Принципът на действие и дизайн на термодвойка е изключително прост. Това доведе до популярността на това устройство и широкото му използване във всички отрасли на науката и техниката. Термодвойката е предназначена за измерване на температури в широк диапазон - от -270 до 2500 градуса по Целзий. Устройството е незаменим помощник за инженери и учени от десетилетия. Работи надеждно и безупречно, а показанията на температурата винаги са верни. По-перфектно и точно устройство просто не съществува. Всички съвременни устройства работят на принципа на термодвойката. Те работят в трудни условия.
Присвояване на термодвойки
Това устройство преобразува топлинната енергия в електрически ток и позволява измерване на температурата. За разлика от традиционните живачни термометри, той е способен да работи както при изключително ниски, така и при изключително високи температури. Тази характеристика доведе до широкото използване на термодвойки в голямо разнообразие от инсталации: промишлени металургични пещи, газови котли, вакуумни камери за химическа термична обработка, фурна за битови газови печки. Принципът на работа на термодвойка винаги остава непроменен и не зависи от устройството, в което е монтиран.
Надеждната и непрекъсната работа на термодвойката зависи от работата на системата за аварийно изключване на устройства в случай на превишаване на допустимите температурни граници. Следователно това устройство трябва да е надеждно и да дава точни показания, за да не застрашава живота на хората.
Предимства от използването на термодвойки
Предимствата на използването на такива устройства за контрол на температурата, независимо от приложението, включват:
- голям набор от индикатори, които могат да бъдат записани с помощта на термодвойка;
- запояването на термодвойката, която участва пряко в отчитането, може да бъде поставено в пряк контакт с точката на измерване;
- прост процес на производство на термодвойки, тяхната здравина и издръжливост.
Как работи термодвойката
Термодвойката има три основни елемента. Това са два проводника на електричество от различни материали, както и защитна тръба. Двата края на проводниците (наричани още термоелектроди) са запоени, а другите два са свързани към потенциометър (устройство за измерване на температурата).
С прости думи, принципът на работа на термодвойката е, че кръстовището на термоелектродите се поставя в среда, чиято температура трябва да бъде измерена. В съответствие с правилото на Seebeck възниква потенциална разлика върху проводниците (в противен случай - термоелектричество). Колкото по-висока е температурата на средата, толкова по-значителна е потенциалната разлика. Съответно стрелката на устройството се отклонява повече.
В съвременните измервателни комплекси цифровите температурни индикатори замениха механичното устройство. Новото устройство обаче далеч не винаги превъзхожда по своите характеристики старите устройства от съветската епоха. В техническите университети и в изследователските институции и до днес те използват потенциометри преди 20-30 години. И те показват невероятна точност на измерване и стабилност.
Видове устройства
Всеки тип термодвойка има свое собствено обозначение и те са разделени според общоприетия стандарт. Всеки тип електрод има свое собствено съкращение: TXA, TXK, TBR и др. Преобразувателите се разпределят според класификацията:
- Тип Е - е сплав на хромел и константан. Характеристиката на това устройство се счита за висока чувствителност и производителност. Това е особено подходящо за използване при изключително ниски температури.
- J - се отнася до сплав от желязо и константан. Отличава се с висока чувствителност, която може да достигне до 50 μV / ° C.
- Тип К се счита за най-популярната хромел / алуминиева сплав. Тези термодвойки могат да откриват температури в диапазона от -200 ° C до +1350 ° C. Устройствата се използват във вериги, разположени в неокислителни и инертни условия без признаци на стареене. Когато устройствата се използват в доста кисела среда, хромелът бързо корозира и става неизползваем за измерване на температурата с термодвойка.
- Тип М - представлява никелови сплави с молибден или кобалт. Устройствата могат да издържат до 1400 ° C и се използват в инсталации, работещи на принципа на вакуумните пещи.
- Тип N - устройства с нихрозил-низил, чиято разлика се счита за устойчивост на окисляване. Те се използват за измерване на температури в диапазона от -270 до +1300 ° C.
Ще ви бъде интересно.
Има термодвойки, изработени от родиеви и платинени сплави. Те принадлежат към типове B, S, R и се считат за най-стабилните устройства. Недостатъците на тези преобразуватели включват висока цена и ниска чувствителност.
При високи температури се използват широко устройства от рений и волфрамови сплави. Освен това, според предназначението и условията на работа, термодвойките могат да бъдат потопяеми и повърхностни.
По дизайн устройствата имат статично и подвижно съединение или фланец. Термоелектрическите преобразуватели се използват широко в компютрите, които обикновено са свързани чрез COM порт и са предназначени за измерване на температурата вътре в корпуса.
Ефект на Seebeck
Принципът на работа на термодвойка се основава на това физическо явление. Изводът е следният: ако свържете два проводника, изработени от различни материали (понякога се използват полупроводници), тогава по такава електрическа верига ще циркулира ток.
По този начин, ако кръстовището на проводниците се нагрява и охлажда, иглата на потенциометъра ще трепне. Токът може да бъде открит и от галванометър, свързан към веригата.
В случай, че проводниците са направени от един и същ материал, тогава електродвижещата сила няма да възникне, съответно няма да е възможно да се измери температурата.
Схема на свързване на термодвойка
Най-често срещаните методи за свързване на измервателни уреди към термодвойки са така нареченият прост метод, както и диференцираният. Същността на първия метод е следната: устройството (потенциометър или галванометър) е директно свързано с два проводника. При диференцирания метод не един, а двата края на проводниците са запоени, докато един от електродите е „счупен” от измервателното устройство.
Невъзможно е да не споменем така наречения дистанционен метод за свързване на термодвойка. Принципът на действие остава непроменен. Единствената разлика е, че удължителните проводници се добавят към веригата. За тези цели обикновеният меден кабел не е подходящ, тъй като компенсационните проводници задължително трябва да бъдат направени от същите материали като проводниците на термодвойките.
Недостатъци при измерване на температурата с термодвойка
Недостатъците на използването на термодвойка включват:
- Необходимостта от постоянно наблюдение на температурата на "студения" контакт на термодвойката. Това е отличителна черта на дизайна на измервателните уреди, базирани на термодвойка. Принципът на тази схема стеснява обхвата на нейното приложение. Те могат да се използват само ако околната температура е по-ниска от температурата в точката на измерване.
- Нарушаване на вътрешната структура на металите, използвани при производството на термодвойка.Факт е, че в резултат на влиянието на външната среда контактите губят своята хомогенност, което причинява грешки в получените температурни показатели.
- По време на процеса на измерване контактната група на термодвойката обикновено е изложена на отрицателни влияния на околната среда, което причинява неизправности по време на работа. Това отново изисква уплътняване на контактите, което води до допълнителни разходи за поддръжка на такива сензори.
- Има опасност електромагнитните вълни да засегнат термодвойката, която е проектирана с дълга контактна група. Това също може да повлияе на резултатите от измерването.
- В някои случаи има нарушение на линейната връзка между електрическия ток, възникващ в термодвойката и температурата в точката на измерване. Тази ситуация изисква калибриране на контролното оборудване.
Проводни материали
Принципът на работа на термодвойка се основава на появата на потенциална разлика в проводниците. Следователно, към избора на електродни материали трябва да се подхожда много отговорно. Разликата в химичните и физичните свойства на металите е основният фактор при работата на термодвойка, чието устройство и принцип на действие се основават на появата на ЕМП на самоиндукция (потенциална разлика) във веригата.
Технически чистите метали не са подходящи за използване като термодвойка (с изключение на желязото ARMKO). Обикновено се използват различни сплави от цветни и благородни метали. Такива материали имат стабилни физични и химични характеристики, така че показанията на температурата винаги ще бъдат точни и обективни. Стабилността и прецизността са ключови качества при организацията на експеримента и производствения процес.
В момента най-често срещаните термодвойки са от следните типове: E, J, K.
Принципът на действие и структура на термодвойките
Термодвойката се състои от два проводника и тръба, която служи като защита за термоелектродите. Термоелектродите се състоят от неблагородни и благородни метали, най-често сплави, фиксирани един към друг в единия край (работен край или горещо съединение), като по този начин те образуват една от частите на устройството. Останалите краища на термодвойката (щрангове или студена връзка) са свързани към измервателното напрежение. EMF се появява в средата на два несвързани терминала, стойността зависи от температурата на работния край.
Идентични термодвойки, комбинирани паралелно, затварят веригата, според правилото на Seebeck, ще разгледаме това правило допълнително, между тях се образува контактна потенциална разлика или термоелектричен ефект, електрическите заряди се появяват върху проводниците, когато се докоснат, възниква потенциална разлика между техните свободни краища и това зависи от температурната разлика. Само когато температурата между термоелектродите е еднаква, потенциалната разлика е равна на нула.
Например: Чрез поставяне на кръстовище с коефициенти, различни от нула, в две кипящи съдове с течност температурата на първата е 50, а на втората е 45, тогава потенциалната разлика ще бъде 5.
Потенциалната разлика се определя от температурната разлика между източниците. Материалът, от който са направени електродите на термодвойките също зависи. Пример: Термодвойка Chromel-Alumel има температурен коефициент 41, а Chromel-Constantan има коефициент 68.
Термодвойка тип К
Това е може би най-често срещаният и широко използван тип термодвойка. Двойка хромел - алуминий работи чудесно при температури в диапазона от -200 до 1350 градуса по Целзий. Този тип термодвойка е силно чувствителен и открива дори малък скок на температурата. Благодарение на този набор от параметри, термодвойката се използва както в производството, така и в научните изследвания. Но има и съществен недостатък - влиянието на състава на работната атмосфера. Така че, ако този тип термодвойка ще работи в среда с CO2, тогава термодвойката ще даде неправилни показания.Тази функция ограничава използването на този тип устройства. Схемата и принципът на работа на термодвойката остават непроменени. Единствената разлика е в химичния състав на електродите.
Видове термодвойки
Техническите изисквания за термодвойките се определят от GOST 6616-94. Стандартните таблици за термоелектрични термометри - номинални характеристики на статично преобразуване (NSC), класове на допустимо отклонение и обхвати на измерване са дадени в стандарта IEC 60584-1.2 и в GOST R 8.585-2001.
- платина-родий-платина - TPP13 - Тип R
- платина-родий-платина - TPP10 - Тип S
- платина-родий-платина-родий - TPR - Тип B
- желязо-константан (желязо-мед-никел) TLC - Тип J
- мед-константан (мед-мед-никел) TMKn - тип Т
- нихрозил-низил (никел-хром-никел-никел-силиций) TNN - Тип N.
- хромел-алумел - TXA - Тип К
- хромел-константан TChKn - тип Е
- хромел-копел - THK - Тип L
- меден копел - TMK - Тип M
- silkh-silin - ТСС - Тип I
- волфрам и рений - волфрамов рений - TVR - Тип A-1, A-2, A-3
Точният състав на сплавите на термодвойките за термодвойки от неблагородни метали не е даден в IEC 60584-1. НСХ за термодвойки с хромел-копел ТХК и термодвойки от волфрам-рений са определени само в GOST R 8.585-2001. В стандарта IEC няма данни за термодвойки. Поради тази причина характеристиките на внесените сензори, изработени от тези метали, могат да се различават значително от местните, например внесеният тип L и вътрешният THK не са взаимозаменяеми. В същото време, като правило, внесеното оборудване не е проектирано за вътрешния стандарт.
Понастоящем стандартът IEC 60584 е в процес на ревизия. Планира се въвеждането в стандартните волфрам-рениеви термодвойки от тип A-1, за които NSX ще съответства на руския стандарт, и тип C съгласно стандарта ASTM [6].
През 2008 г. IEC представи два нови типа термодвойки: злато-платина и платина-паладий. Новият стандарт IEC 62460 установява стандартни таблици за тези термодвойки от чист метал. Все още няма подобен руски стандарт.
Проверка на работата на термодвойката
Ако термодвойката не успее, тя не може да бъде поправена. Теоретично можете, разбира се, да го поправите, но дали устройството ще показва точната температура след това е голям въпрос.
Понякога повредата на термодвойка не е очевидна и очевидна. По-специално това се отнася за газови бойлери. Принципът на работа на термодвойка е все същият. Той обаче играе малко по-различна роля и е предназначен не за визуализиране на показанията на температурата, а за работа на клапана. Следователно, за да се открие неизправност на такава термодвойка, е необходимо към нея да се свърже измервателно устройство (тестер, галванометър или потенциометър) и да се загрее кръстовището на термодвойката. За да направите това, не е необходимо да го държите на открит огън. Достатъчно е просто да го стиснете в юмрук и да видите дали стрелката на устройството ще се отклони.
Причините за повредата на термодвойките могат да бъдат различни. Така че, ако не поставите специално екраниращо устройство на термодвойката, поставена във вакуумната камера на йонно-плазменото азотиращо устройство, с течение на времето тя ще става все по-крехка, докато един от проводниците се счупи. Освен това не е изключена възможността за неправилна работа на термодвойката поради промяна в химичния състав на електродите. В крайна сметка фундаменталните принципи на термодвойката са нарушени.
Газовото оборудване (котли, колони) също е оборудвано с термодвойки. Основната причина за отказ на електрода са окислителните процеси, които се развиват при високи температури.
В случай, че показанията на устройството са умишлено неверни и по време на външен преглед не са открити слаби скоби, тогава причината, най-вероятно, се крие в повредата на контролно-измервателното устройство. В този случай той трябва да бъде върнат за ремонт.Ако имате съответната квалификация, можете да опитате да разрешите проблема сами.
И като цяло, ако иглата на потенциометъра или цифровият индикатор показват поне някои „признаци на живот“, тогава термодвойката е в изправност. В този случай проблемът очевидно е нещо друго. И съответно, ако устройството не реагира по никакъв начин на очевидни промени в температурния режим, тогава можете безопасно да промените термодвойката.
Преди да демонтирате термодвойката и да инсталирате нова, трябва напълно да се уверите, че тя е дефектна. За да направите това, достатъчно е да позвъните на термодвойката с обикновен тестер или дори по-добре да измерите изходното напрежение. Тук едва ли ще помогне един обикновен волтметър. Ще ви трябва миливолтметър или тестер с възможност за избор на скала за измерване. В края на краищата потенциалната разлика е много малка стойност. А едно стандартно устройство дори няма да го усети и няма да го поправи.
Дизайнерски характеристики
Ако сме по-скрупулезни относно процеса на измерване на температурата, тогава тази процедура се извършва с помощта на термоелектричен термометър. Основният чувствителен елемент на това устройство е термодвойка.
Самият процес на измерване се дължи на създаването на електродвижеща сила в термодвойката. Има някои характеристики на термодвойката:
- Електродите са свързани в термодвойки за измерване на високи температури в една точка с помощта на електродъгово заваряване. Когато се измерват малки индикатори, такъв контакт се осъществява чрез запояване. Специални съединения в устройствата от волфрам-рений и волфрам-молибден се извършват с помощта на плътни усуквания без допълнителна обработка.
- Свързването на елементите се извършва само в работната зона, а по останалата дължина те са изолирани един от друг.
- Методът на изолация се извършва в зависимост от горната стойност на температурата. При диапазон на стойности от 100 до 120 ° C се използва всякакъв вид изолация, включително въздух. Порцелановите туби или мъниста се използват при температури до 1300 ° C. Ако стойността достигне 2000 ° C, тогава се използва изолационен материал от алуминиев оксид, магнезий, берилий и цирконий.
- Използва се външен защитен капак в зависимост от средата на използване на сензора, в който се измерва температурата. Изработен е под формата на метална или керамична тръба. Тази защита осигурява хидроизолация и повърхностна защита на термодвойката от механично напрежение. Външният покривен материал трябва да може да издържа на висока температура и да има отлична топлопроводимост.
За вас ще бъде интересно Монтаж на електрическо табло под измервателния уред и машини
Дизайнът на сензора до голяма степен зависи от условията за неговото използване. При създаването на термодвойка се взема предвид обхватът на измерените температури, състоянието на външната среда, топлинната инерция и др.
Предимства на термодвойките
Защо термодвойките не са заменени от по-модерни и модерни сензори за измерване на температурата през толкова дългата история на експлоатация? Да, по простата причина, че досега никое друго устройство не може да се конкурира с него.
Първо, термодвойките са относително евтини. Въпреки че цените могат да варират в широк диапазон в резултат на използването на определени защитни елементи и повърхности, съединители и съединители.
На второ място, термодвойките са непретенциозни и надеждни, което им позволява да работят успешно в агресивна температурна и химическа среда. Такива устройства дори са инсталирани в газови котли. Принципът на работа на термодвойка винаги остава един и същ, независимо от условията на работа. Не всеки друг тип сензор може да устои на такова въздействие.
Технологията за производство и производство на термодвойки е проста и лесна за прилагане на практика.Грубо казано, достатъчно е просто да завъртите или заварите краищата на проводниците от различни метални материали.
Друга положителна характеристика е точността на измерванията и незначителната грешка (само 1 градус). Тази точност е повече от достатъчна за нуждите на индустриалното производство и за научни изследвания.
Видове съединения на термодвойки
Съвременната индустрия произвежда няколко дизайна, които се използват при производството на термодвойки:
- с отворен кръстовище;
- с изолиран възел;
- със заземен възел.
Характеристика на термодвойките с отворен съединител е слабата устойчивост на външни влияния.
Следните два вида конструкции могат да се използват при измерване на температури в агресивни среди, които имат разрушителен ефект върху контактната двойка.
Освен това в момента индустрията усвоява схеми за производство на термодвойки, използващи полупроводникови технологии.
Недостатъци на термодвойката
Няма много недостатъци на термодвойката, особено в сравнение с най-близките й конкуренти (температурни сензори от друг тип), но все пак те са и би било несправедливо да се мълчи за тях.
И така, потенциалната разлика се измерва в миливолта. Следователно е необходимо да се използват много чувствителни потенциометри. И ако вземем предвид, че измервателните уреди не винаги могат да бъдат поставени в непосредствена близост до мястото на събиране на експериментални данни, тогава трябва да се използват някои усилватели. Това причинява редица неудобства и води до ненужни разходи при организацията и подготовката на производството.
Видове термодвойки
- Хром-алуминий
... Те се използват главно в промишлеността. Характерни характеристики: широк температурен диапазон на измервания -200 ... + 13000 ° C, достъпна цена. Не е одобрен за употреба в магазини с високо съдържание на сяра. - Хромел-копел
... Приложението е подобно на предишния тип, характеристиката е запазване на производителността само в неагресивни течни и газообразни среди. Често се използва за измерване на температури в пещи с маркет. - Желязна константа
... Ефективен в разредена атмосфера. - Платина-родий-платина
... Най-скъпият. Те се характеризират със стабилни и точни показания. Използва се за измерване на високи температури. - Волфрам-рений
... Обикновено те имат защитни капаци в своя дизайн. Основната област на приложение е измерването на среда с ултрависоки температури.
