Principen för drift och design av ett termoelement är extremt enkel. Detta ledde till populariteten för denna enhet och dess utbredda användning inom alla grenar av vetenskap och teknik. Termoelementet är utformat för att mäta temperaturer inom ett brett intervall - från -270 till 2500 grader Celsius. Enheten har varit en oumbärlig assistent för ingenjörer och forskare i årtionden. Det fungerar tillförlitligt och felfritt, och temperaturavläsningarna är alltid sanna. En mer perfekt och exakt enhet existerar helt enkelt inte. Alla moderna enheter fungerar på termoelementprincipen. De arbetar under svåra förhållanden.
Termoelementuppgift
Denna enhet omvandlar termisk energi till elektrisk ström och möjliggör temperaturmätning. Till skillnad från traditionella kvicksilvertermometrar kan den fungera under förhållanden med både extremt låga och extremt höga temperaturer. Denna funktion har lett till en utbredd användning av termoelement i en mängd olika installationer: industriella metallurgiska ugnar, gaspannor, vakuumkamrar för kemisk värmebehandling, ugn för hushållsugnar. Principen för drift av ett termoelement förblir alltid oförändrad och beror inte på den enhet det är monterat i.
Tillförlitlig och oavbruten drift av termoelementet beror på hur nödstängningssystemet för enheter fungerar om de tillåtna temperaturgränserna överskrids. Därför måste denna enhet vara tillförlitlig och ge korrekta avläsningar för att inte äventyra människors liv.
Fördelar med att använda termoelement
Fördelarna med att använda sådana enheter för temperaturkontroll, oavsett applikation, inkluderar:
- ett stort antal indikatorer som kan spelas in med ett termoelement;
- lödningen av termoelementet, som är direkt involverat i avläsningar, kan placeras i direkt kontakt med mätpunkten;
- enkel process för tillverkning av termoelement, deras styrka och hållbarhet.
Hur termoelementet fungerar
Ett termoelement har tre huvudelement. Dessa är två ledare av elektricitet från olika material, samt ett skyddsrör. Ledarnas två ändar (även kallade termoelektroder) är lödda och de andra två är anslutna till en potentiometer (temperaturmätanordning).
Enkelt uttryckt är principen för ett termoelement att korsningen av termoelektroder placeras i en miljö vars temperatur måste mätas. I enlighet med Seebeck-regeln uppstår en potentiell skillnad på ledarna (annars - termoelektricitet). Ju högre temperaturen på mediet är, desto mer signifikant är potentialskillnaden. Följaktligen avviker enhetens pil mer.
I moderna mätkomplex har digitala temperaturindikatorer ersatt den mekaniska anordningen. Den nya enheten är dock långt ifrån alltid överlägsen i sina egenskaper jämfört med de gamla enheterna från sovjettiden. I tekniska universitet och i forskningsinstitutioner använder de den dag i dag potentiometrar för 20-30 år sedan. Och de uppvisar fantastisk mätnoggrannhet och stabilitet.
Typer av enheter
Varje typ av termoelement har sin egen beteckning och de är uppdelade enligt den allmänt accepterade standarden. Varje typ av elektrod har sin egen förkortning: TXA, TXK, TBR, etc. Omvandlare distribueras enligt klassificeringen:
- Typ E - är en legering av krom och konstantan. Kännetecknet för denna enhet anses vara hög känslighet och prestanda. Detta är särskilt lämpligt för användning vid extremt låga temperaturer.
- J - avser en legering av järn och konstantan. Den har hög känslighet som kan nå upp till 50 μV / ° C.
- Typ K anses vara den mest populära kromel / aluminiumlegeringen. Dessa termoelement kan upptäcka temperaturer från -200 ° C till +1350 ° C. Enheterna används i kretsar i icke-oxiderande och inerta förhållanden utan tecken på åldrande. När enheterna används i en ganska sur miljö, korroderar kromel snabbt och blir oanvändbar för att mäta temperaturen med ett termoelement.
- Typ M - representerar legeringar av nickel med molybden eller kobolt. Enheterna tål upp till 1400 ° C och används i installationer som arbetar enligt vakuumugnar.
- Typ N - nikrosil-nisilanordningar, vars skillnad anses vara motståndskraft mot oxidation. De används för att mäta temperaturer i området -270 till +1300 ° C.
Det kommer att vara intressant för dig Enheten, driftsprincipen och tillämpningen av superkondensatorn
Det finns termoelement gjorda av rodium och platina legeringar. De tillhör typ B, S, R och anses vara de mest stabila enheterna. Nackdelarna med dessa omvandlare inkluderar högt pris och låg känslighet.
Vid höga temperaturer används anordningar gjorda av renium och volframlegeringar i stor utsträckning. Enligt deras syfte och driftsförhållanden kan dessutom termoelement vara nedsänkbara och ytliga.
Enligt design har enheterna en statisk och rörlig koppling eller fläns. Termoelektriska omvandlare används ofta i datorer, som vanligtvis är anslutna via en COM-port och är utformade för att mäta temperaturen inuti höljet.
Seebeck-effekt
Principen för drift av ett termoelement bygger på detta fysiska fenomen. Slutsatsen är: om du ansluter två ledare gjorda av olika material (ibland används halvledare), kommer en ström att cirkulera längs en sådan elektrisk krets.
Således, om ledarens korsning värms och kyls, kommer potentiometernålen att svänga. Strömmen kan också detekteras med en galvanometer ansluten till kretsen.
I händelse av att ledarna är gjorda av samma material kommer den elektromotoriska kraften inte att inträffa, det är inte möjligt att mäta temperaturen.
Kopplingsschema för termoelement
De vanligaste metoderna för att ansluta mätinstrument till termoelement är den så kallade enkla metoden, såväl som den differentierade. Kärnan i den första metoden är följande: enheten (potentiometer eller galvanometer) är direkt ansluten till två ledare. Med den differentierade metoden löds inte en, utan båda ändarna av ledarna, medan en av elektroderna "går sönder" av mätanordningen.
Det är omöjligt att inte nämna den så kallade fjärrmetoden för att ansluta ett termoelement. Funktionsprincipen förblir oförändrad. Den enda skillnaden är att förlängningskablar läggs till i kretsen. För dessa ändamål är en vanlig kopparkabel inte lämplig, eftersom kompensationstrådarna nödvändigtvis måste vara gjorda av samma material som termoelementledarna.
Nackdelar med att mäta temperaturen med ett termoelement
Nackdelarna med att använda ett termoelement inkluderar:
- Behovet av konstant övervakning av temperaturen för termoelementets "kalla" kontakt. Detta är ett utmärkande inslag i designen av mätinstrument, som är baserade på ett termoelement. Principen för driften av detta system begränsar tillämpningsområdet. De kan endast användas om omgivningstemperaturen är lägre än temperaturen vid mätpunkten.
- Brott mot den inre strukturen hos metaller som används vid tillverkningen av ett termoelement.Faktum är att kontakterna förlorar sin homogenitet på grund av påverkan av den yttre miljön, vilket orsakar fel i de erhållna temperaturindikatorerna.
- Under mätningen utsätts termoelementets kontaktgrupp vanligtvis för negativ miljöpåverkan, vilket orsakar störningar under drift. Detta kräver återigen försegling av kontakterna, vilket medför ytterligare underhållskostnader för sådana sensorer.
- Det finns en risk för att elektromagnetiska vågor påverkar termoelementet, som är utformat med en lång kontaktgrupp. Detta kan också påverka mätresultaten.
- I vissa fall bryter det linjära förhållandet mellan den elektriska strömmen som uppstår i termoelementet och temperaturen vid mätpunkten. Denna situation kräver kalibrering av styrutrustningen.
Ledarmaterial
Principen för drift av ett termoelement baseras på förekomsten av en potentiell skillnad i ledare. Därför måste valet av elektrodmaterial kontaktas mycket ansvarsfullt. Skillnaden i de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos metaller är den viktigaste faktorn i driften av ett termoelement, vars anordning och driftsprincip baseras på förekomsten av en EMF för självinduktion (potentialskillnad) i kretsen.
Tekniskt rena metaller är inte lämpliga för termoelement (med undantag av ARMKO-järn). Olika legeringar av icke-järnmetaller och ädelmetaller används ofta. Sådana material har stabila fysikaliska och kemiska egenskaper, så att temperaturavläsningarna alltid kommer att vara korrekta och objektiva. Stabilitet och precision är nyckelkvaliteter i organisationen av experimentet och produktionsprocessen.
För närvarande är de vanligaste termoelementen av följande typer: E, J, K.
Principen för drift och struktur av termoelement
Termoelementet består av två ledare och ett rör som fungerar som ett skydd för termoelektroder. Termoelektroder består av bas- och ädelmetaller, oftast legeringar, fästa vid varandra i ena änden (arbetsände eller varm koppling), så de utgör en av delarna i enheten. De andra ändarna av termoelementet (stigare eller kall korsning) är anslutna till spänningsmätaren. En EMF visas i mitten av två anslutna terminaler, värdet beror på temperaturen på arbetsänden.
Identiska termiska omvandlare kombinerade parallellt stänger kretsen, enligt Seebeck-regeln kommer vi att överväga denna regel ytterligare, en kontaktpotentialskillnad eller termoelektrisk effekt bildas mellan dem, elektriska laddningar uppträder på ledarna när de berör, en potentialskillnad uppstår mellan deras fria ändar, och det beror på temperaturskillnaden. Först när temperaturen mellan termoelektroderna är densamma är potentialskillnaden lika med noll.
Till exempel: Genom att placera en korsning med koefficienter som skiljer sig från noll, i två kokande krukor med vätska, är temperaturen på den första 50 och den andra är 45, då är potentialskillnaden 5.
Potentialskillnaden bestäms av temperaturskillnaden mellan källorna. Materialet som termoelementelektroderna är tillverkade av beror också på. Exempel: Ett termoelement Chromel-Alumel har en temperaturkoefficient på 41 och en Chromel-Constantan har en koefficient på 68.
Termoelement typ K
Detta är kanske den vanligaste och mest använda typen av termoelement. Ett par krom - aluminium fungerar bra vid temperaturer från -200 till 1350 grader Celsius. Denna typ av termoelement är mycket känslig och detekterar även ett litet temperaturhopp. Tack vare denna uppsättning parametrar används termoelementet både i produktion och i vetenskaplig forskning. Men det har också en betydande nackdel - påverkan av arbetsatmosfärens sammansättning. Så, om denna typ av termoelement fungerar i en CO2-miljö, kommer termoelementet att ge felaktiga avläsningar.Denna funktion begränsar användningen av denna typ av enhet. Schemat och funktionsprincipen för termoelementet förblir oförändrat. Den enda skillnaden är i elektrodernas kemiska sammansättning.
Typer av termoelement
Tekniska krav för termoelement bestäms av GOST 6616-94. Standardtabeller för termoelektriska termometrar - nominella statiska omvandlingsegenskaper (NSC), toleransklasser och mätområden anges i IEC 60584-1.2-standarden och i GOST R 8.585-2001.
- platina-rodium-platina - TPP13 - Typ R
- platina-rodium-platina - TPP10 - typ S
- platina-rodium-platina-rodium - TPR - typ B
- järn-konstantan (järn-koppar-nickel) TLC - Typ J
- kopparkonstantan (koppar-koppar-nickel) TMKn - typ T
- nichrosil-nisil (nickel-krom-nickel-nickel-kisel) TNN - typ N.
- krom-aluminium - TXA - Typ K
- kromkonstantan TChKn - typ E
- krom-copel - THK - Typ L
- koppar-copel - TMK - typ M
- silkh-silin - ТСС - typ I
- volfram och renium - volframrenium - TVR - typ A-1, A-2, A-3
Den exakta legeringskompositionen för termoelement för basmetalltermoelement anges inte i IEC 60584-1. НСХ för krom-copel-termoelement ТХК och volfram-rhenium-termoelement definieras endast i GOST R 8.585-2001. Det finns inga termoelementdata i IEC-standarden. Av denna anledning kan egenskaperna hos importerade sensorer tillverkade av dessa metaller skilja sig avsevärt från inhemska, till exempel importerad typ L och inhemsk THK är inte utbytbara. Samtidigt är importerad utrustning som regel inte utformad för den inhemska standarden.
IEC 60584-standarden är för närvarande under revision. Det är planerat att införa standardvolfram-rhenium-termoelement av typ A-1, för vilka NSX motsvarar den ryska standarden, och typ C enligt ASTM-standarden [6].
2008 introducerade IEC två nya typer av termoelement: guld-platina och platina-palladium. Den nya IEC 62460-standarden fastställer standardtabeller för dessa termoelement av ren metall. Det finns ingen liknande rysk standard än.
Kontroll av termoelementets funktion
Om termoelementet misslyckas kan det inte repareras. Teoretiskt kan du naturligtvis fixa det, men om enheten kommer att visa den exakta temperaturen efter det är en stor fråga.
Ibland är misslyckandet med ett termoelement inte uppenbart och uppenbart. Detta gäller i synnerhet gasvärmare. Principen för drift av ett termoelement är fortfarande densamma. Den spelar dock en något annan roll och är inte avsedd för att visualisera temperaturavläsningar utan för ventildrift. För att upptäcka ett fel i ett sådant termoelement är det därför nödvändigt att ansluta en mätanordning (testare, galvanometer eller potentiometer) till den och värma termoelementets korsning. För att göra detta är det inte nödvändigt att hålla den över öppen eld. Det räcker bara att klämma i näven och se om enhetens pil kommer att avvika.
Orsakerna till att termoelement misslyckas kan vara olika. Så om du inte sätter på en speciell avskärmningsanordning på termoelementet placerat i vakuumkammaren i jonplasmanitreringsenheten, blir den med tiden mer och mer ömtålig tills en av ledarna går sönder. Dessutom är möjligheten till felaktig användning av termoelementet på grund av en förändring av elektrodernas kemiska sammansättning inte utesluten. När allt kommer omkring bryts termoelementets grundläggande principer.
Gasutrustning (pannor, pelare) är också utrustad med termoelement. Den främsta orsaken till elektrodfel är oxidativa processer som utvecklas vid höga temperaturer.
I fallet då avläsningarna av enheten medvetet är falska och under en extern undersökning hittades inte svaga klämmor, då ligger orsaken, troligen, i fel på kontroll- och mätanordningen. I så fall måste den returneras för reparation.Om du har lämpliga kvalifikationer kan du försöka åtgärda problemet själv.
Och i allmänhet, om potentiometernålen eller den digitala indikatorn visar åtminstone några "tecken på liv", så är termoelementet i gott skick. I det här fallet är problemet helt klart något annat. Och följaktligen, om enheten inte reagerar på något sätt till uppenbara förändringar i temperaturregimen, kan du säkert byta termoelement.
Innan du tar isär termoelementet och installerar ett nytt måste du dock se till att det är felaktigt. För att göra detta räcker det att ringa termoelementet med en vanlig testare, eller ännu bättre, mäta spänningen vid utgången. Det är osannolikt att bara en vanlig voltmeter hjälper till här. Du behöver en millivoltmeter eller testare med möjlighet att välja en mätningsskala. När allt kommer omkring är potentialskillnaden ett mycket litet värde. Och en standardanordning kommer inte ens att känna det och kommer inte att fixa det.
Design egenskaper
Om vi är mer noggranna med att mäta temperaturen, utförs denna procedur med en termoelektrisk termometer. Det huvudsakliga känsliga elementet i denna enhet är ett termoelement.
Mätprocessen i sig sker på grund av skapandet av en elektromotorisk kraft i termoelementet. Det finns några funktioner i en termoelementanordning:
- Elektroderna är anslutna i termoelement för att mäta höga temperaturer vid en tidpunkt med hjälp av elektrisk bågsvetsning. Vid mätning av små indikatorer skapas en sådan kontakt med lödning. Speciella föreningar i volfram-rhenium- och volfram-molybdenanordningar utförs med snäva vändningar utan ytterligare bearbetning.
- Anslutningen av elementen utförs endast i arbetsområdet, och längs resten av längden är de isolerade från varandra.
- Isoleringsmetoden utförs beroende på det övre temperaturvärdet. Med ett värdeintervall från 100 till 120 ° C används alla typer av isolering, inklusive luft. Porslinsrör eller pärlor används vid temperaturer upp till 1300 ° C. Om värdet når 2000 ° C används ett isolerande material av aluminiumoxid, magnesium, beryllium och zirkonium.
- Ett yttre skyddskåpa används beroende på den omgivning där sensorn används där temperaturen mäts. Den är gjord i form av ett metall- eller keramikrör. Detta skydd ger vattentätning och ytskydd av termoelementet mot mekanisk belastning. Det yttre täckmaterialet måste tåla hög temperatur och ha utmärkt värmeledningsförmåga.
Det blir intressant för dig. Installera en elektrisk panel under mätaren och varuautomater
Utformningen av sensorn beror till stor del på användningsförhållandena. När du skapar ett termoelement beaktas intervallet för uppmätta temperaturer, tillståndet för den yttre miljön, termisk tröghet etc.
Fördelar med termoelement
Varför har termoelement inte ersatts av mer avancerade och moderna temperaturmätningssensorer under en så lång drifthistoria? Ja, av den enkla anledningen att hittills ingen annan enhet kan konkurrera med den.
För det första är termoelement relativt billiga. Även om priserna kan variera inom ett brett spektrum som ett resultat av användningen av vissa skyddande element och ytor, kontakter och kontakter.
För det andra är termoelement opretentiösa och pålitliga, vilket gör att de framgångsrikt kan användas i aggressiva temperatur- och kemiska miljöer. Sådana anordningar är till och med installerade i gaspannor. Principen för drift av ett termoelement förblir alltid densamma, oavsett driftsförhållanden. Inte alla andra sensorer kommer att klara en sådan påverkan.
Tekniken för tillverkning och tillverkning av termoelement är enkel och lätt att implementera i praktiken.Grovt sagt räcker det bara att vrida eller svetsa ändarna på trådarna från olika metallmaterial.
En annan positiv egenskap är noggrannheten i mätningarna och det försumbara felet (endast 1 grad). Denna noggrannhet är mer än tillräckligt för industriproduktionens behov och för vetenskaplig forskning.
Typer av termoelementförbindelser
Den moderna industrin producerar flera konstruktioner som används vid tillverkning av termoelement:
- med en öppen korsning;
- med en isolerad korsning;
- med en jordad korsning.
Ett kännetecken för öppna kopplingstermoelement är dåligt motstånd mot yttre påverkan.
Följande två typer av konstruktion kan användas vid mätning av temperaturer i aggressiva medier som har en destruktiv effekt på kontaktparet.
Dessutom behärskar branschen för närvarande scheman för produktion av termoelement med hjälp av halvledarteknik.
Nackdelar med termoelement
Det finns inte många nackdelar med ett termoelement, särskilt jämfört med de närmaste konkurrenterna (andra temperatursensorer), men de är fortfarande, och det skulle vara orättvist att hålla tyst om dem.
Så, mäts potentialskillnaden i millivolt. Därför är det nödvändigt att använda mycket känsliga potentiometrar. Och om vi tar hänsyn till att mätanordningar inte alltid kan placeras i omedelbar närhet av platsen för insamling av experimentdata, måste vissa förstärkare användas. Detta orsakar ett antal olägenheter och leder till onödiga kostnader i organisationen och förberedelsen av produktionen.
Typer av termoelement
- Krom-aluminium
... De används främst inom industrin. Karaktäristiska funktioner: stort temperaturområde -200 ... + 13000 ° C, överkomlig kostnad. Ej godkänt för användning i butiker med hög svavelhalt. - Chromel-copel
... Applikationen liknar den tidigare typen, funktionen är att bevara prestanda endast i icke-aggressiva flytande och gasformiga medier. Används ofta för att mäta temperaturer i ugnar med öppen spis. - Järnkonstant
... Effektiv i en sällsynt atmosfär. - Platina-rodium-platina
... Dyraste. De kännetecknas av stabila och korrekta avläsningar. Används för att mäta höga temperaturer. - Volfram-rhenium
... Vanligtvis har de skyddande skydd i sin design. Det huvudsakliga användningsområdet är mätning av media med extremt höga temperaturer.
