Termocoppia: principio di funzionamento, dispositivo

Il principio di funzionamento e il design di una termocoppia è estremamente semplice. Ciò ha portato alla popolarità di questo dispositivo e al suo uso diffuso in tutti i rami della scienza e della tecnologia. La termocoppia è progettata per misurare le temperature in un ampio intervallo, da -270 a 2500 gradi Celsius. Il dispositivo è stato per decenni un assistente indispensabile per ingegneri e scienziati. Funziona in modo affidabile e impeccabile e le letture della temperatura sono sempre corrette. Un dispositivo più perfetto e preciso semplicemente non esiste. Tutti i dispositivi moderni funzionano secondo il principio della termocoppia. Lavorano in condizioni difficili.

Assegnazione termocoppia

Questo dispositivo converte l'energia termica in corrente elettrica e consente la misurazione della temperatura. A differenza dei tradizionali termometri a mercurio, è in grado di funzionare in condizioni di temperature sia estremamente basse che estremamente elevate. Questa caratteristica ha portato all'utilizzo diffuso delle termocoppie in un'ampia varietà di installazioni: forni metallurgici industriali, caldaie a gas, camere a vuoto per trattamenti termici chimici, forni per stufe a gas domestiche. Il principio di funzionamento di una termocoppia rimane sempre invariato e non dipende dal dispositivo in cui è montata.

Il funzionamento affidabile e ininterrotto della termocoppia dipende dal funzionamento del sistema di arresto di emergenza dei dispositivi in ​​caso di superamento dei limiti di temperatura consentiti. Pertanto, questo dispositivo deve essere affidabile e fornire letture accurate in modo da non mettere in pericolo la vita delle persone.

Vantaggi dell'utilizzo delle termocoppie

I vantaggi dell'utilizzo di tali dispositivi per il controllo della temperatura, indipendentemente dall'applicazione, includono:

• una vasta gamma di indicatori che possono essere registrati utilizzando una termocoppia;
• la saldatura della termocoppia, che è direttamente coinvolta nella presa delle letture, può essere posta a diretto contatto con il punto di misura;
• semplice processo di produzione delle termocoppie, la loro forza e durata.

Come funziona la termocoppia

Una termocoppia ha tre elementi principali. Questi sono due conduttori di elettricità di materiali diversi, oltre a un tubo protettivo. Le due estremità dei conduttori (chiamati anche termoelettrodi) sono saldate e le altre due sono collegate a un potenziometro (dispositivo di misurazione della temperatura).

In termini semplici, il principio di funzionamento di una termocoppia è che la giunzione dei termoelettrodi è posta in un ambiente, la cui temperatura deve essere misurata. Secondo la regola di Seebeck, si verifica una differenza di potenziale sui conduttori (altrimenti - termoelettricità). Maggiore è la temperatura dell'ambiente, più significativa è la differenza di potenziale. Di conseguenza, la freccia del dispositivo devia di più.

Nei moderni complessi di misurazione, gli indicatori di temperatura digitali hanno sostituito il dispositivo meccanico. Tuttavia, il nuovo dispositivo è lungi dall'essere sempre superiore nelle sue caratteristiche ai vecchi dispositivi dell'era sovietica. Nelle università tecniche e negli istituti di ricerca, fino ad oggi usano potenziometri 20-30 anni fa. E mostrano un'incredibile precisione di misurazione e stabilità.

Tipi di dispositivi

Ogni tipo di termocoppia ha una propria designazione e sono suddivisi in base allo standard generalmente accettato. Ogni tipo di elettrodo ha la propria abbreviazione: TXA, TXK, TBR, ecc. I convertitori sono distribuiti secondo la classificazione:

• Tipo E - è una lega di Chromel e Costantana. La caratteristica di questo dispositivo è considerata un'elevata sensibilità e prestazioni. Questo è particolarmente adatto per l'uso a temperature estremamente basse.
• J - si riferisce a una lega di ferro e costantana. Presenta un'elevata sensibilità, che può raggiungere fino a 50 μV / ° C.
• Il tipo K è considerato la lega chromel / alluminio più popolare. Queste termocoppie possono rilevare temperature che vanno da -200 ° C a +1350 ° C. I dispositivi vengono utilizzati in circuiti posti in condizioni non ossidanti ed inerti senza segni di invecchiamento. Quando si utilizzano dispositivi in ​​un ambiente piuttosto acido, il chromel si corrode rapidamente e diventa inutilizzabile per la misurazione della temperatura con una termocoppia.
• Tipo M - rappresenta le leghe di nichel con molibdeno o cobalto. I dispositivi possono resistere fino a 1400 ° C e vengono utilizzati in impianti funzionanti secondo il principio dei forni sottovuoto.
• Tipo N - dispositivi nichrosil-nisil, la cui differenza è considerata resistenza all'ossidazione. Sono utilizzati per misurare temperature nell'intervallo da -270 a +1300 ° C.

Sarà interessante per te Il dispositivo, il principio di funzionamento e l'applicazione del supercondensatore

Sono disponibili termocoppie in leghe di rodio e platino. Appartengono ai tipi B, S, R e sono considerati i dispositivi più stabili. Gli svantaggi di questi convertitori includono il prezzo elevato e la bassa sensibilità.

A temperature elevate, i dispositivi realizzati con leghe di renio e tungsteno sono ampiamente utilizzati. Inoltre, a seconda del loro scopo e delle condizioni operative, le termocoppie possono essere sommerse e superficiali.

In base alla progettazione, i dispositivi hanno un'unione o una flangia statica e mobile. I convertitori termoelettrici sono ampiamente utilizzati nei computer, che di solito sono collegati tramite una porta COM e sono progettati per misurare la temperatura all'interno del case.

Effetto Seebeck

Il principio di funzionamento di una termocoppia si basa su questo fenomeno fisico. La linea di fondo è questa: se si collegano due conduttori di materiali diversi (a volte vengono utilizzati semiconduttori), una corrente circolerà lungo tale circuito elettrico.

Pertanto, se la giunzione dei conduttori viene riscaldata e raffreddata, l'ago del potenziometro oscillerà. La corrente può essere rilevata anche da un galvanometro collegato al circuito.

Nel caso in cui i conduttori siano fatti dello stesso materiale, allora la forza elettromotrice non si verificherà, rispettivamente, non sarà possibile misurare la temperatura.

Schema di collegamento della termocoppia

I metodi più comuni per collegare gli strumenti di misura alle termocoppie sono il cosiddetto metodo semplice, oltre che quello differenziato. L'essenza del primo metodo è la seguente: il dispositivo (potenziometro o galvanometro) è collegato direttamente a due conduttori. Con il metodo differenziato vengono saldate non una, ma entrambe le estremità dei conduttori, mentre uno degli elettrodi viene "rotto" dal misuratore.

È impossibile non menzionare il cosiddetto metodo remoto per collegare una termocoppia. Il principio di funzionamento rimane invariato. L'unica differenza è che i fili di prolunga vengono aggiunti al circuito. Per questi scopi non è adatto un normale cavo di rame, poiché i fili di compensazione devono necessariamente essere realizzati con gli stessi materiali dei conduttori della termocoppia.

Svantaggi della misurazione della temperatura con una termocoppia

Gli svantaggi dell'utilizzo di una termocoppia includono:

• La necessità di un monitoraggio costante della temperatura del contatto "freddo" della termocoppia. Questa è una caratteristica distintiva del design degli strumenti di misura basati su una termocoppia. Il principio di funzionamento di questo schema restringe l'ambito della sua applicazione. Possono essere utilizzati solo se la temperatura ambiente è inferiore alla temperatura nel punto di misura.
• Violazione della struttura interna dei metalli utilizzati nella produzione di una termocoppia.Il fatto è che a causa dell'influenza dell'ambiente esterno, i contatti perdono la loro omogeneità, il che causa errori negli indicatori di temperatura ottenuti.
• Durante la misurazione, il gruppo di contatto di una termocoppia è solitamente esposto a influenze ambientali negative, che causano disturbi durante il funzionamento. Ciò richiede ancora una volta la sigillatura dei contatti, il che causa costi di manutenzione aggiuntivi per tali sensori.
• Esiste il pericolo che le onde elettromagnetiche influenzino la termocoppia, che è progettata con un lungo gruppo di contatto. Ciò può anche influenzare i risultati della misurazione.
• In alcuni casi, vi è una violazione della relazione lineare tra la corrente elettrica che si genera nella termocoppia e la temperatura nel punto di misurazione. Questa situazione richiede la calibrazione dell'apparecchiatura di controllo.

Materiali conduttori

Il principio di funzionamento di una termocoppia si basa sul verificarsi di una differenza di potenziale nei conduttori. Pertanto, la selezione dei materiali degli elettrodi deve essere affrontata in modo molto responsabile. La differenza nelle proprietà chimiche e fisiche dei metalli è il fattore principale nel funzionamento di una termocoppia, il cui dispositivo e principio di funzionamento si basano sul verificarsi di un EMF di autoinduzione (differenza di potenziale) nel circuito.

I metalli tecnicamente puri non sono adatti per l'uso come termocoppia (ad eccezione del ferro ARMKO). Vengono comunemente utilizzate varie leghe di metalli non ferrosi e preziosi. Tali materiali hanno caratteristiche fisiche e chimiche stabili, quindi le letture della temperatura saranno sempre accurate e obiettive. Stabilità e precisione sono qualità fondamentali nell'organizzazione dell'esperimento e del processo produttivo.

Attualmente, le termocoppie più comuni sono dei seguenti tipi: E, J, K.

Il principio di funzionamento e la struttura delle termocoppie

La termocoppia è composta da due conduttori e da un tubo che funge da protezione per i termoelettrodi. I termoelettrodi sono costituiti da metalli base e nobili, il più delle volte leghe, fissati tra loro ad un'estremità (estremità di lavoro o giunzione calda), quindi formano una delle parti del dispositivo. Le altre estremità della termocoppia (montanti o giunzione fredda) sono collegate al voltmetro. Un EMF appare nel mezzo di due terminali non collegati, il valore dipende dalla temperatura dell'estremità di lavoro.

Convertitori termici identici combinati in parallelo chiudono il circuito, secondo la regola di Seebeck, considereremo ulteriormente questa regola, tra loro si forma una differenza di potenziale di contatto o un effetto termoelettrico, le cariche elettriche appaiono sui conduttori quando si toccano, sorge una differenza di potenziale tra le estremità libere, e dipende dalla differenza di temperatura. Solo quando la temperatura tra i termoelettrodi è la stessa, la differenza di potenziale è pari a zero.

Ad esempio: Posizionando una giunzione con coefficienti diversi da zero, in due pentole bollenti con liquido, la temperatura della prima è 50, e la seconda è 45, quindi la differenza di potenziale sarà 5.

La differenza di potenziale è determinata dalla differenza di temperatura tra le sorgenti. Anche il materiale di cui sono fatti gli elettrodi della termocoppia dipende. Esempio: una termocoppia Chromel-Alumel ha un coefficiente di temperatura di 41 e una Chromel-Constantan ha un coefficiente di 68.

Termocoppia tipo K

Questo è forse il tipo di termocoppia più comune e ampiamente utilizzato. Un paio di Chromel - alluminio funziona alla grande a temperature comprese tra -200 e 1350 gradi Celsius. Questo tipo di termocoppia è altamente sensibile e rileva anche un piccolo salto di temperatura. Grazie a questo insieme di parametri, la termocoppia viene utilizzata sia nella produzione che nella ricerca scientifica. Ma ha anche un inconveniente significativo: l'influenza della composizione dell'atmosfera di lavoro. Quindi, se questo tipo di termocoppia funziona in un ambiente CO2, la termocoppia darà letture errate.Questa funzione limita l'uso di questo tipo di dispositivo. Il circuito e il principio di funzionamento della termocoppia rimangono invariati. L'unica differenza è nella composizione chimica degli elettrodi.

Tipi di termocoppie

I requisiti tecnici per le termocoppie sono determinati da GOST 6616-94. Le tabelle standard per i termometri termoelettrici: le caratteristiche nominali di conversione statica (NSC), le classi di tolleranza e gli intervalli di misurazione sono fornite nella norma IEC 60584-1.2 e in GOST R 8.585-2001.

• platino-rodio-platino - TPP13 - Tipo R
• platino-rodio-platino - TPP10 - Tipo S
• platino-rodio-platino-rodio - TPR - Tipo B
• ferro-costantana (ferro-rame-nichel) TLC - Tipo J
• rame-costantana (rame-rame-nichel) TMKn - Tipo T
• nichrosil-nisil (nichel-cromo-nichel-nichel-silicio) TNN - Tipo N.
• chromel-alumel - TXA - Tipo K
• Chromel-Costantana TChKn - Tipo E
• chromel-copel - THK - Tipo L
• rame-copel - TMK - Tipo M
• silkh-silin - ТСС - Tipo I
• tungsteno e renio - tungsteno renio - TVR - Tipo A-1, A-2, A-3

La composizione esatta della lega delle termocoppie per termocoppie in metallo di base non è fornita nella IEC 60584-1. НСХ per le termocoppie chromel-copel ТХК e le termocoppie al tungsteno-renio sono definite solo in GOST R 8.585-2001. Non ci sono dati di termocoppia nello standard IEC. Per questo motivo, le caratteristiche dei sensori importati realizzati con questi metalli possono differire significativamente da quelli domestici, ad esempio, il tipo L importato e il THK domestico non sono intercambiabili. Allo stesso tempo, di regola, le apparecchiature importate non sono progettate per lo standard nazionale.

Lo standard IEC 60584 è attualmente in fase di revisione. Si prevede di introdurre nelle termocoppie standard tungsteno-renio di tipo A-1, per le quali NSX corrisponderà allo standard russo, e di tipo C secondo lo standard ASTM [6].

Nel 2008, IEC ha introdotto due nuovi tipi di termocoppie: oro-platino e platino-palladio. Il nuovo standard IEC 62460 stabilisce tabelle standard per queste termocoppie di metallo puro. Non esiste ancora uno standard russo simile.

Controllo del funzionamento della termocoppia

Se la termocoppia si guasta, non può essere riparata. In teoria, puoi, ovviamente, aggiustarlo, ma se il dispositivo mostrerà la temperatura esatta dopo è una grande domanda.

A volte il guasto di una termocoppia non è ovvio e ovvio. In particolare, questo vale per gli scaldacqua a gas. Il principio di funzionamento di una termocoppia è sempre lo stesso. Tuttavia, svolge un ruolo leggermente diverso e non è inteso per visualizzare le letture di temperatura, ma per il funzionamento della valvola. Pertanto, per rilevare un malfunzionamento di tale termocoppia, è necessario collegare un dispositivo di misurazione (tester, galvanometro o potenziometro) ad esso e riscaldare la giunzione della termocoppia. Per fare questo, non è necessario tenerlo su un fuoco aperto. Basta stringerlo a pugno e vedere se la freccia del dispositivo devierà.

Le ragioni del guasto delle termocoppie possono essere diverse. Quindi, se non si indossa uno speciale dispositivo di schermatura sulla termocoppia posta nella camera del vuoto dell'unità di nitrurazione ionica plasma, nel tempo diventerà sempre più fragile fino a quando uno dei conduttori si rompe. Inoltre, non è esclusa la possibilità di un funzionamento errato della termocoppia a causa di un cambiamento nella composizione chimica degli elettrodi. Dopotutto, i principi fondamentali della termocoppia vengono violati.

Anche le apparecchiature a gas (caldaie, colonne) sono dotate di termocoppie. La causa principale del guasto dell'elettrodo sono i processi ossidativi che si sviluppano ad alte temperature.

Nel caso in cui le letture del dispositivo siano deliberatamente false e durante un esame esterno non siano stati trovati morsetti deboli, la ragione, molto probabilmente, risiede nel guasto del dispositivo di controllo e misurazione. In questo caso, deve essere restituito per la riparazione.Se disponi delle qualifiche appropriate, puoi provare a risolvere il problema da solo.

E in generale, se l'ago del potenziometro o l'indicatore digitale mostra almeno alcuni "segni di vita", la termocoppia funziona bene. In questo caso, il problema è chiaramente qualcos'altro. E di conseguenza, se il dispositivo non reagisce in alcun modo a evidenti cambiamenti nel regime di temperatura, è possibile modificare in sicurezza la termocoppia.

Tuttavia, prima di smontare la termocoppia e installarne una nuova, è necessario assicurarsi che sia difettosa. Per fare ciò, è sufficiente suonare la termocoppia con un normale tester, o meglio ancora, misurare la tensione di uscita. È improbabile che solo un normale voltmetro aiuti qui. Avrai bisogno di un millivoltmetro o tester con la possibilità di selezionare una scala di misurazione. Dopo tutto, la differenza potenziale è un valore molto piccolo. E un dispositivo standard non lo sentirà nemmeno e non lo risolverà.

Caratteristiche del progetto

Se siamo più scrupolosi sul processo di misurazione della temperatura, questa procedura viene eseguita utilizzando un termometro termoelettrico. Il principale elemento sensibile di questo dispositivo è una termocoppia.

Il processo di misurazione stesso si verifica a causa della creazione di una forza elettromotrice nella termocoppia. Ci sono alcune caratteristiche di un dispositivo a termocoppia:

• Gli elettrodi sono collegati in termocoppie per misurare le alte temperature in un punto utilizzando la saldatura ad arco elettrico. Quando si misurano piccoli indicatori, tale contatto viene effettuato mediante saldatura. Composti speciali in dispositivi di tungsteno-renio e tungsteno-molibdeno vengono eseguiti utilizzando torsioni strette senza ulteriore elaborazione.
• Il collegamento degli elementi viene eseguito solo nell'area di lavoro e lungo il resto della lunghezza sono isolati l'uno dall'altro.
• Il metodo di isolamento viene eseguito in base al valore di temperatura superiore. Con un campo di valori da 100 a 120 ° C, viene utilizzato qualsiasi tipo di isolamento, compresa l'aria. I tubi o le perle di porcellana vengono utilizzati a temperature fino a 1300 ° C. Se il valore raggiunge i 2000 ° C, viene utilizzato un materiale isolante di ossido di alluminio, magnesio, berillio e zirconio.
• Viene utilizzata una copertura protettiva esterna a seconda dell'ambiente di utilizzo del sensore in cui viene misurata la temperatura. È realizzato sotto forma di un tubo di metallo o ceramica. Questa protezione fornisce impermeabilità e protezione superficiale della termocoppia da sollecitazioni meccaniche. Il materiale del rivestimento esterno deve essere in grado di resistere all'esposizione ad alte temperature e avere un'eccellente conduttività termica.

Sarà interessante per te Installazione di un quadro elettrico sotto il contatore e macchine

Il design del sensore dipende in gran parte dalle condizioni del suo utilizzo. Quando si crea una termocoppia, vengono presi in considerazione l'intervallo di temperature misurate, lo stato dell'ambiente esterno, l'inerzia termica, ecc.

Vantaggi della termocoppia

Perché le termocoppie non sono state sostituite da sensori di misurazione della temperatura più avanzati e moderni nel corso di una così lunga storia di funzionamento? Sì, per il semplice motivo che fino ad ora nessun altro dispositivo può competere con esso.

Innanzitutto, le termocoppie sono relativamente economiche. Sebbene i prezzi possano variare in un'ampia gamma a causa dell'uso di determinati elementi e superfici protettive, connettori e connettori.

In secondo luogo, le termocoppie sono semplici e affidabili, il che consente loro di funzionare con successo in ambienti chimici e di temperatura aggressivi. Tali dispositivi sono persino installati nelle caldaie a gas. Il principio di funzionamento di una termocoppia rimane sempre lo stesso, indipendentemente dalle condizioni operative. Non tutti gli altri tipi di sensori saranno in grado di resistere a un tale impatto.

La tecnologia per la produzione e la fabbricazione di termocoppie è semplice e facile da implementare nella pratica.In parole povere, è sufficiente torcere o saldare le estremità dei fili di diversi materiali metallici.

Un'altra caratteristica positiva è l'accuratezza delle misurazioni e l'errore trascurabile (solo 1 grado). Questa precisione è più che sufficiente per le esigenze della produzione industriale e per la ricerca scientifica.

Tipi di giunzioni per termocoppie

L'industria moderna produce diversi modelli utilizzati nella produzione di termocoppie:

• con una giunzione aperta;
• con una giunzione isolata;
• con una giunzione a terra.

Una caratteristica delle termocoppie a giunzione aperta è la scarsa resistenza alle influenze esterne.

I seguenti due tipi di costruzione possono essere utilizzati quando si misurano le temperature in fluidi aggressivi che hanno un effetto distruttivo sulla coppia di contatti.

Inoltre, attualmente l'industria sta padroneggiando schemi per la produzione di termocoppie utilizzando tecnologie a semiconduttore.

Svantaggi della termocoppia

Non ci sono molti svantaggi di una termocoppia, soprattutto se confrontata con i suoi concorrenti più vicini (sensori di temperatura di altri tipi), ma lo sono comunque, e sarebbe ingiusto tacere su di loro.

Quindi, la differenza di potenziale viene misurata in millivolt. Pertanto, è necessario utilizzare potenziometri molto sensibili. E se teniamo conto che i dispositivi di misurazione non possono sempre essere posizionati nelle immediate vicinanze del luogo di raccolta dei dati sperimentali, è necessario utilizzare alcuni amplificatori. Ciò causa una serie di inconvenienti e porta a costi inutili nell'organizzazione e nella preparazione della produzione.

Tipi di termocoppie

• Cromo-alluminio
  ... Sono utilizzati principalmente nell'industria. Caratteristiche caratteristiche: ampio range di temperatura di misura -200 ... + 13000 ° C, costo contenuto. Non approvato per l'uso in negozi con un alto contenuto di zolfo.
• Chromel-copel
  ... L'applicazione è simile al tipo precedente, la caratteristica è la conservazione delle prestazioni solo in mezzi liquidi e gassosi non aggressivi. Spesso utilizzato per misurare le temperature in forni a focolare aperto.
• Costante di ferro
  ... Efficace in un'atmosfera rarefatta.
• Platino-rodio-platino
  ... Il più costoso. Sono caratterizzati da letture stabili e accurate. Utilizzato per misurare le alte temperature.
• Tungsteno-renio
  ... Di solito, hanno coperture protettive nel loro design. La principale area di applicazione è la misura di fluidi con temperature elevatissime.