Termokopel: prinsip operasi, peranti

Prinsip operasi dan reka bentuk termokopel sangat mudah. Ini menyebabkan populariti peranti ini dan penggunaannya yang meluas di semua cabang sains dan teknologi. Termokopel direka untuk mengukur suhu dalam jarak yang luas - dari -270 hingga 2500 darjah Celsius. Peranti ini telah menjadi pembantu yang sangat diperlukan untuk jurutera dan saintis selama beberapa dekad. Ia berfungsi dengan baik dan sempurna, dan bacaan suhu selalu berlaku. Peranti yang lebih sempurna dan tepat tidak ada. Semua peranti moden beroperasi berdasarkan prinsip termokopel. Mereka bekerja dalam keadaan sukar.

Tugasan termokopel

Peranti ini menukar tenaga haba menjadi arus elektrik dan memungkinkan pengukuran suhu. Tidak seperti termometer merkuri tradisional, ia mampu beroperasi dalam keadaan suhu yang sangat rendah dan sangat tinggi. Ciri ini menyebabkan penggunaan termokopel secara meluas dalam pelbagai pemasangan: tungku metalurgi perindustrian, dandang gas, ruang vakum untuk rawatan haba kimia, oven untuk dapur gas isi rumah. Prinsip operasi termokopel sentiasa sama dan tidak bergantung pada peranti di mana ia dipasang.

Pengoperasian termokopel yang boleh dipercayai dan tidak terganggu bergantung pada pengoperasian sistem penutupan kecemasan peranti sekiranya melebihi had suhu yang dibenarkan. Oleh itu, peranti ini mesti dipercayai dan memberikan bacaan yang tepat agar tidak membahayakan nyawa orang.

Faedah menggunakan termokopel

Kelebihan menggunakan peranti sedemikian untuk kawalan suhu, tanpa mengira aplikasi, termasuk:

• sebilangan besar petunjuk yang boleh direkodkan menggunakan termokopel;
• pematerian termokopel, yang secara langsung terlibat dalam pembacaan, boleh diletakkan bersentuhan langsung dengan titik pengukuran;
• proses mudah pembuatan termokopel, kekuatan dan ketahanannya.

Bagaimana termokopel berfungsi

Termokopel mempunyai tiga elemen utama. Ini adalah dua konduktor elektrik dari bahan yang berbeza, serta tiub pelindung. Dua hujung konduktor (juga disebut termoelectrodes) disolder, dan dua lagi dihubungkan ke potensiometer (alat pengukur suhu).

Secara sederhana, prinsip pengoperasian termokopel adalah bahawa persimpangan termoelektrod ditempatkan di persekitaran, suhu yang mesti diukur. Sesuai dengan peraturan Seebeck, perbezaan yang berpotensi timbul pada konduktor (jika tidak - termoelektrik). Semakin tinggi suhu persekitaran, semakin besar perbezaan potensinya. Oleh itu, anak panah peranti menyimpang lebih banyak.

Dalam kompleks pengukuran moden, penunjuk suhu digital telah menggantikan peranti mekanikal. Walau bagaimanapun, peranti baru ini jauh lebih unggul daripada ciri-ciri lama dari peranti lama era Soviet. Di universiti teknikal, dan di institusi penyelidikan, hingga hari ini mereka menggunakan potensiometer 20-30 tahun yang lalu. Dan mereka menunjukkan ketepatan dan kestabilan ukuran yang luar biasa.

Jenis peranti

Setiap jenis termokopel mempunyai sebutan tersendiri, dan mereka dibahagikan mengikut standard yang diterima umum. Setiap jenis elektrod mempunyai singkatan tersendiri: TXA, TXK, TBR, dll. Penukar diedarkan mengikut klasifikasi:

• Jenis E - adalah aloi kromel dan konstantan. Ciri khas peranti ini dianggap mempunyai kepekaan dan prestasi yang tinggi. Ini sangat sesuai digunakan pada suhu yang sangat rendah.
• J - merujuk kepada paduan besi dan konstantan. Ia mempunyai kepekaan tinggi, yang dapat mencapai hingga 50 μV / ° C.
• Jenis K dianggap sebagai aloi kromel / aluminium yang paling popular. Termokopel ini dapat mengesan suhu antara -200 ° C hingga +1350 ° C. Peranti digunakan dalam litar yang berada dalam keadaan tidak mengoksidakan dan lengai tanpa tanda penuaan. Apabila menggunakan peranti di persekitaran yang agak berasid, kromel cepat karat dan menjadi tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu dengan termokopel.
• Jenis M - mewakili aloi nikel dengan molibdenum atau kobalt. Peranti boleh tahan hingga 1400 ° C dan digunakan dalam pemasangan yang beroperasi berdasarkan prinsip relau vakum.
• Jenis N - peranti nichrosil-nisil, yang perbezaannya dianggap tahan terhadap pengoksidaan. Mereka digunakan untuk mengukur suhu dalam lingkungan dari -270 hingga +1300 ° C.

Ini akan menarik bagi anda Peranti, prinsip operasi dan penerapan supercapacitor

Terdapat termokopel yang diperbuat daripada aloi rhodium dan platinum. Mereka tergolong dalam jenis B, S, R dan dianggap sebagai peranti yang paling stabil. Kelemahan penukar ini termasuk harga tinggi dan kepekaan rendah.

Pada suhu tinggi, peranti yang diperbuat daripada aloi rhenium dan tungsten banyak digunakan. Selain itu, sesuai dengan tujuan dan kondisi operasi mereka, termokopel dapat tenggelam dan permukaan.

Berdasarkan reka bentuk, peranti mempunyai penyatuan atau bebibir yang statik dan bergerak. Penukar termoelektrik banyak digunakan di komputer, yang biasanya dihubungkan melalui port COM dan dirancang untuk mengukur suhu di dalam casing.

Kesan seebeck

Prinsip operasi termokopel berdasarkan fenomena fizikal ini. Intinya adalah ini: jika anda menghubungkan dua konduktor dari bahan yang berbeza antara satu sama lain (kadang-kadang semikonduktor digunakan), arus akan beredar di sepanjang litar elektrik seperti itu.

Oleh itu, jika persimpangan konduktor dipanaskan dan disejukkan, jarum potensiometer akan berayun. Arus juga dapat dikesan oleh galvanometer yang disambungkan ke litar.

Sekiranya konduktor dibuat dari bahan yang sama, maka daya elektromotif tidak akan timbul, masing-masing, tidak mungkin mengukur suhu.

Gambarajah sambungan termokopel

Kaedah yang paling biasa untuk menghubungkan alat ukur ke termokopel adalah kaedah mudah yang disebut, dan juga kaedah yang berbeza. Inti kaedah pertama adalah seperti berikut: peranti (potensiometer atau galvanometer) disambungkan secara langsung ke dua konduktor. Dengan kaedah pembezaan, bukan satu, tetapi kedua-dua hujung konduktor disolder, sementara salah satu elektrod "pecah" oleh alat pengukur.

Tidak mustahil untuk disebut kaedah jarak jauh untuk menghubungkan termokopel. Prinsip operasi tetap tidak berubah. Satu-satunya perbezaan ialah wayar sambungan ditambahkan ke litar. Untuk tujuan ini, tali tembaga biasa tidak sesuai, kerana wayar pampasan mesti dibuat dari bahan yang sama dengan konduktor termokopel.

Kekurangan mengukur suhu dengan termokopel

Kelemahan menggunakan termokopel termasuk:

• Keperluan untuk pemantauan berterusan suhu hubungan "sejuk" termokopel. Ini adalah ciri khas reka bentuk alat ukur, yang berdasarkan termokopel. Prinsip pengoperasian skema ini menyempitkan skop penerapannya. Mereka hanya dapat digunakan jika suhu sekitar lebih rendah daripada suhu di titik pengukuran.
• Pelanggaran struktur dalaman logam yang digunakan dalam pembuatan termokopel.Kenyataannya adalah sebagai akibat pengaruh persekitaran luaran, kenalan kehilangan homogenitasnya, yang menyebabkan kesalahan pada petunjuk suhu yang diperoleh.
• Semasa proses pengukuran, kumpulan kontak termokopel biasanya terdedah kepada pengaruh persekitaran negatif, yang menyebabkan kerosakan semasa operasi. Ini sekali lagi memerlukan menutup kenalan, yang menyebabkan kos penyelenggaraan tambahan untuk sensor tersebut.
• Terdapat bahaya gelombang elektromagnetik yang mempengaruhi termokopel, yang dirancang dengan kumpulan kontak yang panjang. Ini juga boleh mempengaruhi hasil pengukuran.
• Dalam beberapa kes, terdapat pelanggaran hubungan linear antara arus elektrik yang timbul pada termokopel dan suhu pada titik pengukuran. Keadaan ini memerlukan penentukuran peralatan kawalan.

Bahan konduktor

Prinsip operasi termokopel didasarkan pada berlakunya perbezaan potensi pada konduktor. Oleh itu, pemilihan bahan elektrod mesti didekati dengan penuh tanggungjawab. Perbezaan sifat kimia dan fizikal logam adalah faktor utama dalam operasi termokopel, peranti dan prinsip operasi yang berdasarkan pada munculnya EMF induksi diri (perbezaan potensi) dalam litar.

Logam tulen secara teknikal tidak sesuai digunakan sebagai termokopel (kecuali besi ARMCO). Pelbagai aloi logam bukan ferus dan berharga biasanya digunakan. Bahan tersebut mempunyai ciri fizikal dan kimia yang stabil, sehingga pembacaan suhu akan selalu tepat dan objektif. Kestabilan dan ketepatan adalah kualiti utama dalam organisasi eksperimen dan proses pengeluaran.

Pada masa ini, termokopel yang paling biasa adalah jenis berikut: E, J, K.

Prinsip operasi dan struktur termokopel

Termokopel terdiri daripada dua konduktor dan tiub yang berfungsi sebagai pelindung bagi termoelektrik. Thermoelectrodes terdiri daripada logam asas dan mulia, yang paling sering adalah aloi, terpasang satu sama lain pada satu hujung (hujung kerja atau simpang panas), sehingga membentuk salah satu bahagian peranti. Hujung termokopel yang lain (riser atau simpang sejuk) disambungkan ke meter voltan. EMF berlaku di tengah-tengah dua terminal yang tidak bersambung, nilainya bergantung pada suhu hujung kerja.

Penukar haba yang sama digabungkan secara selari menutup litar, menurut peraturan Seebeck, kami akan mempertimbangkan peraturan ini lebih jauh, perbezaan potensi hubungan atau kesan termoelektrik terbentuk di antara mereka, cas elektrik muncul pada konduktor ketika mereka bersentuhan, kemungkinan perbezaan timbul antara hujung bebas mereka, dan ia bergantung pada perbezaan suhu. Hanya apabila suhu antara termoelektrod sama, perbezaan potensi sama dengan sifar.

Contohnya: Dengan meletakkan persimpangan dengan pekali yang berbeza dari sifar, dalam dua periuk mendidih dengan cecair, suhu yang pertama adalah 50, dan yang kedua adalah 45, maka kemungkinan perbezaannya adalah 5.

Perbezaan potensi ditentukan oleh perbezaan suhu antara sumber. Bahan dari mana elektrod termokopel dibuat juga bergantung. Contoh: Chromel-Alumel termokopel mempunyai pekali suhu 41, dan Chromel-Constantan mempunyai pekali 68.

Termokopel jenis K

Ini mungkin jenis termokopel yang paling biasa dan banyak digunakan. Sepasang kromel - aluminium berfungsi dengan hebat pada suhu antara -200 hingga 1350 darjah Celsius. Termokopel jenis ini sangat sensitif dan dapat mengesan walaupun sedikit lonjakan suhu. Terima kasih kepada set parameter ini, termokopel digunakan dalam pengeluaran dan penyelidikan saintifik. Tetapi ia juga mempunyai kelemahan yang ketara - pengaruh komposisi suasana kerja. Jadi, jika termokopel jenis ini akan berfungsi di persekitaran CO2, maka termokopel akan memberikan bacaan yang salah.Ciri ini mengehadkan penggunaan jenis peranti ini. Litar dan prinsip operasi termokopel tidak berubah. Satu-satunya perbezaan adalah dalam komposisi kimia elektrod.

Jenis termokopel

Keperluan teknikal untuk termokopel ditentukan oleh GOST 6616-94. Jadual standard untuk termometer elektrik - ciri penukaran statik nominal (NSC), kelas toleransi dan julat pengukuran diberikan dalam standard IEC 60584-1.2 dan dalam GOST R 8.585-2001.

• platinum-rhodium-platinum - TPP13 - Jenis R
• platinum-rhodium-platinum - TPP10 - Jenis S
• platinum-rhodium-platinum-rhodium - TPR - Jenis B
• besi-konstantan (besi-tembaga-nikel) TLC - Jenis J
• tembaga-konstantan (tembaga-tembaga-nikel) TMKn - Jenis T
• nichrosil-nisil (nikel-kromium-nikel-nikel-silikon) TNN - Jenis N.
• kromel-alumel - TXA - Jenis K
• chromel-constantan TChKn - Jenis E
• kromel-kopel - THK - Jenis L
• tembaga-kopel - TMK - Jenis M
• silkh-silin - ТСС - Jenis I
• tungsten dan rhenium - tungsten rhenium - TVR - Jenis A-1, A-2, A-3

Komposisi aloi termokopel tepat untuk termokopel logam asas tidak diberikan dalam IEC 60584-1. НСХ untuk termokopel kromel-kopel ТХК dan termokopel tungsten-rhenium hanya ditentukan dalam GOST R 8.585-2001. Tidak ada data termokopel dalam standard IEC. Atas sebab ini, ciri-ciri sensor yang diimport yang diperbuat daripada logam ini mungkin berbeza dengan yang domestik, contohnya, Jenis L yang diimport dan THK domestik tidak boleh ditukar ganti. Pada masa yang sama, sebagai peraturan, peralatan yang diimport tidak dirancang untuk standard domestik.

Piawaian IEC 60584 sedang dalam semakan. Ia dirancang untuk memasukkan termokopel tungsten-rhenium tipe A-1 standard, yang NSX akan sesuai dengan standard Rusia, dan jenis C mengikut standard ASTM [6].

Pada tahun 2008, IEC memperkenalkan dua jenis termokopel baru: emas-platinum dan platinum-paladium. Piawaian IEC 62460 yang baru menetapkan jadual piawai untuk termokopel logam tulen ini. Belum ada standard Rusia yang serupa.

Memeriksa Operasi Termokopel

Sekiranya termokopel gagal, ia tidak dapat diperbaiki. Secara teorinya, anda tentu saja dapat memperbaikinya, tetapi adakah peranti akan menunjukkan suhu yang tepat selepas itu adalah persoalan besar.

Kadang kala kegagalan termokopel tidak jelas dan nyata. Khususnya, ini berlaku untuk pemanas air gas. Prinsip operasi termokopel masih sama. Namun, ia memainkan peranan yang sedikit berbeza dan tidak bertujuan untuk memvisualisasikan bacaan suhu, tetapi untuk operasi injap. Oleh itu, untuk mengesan kerosakan termokopel seperti itu, perlu menyambungkan alat pengukur (penguji, galvanometer atau potensiometer) ke dalamnya dan memanaskan persimpangan termokopel. Untuk melakukan ini, tidak perlu menyimpannya di atas api terbuka. Cukup sekadar memerahnya dan melihat apakah anak panah peranti akan menyimpang.

Sebab-sebab kegagalan termokopel boleh berbeza. Oleh itu, jika anda tidak memakai alat pelindung khas pada termokopel yang diletakkan di ruang vakum unit ion-plasma nitriding, maka lama-kelamaan ia akan menjadi semakin rapuh sehingga salah satu konduktor pecah. Selain itu, kemungkinan pengoperasian termokopel yang salah kerana perubahan komposisi kimia elektrod tidak dikecualikan. Bagaimanapun, prinsip asas termokopel dilanggar.

Peralatan gas (dandang, tiang) juga dilengkapi dengan termokopel. Penyebab utama kegagalan elektrod adalah proses oksidatif yang berkembang pada suhu tinggi.

Sekiranya pembacaan alat ini sengaja salah, dan semasa pemeriksaan luaran, penjepit lemah tidak dijumpai, maka alasannya, kemungkinan besar, terletak pada kegagalan alat kawalan dan pengukur. Dalam kes ini, ia mesti dikembalikan untuk dibaiki.Sekiranya anda mempunyai kelayakan yang sesuai, anda boleh mencuba sendiri.

Dan secara umum, jika jarum potensiometer atau penunjuk digital menunjukkan sekurang-kurangnya beberapa "tanda kehidupan", maka termokopel berada dalam keadaan baik. Dalam kes ini, masalahnya jelas adalah perkara lain. Oleh itu, jika peranti tidak bertindak balas terhadap perubahan yang jelas dalam rejim suhu, maka anda boleh menukar termokopel dengan selamat.

Walau bagaimanapun, sebelum anda membongkar termokopel dan memasang yang baru, anda perlu memastikan sepenuhnya kerosakan. Untuk melakukan ini, cukup untuk membunyikan termokopel dengan penguji biasa, atau lebih baik lagi, mengukur voltan keluaran. Hanya voltmeter biasa yang tidak mungkin dapat membantu di sini. Anda memerlukan milivoltmeter atau penguji dengan kemampuan untuk memilih skala pengukuran. Bagaimanapun, perbezaan potensi adalah nilai yang sangat kecil. Dan peranti standard tidak akan merasakannya dan tidak akan memperbaikinya.

Ciri reka bentuk

Sekiranya kita lebih teliti mengenai proses pengukuran suhu, maka prosedur ini dilakukan dengan menggunakan termometer termoelektrik. Elemen sensitif utama peranti ini adalah termokopel.

Proses pengukuran itu sendiri berlaku kerana terciptanya daya elektromotif dalam termokopel. Terdapat beberapa ciri peranti termokopel:

• Elektrod disambungkan dalam termokopel untuk mengukur suhu tinggi pada satu titik menggunakan kimpalan arka elektrik. Semasa mengukur penunjuk kecil, kontak seperti itu dibuat menggunakan pematerian. Sebatian khas dalam alat tungsten-rhenium dan tungsten-molibdenum dilakukan dengan menggunakan putaran ketat tanpa proses tambahan.
• Sambungan unsur-unsur dilakukan hanya di kawasan kerja, dan sepanjang selebihnya mereka terpisah antara satu sama lain.
• Kaedah penebat dijalankan bergantung pada nilai suhu atas. Dengan nilai antara 100 hingga 120 ° C, semua jenis penebat digunakan, termasuk udara. Tiub atau manik porselin digunakan pada suhu hingga 1300 ° C. Sekiranya nilainya mencapai 2000 ° C, maka bahan penebat aluminium oksida, magnesium, berilium dan zirkonium digunakan.
• Penutup pelindung luar digunakan bergantung pada persekitaran di mana suhu diukur. Ia dibuat dalam bentuk tiub logam atau seramik. Perlindungan ini memberikan perlindungan kalis air dan permukaan termokopel daripada tekanan mekanikal. Bahan penutup luar mestilah tahan terhadap pendedahan suhu tinggi dan mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik.

Sangat menarik bagi anda Pemasangan panel elektrik di bawah meter dan mesin

Reka bentuk sensor sangat bergantung pada keadaan penggunaannya. Semasa membuat termokopel, julat suhu yang diukur, keadaan persekitaran luaran, inersia terma, dan lain-lain diambil kira.

Faedah Termokopel

Mengapa termokopel tidak digantikan oleh sensor pengukur suhu yang lebih maju dan moden sepanjang sejarah operasi yang begitu lama? Ya, dengan alasan mudah bahawa sehingga kini tidak ada peranti lain yang dapat menandinginya.

Pertama, termokopel agak murah. Walaupun harga boleh berubah-ubah dalam pelbagai hasil penggunaan elemen pelindung dan permukaan tertentu, penyambung dan penyambung.

Kedua, termokopel tidak bersahaja dan boleh dipercayai, yang membolehkannya berjaya dikendalikan dalam persekitaran suhu dan kimia yang agresif. Peranti sedemikian bahkan dipasang di dandang gas. Prinsip operasi termokopel sentiasa sama, tanpa mengira keadaan operasi. Tidak semua jenis sensor yang lain dapat menahan hentaman seperti itu.

Teknologi pembuatan dan pembuatan termokopel adalah mudah dan mudah dilaksanakan dalam praktiknya.Secara kasar, cukup untuk memutar atau mengimpal hujung wayar dari bahan logam yang berbeza.

Ciri positif lain adalah ketepatan pengukuran dan kesalahan yang boleh diabaikan (hanya 1 darjah). Ketepatan ini lebih daripada cukup untuk keperluan pengeluaran industri, dan untuk penyelidikan saintifik.

Jenis persimpangan termokopel

Industri moden menghasilkan beberapa reka bentuk yang digunakan dalam pembuatan termokopel:

• dengan simpang terbuka;
• dengan persimpangan terpencil;
• dengan persimpangan yang dibumikan.

Ciri termokopel simpang terbuka adalah daya tahan yang lemah terhadap pengaruh luaran.

Dua jenis pembinaan berikut dapat digunakan ketika mengukur suhu pada media agresif yang mempunyai kesan merosakkan pada pasangan kontak.

Sebagai tambahan, pada masa ini, industri ini menguasai skema untuk produksi termokopel menggunakan teknologi semikonduktor.

Kekurangan Termokopel

Tidak ada banyak kelemahan termokopel, terutama jika dibandingkan dengan pesaing terdekatnya (sensor suhu jenis lain), tetapi masih berlaku, dan tidak adil untuk mendiamkannya.

Jadi, perbezaan potensi diukur dalam milivolt. Oleh itu, perlu menggunakan potensiometer yang sangat sensitif. Dan jika kita memperhatikan bahawa alat pengukur tidak selalu dapat diletakkan di sekitar tempat pengumpulan data eksperimen, maka beberapa penguat harus digunakan. Ini menyebabkan sejumlah kesulitan dan mengakibatkan kos yang tidak perlu dalam organisasi dan penyediaan pengeluaran.

Jenis termokopel

• Kromel-aluminium
  ... Mereka digunakan terutamanya dalam industri. Ciri ciri: pengukuran suhu yang luas -200 ... + 13000 ° C, kos yang berpatutan. Tidak diluluskan untuk digunakan di kedai dengan kandungan sulfur tinggi.
• Chromel-copel
  ... Aplikasi ini serupa dengan jenis sebelumnya, ciri ini adalah menjaga prestasi hanya pada media cair dan gas yang tidak agresif. Selalunya digunakan untuk mengukur suhu di tungku terbuka.
• Pemalar besi
  ... Berkesan dalam suasana yang jarang berlaku.
• Platinum-rhodium-platinum
  ... Yang paling mahal. Mereka dicirikan oleh bacaan yang stabil dan tepat. Digunakan untuk mengukur suhu tinggi.
• Tungsten-rhenium
  ... Biasanya, mereka mempunyai penutup pelindung dalam reka bentuknya. Kawasan utama aplikasi adalah pengukuran media dengan suhu yang sangat tinggi.