A hőelem működési elve és kialakítása rendkívül egyszerű. Ez vezetett ennek az eszköznek a népszerűségéhez és széles körű használatához a tudomány és a technológia minden területén. A hőelemet úgy tervezték, hogy széles tartományban mérje a hőmérsékleteket - -270 és 2500 Celsius fok között. A készülék évtizedek óta nélkülözhetetlen asszisztens a mérnökök és a tudósok számára. Megbízhatóan és hibátlanul működik, és a hőmérsékleti adatok mindig igazak. Tökéletesebb és pontosabb eszköz egyszerűen nem létezik. Minden modern eszköz a hőelem elvén működik. Nehéz körülmények között dolgoznak.
Hőelem hozzárendelés
Ez a készülék átalakítja a hőenergiát elektromos árammá, és lehetővé teszi a hőmérséklet mérését. A hagyományos higanyhőmérőktől eltérően rendkívül alacsony és rendkívül magas hőmérsékleti viszonyok között is képes működni. Ez a funkció a hőelemek széles körű használatához vezetett a legkülönbözőbb létesítményekben: ipari kohászati kemencék, gázkazánok, vákuumkamrák kémiai hőkezeléshez, kemencék háztartási gáztűzhelyekhez. A hőelem működési elve mindig ugyanaz marad, és nem függ attól az eszköztől, amelybe fel van szerelve.
A hőelem megbízható és megszakítás nélküli működése a készülékek vészleállító rendszerének működésétől függ, ha túllépik a megengedett hőmérsékleti határokat. Ezért ennek a készüléknek megbízhatónak és pontos leolvasást kell nyújtania, hogy ne veszélyeztesse az emberek életét.
A hőelemek használatának előnyei
Az ilyen eszközök hőmérséklet-szabályozásra való alkalmazásának előnyei, az alkalmazástól függetlenül:
- a hőelem segítségével rögzíthető indikátorok széles skálája;
- a hőelem forrasztása, amely közvetlenül részt vesz az értékek felvételében, közvetlenül érintkezésbe hozható a mérési ponttal;
- a hőelemek gyártásának egyszerű folyamata, erőssége és tartóssága.
Hogyan működik a hőelem
A hőelemnek három fő eleme van. Ez két különböző anyagú áramvezető, valamint egy védőcső. A vezetők (más néven hőelektródák) két végét forrasztják, a másik kettőt pedig egy potenciométerhez (hőmérsékletmérő készülékhez) kötik.
Egyszerűbben fogalmazva: a hőelem működésének elve az, hogy a hőelemek csatlakozását olyan környezetbe helyezzük, amelynek hőmérsékletét meg kell mérni. A Seebeck-szabálynak megfelelően potenciálkülönbség keletkezik a vezetőkön (különben - hőelektromosság). Minél magasabb a környezet hőmérséklete, annál jelentősebb a potenciális különbség. Ennek megfelelően a készülék nyílja jobban eltér.
A modern mérőkomplexumokban digitális hőmérsékletjelzők helyettesítették a mechanikus eszközt. Az új eszköz azonban jellemzői szerint messze nem mindig magasabb a szovjet korszak régi eszközeinél. A műszaki egyetemeken és a kutatóintézetekben a mai napig 20-30 évvel ezelőtt használják a potenciométereket. És csodálatos mérési pontosságot és stabilitást mutatnak.
Eszközök típusai
Minden hőelem típusnak megvan a maga megnevezése, és az általánosan elfogadott szabvány szerint vannak felosztva. Minden elektródatípusnak megvan a maga rövidítése: TXA, TXK, TBR stb. A konvertereket az osztályozás szerint osztják el:
- E típus - a kromel és a konstán ötvözete. Ennek az eszköznek a jellemzőjét magas érzékenységnek és teljesítménynek tekintik. Ez különösen alkalmas rendkívül alacsony hőmérsékleten történő használatra.
- J - a vas és a konstán ötvözetére utal. Nagy érzékenységgel rendelkezik, amely akár 50 μV / ° C-ot is elérhet.
- A K típus a legnépszerűbb króm / alumínium ötvözet. Ezek a hőelemek képesek -200 ° C és +1350 ° C közötti hőmérsékleteket érzékelni. Az eszközöket olyan áramkörökben használják, amelyek nem oxidáló és inert körülmények között vannak, és nincsenek öregedési jeleik. Ha meglehetősen savas környezetben használja az eszközöket, a kromel gyorsan korrodálódik, és használhatatlanná válik a hőmérséklet mérésére hőelem segítségével.
- M típus - a nikkel ötvözeteit jelenti molibdénnel vagy kobalttal. Az eszközök akár 1400 ° C-ot is kibírnak, és a vákuumkemencék elvén működő létesítményekben használják.
- N típus - nichrosil-nisil eszközök, amelyek különbségének az oxidációval szembeni ellenállást tekintik. -270 és +1300 ° C közötti hőmérséklet-mérésre szolgálnak.
Érdekes lesz az Ön számára A készülék, a működési elv és a szuperkondenzátor alkalmazása
Vannak ródium- és platinaötvözetekből készült hőelemek. A B, S, R típusokba tartoznak, és a legstabilabb eszközöknek számítanak. Ezen átalakítók hátrányai közé tartozik a magas ár és az alacsony érzékenység.
Magas hőmérsékleten a réniumból és volfrámötvözetből készült eszközöket széles körben használják. Ezen túlmenően, a hőelemek rendeltetésüknek és működési körülményeiknek megfelelően lehetnek merülők és felszínen.
Tervezésük szerint az eszközök statikus és mozgatható csatlakozással vagy peremmel rendelkeznek. A hőelektromos konvertereket széles körben használják a számítógépekben, amelyeket általában COM porton keresztül kötnek össze, és amelyeket a ház belsejében lévő hőmérséklet mérésére terveztek.
Seebeck-effektus
A hőelem működési elve ezen a fizikai jelenségen alapszik. A lényeg a következő: ha két különböző anyagú vezetőt csatlakoztatunk egymáshoz (néha félvezetőket használunk), akkor egy áram áramlik egy ilyen elektromos áramkör mentén.
Tehát, ha a vezetők csatlakozását felmelegítik és lehűtik, a potenciométer tűje rezegni fog. Az áramot az áramkörhöz csatlakoztatott galvanométerrel is fel lehet mérni.
Abban az esetben, ha a vezetők ugyanabból az anyagból készülnek, akkor az elektromotoros erő nem keletkezik, illetve nem lehet mérni a hőmérsékletet.
Hőelem csatlakozási diagram
A mérőműszerek és a hőelemek összekapcsolásának leggyakoribb módszerei az úgynevezett egyszerű módszer, valamint a differenciált módszer. Az első módszer lényege a következő: az eszköz (potenciométer vagy galvanométer) közvetlenül két vezetőhöz van csatlakoztatva. A differenciált módszerrel a vezetőknek nem egy, hanem mindkét vége van forrasztva, miközben az egyik elektródát a mérőeszköz "megtöri".
Lehetetlen nem beszélni a hőelem összekapcsolásának úgynevezett távoli módszeréről. A működés elve változatlan marad. Az egyetlen különbség az, hogy hosszabbító vezetékeket adnak az áramkörhöz. Erre a célra egy közönséges rézkábel nem megfelelő, mivel a kompenzációs vezetékeknek szükségszerűen ugyanabból az anyagból kell készülniük, mint a hőelemek vezetői.
Hőmérséklet-mérés hőelemekkel
A hőelem használatának hátrányai a következők:
- A hőelem "hideg" érintkezésének hőmérsékletének folyamatos ellenőrzésének szükségessége. Ez a hőelemre épülő mérőműszerek tervezésének megkülönböztető jellemzője. A rendszer működési elve szűkíti alkalmazási körét. Csak akkor használhatók, ha a környezeti hőmérséklet alacsonyabb, mint a mérési pont hőmérséklete.
- A hőelem gyártásához használt fémek belső szerkezetének megsértése.Az a tény, hogy a külső környezet hatására az érintkezők elveszítik homogenitásukat, ami hibákat okoz a kapott hőmérsékleti mutatókban.
- A mérési folyamat során a hőelem kontaktcsoportja általában negatív környezeti hatásoknak van kitéve, ami üzemzavarokat okoz működés közben. Ez ismét megköveteli az érintkezők lezárását, ami további karbantartási költségeket jelent az ilyen érzékelők számára.
- Elektromágneses hullámok veszélye fenyegetheti a hőelemet, amelyet hosszú kontaktcsoporttal terveztek. Ez a mérési eredményeket is befolyásolhatja.
- Bizonyos esetekben megsértik a hőelemben keletkező elektromos áram és a mérési pont hőmérséklete közötti lineáris kapcsolatot. Ez a helyzet megköveteli a vezérlőberendezés kalibrálását.
Vezető anyagok
A hőelem működési elve a vezetők potenciálkülönbségének előfordulásán alapul. Ezért az elektród anyagok kiválasztását nagyon felelősségteljesen kell megközelíteni. A fémek kémiai és fizikai tulajdonságainak különbsége a fő tényező a hőelem működésében, amelynek eszköze és működési elve az önindukció (potenciálkülönbség) EMF-jének megjelenésén alapul az áramkörben.
A technikailag tiszta fémek nem alkalmasak hőelemként való felhasználásra (az ARMCO-vas kivételével). Általában különféle színes és nemesfém ötvözeteket használnak. Az ilyen anyagok stabil fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, így a hőmérsékleti adatok mindig pontosak és objektívek lesznek. A stabilitás és a pontosság kulcsfontosságú tulajdonság a kísérlet megszervezésében és a gyártási folyamatban.
Jelenleg a leggyakoribb hőelemek a következő típusok: E, J, K.
A hőelemek működésének elve és felépítése
A hőelem két vezetőből és egy csőből áll, amely védelmet nyújt a hőelektródák számára. A hőelektródák nemesfémekből és nemesfémekből, leggyakrabban ötvözetekből állnak, amelyek egyik végén egymáshoz vannak rögzítve (munka vége vagy forró csomópont), így alkotják a készülék egyik részét. A hőelem többi vége (felszállók vagy hideg elágazás) a feszültségmérőhöz csatlakozik. Az EMF két nem kapcsolt terminál közepén fordul elő, az érték a munka végének hőmérsékletétől függ.
A párhuzamosan kombinált azonos hőátalakítók bezárják az áramkört, a Seebeck-szabály szerint ezt a szabályt tovább fogjuk vizsgálni, kontaktpotenciál-különbség vagy termoelektromos hatás keletkezik közöttük, elektromos töltések jelennek meg a vezetőkön, amikor megérintenek, potenciálkülönbség keletkezik szabad végük, és ez a hőmérséklet-különbségtől függ. Csak akkor, ha a hőelemek közötti hőmérséklet azonos, a potenciálkülönbség nulla.
Például: Ha egy nullától eltérő együtthatójú csomópontot helyezünk két forrásban lévő folyadékos edénybe, az első hőmérséklete 50, a másodiké 45, akkor a potenciális különbség 5 lesz.
A potenciálkülönbséget a források közötti hőmérséklet-különbség határozza meg. Az is függ, hogy milyen anyagból készülnek a hőelem elektródák. Példa: A Chromel-Alumel hőelem hőmérséklet-együtthatója 41, a Chromel-Constantané pedig 68-as.
K típusú hőelem
Talán ez a leggyakoribb és legszélesebb körben használt hőelem típus. Egy pár króm-alumínium kiválóan működik -200 és 1350 Celsius fok közötti hőmérsékleten. Ez a típusú hőelem nagyon érzékeny, és még egy kis hőmérséklet-megugrást is érzékel. Ennek a paraméterkészletnek köszönhetően a hőelemet mind a gyártásban, mind a tudományos kutatásban használják. De van egy jelentős hátránya is - a munkahelyi légkör összetételének hatása. Tehát, ha ez a típusú hőelem CO2 környezetben működik, akkor a hőelem helytelen értékeket ad.Ez a szolgáltatás korlátozza az ilyen típusú eszközök használatát. A hőelem sémája és működési elve változatlan marad. Az egyetlen különbség az elektródok kémiai összetételében van.
A hőelemek típusai
A hőelemekre vonatkozó műszaki követelményeket a GOST 6616-94 határozza meg. A termoelektromos hőmérők standard táblázatai - névleges statikus konverziós jellemzők (NSC), tűrésosztályok és mérési tartományok az IEC 60584-1.2 szabványban és a GOST R 8.585-2001 szabványban találhatók.
- platina-ródium-platina - TPP13 - R típus
- platina-ródium-platina - TPP10 - S típus
- platina-ródium-platina-ródium - TPR - B típus
- vas-konstantán (vas-réz-nikkel) TLC - J típus
- réz-konstán (réz-réz-nikkel) TMKn - T típus
- nichrosil-nisil (nikkel-króm-nikkel-nikkel-szilícium) TNN - N. típus.
- króm-alumínium - TXA - K típus
- króm-konstans TChKn - E típus
- chromel-copel - THK - L típus
- réz-kopel - TMK - M típus
- selyem-szilin - ТСС - I. típus
- volfrám és rénium - volfrám-rénium - TVR - A-1, A-2, A-3 típus
A nemelemes hőelemek hőelemeinek pontos ötvözetösszetételét az IEC 60584-1 nem tartalmazza. A kromel-kopel hőelemek ТХК és a volfrám-rénium hőelemek НСХ-ját csak a GOST R 8.585-2001. Az IEC szabványban nincsenek hőelemadatok. Emiatt az ezekből a fémekből importált érzékelők jellemzői jelentősen eltérhetnek a belföldiektől, például az importált L típusú és a hazai THK nem cserélhető fel egymással. Ugyanakkor az importált berendezéseket általában nem a hazai szabványnak megfelelően alakították ki.
Az IEC 60584 szabvány jelenleg felülvizsgálat alatt áll. A tervek szerint az A-1 típusú volfrám-rénium termoelemeket vezetik be, amelyekre az NSX megfelel az orosz szabványnak, és a C típusúakat az ASTM szabványnak [6].
2008-ban az IEC két új típusú hőelemet vezetett be: arany-platina és platina-palládium. Az új IEC 62460 szabvány szabványos táblázatokat hoz létre ezekhez a tiszta fém hőelemekhez. Még nincs hasonló orosz szabvány.
A hőelem működésének ellenőrzése
Ha a hőelem meghibásodik, akkor nem javítható. Elméletileg természetesen meg lehet javítani, de hogy a készülék ezután megmutatja-e a pontos hőmérsékletet, az nagy kérdés.
Néha a hőelem meghibásodása nem nyilvánvaló és nyilvánvaló. Ez különösen a gázmelegítőkre vonatkozik. A hőelem működési elve továbbra is ugyanaz. Ennek azonban kissé más szerepe van, és nem a hőmérsékleti értékek megjelenítésére szolgál, hanem a szelep működésére. Ezért egy ilyen hőelem hibás működésének észleléséhez mérőeszközt (tesztert, galvanométert vagy potenciométert) kell csatlakoztatni hozzá, és fel kell melegíteni a hőelem csatlakozását. Ehhez nem szükséges nyílt tűz felett tartani. Elég csak ökölbe szorítani és megnézni, hogy a készülék nyílja eltér-e.
A hőelemek meghibásodásának okai különbözőek lehetnek. Tehát, ha nem tesz fel egy speciális árnyékoló eszközt az ion-plazma nitridáló egység vákuumkamrájában elhelyezett hőelemre, akkor az idő múlásával egyre törékenyebb lesz, amíg az egyik vezető meg nem szakad. Ezenkívül nincs kizárva a hőelem helytelen működésének lehetősége az elektródák kémiai összetételének változása miatt. Végül is megsértik a hőelem alapelveit.
A gázberendezések (kazánok, oszlopok) szintén hőelemekkel vannak felszerelve. Az elektróda meghibásodásának fő oka az oxidatív folyamatok, amelyek magas hőmérsékleten alakulnak ki.
Abban az esetben, ha az eszköz leolvasása szándékosan hamis, és egy külső vizsgálat során nem találtak gyenge bilincseket, akkor az ok valószínűleg a vezérlő és a mérőeszköz meghibásodásában rejlik. Ebben az esetben vissza kell küldeni javításra.Ha rendelkezik megfelelő képesítéssel, megpróbálhatja maga megoldani a problémát.
És általában, ha a potenciométer tűje vagy digitális kijelzője legalább néhány "életjelet" mutat, akkor a hőelem jó állapotban van. Ebben az esetben a probléma egyértelműen valami más. Ennek megfelelően, ha az eszköz semmilyen módon nem reagál a hőmérsékleti rendszer nyilvánvaló változásaira, akkor biztonságosan megváltoztathatja a hőelemet.
Mielőtt azonban a hőelemet szétszerelné és újat telepítene, teljes mértékben meg kell győződnie arról, hogy hibás-e. Ehhez elegendő a hőelemet közönséges teszterrel megcsörgetni, vagy még jobb, ha megmérik a kimeneti feszültséget. Csak egy közönséges voltmérő valószínűleg nem segít itt. Szüksége lesz millivoltmérőre vagy tesztelőre, amely képes kiválasztani a mérési skálát. Végül is a potenciális különbség nagyon kicsi érték. És egy szokásos eszköz nem is fogja érezni, és nem is fogja kijavítani.
Tervezési jellemzők
Ha alaposabban megvizsgáljuk a hőmérséklet mérésének folyamatát, akkor ezt az eljárást hőelektromos hőmérővel végezzük. A készülék fő érzékeny eleme egy hőelem.
Maga a mérési folyamat egy elektromotoros erő létrehozásának köszönhető a hőelemben. A hőelemes eszköz néhány jellemzője:
- Az elektródák hőelemekben vannak összekötve, hogy a magas hőmérsékletet egy ponton elektromos ívhegesztéssel mérjék. Kis mérők mérésekor egy ilyen érintkezést forrasztással végeznek. A volfrám-rénium és a volfrám-molibdén készülékek speciális vegyületeit szoros csavarásokkal hajtják végre további feldolgozás nélkül.
- Az elemek összekapcsolását csak a munkaterületen végzik, és a fennmaradó hossz mentén el vannak szigetelve egymástól.
- A szigetelési módszert a felső hőmérsékleti értéktől függően hajtják végre. 100 és 120 ° C közötti tartományban bármilyen típusú szigetelést alkalmaznak, beleértve a levegőt is. A porceláncsöveket vagy gyöngyöket legfeljebb 1300 ° C hőmérsékleten használják. Ha az érték eléri a 2000 ° C-ot, alumínium-oxid, magnézium, berillium és cirkónium szigetelőanyagát használjuk.
- Külső védőburkolatot használnak az érzékelő használati környezetétől függően, amelyben a hőmérsékletet mérik. Fém vagy kerámia cső formájában készül. Ez a védelem biztosítja a hőelem vízszigetelését és felületi védelmét a mechanikai igénybevételtől. A külső burkolat anyagának ellen kell állnia a magas hőmérsékletnek való kitettségnek, és kiváló hővezető képességgel kell rendelkeznie.
Érdekes lesz az Ön számára Elektromos panel felszerelése a mérő és a gépek alatt
Az érzékelő kialakítása nagyban függ a használat körülményeitől. Hőelem létrehozásakor figyelembe veszik a mért hőmérséklet tartományát, a külső környezet állapotát, a termikus tehetetlenséget stb.
A hőelem előnyei
Miért nem helyettesítették a hőelemeket fejlettebb és modernebb hőmérsékletmérő szenzorok ilyen hosszú működési múlt alatt? Igen, abból az egyszerű okból, hogy eddig egyetlen más eszköz sem versenyezhet vele.
Először is, a hőelemek viszonylag olcsók. Bár az árak széles tartományban ingadozhatnak bizonyos védőelemek és felületek, csatlakozók és csatlakozók használatának eredményeként.
Másodszor, a hőelemek igénytelenek és megbízhatóak, ami lehetővé teszi számukra, hogy agresszív hőmérsékleti és kémiai környezetben sikeresen üzemeltessék őket. Az ilyen eszközöket még a gázkazánokba is beépítik. A hőelem működési elve mindig ugyanaz marad, függetlenül a működési körülményektől. Nem minden más típusú érzékelő képes ellenállni egy ilyen hatásnak.
A hőelemek gyártásának és gyártásának technológiája egyszerű és a gyakorlatban könnyen megvalósítható.Nagyjából elmondható, hogy elég csak a huzalok végét különböző fémanyagokból csavarni vagy hegeszteni.
További pozitív jellemző a mérések pontossága és az elhanyagolható hiba (csak 1 fok). Ez a pontosság több mint elegendő az ipari termelés és a tudományos kutatás szükségleteihez.
A hőelem-csomópontok típusai
A modern ipar számos tervet készít, amelyeket a hőelemek gyártásához használnak:
- nyitott elágazással;
- elszigetelt elágazással;
- földelt elágazással.
A nyílt csomópontú hőelemek jellemzője a külső behatásokkal szembeni gyenge ellenállás.
A következő kétféle konstrukció használható agresszív közegben mért hőmérséklet mérésekor, amelyek rontó hatással vannak az érintkezőpárra.
Ezenkívül az ipar jelenleg félvezető technológiák alkalmazásával elsajátítja a hőelemek gyártásának sémáit.
A hőelem hátrányai
A hőelemnek nincs sok hátránya, főleg összehasonlítva a legközelebbi versenytársakkal (más típusú hőmérséklet-érzékelők), de mégis vannak, és igazságtalan lenne hallgatni róluk.
Tehát a potenciálkülönbséget millivoltban mérjük. Ezért nagyon érzékeny potenciométereket kell használni. És ha figyelembe vesszük, hogy az adagolóeszközök nem mindig helyezhetők el a kísérleti adatok gyűjtési helyének közvetlen közelében, akkor néhány erősítőt kell használni. Ez számos kellemetlenséget okoz, és felesleges költségekhez vezet a termelés megszervezésében és előkészítésében.
A hőelemek típusai
- Króm-alumínium
... Főleg az iparban használják. Jellemző tulajdonságok: széles hőmérsékleti tartomány -200 ... + 13000 ° C, megfizethető költség. Nem engedélyezett nagy kéntartalmú üzletekben való használatra. - Chromel-copel
... Az alkalmazás hasonló az előző típushoz, jellemzője a teljesítmény megőrzése csak nem agresszív folyékony és gáznemű közegekben. Gyakran használják a hőmérséklet mérésére a kandallókemencékben. - Vasállandó
... Hatékony ritka légkörben. - Platina-ródium-platina
... Legdrágább. Stabil és pontos leolvasások jellemzik őket. Magas hőmérséklet mérésére szolgál. - Volfrám-rénium
... Rendszerint védőburkolattal rendelkeznek. A fő alkalmazási terület az ultramagas hőmérsékletű közegek mérése.
