Zasada działania i konstrukcja termopary jest niezwykle prosta. Doprowadziło to do popularności tego urządzenia i jego szerokiego zastosowania we wszystkich gałęziach nauki i techniki. Termopara przeznaczona jest do pomiaru temperatur w szerokim zakresie - od -270 do 2500 stopni Celsjusza. Urządzenie od dziesięcioleci jest nieodzownym pomocnikiem inżynierów i naukowców. Działa niezawodnie i bezbłędnie, a odczyty temperatury są zawsze prawdziwe. Po prostu nie ma doskonalszego i dokładniejszego urządzenia. Wszystkie nowoczesne urządzenia działają na zasadzie termopary. Pracują w trudnych warunkach.
Przypisanie termopary
Urządzenie to przetwarza energię cieplną na prąd elektryczny i umożliwia pomiar temperatury. W przeciwieństwie do tradycyjnych termometrów rtęciowych, jest zdolny do pracy zarówno w warunkach skrajnie niskich, jak i skrajnie wysokich temperatur. Ta cecha doprowadziła do powszechnego stosowania termopar w wielu różnych instalacjach: przemysłowych piecach metalurgicznych, kotłach gazowych, komorach próżniowych do chemicznej obróbki cieplnej, piecach do domowych pieców gazowych. Zasada działania termopary zawsze pozostaje niezmieniona i nie zależy od urządzenia, w którym jest zamontowana.
Niezawodna i nieprzerwana praca termopary uzależniona jest od działania układu awaryjnego wyłączania urządzeń w przypadku przekroczenia dopuszczalnych temperatur. Dlatego to urządzenie musi być niezawodne i dawać dokładne odczyty, aby nie zagrażać życiu ludzi.
Zalety stosowania termopar
Do zalet stosowania takich urządzeń do regulacji temperatury, niezależnie od zastosowania, można zaliczyć:
- szeroki zakres wskaźników, które można zarejestrować za pomocą termopary;
- lutowanie termopary, które jest bezpośrednio zaangażowane w dokonywanie odczytów, może być umieszczone w bezpośrednim kontakcie z punktem pomiarowym;
- prosty proces wytwarzania termopar, ich wytrzymałość i trwałość.
Jak działa termopara
Termopara ma trzy główne elementy. Są to dwa przewodniki prądu elektrycznego z różnych materiałów, a także rura ochronna. Dwa końce przewodników (zwane również termoelektrodami) są przylutowane, a pozostałe dwa połączone są z potencjometrem (urządzeniem do pomiaru temperatury).
Mówiąc najprościej, zasada działania termopary polega na tym, że złącze termoelektrod znajduje się w środowisku, którego temperaturę należy zmierzyć. Zgodnie z regułą Seebecka na przewodach powstaje różnica potencjałów (w przeciwnym razie - termoelektryczność). Im wyższa temperatura medium, tym większa różnica potencjałów. W związku z tym strzałka urządzenia odchyla się bardziej.
W nowoczesnych kompleksach pomiarowych cyfrowe wskaźniki temperatury zastąpiły urządzenie mechaniczne. Jednak nowe urządzenie nie zawsze ma lepsze właściwości niż stare urządzenia z czasów radzieckich. Na politechnikach i placówkach badawczych do dziś używają potencjometrów 20-30 lat temu. Wykazują niesamowitą dokładność i stabilność pomiaru.
Rodzaje urządzeń
Każdy typ termopary ma swoje własne oznaczenie i jest podzielony zgodnie z ogólnie przyjętym standardem. Każdy rodzaj elektrody ma swój skrót: TXA, TXK, TBR itp. Konwertery są dystrybuowane zgodnie z klasyfikacją:
- Typ E - to stop chromu i konstantanu. Cechą charakterystyczną tego urządzenia jest wysoka czułość i wydajność. Jest to szczególnie przydatne do stosowania w ekstremalnie niskich temperaturach.
- J - odnosi się do stopu żelaza i konstantanu. Charakteryzuje się wysoką czułością, która może dochodzić do 50 μV / ° C.
- Typ K jest uważany za najpopularniejszy stop chromel / aluminium. Te termopary mogą wykrywać temperatury w zakresie od -200 ° C do +1350 ° C. Urządzenia znajdują zastosowanie w obwodach znajdujących się w warunkach nieutleniających i obojętnych bez oznak starzenia. Gdy urządzenia są używane w dość kwaśnym środowisku, chromel szybko koroduje i staje się bezużyteczny do pomiaru temperatury za pomocą termopary.
- Typ M - reprezentuje stopy niklu z molibdenem lub kobaltem. Urządzenia wytrzymują do 1400 ° C i znajdują zastosowanie w instalacjach pracujących na zasadzie pieców próżniowych.
- Typ N - urządzenia nichrosil-nisil, których różnicę uważa się za odporność na utlenianie. Służą do pomiaru temperatur w zakresie od -270 do +1300 ° C.
To będzie dla Ciebie interesujące Urządzenie, zasada działania i zastosowanie superkondensatora
Istnieją termopary wykonane ze stopów rodu i platyny. Należą do typów B, S, R i są uważane za najbardziej stabilne urządzenia. Wady tych przetworników to wysoka cena i niska czułość.
W wysokich temperaturach szeroko stosowane są urządzenia wykonane ze stopów renu i wolframu. Ponadto, zgodnie z ich przeznaczeniem i warunkami pracy, termopary mogą być zanurzalne i powierzchniowe.
Z założenia urządzenia mają statyczne i ruchome złącze lub kołnierz. Przetworniki termoelektryczne są szeroko stosowane w komputerach, które są zwykle połączone przez port COM i są przeznaczone do pomiaru temperatury wewnątrz obudowy.
Efekt Seebeck
Zasada działania termopary opiera się na tym zjawisku fizycznym. Najważniejsze jest to: jeśli podłączysz dwa przewodniki wykonane z różnych materiałów (czasami używane są półprzewodniki), wówczas prąd będzie krążył wzdłuż takiego obwodu elektrycznego.
Tak więc, jeśli złącze przewodów zostanie podgrzane i schłodzone, igła potencjometru będzie oscylować. Prąd można również wykryć za pomocą galwanometru podłączonego do obwodu.
W przypadku, gdy przewodniki są wykonane z tego samego materiału, odpowiednio nie powstanie siła elektromotoryczna, nie będzie można zmierzyć temperatury.
Schemat podłączenia termopary
Najpopularniejsze metody łączenia przyrządów pomiarowych z termoparami to tak zwana metoda prosta, jak również metoda zróżnicowana. Istota pierwszej metody jest następująca: urządzenie (potencjometr lub galwanometr) jest bezpośrednio podłączone do dwóch przewodów. Metodą zróżnicowaną lutuje się nie jeden, ale oba końce przewodników, podczas gdy przyrząd pomiarowy „łamie” jedną z elektrod.
Nie sposób nie wspomnieć o tzw. Zdalnej metodzie podłączenia termopary. Zasada działania pozostaje niezmieniona. Jedyną różnicą jest to, że przedłużacze są dodawane do obwodu. Do tych celów zwykły przewód miedziany nie jest odpowiedni, ponieważ druty kompensacyjne muszą koniecznie być wykonane z tych samych materiałów co przewodniki termopary.
Wady pomiaru temperatury termoparą
Wady stosowania termopary obejmują:
- Konieczność stałego monitorowania temperatury „zimnego” styku termopary. Jest to charakterystyczna cecha konstrukcji przyrządów pomiarowych opartych na termoparach. Zasada działania tego schematu zawęża zakres jego stosowania. Można ich używać tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia jest niższa niż temperatura w punkcie pomiarowym.
- Naruszenie wewnętrznej struktury metali używanych do produkcji termopary.Faktem jest, że pod wpływem środowiska zewnętrznego styki tracą jednorodność, co powoduje błędy w otrzymywanych wskaźnikach temperatury.
- Podczas pomiaru grupa styków termopary jest zwykle narażona na negatywne wpływy otoczenia, co powoduje zakłócenia podczas pracy. To znowu wymaga uszczelnienia styków, co powoduje dodatkowe koszty konserwacji takich czujników.
- Istnieje niebezpieczeństwo oddziaływania fal elektromagnetycznych na termoparę, która została zaprojektowana z długą grupą styków. Może to również wpłynąć na wyniki pomiarów.
- W niektórych przypadkach dochodzi do naruszenia liniowej zależności między prądem elektrycznym powstającym w termoparach a temperaturą w punkcie pomiaru. Taka sytuacja wymaga kalibracji sprzętu sterującego.
Materiały przewodzące
Zasada działania termopary opiera się na występowaniu różnicy potencjałów w przewodnikach. Dlatego do wyboru materiałów elektrod należy podchodzić bardzo odpowiedzialnie. Różnica we właściwościach chemicznych i fizycznych metali jest głównym czynnikiem w działaniu termopary, której urządzenie i zasada działania opierają się na pojawieniu się pola elektromagnetycznego samoindukcji (różnicy potencjałów) w obwodzie.
Technicznie czyste metale nie nadają się do stosowania jako termopara (z wyjątkiem żelaza ARMKO). Powszechnie stosuje się różne stopy metali nieżelaznych i szlachetnych. Takie materiały mają stabilne właściwości fizyczne i chemiczne, dzięki czemu odczyty temperatury zawsze będą dokładne i obiektywne. Stabilność i precyzja to kluczowe cechy w organizacji eksperymentu i procesu produkcyjnego.
Obecnie najpopularniejsze termopary typu: E, J, K.
Zasada działania i budowa termopar
Termopara składa się z dwóch przewodników i rurki, która służy jako ochrona termoelektrod. Termoelektrody składają się z metali nieszlachetnych i metali szlachetnych, najczęściej stopów, połączonych ze sobą na jednym końcu (roboczym lub gorącym spoiwem), tworząc tym samym jedną z części urządzenia. Drugie końce termopary (pionowe lub zimne złącze) są podłączone do miernika napięcia. EMF pojawia się pośrodku dwóch niepodłączonych zacisków, wartość zależy od temperatury końca roboczego.
Identyczne konwertery termiczne połączone równolegle zamykają obwód, zgodnie z regułą Seebecka, rozważymy tę zasadę dalej, powstaje między nimi różnica potencjałów kontaktowych lub efekt termoelektryczny, ładunki elektryczne pojawiają się na przewodnikach, gdy się stykają, powstaje różnica potencjałów między ich wolne końce zależy od różnicy temperatur. Tylko wtedy, gdy temperatura między termoelektrodami jest taka sama, różnica potencjałów jest równa zeru.
Na przykład: Umieszczając złącze o współczynnikach różnych od zera, w dwóch wrzących kotłach z cieczą, temperatura pierwszego wynosi 50, a drugiego 45, wtedy różnica potencjałów wyniesie 5.
Różnica potencjałów jest określona przez różnicę temperatur między źródłami. Zależy również od materiału, z którego wykonane są elektrody termopary. Przykład: termopara Chromel-Alumel ma współczynnik temperaturowy 41, a Chromel-Constantan ma współczynnik 68.
Termopara typu K.
Jest to prawdopodobnie najpopularniejszy i najczęściej używany typ termopary. Para chromel - aluminium świetnie sprawdza się w temperaturach od -200 do 1350 stopni Celsjusza. Ten typ termopary jest bardzo czuły i wykrywa nawet niewielki skok temperatury. Dzięki takiemu zestawowi parametrów termopara znajduje zastosowanie zarówno w produkcji, jak i do badań naukowych. Ale ma też istotną wadę - wpływ składu atmosfery pracy. Tak więc, jeśli ten typ termopary będzie działał w środowisku CO2, wówczas termopara da nieprawidłowe odczyty.Ta funkcja ogranicza użycie tego typu urządzenia. Obwód i zasada działania termopary pozostają niezmienione. Jedyna różnica polega na składzie chemicznym elektrod.
Rodzaje termopar
Wymagania techniczne dla termopar określa GOST 6616-94. Standardowe tabele dla termometrów termoelektrycznych - nominalne statyczne charakterystyki konwersji (NSC), klasy tolerancji i zakresy pomiarowe podano w normie IEC 60584-1.2 oraz w GOST R 8.585-2001.
- platyna-rod-platyna - TPP13 - Typ R.
- platyna-rod-platyna - TPP10 - Typ S.
- platyna-rod-platyna-rod - TPR - Typ B.
- żelazo-konstantan (żelazo-miedź-nikiel) TLC - typ J.
- miedź-konstantan (miedź-miedź-nikiel) TMKn - Typ T
- nichrosil-nisil (nikiel-chrom-nikiel-nikiel-krzem) TNN - Typ N.
- chromel-alumel - TXA - Typ K.
- chromel-constantan TChKn - Typ E.
- chromel-copel - THK - Typ L.
- miedź-copel - TMK - Typ M
- jedwabisto-silinowy - ТСС - Typ I
- wolfram i ren - wolfram ren - TVR - Typ A-1, A-2, A-3
Dokładny skład stopu termopar dla termopar z metali nieszlachetnych nie jest podany w normie IEC 60584-1. НСХ dla termoelementów chromel-copel ТХК i termopar wolframowo-renowych są zdefiniowane tylko w GOST R 8.585-2001. W standardzie IEC nie ma danych dotyczących termopar. Z tego powodu cechy importowanych czujników wykonanych z tych metali mogą znacznie różnić się od krajowych, na przykład importowany typ L i krajowy THK nie są zamienne. Jednocześnie z reguły importowany sprzęt nie jest przeznaczony do standardu krajowego.
Norma IEC 60584 jest obecnie aktualizowana. Planuje się wprowadzenie do standardu termopar wolframowo-renowych typu A-1, dla których NSX będzie odpowiadał normie rosyjskiej, a typ C zgodnie z normą ASTM [6].
W 2008 roku IEC wprowadziła dwa nowe typy termopar: złoto-platyna i platynowo-pallad. Nowa norma IEC 62460 ustanawia standardowe tabele dla tych termopar z czystego metalu. Nie ma jeszcze podobnego rosyjskiego standardu.
Sprawdzanie działania termopary
Jeśli termopara ulegnie awarii, nie można jej naprawić. Teoretycznie można to oczywiście naprawić, ale to, czy urządzenie pokaże potem dokładną temperaturę, to duże pytanie.
Czasami awaria termopary nie jest oczywista i oczywista. W szczególności dotyczy to gazowych podgrzewaczy wody. Zasada działania termopary jest nadal taka sama. Odgrywa jednak nieco inną rolę i nie jest przeznaczony do wizualizacji odczytów temperatury, ale do obsługi zaworu. Dlatego, aby wykryć awarię takiej termopary, konieczne jest podłączenie do niej urządzenia pomiarowego (testera, galwanometru lub potencjometru) i podgrzanie złącza termopary. Aby to zrobić, nie trzeba trzymać go nad otwartym ogniem. Wystarczy ścisnąć go w pięść i zobaczyć, czy strzałka urządzenia się odchyli.
Przyczyny awarii termopar mogą być różne. Jeśli więc nie założysz specjalnego urządzenia ekranującego na termoparę umieszczoną w komorze próżniowej jednostki do azotowania jonowo-plazmowego, to z czasem będzie ona coraz bardziej krucha, aż pęknie jeden z przewodników. Ponadto nie wyklucza się możliwości nieprawidłowego działania termopary w wyniku zmiany składu chemicznego elektrod. W końcu naruszane są podstawowe zasady termopary.
Sprzęt gazowy (kotły, kolumny) jest również wyposażony w termopary. Główną przyczyną awarii elektrod są procesy utleniania, które rozwijają się w wysokich temperaturach.
W przypadku, gdy odczyty urządzenia są celowo fałszywe, a podczas badania zewnętrznego nie znaleziono słabych cęgów, najprawdopodobniej przyczyną jest awaria urządzenia kontrolno-pomiarowego. W takim przypadku należy go zwrócić do naprawy.Jeśli masz odpowiednie kwalifikacje, możesz spróbować samodzielnie rozwiązać problem.
Ogólnie rzecz biorąc, jeśli wskazówka potencjometru lub wskaźnik cyfrowy wykazują przynajmniej niektóre „oznaki życia”, oznacza to, że termopara jest sprawna. W tym przypadku problem jest wyraźnie inny. I odpowiednio, jeśli urządzenie nie reaguje w żaden sposób na oczywiste zmiany reżimu temperatury, możesz bezpiecznie zmienić termoparę.
Jednak zanim zdemontujesz termoparę i zainstalujesz nową, musisz w pełni upewnić się, że jest uszkodzona. Aby to zrobić, wystarczy zadzwonić do termopary zwykłym testerem lub jeszcze lepiej zmierzyć napięcie na wyjściu. W tym przypadku raczej nie pomoże zwykły woltomierz. Będziesz potrzebował miliwoltomierza lub testera z możliwością wyboru skali pomiaru. W końcu różnica potencjałów ma bardzo małą wartość. A standardowe urządzenie nawet tego nie poczuje i nie naprawi.
Cechy konstrukcyjne
Jeśli bardziej skrupulatnie podchodzimy do procesu pomiaru temperatury, to procedura ta odbywa się za pomocą termometru termoelektrycznego. Termopara jest uważana za główny czuły element tego urządzenia.
Sam proces pomiaru zachodzi w wyniku powstania siły elektromotorycznej w termoparach. Istnieją pewne cechy termopary:
- Elektrody są połączone w termoparach, aby mierzyć wysokie temperatury w jednym punkcie za pomocą spawania łukiem elektrycznym. Podczas pomiaru małych wskaźników taki kontakt jest wykonywany za pomocą lutowania. Specjalne związki w urządzeniach wolframowo-renowych i wolframowo-molibdenowych są wykonywane przy użyciu ciasnych skrętów bez dodatkowej obróbki.
- Połączenie elementów odbywa się tylko w obszarze roboczym, a na pozostałej długości są one od siebie odizolowane.
- Metodę izolacji przeprowadza się w zależności od górnej wartości temperatury. W zakresie wartości od 100 do 120 ° C stosowany jest każdy rodzaj izolacji, w tym powietrze. Rurki lub koraliki porcelanowe są używane w temperaturach do 1300 ° C. Jeśli wartość osiągnie 2000 ° C, wówczas stosuje się materiał izolacyjny z tlenku glinu, magnezu, berylu i cyrkonu.
- W zależności od środowiska użytkowania czujnika, w którym mierzona jest temperatura, stosuje się zewnętrzną osłonę ochronną. Wykonany jest w postaci metalowej lub ceramicznej rurki. Zabezpieczenie to zapewnia wodoodporność i ochronę powierzchni termopary przed naprężeniami mechanicznymi. Zewnętrzny materiał pokrycia musi być odporny na działanie wysokich temperatur i mieć doskonałe przewodnictwo cieplne.
To będzie dla Ciebie interesujące Montaż panelu elektrycznego pod licznikiem i maszynami
Konstrukcja czujnika w dużej mierze zależy od warunków jego użytkowania. Podczas tworzenia termopary brany jest pod uwagę zakres mierzonych temperatur, stan środowiska zewnętrznego, bezwładność cieplna itp.
Zalety termopary
Dlaczego termopary nie zostały zastąpione przez bardziej zaawansowane i nowoczesne czujniki do pomiaru temperatury w tak długiej historii? Tak, z tego prostego powodu, że do tej pory żadne inne urządzenie nie może z nim konkurować.
Po pierwsze, termopary są stosunkowo tanie. Chociaż ceny mogą się wahać w szerokim zakresie w wyniku stosowania niektórych elementów i powierzchni ochronnych, złączy i złączy.
Po drugie, termopary są bezpretensjonalne i niezawodne, co pozwala z powodzeniem pracować w agresywnych temperaturach i środowiskach chemicznych. Takie urządzenia są nawet instalowane w kotłach gazowych. Zasada działania termopary pozostaje zawsze taka sama, niezależnie od warunków pracy. Nie każdy inny typ czujnika będzie w stanie wytrzymać takie uderzenie.
Technologia wytwarzania i wytwarzania termopar jest prosta i łatwa do wdrożenia w praktyce.Z grubsza wystarczy skręcić lub spawać końce drutów z różnych materiałów metalowych.
Kolejną pozytywną cechą jest dokładność pomiarów i znikomy błąd (tylko 1 stopień). Ta dokładność jest więcej niż wystarczająca na potrzeby produkcji przemysłowej i badań naukowych.
Rodzaje połączeń termopar
Współczesny przemysł produkuje kilka projektów, które są wykorzystywane do produkcji termopar:
- z otwartym skrzyżowaniem;
- z izolowanym skrzyżowaniem;
- z uziemionym złączem.
Cechą termopar z otwartym złączem jest słaba odporność na wpływy zewnętrzne.
Poniższe dwa typy konstrukcji można zastosować do pomiaru temperatur w agresywnych mediach, które mają destrukcyjny wpływ na parę styków.
Ponadto obecnie branża doskonali schematy produkcji termopar z wykorzystaniem technologii półprzewodnikowych.
Wady termopary
Nie ma wielu wad termopary, zwłaszcza w porównaniu z jej najbliższymi konkurentami (czujnikami temperatury innych typów), ale są one i byłoby niesprawiedliwe milczeć o nich.
Zatem różnica potencjałów jest mierzona w miliwoltach. Dlatego konieczne jest stosowanie bardzo czułych potencjometrów. A jeśli weźmiemy pod uwagę, że urządzenia pomiarowe nie zawsze mogą znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca gromadzenia danych eksperymentalnych, to trzeba zastosować niektóre wzmacniacze. Powoduje to szereg niedogodności i prowadzi do niepotrzebnych kosztów w organizacji i przygotowaniu produkcji.
Rodzaje termopar
- Chromel-aluminium
... Stosowane są głównie w przemyśle. Cechy charakterystyczne: szeroki zakres temperatur pomiarowych -200 ... + 13000 ° C, przystępna cena. Niezatwierdzony do użytku w sklepach z dużą zawartością siarki. - Chromel-copel
... Aplikacja jest podobna do poprzedniego typu, cechą jest zachowanie właściwości użytkowych tylko w nieagresywnych mediach ciekłych i gazowych. Często używany do pomiaru temperatury w piecach z paleniskiem otwartym. - Żelazna stała
... Skuteczny w rozrzedzonej atmosferze. - Platyna-rod-platyna
... Najdroższy. Charakteryzują się stabilnymi i dokładnymi odczytami. Służy do pomiaru wysokich temperatur. - Wolfram-ren
... Zwykle mają w swojej konstrukcji osłony ochronne. Głównym obszarem zastosowań jest pomiar mediów o ultra wysokich temperaturach.
