Принцип рада и дизајна термоелемента је изузетно једноставан. То је довело до популарности овог уређаја и његове широке употребе у свим гранама науке и технологије. Термоелемент је дизајниран за мерење температура у широком опсегу - од -270 до 2500 степени Целзијуса. Уређај је деценијама незаобилазан асистент инжењера и научника. Ради поуздано и беспрекорно, а очитавања температуре су увек тачна. Савршенији и тачнији уређај једноставно не постоји. Сви модерни уређаји раде на принципу термоелемента. Раде у тешким условима.
Додељивање термопарова
Овај уређај претвара топлотну енергију у електричну струју и омогућава мерење температуре. За разлику од традиционалних живиних термометара, он је способан да ради у условима екстремно ниских и изузетно високих температура. Ова карактеристика довела је до широке употребе термопарова у широком спектру инсталација: индустријске металуршке пећи, котлови на гас, вакуумске коморе за хемијску топлотну обраду, пећница за кућне шпорете на гас. Принцип рада термоелемента увек остаје непромењен и не зависи од уређаја у који је монтиран.
Поуздан и несметан рад термоелемента зависи од рада система за хитно искључивање уређаја у случају прекорачења дозвољених температурних ограничења. Стога овај уређај мора бити поуздан и давати тачна очитавања како не би угрозио животе људи.
Предности употребе термопарова
Предности употребе таквих уређаја за контролу температуре, без обзира на примену, укључују:
- широк спектар индикатора који се могу снимити помоћу термоелемента;
- лемљење термоелемента, који је директно укључен у очитавање очитавања, може се ставити у директан контакт са мерном тачком;
- једноставан поступак израде термопарова, њихова снага и трајност.
Како ради термоелемент
Термоелемент има три главна елемента. То су два проводника електричне енергије из различитих материјала, као и заштитна цев. Два краја проводника (која се називају и термоелектродама) су залемљена, а друга два су повезана са потенциометром (уређајем за мерење температуре).
Једноставно речено, принцип рада термоелемента је да се спој термоелектрода постави у окружење чија се температура мора мерити. У складу са Сеебецковим правилом, на проводницима настаје потенцијална разлика (иначе - термоелектричност). Што је температура околине виша, то је потенцијална разлика значајнија. Сходно томе, стрелица уређаја више одступа.
У савременим мерним комплексима дигитални индикатори температуре заменили су механички уређај. Међутим, нови уређај по својим карактеристикама није далеко супериорнији од старих уређаја совјетске ере. На техничким универзитетима и у истраживачким институцијама до данас користе потенциометре пре 20-30 година. И они показују невероватну тачност и стабилност мерења.
Врсте уређаја
Свака врста термоелемента има своју ознаку и подељене су према општеприхваћеном стандарду. Свака врста електрода има своју скраћеницу: ТКСА, ТКСК, ТБР итд. Претварачи се дистрибуирају према класификацији:
- Тип Е - је легура хромела и константана. Карактеристика овог уређаја сматра се високом осетљивошћу и перформансама. Ово је посебно погодно за употребу на изузетно ниским температурама.
- Ј - односи се на легуру гвожђа и константана. Одликује се високом осетљивошћу која може достићи и до 50 μВ / ° Ц.
- Тип К се сматра најпопуларнијом легуром хромел / алуминијум. Ови термопарови могу да открију температуре у распону од -200 ° Ц до +1350 ° Ц. Уређаји се користе у круговима смештеним у неоксидирајућим и инертним условима без знакова старења. Када користите уређаје у прилично киселом окружењу, кромел брзо нагриза и постаје неупотребљив за мерење температуре помоћу термоелемента.
- Тип М - представља легуре никла са молибденом или кобалтом. Уређаји могу издржати до 1400 ° Ц и користе се у инсталацијама које раде на принципу вакуумских пећи.
- Тип Н - уређаји од никросил-нисила, чија се разлика сматра отпорношћу на оксидацију. Користе се за мерење температура у распону од -270 до +1300 ° Ц.
Биће вам занимљиво.Уређај, принцип рада и примена суперкондензатора
Постоје термоелементи направљени од легура родијума и платине. Припадају типовима Б, С, Р и сматрају се најстабилнијим уређајима. Мане ових претварача укључују високу цену и ниску осетљивост.
На високим температурама широко се користе уређаји од легура ренијума и волфрама. Поред тога, према својој намени и условима рада, термопарови могу бити потопљени и површински.
По дизајну, уређаји имају статички и покретни спој или прирубницу. Термоелектрични претварачи се широко користе у рачунарима који су обично повезани преко ЦОМ порта и дизајнирани су за мерење температуре унутар кућишта.
Сеебецк ефекат
Принцип рада термоелемента заснован је на овом физичком феномену. Суштина је следећа: ако повежете два проводника израђена од различитих материјала (понекад се користе полупроводници), тада ће струја циркулирати дуж таквог електричног кола.
Дакле, ако се спој проводника загрева и хлади, игла потенциометра ће осцилирати. Струју такође може детектовати галванометар повезан на коло.
У случају да су проводници направљени од истог материјала, тада неће доћи до електромоторне силе, односно неће бити могуће измерити температуру.
Дијаграм повезивања термопарова
Најчешће методе повезивања мерних инструмената са термоелементима су такозвана једноставна метода, као и она диференцирана. Суштина прве методе је следећа: уређај (потенциометар или галванометар) је директно повезан са два проводника. Диференцираном методом није залемљен један, већ оба краја проводника, док је једна од електрода мерним уређајем „сломљена“.
Немогуће је не поменути такозвани даљински метод спајања термоелемента. Принцип рада остаје непромењен. Једина разлика је у томе што се у круг додају продужне жице. У ове сврхе обична бакарна жица није погодна, јер компензационе жице морају нужно бити израђене од истих материјала као и проводници термоелемента.
Мане мерења температуре термоелементом
Мане употребе термоелемента укључују:
- Потреба за сталним праћењем температуре „хладног“ контакта термоелемента. Ово је карактеристична карактеристика дизајна мерних инструмената заснованих на термоелементу. Принцип рада ове шеме сужава обим њене примене. Могу се користити само ако је температура околине нижа од температуре на мерном месту.
- Кршење унутрашње структуре метала који се користе у производњи термоелемента.Чињеница је да као резултат утицаја спољног окружења контакти губе хомогеност, што узрокује грешке у добијеним температурним индикаторима.
- Током мерења контактна група термоелемента је обично изложена негативним утицајима околине, што узрокује поремећаје током рада. Ово опет захтева заптивање контаката, што узрокује додатне трошкове одржавања таквих сензора.
- Постоји опасност да електромагнетни таласи утичу на термоелемент који је дизајниран са дугом контактном групом. То такође може утицати на резултате мерења.
- У неким случајевима долази до кршења линеарног односа између електричне струје која настаје у термоелементу и температуре на месту мерења. Ова ситуација захтева калибрацију контролне опреме.
Материјали проводника
Принцип рада термоелемента заснован је на појави потенцијалне разлике у проводницима. Због тога се избору материјала за електроде мора приступити врло одговорно. Разлика у хемијским и физичким својствима метала главни је фактор у раду термоелемента чији се уређај и принцип рада заснивају на појави ЕМП самоиндукције (разлике потенцијала) у колу.
Технички чисти метали нису погодни за употребу као термоелемент (са изузетком гвожђа АРМКО). Обично се користе разне легуре обојених и племенитих метала. Такви материјали имају стабилне физичке и хемијске карактеристике, тако да ће очитавања температуре увек бити тачна и објективна. Стабилност и прецизност су кључне особине у организацији експеримента и производног процеса.
Тренутно су најчешћи термоелементи следећих типова: Е, Ј, К.
Принцип рада и структура термопарова
Термоелемент се састоји од два проводника и цеви која служи као заштита за термоелектроде. Термоелектроде се састоје од основних и племенитих метала, најчешће легура, међусобно причвршћених на једном крају (радни крај или врући спој), па чине један од делова уређаја. Остали крајеви термоелемента (подизачи или хладни спој) повезани су на мерач напона. ЕМФ се појављује у средини два неповезана терминала, вредност зависи од температуре радног краја.
Идентични термички претварачи комбиновани паралелно затварају коло, према Сеебецковом правилу, ово правило ћемо даље размотрити, између њих се ствара разлика потенцијалног контакта или термоелектрични ефекат, електрични набоји се појављују на проводницима када се додирну, потенцијална разлика настаје њихови слободни крајеви, а то зависи од температурне разлике. Само када је температура између термоелектрода једнака, разлика потенцијала је једнака нули.
На пример: Постављањем споја са коефицијентима који се разликују од нуле, у два лонца за кључање са течношћу температура првог је 50, а другог 45, тада ће разлика потенцијала бити 5.
Разлика потенцијала одређена је температурном разликом између извора. Такође зависи материјал од којег се израђују електроде термоелемента. Пример: Термоелемент Цхромел-Алумел има температурни коефицијент 41, а Цхромел-Цонстантан коефицијент 68.
Термоелемент типа К.
Ово је можда најчешћи и најчешће коришћени тип термопарова. Пар хромел-алуминијума одлично функционише на температурама од -200 до 1350 степени Целзијуса. Ова врста термоелемента је врло осетљива и открива чак и мали скок температуре. Захваљујући овом скупу параметара, термоелемент се користи и у производњи и у научним истраживањима. Али има и значајан недостатак - утицај састава радне атмосфере. Дакле, ако ће ова врста термоелемента радити у ЦО2 окружењу, тада ће термоелемент дати погрешна очитавања.Ова функција ограничава употребу ове врсте уређаја. Коло и принцип рада термоелемента остају непромењени. Разлика је само у хемијском саставу електрода.
Врсте термопарова
Технички захтеви за термопарове одређени су ГОСТ 6616-94. Стандардне табеле за термоелектричне термометре - номиналне карактеристике статичке конверзије (НСЦ), класе толеранције и опсези мерења дати су у стандарду ИЕЦ 60584-1.2 и у ГОСТ Р 8.585-2001.
- платина-родијум-платина - ТПП13 - Тип Р.
- платина-родијум-платина - ТПП10 - Тип С
- платина-родијум-платина-родијум - ТПР - тип Б.
- гвожђе-константан (гвожђе-бакар-никал) ТЛЦ - тип Ј
- бакар-константан (бакар-бакар-никал) ТМКн - тип Т
- никросил-нисил (никл-хром-никл-никал-силицијум) ТНН - Тип Н.
- хромел-алумел - ТКСА - Тип К
- хромел-константан ТЦхКн - тип Е.
- хромел-копел - ТХК - Тип Л.
- бакар-копел - ТМК - Тип М.
- силкх-силин - ТСС - Тип И
- волфрам и ренијум - волфрам рениј - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3
Тачан састав легура термопарова за термопарове од основних метала није дат у ИЕЦ 60584-1. НСХ за термоелементе хромел-копел ТХК и термоелементе волфрам-ренијум дефинисани су само у ГОСТ Р 8.585-2001. У ИЕЦ стандарду нема података о термоелементима. Из тог разлога, карактеристике увезених сензора израђених од ових метала могу се значајно разликовати од домаћих, на пример, увезени тип Л и домаћи ТХК нису заменљиви. У исто време, увезена опрема по правилу није дизајнирана за домаћи стандард.
Стандард ИЕЦ 60584 је тренутно у фази ревизије. Планирано је увођење у стандардни волфрам-ренијумски термоелементи типа А-1, за који ће НСКС одговарати руском стандарду, а типа Ц према стандарду АСТМ [6].
ИЕЦ је 2008. представио две нове врсте термопарова: злато-платина и платина-паладијум. Нови стандард ИЕЦ 62460 успоставља стандардне табеле за ове термопарове од чистог метала. Још увек не постоји сличан руски стандард.
Провера рада термопарова
Ако термоелемент откаже, не може се поправити. Теоретски то можете, наравно, поправити, али да ли ће уређај након тога показати тачну температуру, велико је питање.
Понекад квар термоелемента није очигледан и очигледан. Ово се посебно односи на гасне бојлере. Принцип рада термоелемента је и даље исти. Међутим, он игра мало другачију улогу и није намењен за визуелизацију очитавања температуре, већ за рад вентила. Због тога је, да би се открио квар таквог термоелемента, потребно на њега прикључити мерни уређај (испитивач, галванометар или потенциометар) и загрејати спој термоелемента. Да бисте то урадили, није потребно држати га на отвореној ватри. Довољно је само стиснути је у песницу и видети да ли ће стрелица уређаја одступити.
Разлози отказа термопарова могу бити различити. Дакле, ако не ставите посебан заштитни уређај на термоелемент смештен у вакуумску комору јединице за нитрирање јонско-плазме, онда ће временом постати све крхкији док се један од проводника не сломи. Поред тога, није искључена могућност неправилног рада термоелемента због промене хемијског састава електрода. На крају крајева, кршени су основни принципи термоелемента.
Плинска опрема (котлови, стубови) такође је опремљена термопаровима. Главни узрок отказа електрода су оксидативни процеси који се развијају на високим температурама.
У случају када су очитавања уређаја намерно нетачна, а током екстерног прегледа нису пронађене слабе стезаљке, онда разлог, највероватније, лежи у квару уређаја за управљање и мерење. У овом случају мора се вратити на поправак.Ако имате одговарајуће квалификације, можете сами покушати да решите проблем.
И уопште, ако игла потенциометра или дигитални индикатор показују бар неке „знакове живота“, тада је термоелемент у добром стању. У овом случају, проблем је очигледно нешто друго. И сходно томе, ако уређај на било који начин не реагује на очигледне промене температурног режима, онда можете безбедно променити термоелемент.
Међутим, пре него што демонтирате термоелемент и инсталирате нови, морате у потпуности да се уверите да је неисправан. Да бисте то урадили, довољно је позвонити на термоелемент обичним тестером, или још боље, измерити излазни напон. Овде вероватно неће помоћи само обичан волтметар. Биће вам потребан миливолтметар или тестер са могућношћу одабира мерне скале. На крају крајева, потенцијална разлика је врло мала вредност. А стандардни уређај то неће ни осетити и неће поправити.
Карактеристике дизајна
Ако смо пажљивији према поступку мерења температуре, онда се овај поступак изводи помоћу термоелектричног термометра. Главни осетљиви елемент овог уређаја је термоелемент.
Сам поступак мерења настаје услед стварања електромоторне силе у термоелементу. Постоје неке карактеристике уређаја са термоелементима:
- Електроде су повезане термопаровима за мерење високих температура у једном тренутку помоћу електролучног заваривања. Приликом мерења малих индикатора, такав контакт се остварује помоћу лемљења. Посебна једињења у уређајима од волфрама-ренијума и волфрама-молибдена изводе се помоћу уских увијања без додатне обраде.
- Повезивање елемената врши се само у радном подручју, а дуж остатка дужине су међусобно изоловани.
- Метода изолације се изводи у зависности од горње вредности температуре. У опсегу вредности од 100 до 120 ° Ц, користи се било која врста изолације, укључујући ваздух. Порцеланске цеви или перле користе се на температурама до 1300 ° Ц. Ако вредност достигне 2000 ° Ц, тада се користи изолациони материјал од алуминијум-оксида, магнезијума, берилијума и цирконијума.
- Спољни заштитни поклопац користи се у зависности од окружења употребе сензора у коме се мери температура. Израђен је у облику металне или керамичке цеви. Ова заштита обезбеђује хидроизолацију и површинску заштиту термоелемента од механичког напрезања. Спољни покривни материјал мора бити у стању да поднесе изложеност високим температурама и има изврсну топлотну проводљивост.
Биће вам занимљиво Уградња електричне плоче испод бројила и машина
Дизајн сензора у великој мери зависи од услова његове употребе. Приликом стварања термоелемента узима се у обзир опсег измерених температура, стање спољне околине, топлотна инерција итд.
Предности термоелемента
Зашто термопарови нису замењени напреднијим и савременијим сензорима за мерење температуре током тако дуге историје рада? Да, из једноставног разлога што се до сада ниједан други уређај не може такмичити с њим.
Прво, термопарови су релативно јефтини. Иако цене могу да варирају у широком опсегу као резултат употребе одређених заштитних елемената и површина, конектора и конектора.
Друго, термопарови су непретенциозни и поуздани, што им омогућава да успешно раде у агресивним температурним и хемијским окружењима. Такви уређаји су чак инсталирани у котловима на гас. Принцип рада термоелемента увек остаје исти, без обзира на услове рада. Неће сваки други тип сензора моћи да издржи такав утицај.
Технологија за производњу и производњу термопарова је једноставна и лака за примену у пракси.Грубо говорећи, довољно је само заврнути или заварити крајеве жица од различитих металних материјала.
Још једна позитивна карактеристика је тачност мерења и занемарљива грешка (само 1 степен). Ова тачност је више него довољна за потребе индустријске производње и за научна истраживања.
Врсте спајања термоелемената
Савремена индустрија производи неколико дизајна који се користе у производњи термопарова:
- са отвореним спојем;
- са изолованим спојем;
- са уземљеним спојем.
Карактеристика термопарова са отвореним спојем је лоша отпорност на спољне утицаје.
Следеће две врсте конструкција могу се користити при мерењу температура у агресивним медијима који имају разарајући ефекат на контактни пар.
Поред тога, тренутно индустрија савладава шеме за производњу термопарова помоћу полупроводничких технологија.
Мане термоелемента
Недостатака термоелемента нема много, посебно у поређењу са најближим конкурентима (температурни сензори других врста), али ипак јесу, и било би неправедно ћутати о њима.
Дакле, разлика потенцијала мери се у миливолтима. Због тога је неопходно користити врло осетљиве потенциометре. А ако узмемо у обзир да мерни уређаји не могу увек бити постављени у непосредној близини места сакупљања експерименталних података, онда се морају користити нека појачала. То узрокује низ непријатности и доводи до непотребних трошкова у организацији и припреми производње.
Врсте термопарова
- Хромел-алуминијум
... Углавном се користе у индустрији. Карактеристичне карактеристике: широк температурни опсег мерења -200 ... + 13000 ° Ц, приступачна цена. Није одобрено за употребу у продавницама са високим садржајем сумпора. - Хромел-копел
... Апликација је слична претходном типу, карактеристика је очување перформанси само у неагресивним течним и гасовитим медијима. Често се користи за мерење температура у пећи са отвореним пећима. - Гвоздена константа
... Ефективно у разређеној атмосфери. - Платина-родијум-платина
... Најскупља. Карактеришу их стабилна и тачна очитавања. Користи се за мерење високих температура. - Волфрам-ренијум
... Обично у свом дизајну имају заштитне навлаке. Главно подручје примене је мерење медија са ултра високим температурама.
