Het werkingsprincipe en het ontwerp van een thermokoppel is uiterst eenvoudig. Dit leidde tot de populariteit van dit apparaat en het wijdverbreide gebruik ervan in alle takken van wetenschap en technologie. Het thermokoppel is ontworpen om temperaturen te meten in een breed bereik - van -270 tot 2500 graden Celsius. Het apparaat is al decennialang een onmisbare assistent voor ingenieurs en wetenschappers. Het werkt betrouwbaar en foutloos, en de temperatuurmetingen zijn altijd waar. Een perfecter en nauwkeuriger apparaat bestaat simpelweg niet. Alle moderne apparaten werken volgens het thermokoppelprincipe. Ze werken onder moeilijke omstandigheden.
Thermokoppel toewijzing
Dit apparaat zet thermische energie om in elektrische stroom en maakt temperatuurmeting mogelijk. In tegenstelling tot traditionele kwikthermometers, kan hij zowel onder extreem lage als extreem hoge temperaturen werken. Deze eigenschap heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik van thermokoppels in een grote verscheidenheid aan installaties: industriële metallurgische ovens, gasketels, vacuümkamers voor chemische warmtebehandeling, oven voor huishoudelijke gasfornuizen. Het werkingsprincipe van een thermokoppel blijft altijd ongewijzigd en is niet afhankelijk van het apparaat waarin het is gemonteerd.
Betrouwbare en ononderbroken werking van het thermokoppel hangt af van de werking van het noodstopsysteem van apparaten in geval van overschrijding van de toegestane temperatuurgrenzen. Daarom moet dit apparaat betrouwbaar zijn en nauwkeurige metingen geven om het leven van mensen niet in gevaar te brengen.
Voordelen van het gebruik van thermokoppels
De voordelen van het gebruik van dergelijke apparaten voor temperatuurregeling, ongeacht de toepassing, zijn onder meer:
- een groot aantal indicatoren die kunnen worden geregistreerd met behulp van een thermokoppel;
- het solderen van het thermokoppel, dat direct betrokken is bij het aflezen, kan in direct contact worden gebracht met het meetpunt;
- eenvoudig proces voor het vervaardigen van thermokoppels, hun sterkte en duurzaamheid.
Hoe het thermokoppel werkt
Een thermokoppel heeft drie hoofdelementen. Dit zijn twee geleiders van elektriciteit van verschillende materialen, evenals een beschermende buis. De twee uiteinden van de geleiders (ook wel thermo-elektroden genoemd) zijn gesoldeerd en de andere twee zijn verbonden met een potentiometer (temperatuurmeetapparaat).
Eenvoudig gezegd is het werkingsprincipe van een thermokoppel dat de junctie van thermo-elektroden in een omgeving wordt geplaatst waarvan de temperatuur moet worden gemeten. In overeenstemming met de Seebeck-regel ontstaat er een potentiaalverschil op de geleiders (anders - thermo-elektriciteit). Hoe hoger de temperatuur van het medium, hoe groter het potentiaalverschil. Dienovereenkomstig wijkt de pijl van het apparaat meer af.
In moderne meetcomplexen hebben digitale temperatuurindicatoren het mechanische apparaat vervangen. Het nieuwe apparaat is echter verre van altijd superieur in zijn kenmerken aan de oude apparaten uit het Sovjettijdperk. Op technische universiteiten en in onderzoeksinstellingen gebruiken ze tot op de dag van vandaag potentiometers 20-30 jaar geleden. En ze vertonen een verbazingwekkende meetnauwkeurigheid en stabiliteit.
Soorten apparaten
Elk type thermokoppel heeft zijn eigen aanduiding en ze zijn onderverdeeld volgens de algemeen aanvaarde norm. Elk type elektrode heeft zijn eigen afkorting: TXA, TXK, TBR, etc. Omvormers worden verdeeld volgens de classificatie:
- Type E - is een legering van chromel en constantaan. Het kenmerk van dit apparaat wordt beschouwd als een hoge gevoeligheid en prestaties. Dit is vooral geschikt voor gebruik bij extreem lage temperaturen.
- J - verwijst naar een legering van ijzer en constantaan. Het heeft een hoge gevoeligheid, die tot 50 μV / ° C kan bereiken.
- Type K wordt beschouwd als de meest populaire chromel / aluminium legering. Deze thermokoppels kunnen temperaturen detecteren van -200 ° C tot +1350 ° C. De apparaten worden gebruikt in circuits die zich in niet-oxiderende en inerte omstandigheden bevinden zonder tekenen van veroudering. Wanneer de apparaten in een vrij zure omgeving worden gebruikt, corrodeert chromel snel en wordt het onbruikbaar voor het meten van de temperatuur met een thermokoppel.
- Type M - staat voor legeringen van nikkel met molybdeen of kobalt. De apparaten zijn bestand tegen 1400 ° C en worden gebruikt in installaties die werken volgens het principe van vacuümovens.
- Type N - nichrosil-nisil-apparaten, waarvan het verschil wordt beschouwd als weerstand tegen oxidatie. Ze worden gebruikt om temperaturen in het bereik van -270 tot +1300 ° C te meten.
Het zal interessant voor je zijn.
Er zijn thermokoppels gemaakt van rhodium en platinalegeringen. Ze behoren tot de typen B, S, R en worden als de meest stabiele apparaten beschouwd. De nadelen van deze converters zijn onder meer een hoge prijs en een lage gevoeligheid.
Bij hoge temperaturen worden apparaten gemaakt van renium en wolfraamlegeringen veel gebruikt. Bovendien kunnen thermokoppels, afhankelijk van hun doel en bedrijfsomstandigheden, onderdompelbaar en aan het oppervlak zijn.
Door hun ontwerp hebben de apparaten een statische en beweegbare verbinding of flens. Thermo-elektrische converters worden veel gebruikt in computers, die meestal zijn aangesloten via een COM-poort en zijn ontworpen om de temperatuur in de behuizing te meten.
Seebeck-effect
Het werkingsprincipe van een thermokoppel is gebaseerd op dit fysische fenomeen. Het komt erop neer dat als je twee geleiders van verschillende materialen aansluit (soms worden halfgeleiders gebruikt), dan gaat er een stroom circuleren langs zo'n elektrisch circuit.
Dus als de verbinding van de geleiders wordt verwarmd en gekoeld, zal de potentiometernaald oscilleren. De stroom kan ook worden gedetecteerd door een galvanometer die op het circuit is aangesloten.
In het geval dat de geleiders van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, zal de elektromotorische kracht niet optreden, respectievelijk is het niet mogelijk om de temperatuur te meten.
Aansluitschema thermokoppel
De meest gebruikelijke methoden om meetinstrumenten aan thermokoppels te koppelen, zijn de zogenaamde eenvoudige methode, evenals de gedifferentieerde methode. De essentie van de eerste methode is als volgt: het apparaat (potentiometer of galvanometer) is rechtstreeks verbonden met twee geleiders. Bij de gedifferentieerde methode wordt niet één, maar beide uiteinden van de geleiders gesoldeerd, terwijl één van de elektroden wordt "gebroken" door het meetapparaat.
Het is onmogelijk om de zogenaamde externe methode om een thermokoppel aan te sluiten niet te noemen. Het werkingsprincipe blijft ongewijzigd. Het enige verschil is dat er verlengkabels aan het circuit worden toegevoegd. Voor deze doeleinden is een gewoon koperen snoer niet geschikt, aangezien de compensatiedraden noodzakelijkerwijs van hetzelfde materiaal moeten zijn gemaakt als de thermokoppelgeleiders.
Nadelen van temperatuurmeting met een thermokoppel
De nadelen van het gebruik van een thermokoppel zijn onder meer:
- De behoefte aan constante bewaking van de temperatuur van het "koude" contact van het thermokoppel. Dit is een onderscheidend kenmerk van het ontwerp van meetinstrumenten op basis van een thermokoppel. Het principe van deze regeling beperkt de reikwijdte van de toepassing ervan. Ze kunnen alleen worden gebruikt als de omgevingstemperatuur lager is dan de temperatuur op het meetpunt.
- Schending van de interne structuur van metalen die worden gebruikt bij de vervaardiging van een thermokoppel.Het is een feit dat als gevolg van de invloed van de externe omgeving de contacten hun homogeniteit verliezen, wat fouten veroorzaakt in de verkregen temperatuurindicatoren.
- Tijdens het meetproces wordt de thermokoppel-contactgroep veelal blootgesteld aan negatieve omgevingsinvloeden, wat storingen tijdens bedrijf veroorzaakt. Dit vereist wederom het afdichten van de contacten, hetgeen voor dergelijke sensoren extra onderhoudskosten met zich meebrengt.
- Het gevaar bestaat dat elektromagnetische golven het thermokoppel beïnvloeden, dat is ontworpen met een lange contactgroep. Dit kan ook de meetresultaten beïnvloeden.
- In sommige gevallen is er een schending van de lineaire relatie tussen de elektrische stroom die in het thermokoppel ontstaat en de temperatuur op het meetpunt. Deze situatie vereist kalibratie van de regelapparatuur.
Geleidende materialen
Het werkingsprincipe van een thermokoppel is gebaseerd op het optreden van een potentiaalverschil in geleiders. Daarom moet de selectie van elektrodematerialen zeer verantwoord worden benaderd. Het verschil in de chemische en fysische eigenschappen van metalen is de belangrijkste factor bij de werking van een thermokoppel, waarvan het apparaat en het werkingsprincipe zijn gebaseerd op het optreden van een EMF van zelfinductie (potentiaalverschil) in het circuit.
Technisch zuivere metalen zijn niet geschikt voor gebruik als thermokoppel (met uitzondering van ARMKO-ijzer). Veelal worden verschillende legeringen van non-ferro en edelmetalen gebruikt. Dergelijke materialen hebben stabiele fysische en chemische eigenschappen, zodat temperatuurmetingen altijd nauwkeurig en objectief zijn. Stabiliteit en precisie zijn sleutelkwaliteiten bij de organisatie van het experiment en het productieproces.
Momenteel zijn de meest voorkomende thermokoppels van de volgende typen: E, J, K.
Het werkingsprincipe en de structuur van thermokoppels
Het thermokoppel bestaat uit twee geleiders en een buis die dient als bescherming voor thermo-elektroden. Thermo-elektroden bestaan uit basismetalen en edelmetalen, meestal legeringen, die aan één uiteinde aan elkaar zijn bevestigd (werkuiteinde of hete overgang) en vormen dus een van de onderdelen van het apparaat. De andere uiteinden van het thermokoppel (stijgleidingen of koude las) zijn verbonden met de spanningsmeter. Een EMF verschijnt in het midden van twee niet-verbonden terminals, de waarde hangt af van de temperatuur van het werkende uiteinde.
Identieke thermokoppels die parallel zijn gecombineerd, sluiten het circuit, volgens de Seebeck-regel, we zullen deze regel verder beschouwen, een contactpotentiaalverschil of een thermo-elektrisch effect wordt tussen hen gevormd, elektrische ladingen verschijnen op de geleiders wanneer ze elkaar raken, er ontstaat een potentiaalverschil tussen hun vrije uiteinden, en het hangt af van het temperatuurverschil. Alleen als de temperatuur tussen de thermo-elektroden gelijk is, is het potentiaalverschil gelijk aan nul.
Bijvoorbeeld: door een junctie te plaatsen met coëfficiënten die verschillen van nul, in twee kookpotten met vloeistof, de temperatuur van de eerste is 50 en de tweede is 45, dan is het potentiaalverschil 5.
Het potentiaalverschil wordt bepaald door het temperatuurverschil tussen de bronnen. Het materiaal waaruit de thermokoppelelektroden zijn gemaakt, hangt ook af. Voorbeeld: een thermokoppel Chromel-Alumel heeft een temperatuurcoëfficiënt van 41 en een Chromel-Constantan heeft een coëfficiënt van 68.
Thermokoppel type K
Dit is misschien wel het meest voorkomende en meest gebruikte type thermokoppel. Een paar chromel-aluminium werkt uitstekend bij temperaturen van -200 tot 1350 graden Celsius. Dit type thermokoppel is zeer gevoelig en detecteert zelfs een kleine temperatuurstijging. Dankzij deze set parameters wordt het thermokoppel zowel in productie als in wetenschappelijk onderzoek gebruikt. Maar het heeft ook een belangrijk nadeel: de invloed van de samenstelling van de werksfeer. Dus als dit type thermokoppel zal werken in een CO2-omgeving, dan zal het thermokoppel onjuiste metingen geven.Deze functie beperkt het gebruik van dit type apparaat. Het schema en het werkingsprincipe van het thermokoppel blijven ongewijzigd. Het enige verschil zit in de chemische samenstelling van de elektroden.
Soorten thermokoppels
Technische vereisten voor thermokoppels worden bepaald door GOST 6616-94. Standaardtabellen voor thermo-elektrische thermometers - nominale statische conversiekarakteristieken (NSC), tolerantieklassen en meetbereiken worden gegeven in de norm IEC 60584-1.2 en in GOST R 8.585-2001.
- platina-rhodium-platina - TPP13 - Type R
- platina-rhodium-platina - TPP10 - Type S.
- platina-rhodium-platina-rhodium - TPR - Type B
- ijzer-constantaan (ijzer-koper-nikkel) TLC - Type J
- koper-constantaan (koper-koper-nikkel) TMKn - Type T
- nichrosil-nisil (nikkel-chroom-nikkel-nikkel-silicium) TNN - Type N.
- chromel-alumel - TXA - Type K
- chromel-constantaan TChKn - Type E
- chromel-copel - THK - Type L
- koper-copel - TMK - Type M
- silkh-silin - ТСС - Type I
- wolfraam en rhenium - wolfraam rhenium - TVR - Type A-1, A-2, A-3
De exacte legeringssamenstelling van thermokoppels voor thermokoppels van onedel metaal wordt niet gegeven in IEC 60584-1. НСХ voor chromel-copel-thermokoppels ТХК en wolfraam-rhenium-thermokoppels worden alleen gedefinieerd in GOST R 8.585-2001. Er zijn geen thermokoppelgegevens in de IEC-norm. Om deze reden kunnen de kenmerken van geïmporteerde sensoren gemaakt van deze metalen aanzienlijk verschillen van binnenlandse sensoren, bijvoorbeeld geïmporteerd type L en binnenlandse THK zijn niet uitwisselbaar. Tegelijkertijd is geïmporteerde apparatuur in de regel niet ontworpen voor de binnenlandse norm.
De IEC 60584-norm wordt momenteel herzien. Het is de bedoeling om in de standaard wolfraam-rhenium thermokoppels van het type A-1 te introduceren, waarvoor NSX zal voldoen aan de Russische norm, en type C volgens de ASTM-norm [6].
In 2008 introduceerde IEC twee nieuwe soorten thermokoppels: goud-platina en platina-palladium. De nieuwe IEC 62460-norm stelt standaardtabellen vast voor deze puur metalen thermokoppels. Er is nog geen vergelijkbare Russische standaard.
De werking van het thermokoppel controleren
Als het thermokoppel defect raakt, kan het niet worden gerepareerd. Theoretisch kun je het natuurlijk repareren, maar of het apparaat daarna de exacte temperatuur weergeeft, is een grote vraag.
Soms is het falen van een thermokoppel niet voor de hand liggend. Dit geldt in het bijzonder voor gasboilers. Het werkingsprincipe van een thermokoppel is nog steeds hetzelfde. Het speelt echter een iets andere rol en is niet bedoeld voor het visualiseren van temperatuurmetingen, maar voor klepbediening. Om een storing van een dergelijk thermokoppel te detecteren, is het daarom noodzakelijk om er een meetapparaat (tester, galvanometer of potentiometer) op aan te sluiten en de verbinding van het thermokoppel te verwarmen. Om dit te doen, is het niet nodig om het boven een open vuur te houden. Het volstaat om het in een vuist te knijpen en te kijken of de pijl van het apparaat zal afwijken.
De redenen voor het falen van thermokoppels kunnen verschillen. Dus als u geen speciaal afschermingsapparaat op het thermokoppel plaatst dat in de vacuümkamer van de ionenplasma-nitreereenheid is geplaatst, zal het na verloop van tijd steeds kwetsbaarder worden totdat een van de geleiders breekt. Bovendien is de mogelijkheid van een onjuiste werking van het thermokoppel als gevolg van een verandering in de chemische samenstelling van de elektroden niet uitgesloten. De fundamentele principes van het thermokoppel worden immers geschonden.
Gasapparatuur (ketels, kolommen) is ook uitgerust met thermokoppels. De belangrijkste oorzaak van defecte elektroden zijn oxidatieve processen die zich bij hoge temperaturen ontwikkelen.
In het geval dat de metingen van het apparaat opzettelijk onjuist zijn en tijdens een extern onderzoek geen zwakke klemmen werden gevonden, ligt de reden hoogstwaarschijnlijk in het falen van het besturings- en meetapparaat. In dat geval moet het voor reparatie worden geretourneerd.Als u over de juiste kwalificaties beschikt, kunt u proberen het probleem zelf op te lossen.
En in het algemeen, als de potentiometernaald of digitale indicator op zijn minst enkele "tekenen van leven" vertoont, dan is het thermokoppel in goede staat. In dit geval is het probleem duidelijk iets anders. En dienovereenkomstig, als het apparaat op geen enkele manier reageert op voor de hand liggende veranderingen in het temperatuurregime, kunt u het thermokoppel veilig wijzigen.
Voordat u het thermokoppel ontmantelt en een nieuw thermokoppel installeert, moet u er echter volledig voor zorgen dat het defect is. Om dit te doen, volstaat het om het thermokoppel te bellen met een gewone tester, of nog beter, om de uitgangsspanning te meten. Alleen een gewone voltmeter helpt hier waarschijnlijk niet. U heeft een millivoltmeter of tester nodig met de mogelijkheid om een meetschaal te selecteren. Het potentiaalverschil is tenslotte een zeer kleine waarde. En een standaardapparaat zal het niet eens voelen en het niet repareren.
Ontwerpkenmerken
Als we zorgvuldiger zijn over het proces van het meten van de temperatuur, dan wordt deze procedure uitgevoerd met behulp van een thermo-elektrische thermometer. Het belangrijkste gevoelige element van dit apparaat is een thermokoppel.
Het meetproces zelf vindt plaats door het creëren van een elektromotorische kracht in het thermokoppel. Er zijn enkele kenmerken van een thermokoppelapparaat:
- De elektroden zijn verbonden in thermokoppels om op een bepaald punt hoge temperaturen te meten met behulp van elektrisch booglassen. Bij het meten van kleine indicatoren wordt zo'n contact gemaakt door middel van solderen. Speciale verbindingen in wolfraam-rhenium- en wolfraam-molybdeen-apparaten worden uitgevoerd met strakke wendingen zonder extra bewerking.
- De verbinding van de elementen wordt alleen in het werkgebied uitgevoerd en langs de rest van de lengte zijn ze van elkaar geïsoleerd.
- De isolatiemethode wordt uitgevoerd afhankelijk van de bovenste temperatuurwaarde. Met een waardebereik van 100 tot 120 ° C wordt elk type isolatie gebruikt, ook lucht. Porseleinen buisjes of kralen worden gebruikt bij temperaturen tot 1300 ° C. Als de waarde 2000 ° C bereikt, wordt een isolatiemateriaal van aluminiumoxide, magnesium, beryllium en zirkonium gebruikt.
- Afhankelijk van de gebruiksomgeving van de sensor waarin de temperatuur wordt gemeten, wordt een buitenste beschermhoes gebruikt. Het is gemaakt in de vorm van een metalen of keramische buis. Deze bescherming biedt waterdichtheid en oppervlaktebescherming van het thermokoppel tegen mechanische belasting. Het materiaal van de buitenbekleding moet bestand zijn tegen blootstelling aan hoge temperaturen en een uitstekende thermische geleidbaarheid hebben.
Het zal voor u interessant zijn Installatie van een elektrisch paneel onder de meter en machines
Het ontwerp van de sensor hangt grotendeels af van de gebruiksomstandigheden. Bij het maken van een thermokoppel wordt rekening gehouden met het bereik van de gemeten temperaturen, de toestand van de externe omgeving, thermische inertie, enz.
Voordelen van thermokoppels
Waarom zijn thermokoppels gedurende zo'n lange bedrijfsgeschiedenis niet vervangen door meer geavanceerde en moderne temperatuurmeetsensoren? Ja, om de simpele reden dat tot nu toe geen enkel ander apparaat ermee kan concurreren.
Ten eerste zijn thermokoppels relatief goedkoop. Hoewel de prijzen in een breed bereik kunnen fluctueren als gevolg van het gebruik van bepaalde beschermingselementen en oppervlakken, connectoren en connectoren.
Ten tweede zijn thermokoppels pretentieloos en betrouwbaar, waardoor ze met succes kunnen worden gebruikt in agressieve temperatuur- en chemische omgevingen. Dergelijke apparaten worden zelfs in gasketels geïnstalleerd. Het werkingsprincipe van een thermokoppel blijft altijd hetzelfde, ongeacht de bedrijfsomstandigheden. Niet elk ander type sensor is bestand tegen een dergelijke impact.
De technologie voor de fabricage en fabricage van thermokoppels is eenvoudig en gemakkelijk in de praktijk te implementeren.Globaal gesproken is het voldoende om de uiteinden van draden van verschillende metalen materialen te draaien of te lassen.
Een ander positief kenmerk is de nauwkeurigheid van de metingen en de verwaarloosbare fout (slechts 1 graad). Deze nauwkeurigheid is meer dan voldoende voor de behoeften van industriële productie en voor wetenschappelijk onderzoek.
Soorten thermokoppelovergangen
De moderne industrie produceert verschillende ontwerpen die worden gebruikt bij de vervaardiging van thermokoppels:
- met een open kruising;
- met een geïsoleerde kruising;
- met een geaard kruispunt.
Een kenmerk van thermokoppels met open junctie is een slechte weerstand tegen invloeden van buitenaf.
De volgende twee soorten constructies kunnen worden gebruikt bij het meten van temperaturen in agressieve media die een destructief effect hebben op het contactpaar.
Bovendien beheert de industrie momenteel schema's voor de productie van thermokoppels met behulp van halfgeleidertechnologieën.
Nadelen van thermokoppel
Er zijn niet veel nadelen van een thermokoppel, vooral in vergelijking met zijn naaste concurrenten (temperatuursensoren van andere typen), maar toch zijn ze dat wel, en het zou oneerlijk zijn om erover te zwijgen.
Het potentiaalverschil wordt dus gemeten in millivolt. Daarom is het noodzakelijk om zeer gevoelige potentiometers te gebruiken. En als we er rekening mee houden dat meetapparatuur niet altijd in de directe omgeving van de verzamelplaats van experimentele data geplaatst kan worden, dan moeten er enkele versterkers gebruikt worden. Dit veroorzaakt een aantal ongemakken en leidt tot onnodige kosten bij de organisatie en voorbereiding van de productie.
Soorten thermokoppels
- Chromel-aluminium
Ze worden voornamelijk gebruikt in de industrie. Karakteristieke kenmerken: breed temperatuurbereik van metingen -200 ... + 13000 ° C, betaalbare kosten. Niet goedgekeurd voor gebruik in winkels met een hoog zwavelgehalte. - Chromel-copel
De applicatie is vergelijkbaar met het vorige type, de functie is het behoud van de prestaties alleen in niet-agressieve vloeibare en gasvormige media. Wordt vaak gebruikt om temperaturen in openhaardovens te meten. - IJzer constant
Effectief in een ijle atmosfeer. - Platina-rhodium-platina
Het duurste. Ze worden gekenmerkt door stabiele en nauwkeurige metingen. Wordt gebruikt om hoge temperaturen te meten. - Wolfraam-renium
Meestal hebben ze beschermhoezen in hun ontwerp. Het belangrijkste toepassingsgebied is het meten van media met ultrahoge temperaturen.
