouze v případě, že okolní teplota je nižší než teplota v místě měření.
- Porušení vnitřní struktury kovů používaných při výrobě termočlánku.Faktem je, že v důsledku vlivu vnějšího prostředí kontakty ztrácejí svou homogenitu, což způsobuje chyby v získaných ukazatelích teploty.
- Během procesu měření je kontaktní skupina termočlánku obvykle vystavena negativním vlivům prostředí, které během provozu způsobují poruchy. To opět vyžaduje utěsnění kontaktů, což u těchto senzorů způsobuje další náklady na údržbu.
- Existuje nebezpečí elektromagnetických vln ovlivňujících termočlánek, který je konstruován s dlouhou kontaktní skupinou. To může také ovlivnit výsledky měření.
- V některých případech dochází k narušení lineárního vztahu mezi elektrickým proudem vznikajícím v termočlánku a teplotou v místě měření. Tato situace vyžaduje kalibraci řídicího zařízení.
Materiály vodiče
Princip činnosti termočlánku je založen na výskytu potenciálního rozdílu ve vodičích. Proto je nutné k výběru materiálů elektrod přistupovat velmi zodpovědně. Rozdíl v chemických a fyzikálních vlastnostech kovů je hlavním faktorem při provozu termočlánku, jehož zařízení a princip činnosti jsou založeny na výskytu EMF samoindukce (potenciální rozdíl) v obvodu.
Technicky čisté kovy nejsou vhodné pro použití jako termočlánek (s výjimkou železa ARMKO). Běžně se používají různé slitiny neželezných a drahých kovů. Takové materiály mají stabilní fyzikální a chemické vlastnosti, takže údaje o teplotě budou vždy přesné a objektivní. Stabilita a přesnost jsou klíčové vlastnosti v organizaci experimentu a výrobního procesu.
V současné době jsou nejběžnější termočlánky následujících typů: E, J, K.
Princip činnosti a struktura termočlánků
Termočlánek se skládá ze dvou vodičů a trubice, která slouží jako ochrana termoelektrod. Termoelektrody se skládají z obecných a ušlechtilých kovů, nejčastěji ze slitin, které jsou navzájem spojeny na jednom konci (pracovní konec nebo horký spoj), takže tvoří jednu z částí zařízení. Druhé konce termočlánku (stoupačky nebo studený konec) jsou připojeny k měřiči napětí. EMF se objeví uprostřed dvou nepřipojených svorek, hodnota závisí na teplotě pracovního konce.
Identické termočlánky kombinované paralelně uzavírají obvod, podle Seebeckova pravidla budeme toto pravidlo dále zvažovat, vytvoří se mezi nimi rozdíl kontaktního potenciálu nebo termoelektrický efekt, na vodičích se při dotyku objeví elektrický náboj, mezi nimi vznikne potenciální rozdíl volné konce a záleží to na teplotním rozdílu. Pouze když je teplota mezi termoelektrodami stejná, je potenciální rozdíl roven nule.
Například: Umístěním křižovatky s koeficienty odlišnými od nuly, ve dvou varných nádobách s kapalinou je teplota první 50 a druhé 45, pak potenciální rozdíl bude 5.
Rozdíl potenciálů je určen teplotním rozdílem mezi zdroji. Závisí také materiál, ze kterého jsou vyrobeny termočlánkové elektrody. Příklad: Termočlánek Chromel-Alumel má teplotní koeficient 41 a Chromel-Constantan má koeficient 68.
Termočlánek typu K.
Toto je možná nejběžnější a nejpoužívanější typ termočlánku. Dvojice chromel - hliník funguje skvěle při teplotách od -200 do 1350 stupňů Celsia. Tento typ termočlánku je vysoce citlivý a detekuje i malý teplotní skok. Díky této sadě parametrů se termočlánek používá jak ve výrobě, tak ve vědeckém výzkumu. Má však také významnou nevýhodu - vliv složení pracovní atmosféry. Pokud tedy tento typ termočlánku bude fungovat v prostředí CO2, bude termočlánek poskytovat nesprávné hodnoty.Tato funkce omezuje použití tohoto typu zařízení. Schéma a princip činnosti termočlánku zůstávají nezměněny. Jediný rozdíl je v chemickém složení elektrod.
Typy termočlánků
Technické požadavky na termočlánky stanoví GOST 6616-94. Standardní tabulky pro termoelektrické teploměry - jmenovité statické převodní charakteristiky (NSC), třídy tolerance a rozsahy měření jsou uvedeny v normě IEC 60584-1.2 a v GOST R 8.585-2001.
- platina-rhodium-platina - TPP13 - Typ R.
- platina-rhodium-platina - TPP10 - Typ S
- platina-rhodium-platina-rhodium - TPR - Typ B
- železo-konstantan (železo-měď-nikl) TLC - typ J
- měď-konstantan (měď-měď-nikl) TMKn - typ T
- nichrosil-nisil (nikl-chrom-nikl-nikl-křemík) TNN - typ N.
- chromel-alumel - TXA - Typ K.
- chromel-stálý TChKn - typ E.
- chromel-copel - THK - Typ L.
- měď-copel - TMK - typ M.
- silkh-silin - ТСС - typ I.
- wolfram a rhenium - wolfram rhenium - TVR - Typ A-1, A-2, A-3
Přesné slitinové složení termočlánků pro termočlánky z obecných kovů není v IEC 60584-1 uvedeno. НСХ pro termočlánky chromel-copel ТХК a wolfram-rheniové termočlánky jsou definovány pouze v GOST R 8.585-2001. Ve standardu IEC nejsou žádná data termočlánku. Z tohoto důvodu se charakteristiky dovážených senzorů vyrobených z těchto kovů mohou výrazně lišit od domácích, například importovaný typ L a domácí THK nejsou zaměnitelné. Současně zpravidla dovážené zařízení není určeno pro domácí standard.
Norma IEC 60584 je v současné době revidována. Plánuje se zavedení standardních wolfram-rheniových termočlánků typu A-1, pro které bude NSX odpovídat ruskému standardu, a typu C podle normy ASTM [6].
V roce 2008 představila IEC dva nové typy termočlánků: zlato-platina a platina-palladium. Nový standard IEC 62460 zavádí standardní tabulky pro tyto termočlánky z čistého kovu. Dosud neexistuje žádný podobný ruský standard.
Kontrola činnosti termočlánku
Pokud termočlánek selže, nelze jej opravit. Teoreticky to samozřejmě můžete opravit, ale to, zda zařízení poté zobrazí přesnou teplotu, je velká otázka.
Někdy není selhání termočlánku zřejmé a zřejmé. To platí zejména pro plynové ohřívače vody. Princip činnosti termočlánku je stále stejný. Hraje však mírně odlišnou roli a není určen k vizualizaci naměřených hodnot teploty, ale k provozu ventilu. Proto, aby se zjistila porucha takového termočlánku, je nutné k němu připojit měřicí zařízení (tester, galvanometr nebo potenciometr) a zahřát spojení termočlánku. K tomu není nutné ho udržovat nad otevřeným ohněm. Stačí ji jen stisknout v pěst a zjistit, zda se šipka zařízení odchýlí.
Důvody selhání termočlánků mohou být různé. Pokud tedy nenasadíte speciální stínící zařízení na termočlánek umístěný ve vakuové komoře iontové plazmové nitridační jednotky, bude časem křehčí, až se jeden z vodičů zlomí. Kromě toho není vyloučena možnost nesprávného provozu termočlánku v důsledku změny chemického složení elektrod. Koneckonců, základní principy termočlánku jsou porušeny.
Plynové zařízení (kotle, kolony) je také vybaveno termočlánky. Hlavní příčinou selhání elektrod jsou oxidační procesy, které se vyvíjejí při vysokých teplotách.
V případě, že naměřené hodnoty zařízení jsou záměrně nepravdivé a během externího vyšetření nebyly nalezeny slabé svorky, pak důvod s největší pravděpodobností spočívá v selhání kontrolního a měřicího zařízení. V takovém případě musí být vrácen k opravě.Pokud máte odpovídající kvalifikaci, můžete se pokusit problém vyřešit sami.
A obecně, pokud jehla potenciometru nebo digitální indikátor vykazuje alespoň některé „známky života“, je termočlánek v dobrém provozním stavu. V tomto případě je problém zjevně něco jiného. Pokud tedy zařízení nijak nereaguje na zjevné změny teplotního režimu, můžete termočlánek bezpečně změnit.
Než však termočlánek demontujete a nainstalujete nový, musíte se plně ujistit, že je vadný. K tomu stačí zazvonit termočlánek běžným testerem, nebo ještě lépe měřit výstupní napětí. Pouze obyčejný voltmetr zde pravděpodobně nepomůže. Budete potřebovat milivoltmetr nebo tester se schopností vybrat měřítko měření. Koneckonců, potenciální rozdíl je velmi malá hodnota. A standardní zařízení to ani necítí a neopraví to.
Designové vlastnosti
Pokud jsme více opatrní ohledně procesu měření teploty, pak se tento postup provádí pomocí termoelektrického teploměru. Hlavním citlivým prvkem tohoto zařízení je termočlánek.
Samotný proces měření nastává v důsledku vytvoření elektromotorické síly v termočlánku. Termočlánkové zařízení má několik funkcí:
- Elektrody jsou připojeny v termočláncích k měření vysokých teplot v jednom bodě pomocí svařování elektrickým obloukem. Při měření malých indikátorů se takový kontakt provádí pomocí pájení. Speciální sloučeniny v zařízeních wolfram-rhenium a wolfram-molybden jsou prováděny pomocí těsných zákrutů bez dalšího zpracování.
- Spojení prvků se provádí pouze v pracovní oblasti a po zbytek délky jsou navzájem izolované.
- Metoda izolace se provádí v závislosti na horní hodnotě teploty. V rozsahu hodnot od 100 do 120 ° C se používá jakýkoli typ izolace, včetně vzduchu. Porcelánové tuby nebo korálky se používají při teplotách do 1300 ° C. Pokud hodnota dosáhne 2 000 ° C, použije se izolační materiál z oxidu hlinitého, hořčíku, berylia a zirkonia.
- V závislosti na prostředí použití snímače, ve kterém se měří teplota, se používá vnější ochranný kryt. Je vyroben ve formě kovové nebo keramické trubky. Tato ochrana zajišťuje hydroizolaci a ochranu povrchu termočlánku před mechanickým namáháním. Materiál vnějšího krytu musí být schopen odolat působení vysokých teplot a mít vynikající tepelnou vodivost.
Bude pro vás zajímavé Instalace elektrického panelu pod měřič a stroje
Konstrukce senzoru do značné míry závisí na podmínkách jeho použití. Při vytváření termočlánku se bere v úvahu rozsah měřených teplot, stav vnějšího prostředí, tepelná setrvačnost atd.
Výhody termočlánku
Proč nebyly termočlánky během tak dlouhé historie provozu nahrazeny pokročilejšími a modernějšími snímači teploty? Ano, z jednoduchého důvodu, že až dosud mu žádné jiné zařízení nemůže konkurovat.
Zaprvé, termočlánky jsou relativně levné. I když se ceny mohou pohybovat v širokém rozmezí v důsledku použití určitých ochranných prvků a povrchů, konektorů a konektorů.
Zadruhé, termočlánky jsou nenáročné a spolehlivé, což jim umožňuje úspěšně pracovat v agresivním teplotním a chemickém prostředí. Taková zařízení jsou dokonce instalována v plynových kotlích. Princip činnosti termočlánku zůstává vždy stejný, bez ohledu na provozní podmínky. Ne každý jiný typ senzoru vydrží takový náraz.
Technologie výroby a výroby termočlánků je v praxi jednoduchá a snadno implementovatelná.Zhruba řečeno, stačí jen zkroutit nebo svařit konce drátů z různých kovových materiálů.
Další pozitivní vlastností je přesnost měření a zanedbatelná chyba (pouze 1 stupeň). Tato přesnost je více než dostačující pro potřeby průmyslové výroby a pro vědecký výzkum.
Typy spojení termočlánků
Moderní průmysl vyrábí několik konstrukcí, které se používají při výrobě termočlánků:
- s otevřenou křižovatkou;
- s izolovanou křižovatkou;
- s uzemněným spojem.
Funkce termočlánků s otevřeným spojem je špatná odolnost vůči vnějším vlivům.
Následující dva typy konstrukce lze použít při měření teplot v agresivních médiích, která mají destruktivní účinek na dvojici kontaktů.
Kromě toho v současné době průmysl ovládá schémata pro výrobu termočlánků pomocí polovodičových technologií.
Nevýhody termočlánku
Neexistuje mnoho nevýhod termočlánku, zvláště ve srovnání s jeho nejbližšími konkurenty (teplotní senzory jiných typů), ale stále jsou a bylo by nespravedlivé o nich mlčet.
Potenciální rozdíl se tedy měří v milivoltech. Proto je nutné použít velmi citlivé potenciometry. A pokud vezmeme v úvahu, že měřicí zařízení nelze vždy umístit do bezprostřední blízkosti místa sběru experimentálních dat, je nutné použít některé zesilovače. To způsobuje řadu nepříjemností a vede ke zbytečným nákladům na organizaci a přípravu výroby.
Typy termočlánků
- Chromel-hliník
... Používají se hlavně v průmyslu. Charakteristické vlastnosti: široký teplotní rozsah měření -200 ... + 13000 ° C, dostupná cena. Není schváleno pro použití v obchodech s vysokým obsahem síry. - Chromel-copel
... Aplikace je obdobou předchozího typu, funkcí je zachování výkonu pouze v neagresivních kapalných a plynných médiích. Často se používá k měření teplot v pecích s otevřeným krbem. - Železná konstanta
... Efektivní ve zředěné atmosféře. - Platina-rhodium-platina
... Nejdražší. Vyznačují se stabilními a přesnými odečty. Používá se k měření vysokých teplot. - Wolfram-rhenium
... Obvykle mají ve svém designu ochranné kryty. Hlavní oblastí použití je měření médií s ultravysokými teplotami.
