Principiul de funcționare și proiectarea unui termocuplu este extrem de simplu. Acest lucru a dus la popularitatea acestui dispozitiv și la utilizarea sa pe scară largă în toate ramurile științei și tehnologiei. Termocuplul este conceput pentru a măsura temperaturile într-o gamă largă - de la -270 la 2500 de grade Celsius. Dispozitivul a fost un asistent indispensabil pentru ingineri și oameni de știință de zeci de ani. Funcționează fiabil și impecabil, iar citirile de temperatură sunt întotdeauna adevărate. Un dispozitiv mai perfect și mai precis pur și simplu nu există. Toate dispozitivele moderne funcționează pe principiul termocuplului. Lucrează în condiții dificile.
Alocarea termocuplului
Acest dispozitiv convertește energia termică în curent electric și permite măsurarea temperaturii. Spre deosebire de termometrele tradiționale cu mercur, acesta este capabil să funcționeze în condiții atât de temperaturi extrem de scăzute, cât și de temperaturi extrem de ridicate. Această caracteristică a condus la utilizarea pe scară largă a termocuplurilor într-o mare varietate de instalații: cuptoare industriale metalurgice, cazane pe gaz, camere de vid pentru tratamentul termic chimic, cuptor pentru sobe de gaz de uz casnic. Principiul de funcționare al unui termocuplu rămâne întotdeauna neschimbat și nu depinde de dispozitivul în care este montat.
Funcționarea fiabilă și neîntreruptă a termocuplului depinde de funcționarea sistemului de oprire de urgență a dispozitivelor în cazul depășirii limitelor de temperatură admise. Prin urmare, acest dispozitiv trebuie să fie fiabil și să ofere citiri exacte pentru a nu pune în pericol viața oamenilor.
Avantajele utilizării termocuplurilor
Avantajele utilizării unor astfel de dispozitive pentru controlul temperaturii, indiferent de aplicație, includ:
- o gamă largă de indicatori care pot fi înregistrați utilizând un termocuplu;
- lipirea termocuplului, care este direct implicată în efectuarea citirilor, poate fi pusă în contact direct cu punctul de măsurare;
- proces simplu de fabricare a termocuplurilor, rezistența și durabilitatea acestora.
Cum funcționează termocuplul
Un termocuplu are trei elemente principale. Aceștia sunt doi conductori de electricitate din materiale diferite, precum și un tub de protecție. Cele două capete ale conductoarelor (numite și termoelectrozi) sunt lipite, iar celelalte două sunt conectate la un potențiometru (dispozitiv de măsurare a temperaturii).
În termeni simpli, principiul de funcționare al unui termocuplu este că joncțiunea termoelectrozilor este plasată într-un mediu, a cărui temperatură trebuie măsurată. În conformitate cu regula Seebeck, apare o diferență de potențial asupra conductorilor (altfel - termoelectricitate). Cu cât temperatura mediului este mai mare, cu atât este mai semnificativă diferența de potențial. În consecință, săgeata dispozitivului deviază mai mult.
În complexele moderne de măsurare, indicatorii digitali de temperatură au înlocuit dispozitivul mecanic. Cu toate acestea, noul dispozitiv este departe de a fi întotdeauna superior în caracteristicile sale față de vechile dispozitive din epoca sovietică. În universitățile tehnice și în instituțiile de cercetare, până în ziua de azi ei folosesc potențiometre în urmă cu 20-30 de ani. Și prezintă precizie și stabilitate uimitoare de măsurare.
Tipuri de dispozitive
Fiecare tip de termocuplu are o denumire proprie și sunt împărțite în conformitate cu standardul general acceptat. Fiecare tip de electrod are propria abreviere: TXA, TXK, TBR etc. Convertizoarele sunt distribuite în funcție de clasificare:
- Tipul E - este un aliaj de chromel și constantan. Caracteristica acestui dispozitiv este considerată a fi sensibilitate și performanță ridicate. Acest lucru este potrivit în special pentru utilizare la temperaturi extrem de scăzute.
- J - se referă la un aliaj de fier și constantan. Are o sensibilitate ridicată, care poate ajunge până la 50 μV / ° C.
- Tipul K este considerat cel mai popular aliaj de crom / aluminiu. Aceste termocupluri pot detecta temperaturi cuprinse între -200 ° C și +1350 ° C. Dispozitivele sunt utilizate în circuite situate în condiții neoxidante și inerte, fără semne de îmbătrânire. Când dispozitivele sunt utilizate într-un mediu destul de acid, chromel se corodează rapid și devine inutilizabil pentru măsurarea temperaturii cu un termocuplu.
- Tipul M - reprezintă aliaje de nichel cu molibden sau cobalt. Dispozitivele pot rezista până la 1400 ° C și sunt utilizate în instalații care funcționează pe principiul cuptoarelor cu vid.
- Tipul N - dispozitive nichrosil-nisil, a căror diferență este considerată a fi rezistența la oxidare. Sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor cuprinse între -270 și +1300 ° C.
Va fi interesant pentru dvs. Dispozitivul, principiul de funcționare și aplicarea supercondensatorului
Există termocupluri din aliaje de rodiu și platină. Aparțin tipurilor B, S, R și sunt considerate cele mai stabile dispozitive. Dezavantajele acestor convertoare includ prețul ridicat și sensibilitatea redusă.
La temperaturi ridicate, dispozitivele fabricate din aliaje de reniu și tungsten sunt utilizate pe scară largă. În plus, în funcție de scopul și condițiile lor de funcționare, termocuplurile pot fi submersibile și de suprafață.
Prin proiectare, dispozitivele au o uniune statică și mobilă sau flanșă. Convertoarele termoelectrice sunt utilizate pe scară largă în computere, care sunt de obicei conectate printr-un port COM și sunt proiectate pentru a măsura temperatura din interiorul carcasei.
Efect Seebeck
Principiul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe acest fenomen fizic. Concluzia este următoarea: dacă conectați doi conductori din materiale diferite (uneori se folosesc semiconductori), atunci un curent va circula de-a lungul unui astfel de circuit electric.
Astfel, dacă joncțiunea conductorilor este încălzită și răcită, acul potențiometrului va oscila. Curentul poate fi detectat și de un galvanometru conectat la circuit.
În cazul în care conductorii sunt din același material, atunci nu va apărea forța electromotivă, respectiv nu va fi posibilă măsurarea temperaturii.
Diagrama conexiunii termocuplului
Cele mai comune metode de conectare a instrumentelor de măsurare la termocupluri sunt așa-numita metodă simplă, precum și cea diferențiată. Esența primei metode este următoarea: dispozitivul (potențiometru sau galvanometru) este conectat direct la doi conductori. Cu metoda diferențiată, nu unul, ci ambele capete ale conductoarelor sunt lipite, în timp ce unul dintre electrozi este „rupt” de dispozitivul de măsurare.
Este imposibil să nu menționăm așa-numita metodă la distanță de conectare a unui termocuplu. Principiul de funcționare rămâne neschimbat. Singura diferență este că firele de extensie sunt adăugate la circuit. În aceste scopuri, un cablu obișnuit de cupru nu este potrivit, deoarece firele de compensare trebuie să fie neapărat din aceleași materiale ca și conductoarele termocuplului.
Dezavantaje ale măsurării temperaturii cu un termocuplu
Dezavantajele utilizării unui termocuplu includ:
- Necesitatea unei monitorizări constante a temperaturii contactului „rece” al termocuplului. Aceasta este o trăsătură distinctivă a designului instrumentelor de măsurare, care se bazează pe un termocuplu. Principiul de funcționare al acestei scheme restrânge domeniul de aplicare al acesteia. Ele pot fi utilizate numai dacă temperatura ambiantă este mai mică decât temperatura din punctul de măsurare.
- Încălcarea structurii interne a metalelor utilizate la fabricarea unui termocuplu.Faptul este că, ca urmare a influenței mediului extern, contactele își pierd omogenitatea, ceea ce provoacă erori în indicatorii de temperatură obținuți.
- În timpul măsurării, grupul de contact al unui termocuplu este de obicei expus la influențe negative asupra mediului, ceea ce provoacă tulburări în timpul funcționării. Acest lucru necesită din nou etanșarea contactelor, ceea ce determină costuri suplimentare de întreținere pentru astfel de senzori.
- Există pericolul ca undele electromagnetice să afecteze termocuplul, care este proiectat cu un grup de contact lung. Acest lucru poate afecta și rezultatele măsurătorilor.
- În unele cazuri, există o încălcare a relației liniare dintre curentul electric care apare în termocuplu și temperatura la punctul de măsurare. Această situație necesită calibrarea echipamentului de control.
Materiale conductoare
Principiul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe apariția unei diferențe de potențial în conductori. Prin urmare, selectarea materialelor pentru electrozi trebuie abordată foarte responsabil. Diferența dintre proprietățile chimice și fizice ale metalelor este factorul principal în funcționarea unui termocuplu, al cărui dispozitiv și principiul de funcționare se bazează pe apariția unui CEM de autoinducție (diferență de potențial) în circuit.
Metalele din punct de vedere tehnic nu sunt adecvate pentru utilizare ca termocuplu (cu excepția fierului ARMKO). Sunt utilizate în mod obișnuit diferite aliaje de metale neferoase și prețioase. Astfel de materiale au caracteristici fizice și chimice stabile, astfel încât citirile de temperatură vor fi întotdeauna precise și obiective. Stabilitatea și precizia sunt calități cheie în organizarea experimentului și a procesului de producție.
În prezent, cele mai comune termocupluri din următoarele tipuri: E, J, K.
Principiul de funcționare și structura termocuplurilor
Termocuplul este format din doi conductori și un tub care servește ca protecție pentru termoelectrozi. Termoelectrozii constau din metale de bază și nobile, cel mai adesea aliaje, fixate între ele la un capăt (capăt de lucru sau joncțiune fierbinte), astfel formează una dintre părțile dispozitivului. Celelalte capete ale termocuplului (ascensoare sau joncțiune rece) sunt conectate la contorul de tensiune. Un EMF apare în mijlocul a două terminale neconectate, valoarea depinde de temperatura capătului de lucru.
Convertorii termici identici combinați în paralel închid circuitul, conform regulii Seebeck, vom lua în considerare această regulă în continuare, se formează o diferență de potențial de contact sau efect termoelectric între ele, apar sarcini electrice pe conductori atunci când ating, apare o diferență de potențial capetele lor libere și depinde de diferența de temperatură. Doar atunci când temperatura dintre termoelectrozi este aceeași, diferența de potențial este egală cu zero.
De exemplu: prin plasarea unei joncțiuni cu coeficienți diferiți de zero, în două oale de fierbere cu lichid, temperatura primului este 50, iar a doua este 45, atunci diferența de potențial va fi 5.
Diferența de potențial este determinată de diferența de temperatură dintre surse. Depinde și materialul din care sunt confecționați electrozii termocuplului. Exemplu: un termocuplu Chromel-Alumel are un coeficient de temperatură de 41, iar un Chromel-Constantan are un coeficient de 68.
Termocuplu tip K
Acesta este probabil cel mai frecvent utilizat tip de termocuplu. O pereche de chromel - aluminiu funcționează excelent la temperaturi cuprinse între -200 și 1350 grade Celsius. Acest tip de termocuplu este foarte sensibil și detectează chiar și un mic salt de temperatură. Datorită acestui set de parametri, termocuplul este utilizat atât în producție, cât și pentru cercetare științifică. Dar are și un dezavantaj semnificativ - influența compoziției atmosferei de lucru. Deci, dacă acest tip de termocuplu va funcționa într-un mediu cu CO2, atunci termocuplul va da citiri incorecte.Această caracteristică limitează utilizarea acestui tip de dispozitiv. Circuitul și principiul de funcționare al termocuplului rămân neschimbate. Singura diferență constă în compoziția chimică a electrozilor.
Tipuri de termocupluri
Cerințele tehnice pentru termocupluri sunt determinate de GOST 6616-94. Tabelele standard pentru termometre termoelectrice - caracteristicile nominale de conversie statică (NSC), clasele de toleranță și intervalele de măsurare sunt date în standardul IEC 60584-1.2 și în GOST R 8.585-2001.
- platină-rodiu-platină - TPP13 - Tip R
- platină-rodiu-platină - TPP10 - Tip S
- platină-rodiu-platină-rodiu - TPR - Tipul B
- fier-constantan (fier-cupru-nichel) TLC - Tip J
- cupru-constantan (cupru-cupru-nichel) TMKn - Tip T
- nichrosil-nisil (nichel-crom-nichel-nichel-siliciu) TNN - Tip N.
- chromel-alumel - TXA - Tip K
- chromel-constantan TChKn - Tipul E
- chromel-copel - THK - Tip L
- cupru-copel - TMK - Tip M
- silkh-silin - ТСС - Tipul I
- wolfram și reniu - wolfram reniu - TVR - Tip A-1, A-2, A-3
Compoziția exactă a aliajelor de termocupluri pentru termocupluri din metal de bază nu este dată în IEC 60584-1. НСХ pentru termocuplurile chromel-copel ТХК și termocuplurile tungsten-reniu sunt definite numai în GOST R 8.585-2001. Nu există date de termocuplu în standardul IEC. Din acest motiv, caracteristicile senzorilor importați din aceste metale pot diferi semnificativ de cei interni, de exemplu, importul de tip L și THK intern nu sunt interschimbabili. În același timp, de regulă, echipamentele importate nu sunt concepute pentru standardul intern.
Standardul IEC 60584 este în prezent în curs de revizuire. Este planificată introducerea în termocupluri standard de tungsten-reniu de tip A-1, pentru care NSX va corespunde standardului rus și tip C conform standardului ASTM [6].
În 2008, IEC a introdus două noi tipuri de termocupluri: aur-platină și platină-paladiu. Noul standard IEC 62460 stabilește tabele standard pentru aceste termocupluri din metal pur. Nu există încă un standard rusesc similar.
Verificarea funcționării termocuplului
Dacă termocuplul eșuează, acesta nu poate fi reparat. Teoretic, puteți, desigur, să o remediați, dar dacă dispozitivul va afișa temperatura exactă după aceea este o întrebare importantă.
Uneori eșecul unui termocuplu nu este evident și evident. În special, acest lucru se aplică încălzitoarelor de apă cu gaz. Principiul de funcționare al unui termocuplu este în continuare același. Cu toate acestea, joacă un rol ușor diferit și este destinat nu vizualizării citirilor de temperatură, ci pentru funcționării supapelor. Prin urmare, pentru a detecta o defecțiune a unui astfel de termocuplu, este necesar să conectați un dispozitiv de măsurare (tester, galvanometru sau potențiometru) la acesta și să încălziți joncțiunea termocuplului. Pentru a face acest lucru, nu este necesar să îl păstrați la foc deschis. Este suficient doar să-l strângeți într-un pumn și să vedeți dacă săgeata dispozitivului se va abate.
Motivele eșecului termocuplurilor pot fi diferite. Deci, dacă nu puneți un dispozitiv special de protecție pe un termocuplu plasat în camera de vid a unității de nitrurare ion-plasmă, atunci în timp va deveni din ce în ce mai fragil până când unul dintre conductori se sparge. În plus, nu este exclusă funcționarea incorectă a termocuplului datorită modificării compoziției chimice a electrozilor. La urma urmei, principiile fundamentale ale termocuplului sunt încălcate.
Echipamentele cu gaz (cazane, coloane) sunt, de asemenea, echipate cu termocupluri. Principala cauză a defecțiunii electrodului este procesele oxidative care se dezvoltă la temperaturi ridicate.
În cazul în care citirile dispozitivului sunt în mod deliberat false și în timpul unei examinări externe nu au fost găsite cleme slabe, atunci motivul, cel mai probabil, rezidă în defectarea dispozitivului de control și măsurare. În acest caz, trebuie returnat pentru reparare.Dacă aveți calificările corespunzătoare, puteți încerca să remediați singur problema.
Și, în general, dacă acul potențiometrului sau indicatorul digital prezintă cel puțin unele „semne de viață”, atunci termocuplul este în stare bună de funcționare. În acest caz, problema este în mod clar altceva. În consecință, dacă dispozitivul nu reacționează în niciun fel la schimbările evidente ale regimului de temperatură, atunci puteți schimba în siguranță termocuplul.
Cu toate acestea, înainte de a demonta termocuplul și de a instala unul nou, trebuie să vă asigurați pe deplin că este defect. Pentru a face acest lucru, este suficient să sunați termocuplul cu un tester obișnuit sau, chiar mai bine, să măsurați tensiunea de ieșire. Este puțin probabil ca un voltmetru obișnuit să ajute aici. Veți avea nevoie de un milivoltmetru sau tester cu capacitatea de a selecta o scară de măsurare. La urma urmei, diferența de potențial este o valoare foarte mică. Și un dispozitiv standard nici măcar nu îl va simți și nu îl va remedia.
Caracteristici de proiectare
Dacă suntem mai scrupuloși cu privire la procesul de măsurare a temperaturii, atunci această procedură se efectuează folosind un termometru termoelectric. Principalul element sensibil al acestui dispozitiv este un termocuplu.
Procesul de măsurare în sine are loc datorită creării unei forțe electromotoare în termocuplu. Există câteva caracteristici ale unui dispozitiv cu termocuplu:
- Electrozii sunt conectați în termocupluri pentru a măsura temperaturile ridicate la un moment dat folosind sudarea cu arc electric. La măsurarea indicatorilor mici, un astfel de contact se face folosind lipirea. Compușii speciali din dispozitivele de tungsten-reniu și tungsten-molibden se realizează folosind răsuciri strânse fără prelucrare suplimentară.
- Conexiunea elementelor se realizează numai în zona de lucru, iar de-a lungul restului lungimii sunt izolate una de cealaltă.
- Metoda de izolare se realizează în funcție de valoarea temperaturii superioare. Cu un interval de valori cuprins între 100 și 120 ° C, se utilizează orice tip de izolație, inclusiv aerul. Tuburile sau mărgelele de porțelan sunt utilizate la temperaturi de până la 1300 ° C. Dacă valoarea atinge 2000 ° C, atunci se utilizează un material izolant din oxid de aluminiu, magneziu, beriliu și zirconiu.
- Un capac de protecție exterior este utilizat în funcție de mediul de utilizare al senzorului în care se măsoară temperatura. Este realizat sub forma unui tub metalic sau ceramic. Această protecție asigură impermeabilizarea și protecția suprafeței termocuplului împotriva stresului mecanic. Materialul de acoperire exterior trebuie să fie capabil să reziste expunerii la temperaturi ridicate și să aibă o conductivitate termică excelentă.
Va fi interesant pentru dvs. Instalarea unui tablou electric sub contor și mașini
Proiectarea senzorului depinde în mare măsură de condițiile de utilizare a acestuia. La crearea unui termocuplu se iau în considerare gama temperaturilor măsurate, starea mediului extern, inerția termică etc.
Beneficiile termocuplului
De ce nu au fost înlocuite termocuplurile cu senzori de măsurare a temperaturii mai avansați și mai moderni într-un istoric atât de lung de funcționare? Da, din simplul motiv că până acum niciun alt dispozitiv nu poate concura cu acesta.
În primul rând, termocuplurile sunt relativ ieftine. Deși prețurile pot fluctua într-o gamă largă ca urmare a utilizării anumitor elemente și suprafețe de protecție, conectori și conectori.
În al doilea rând, termocuplurile sunt nepretențioase și fiabile, ceea ce le permite să fie acționate cu succes în medii agresive de temperatură și chimice. Astfel de dispozitive sunt instalate chiar în cazane pe gaz. Principiul de funcționare al unui termocuplu rămâne întotdeauna același, indiferent de condițiile de funcționare. Nu orice alt tip de senzor poate rezista unui astfel de impact.
Tehnologia pentru fabricarea și fabricarea termocuplurilor este simplă și ușor de implementat în practică.Aproximativ vorbind, este suficient doar să răsuciți sau să sudați capetele firelor din diferite materiale metalice.
O altă caracteristică pozitivă este acuratețea măsurătorilor și eroarea neglijabilă (doar 1 grad). Această acuratețe este mai mult decât suficientă pentru nevoile producției industriale și pentru cercetarea științifică.
Tipuri de joncțiuni termocuplu
Industria modernă produce mai multe modele care sunt utilizate la fabricarea termocuplurilor:
- cu o joncțiune deschisă;
- cu o joncțiune izolată;
- cu o joncțiune împământată.
O caracteristică a termocuplurilor de joncțiune deschisă este rezistența slabă la influențele externe.
Următoarele două tipuri de construcție pot fi utilizate la măsurarea temperaturilor în medii agresive care au un efect distructiv asupra perechii de contacte.
În plus, în prezent, industria stăpânește scheme pentru producerea de termocupluri utilizând tehnologii semiconductoare.
Dezavantaje ale termocuplului
Nu există multe dezavantaje ale unui termocuplu, mai ales în comparație cu cei mai apropiați concurenți ai săi (senzori de temperatură de alte tipuri), dar totuși sunt și ar fi nedrept să păstreze tăcerea despre ei.
Deci, diferența de potențial se măsoară în milivolți. Prin urmare, este necesar să se utilizeze potențiometre foarte sensibile. Și dacă luăm în considerare faptul că dispozitivele de măsurare nu pot fi întotdeauna amplasate în imediata apropiere a locului de colectare a datelor experimentale, atunci trebuie folosite unele amplificatoare. Acest lucru provoacă o serie de inconveniente și duce la costuri inutile în organizarea și pregătirea producției.
Tipuri de termocupluri
- Crom-aluminiu
... Sunt utilizate în principal în industrie. Caracteristici caracteristice: gamă largă de temperatură a măsurătorilor -200 ... + 13000 ° C, cost accesibil. Nu este aprobat pentru utilizare în magazine cu un conținut ridicat de sulf. - Chromel-copel
... Aplicația este similară cu tipul anterior, caracteristica este păstrarea performanței numai în medii lichide și gazoase neagresive. Adesea folosit pentru măsurarea temperaturilor în cuptoarele cu focar deschis. - Constanta de fier
... Eficient într-o atmosferă rarefiată. - Platină-rodiu-platină
... Cel mai scump. Acestea se caracterizează prin citiri stabile și exacte. Folosit pentru măsurarea temperaturilor ridicate. - Tungsten-reniu
... De obicei, acestea au huse de protecție în design. Domeniul principal de aplicare este măsurarea mediilor cu temperaturi ultra ridicate.
