El principi de funcionament i disseny d'un termopar és extremadament senzill. Això va conduir a la popularitat d’aquest dispositiu i al seu ús generalitzat en totes les branques de la ciència i la tecnologia. El termoparell està dissenyat per mesurar temperatures en un ampli rang, des de -270 fins a 2500 graus centígrads. El dispositiu ha estat un ajudant indispensable per a enginyers i científics durant dècades. Funciona de manera fiable i impecable, i les lectures de temperatura sempre són certes. Simplement no existeix un dispositiu més perfecte i precís. Tots els dispositius moderns funcionen segons el principi del termoparell. Treballen en condicions difícils.
Assignació de termoparells
Aquest dispositiu converteix l’energia tèrmica en corrent elèctric i permet mesurar la temperatura. A diferència dels termòmetres de mercuri tradicionals, és capaç de funcionar tant en condicions extremadament baixes com extremadament altes. Aquesta característica ha conduït a l’ús generalitzat de termoparells en una gran varietat d’instal·lacions: forns metal·lúrgics industrials, calderes de gas, cambres de buit per al tractament tèrmic químic, forn per a estufes de gas domèstiques. El principi de funcionament d'un termopar sempre roman invariable i no depèn del dispositiu en què estigui muntat.
L’operació fiable i ininterrompuda del termoparell depèn del funcionament del sistema d’aturada d’emergència dels dispositius en cas de superar els límits de temperatura admissibles. Per tant, aquest dispositiu ha de ser fiable i proporcionar lectures precises per no posar en perill la vida de les persones.
Avantatges d'utilitzar termoparells
Els avantatges d’utilitzar aquests dispositius per al control de temperatura, independentment de l’aplicació, inclouen:
- una àmplia gamma d’indicadors que es poden enregistrar mitjançant un termoparell;
- la soldadura del termoparell, que participa directament en la presa de lectures, es pot posar en contacte directe amb el punt de mesura;
- procés senzill de fabricació de termoparells, la seva resistència i durabilitat.
Com funciona el termoparell
Un termopar té tres elements principals. Es tracta de dos conductors d’electricitat de diferents materials, a més d’un tub protector. Els dos extrems dels conductors (també anomenats termoelèctrodes) estan soldats i els altres dos estan connectats a un potenciòmetre (dispositiu de mesura de la temperatura).
En termes senzills, el principi de funcionament d’un termopar és que la unió dels termoelèctrodes es col·loca en un entorn, la temperatura del qual s’ha de mesurar. D'acord amb la regla de Seebeck, sorgeix una diferència de potencial en els conductors (en cas contrari: termoelectricitat). Com més alta sigui la temperatura del medi, més significativa és la diferència de potencial. En conseqüència, la fletxa del dispositiu es desvia més.
En els complexos de mesura moderns, els indicadors digitals de temperatura han substituït el dispositiu mecànic. No obstant això, el nou dispositiu és lluny de ser sempre superior en les seves característiques als antics dispositius de l'era soviètica. A les universitats tècniques i a les institucions de recerca, fins avui utilitzen potenciòmetres fa 20-30 anys. I presenten una increïble precisió i estabilitat de mesura.
Tipus de dispositius
Cada tipus de termoparell té la seva pròpia designació i es divideix segons l'estàndard generalment acceptat. Cada tipus d’elèctrode té la seva pròpia abreviatura: TXA, TXK, TBR, etc. Els convertidors es distribueixen segons la classificació:
- El tipus E - és un aliatge de chromel i constantan. Es considera que la característica d’aquest dispositiu és la seva alta sensibilitat i rendiment. És especialment adequat per a ús a temperatures extremadament baixes.
- J - es refereix a un aliatge de ferro i constantan. Presenta una alta sensibilitat, que pot arribar fins als 50 μV / ° C.
- El tipus K es considera l'aliatge d'alumini i cromel més popular. Aquests termoparells poden detectar temperatures que oscil·len entre -200 ° C i +1350 ° C. Els dispositius s’utilitzen en circuits situats en condicions inertes i no oxidants sense signes d’envelliment. Quan els dispositius s’utilitzen en un entorn força àcid, chromel es corroeix ràpidament i es torna inutilitzable per mesurar la temperatura amb un termoparell.
- Tipus M: representa aliatges de níquel amb molibdè o cobalt. Els dispositius poden suportar fins a 1400 ° C i s’utilitzen en instal·lacions que funcionen segons el principi dels forns de buit.
- Dispositius tipus N - nichrosil-nisil, la diferència dels quals es considera resistència a l'oxidació. S’utilitzen per mesurar temperatures entre -270 i +1300 ° C.
Us serà interessant El dispositiu, el principi de funcionament i l’aplicació del supercondensador
Hi ha termoparells fets d’aliatges de rodi i platí. Pertanyen als tipus B, S, R i es consideren els dispositius més estables. Els desavantatges d’aquests convertidors són el preu alt i la sensibilitat baixa.
A altes temperatures, s’utilitzen àmpliament dispositius fabricats amb aliatges de reni i tungstè. A més, segons el seu propòsit i les seves condicions de funcionament, els termoparells poden ser submergibles i superficials.
Per disseny, els dispositius tenen una unió o brida estàtica i mòbil. Els convertidors termoelèctrics s’utilitzen àmpliament en ordinadors, que normalment es connecten mitjançant un port COM i estan dissenyats per mesurar la temperatura dins de la caixa.
Efecte Seebeck
El principi de funcionament d’un termoparell es basa en aquest fenomen físic. La conclusió és la següent: si connecteu dos conductors fets de materials diferents (de vegades s’utilitzen semiconductors), aleshores circularà un corrent al llarg d’aquest circuit elèctric.
Així, si la unió dels conductors s’escalfa i es refreda, l’agulla del potenciòmetre oscil·larà. El corrent també es pot detectar mitjançant un galvanòmetre connectat al circuit.
En el cas que els conductors estiguin fets del mateix material, la força electromotriu no es produirà, respectivament, no es podrà mesurar la temperatura.
Diagrama de connexió del termoparell
Els mètodes més habituals per connectar instruments de mesura a termoparells són l’anomenat mètode simple, així com el diferenciat. L’essència del primer mètode és la següent: el dispositiu (potenciòmetre o galvanòmetre) està connectat directament a dos conductors. Amb el mètode diferenciat, no es solden un, sinó els dos extrems dels conductors, mentre que un dels elèctrodes està "trencat" pel dispositiu de mesura.
És impossible no esmentar l’anomenat mètode remot de connectar un termopar. El principi de funcionament es manté inalterat. L’única diferència és que s’afegeixen cables d’extensió al circuit. A aquests efectes, un cable de coure normal no és adequat, ja que els cables de compensació han de ser necessàriament fets dels mateixos materials que els conductors del termoparell.
Inconvenients de mesurar la temperatura amb un termoparell
Els desavantatges d’utilitzar un termopar inclouen:
- La necessitat d'un control constant de la temperatura del contacte "fred" del termoparell. Aquesta és una característica distintiva del disseny d’instruments de mesura basats en un termoparell. El principi de funcionament d’aquest esquema redueix l’abast de la seva aplicació. Només es poden utilitzar si la temperatura ambiental és inferior a la temperatura del punt de mesura.
- Violació de l'estructura interna dels metalls utilitzats en la fabricació d'un termopar.El fet és que, com a resultat de la influència de l’entorn extern, els contactes perden la seva homogeneïtat, cosa que provoca errors en els indicadors de temperatura obtinguts.
- Durant la mesura, el grup de contacte d’un termopar es sol exposar a influències ambientals negatives, que causen pertorbacions durant el funcionament. Això requereix de nou segellar els contactes, cosa que comporta costos de manteniment addicionals per a aquests sensors.
- Hi ha el perill que les ones electromagnètiques afectin el termoparell, dissenyat amb un grup de contacte llarg. Això també pot afectar els resultats de la mesura.
- En alguns casos, hi ha una violació de la relació lineal entre el corrent elèctric sorgit al termoparell i la temperatura en el punt de mesura. Aquesta situació requereix un calibratge de l'equip de control.
Materials conductors
El principi de funcionament d'un termopar es basa en l'aparició d'una diferència de potencial en els conductors. Per tant, la selecció de materials d’elèctrodes s’ha d’abordar amb molta responsabilitat. La diferència en les propietats químiques i físiques dels metalls és el factor principal en el funcionament d’un termoparell, el dispositiu i el principi de funcionament del qual es basen en l’aparició d’un CEM d’autoinducció (diferència de potencial) al circuit.
Els metalls tècnicament purs no són adequats per utilitzar-se com a termoparell (a excepció del ferro ARMKO). S’utilitzen habitualment diversos aliatges de metalls no ferrosos i preciosos. Aquests materials tenen característiques físiques i químiques estables, de manera que les lectures de temperatura sempre seran exactes i objectives. L’estabilitat i la precisió són qualitats clau en l’organització de l’experiment i el procés de producció.
Actualment, els termoparells més habituals són dels següents tipus: E, J, K.
Principi de funcionament i estructura dels termoparells
El termoparell està format per dos conductors i un tub que serveix de protecció per als termoelèctrodes. Els termoelèctrodes consisteixen en metalls nobles i base, sovint aliatges, fixats entre si en un extrem (extrem de treball o unió calenta), de manera que formen una de les parts del dispositiu. Els altres extrems del termoparell (elevadors o unió freda) estan connectats al mesurador de tensió. Un CEM apareix al mig de dos terminals no connectats, el valor depèn de la temperatura de l’extrem de treball.
Els convertidors tèrmics idèntics combinats en paral·lel tanquen el circuit, segons la regla de Seebeck, considerarem aquesta regla més endavant, es forma una diferència de potencial de contacte o efecte termoelèctric entre ells, apareixen càrregues elèctriques als conductors quan es toquen, sorgeix una diferència de potencial entre els seus extrems lliures i depèn de la diferència de temperatura. Només quan la temperatura entre els termoelèctrodes és la mateixa, la diferència de potencial és igual a zero.
Per exemple: en col·locar una unió amb coeficients diferents de zero, en dues olles bullents amb líquid, la temperatura de la primera és de 50 i la segona és de 45, la diferència de potencial serà de 5.
La diferència de potencial ve determinada per la diferència de temperatura entre les fonts. El material del qual estan fets els elèctrodes del termoparell també depèn. Exemple: un termoparell Chromel-Alumel té un coeficient de temperatura de 41 i un Chromel-Constantan té un coeficient de 68.
Termoparell tipus K
Aquest és potser el tipus de termoparell més comú i àmpliament utilitzat. Un parell de chromel-alumini funciona molt bé a temperatures que oscil·len entre -200 i 1.350 graus centígrads. Aquest tipus de termoparell és altament sensible i detecta fins i tot un petit salt de temperatura. Gràcies a aquest conjunt de paràmetres, el termopar es fa servir tant en la producció com en la investigació científica. Però també té un inconvenient significatiu: la influència de la composició de l’atmosfera de treball. Per tant, si aquest tipus de termoparell funcionarà en un entorn de CO2, el termoparell donarà lectures incorrectes.Aquesta característica limita l'ús d'aquest tipus de dispositius. L’esquema i el principi de funcionament del termopar es mantenen inalterats. L’única diferència es troba en la composició química dels elèctrodes.
Tipus de termoparells
Els requisits tècnics per als termoparells estan determinats per GOST 6616-94. Les taules estàndard per a termòmetres termoelèctrics: característiques de conversió estàtica nominal (NSC), classes de tolerància i rangs de mesura es donen a la norma IEC 60584-1.2 i a GOST R 8.585-2001.
- platí-rodi-platí - TPP13 - Tipus R
- platí-rodi-platí - TPP10 - Tipus S
- platí-rodi-platí-rodi - TPR - Tipus B
- ferro-constantan (ferro-coure-níquel) TLC - Tipus J
- coure-constantan (coure-coure-níquel) TMKn - Tipus T
- nichrosil-nisil (níquel-crom-níquel-níquel-silici) TNN - Tipus N.
- chromel-alumel - TXA - Tipus K
- chromel-constantan TChKn - Tipus E
- chromel-copel - THK - Tipus L.
- coure-copel - TMK - Tipus M
- silkh-silin - ТСС - Tipus I
- tungstè i reni - tungstè reni - TVR - Tipus A-1, A-2, A-3
La composició exacta d’aliatges de termoparells per a termoparells de metall base no es dóna a la norma IEC 60584-1. НСХ per a termoparells chromel-copel ТХК i termoparells de tungstè-reni només es defineixen a GOST R 8.585-2001. No hi ha dades de termoparell a la norma IEC. Per aquest motiu, les característiques dels sensors importats fabricats amb aquests metalls poden diferir significativament dels nacionals, per exemple, els tipus L importats i els THK nacionals no són intercanviables. Al mateix temps, per regla general, els equips importats no estan dissenyats per a la norma nacional.
Actualment, la norma IEC 60584 està en revisió. Està previst introduir a les parelles estàndard de tungstè-reni del tipus A-1, per a les quals NSX correspondrà a la norma russa i el tipus C segons la norma ASTM [6].
El 2008, IEC va introduir dos nous tipus de termoparells: or-platí i platí-pal·ladi. La nova norma IEC 62460 estableix taules estàndard per a aquests termoparells de metall pur. Encara no hi ha cap estàndard rus similar.
Comprovació del funcionament del termoparell
Si el termoparell falla, no es pot reparar. Teòricament, podeu, per descomptat, solucionar-ho, però si el dispositiu mostrarà la temperatura exacta després d’això, és una gran pregunta.
De vegades, el fracàs d’un termoparell no és obvi ni evident. En particular, això s'aplica als escalfadors d'aigua de gas. El principi de funcionament d’un termopar continua sent el mateix. Tanmateix, té un paper lleugerament diferent i no està pensat per visualitzar lectures de temperatura, sinó per al funcionament de les vàlvules. Per tant, per detectar un mal funcionament d’aquest termopar, és necessari connectar-hi un dispositiu de mesura (provador, galvanòmetre o potenciòmetre) i escalfar la unió del termoparell. Per fer-ho, no cal mantenir-lo al foc. N’hi ha prou amb prémer-lo amb un puny i veure si la fletxa del dispositiu es desviarà.
Els motius de la fallada dels termoparells poden ser diferents. Per tant, si no poseu un dispositiu de protecció especial al termoparell situat a la cambra de buit de la unitat de nitruració de ions i plasma, amb el pas del temps es tornarà cada vegada més fràgil fins que es trenqui un dels conductors. A més, no s’exclou la possibilitat d’un funcionament incorrecte del termopar a causa d’un canvi en la composició química dels elèctrodes. Al cap i a la fi, es infringeixen els principis fonamentals del termoparell.
Els equips de gas (calderes, columnes) també estan equipats amb termoparells. La principal causa de fallada d’elèctrodes són els processos oxidatius que es desenvolupen a altes temperatures.
En el cas que les lectures del dispositiu siguin deliberadament falses i que, durant un examen extern, no es trobin abraçadores febles, la raó, molt probablement, rau en la fallada del dispositiu de control i mesura. En aquest cas, s’ha de retornar per a la seva reparació.Si teniu les qualificacions adequades, podeu provar de solucionar el problema vosaltres mateixos.
I, en general, si l'agulla del potenciòmetre o l'indicador digital mostren almenys alguns "signes de vida", el termoparell està en bon estat de funcionament. En aquest cas, el problema és clarament una altra cosa. I, en conseqüència, si el dispositiu no reacciona de cap manera als canvis evidents del règim de temperatura, podeu canviar el termoparell amb seguretat.
No obstant això, abans de desmuntar el termopar i d’instal·lar-ne un de nou, heu d’assegurar-vos completament que sigui defectuós. Per fer-ho, n'hi ha prou amb fer sonar el termopar amb un provador ordinari, o encara millor, mesurar la tensió a la sortida. És probable que només un voltímetre normal ajudi aquí. Necessitareu un milivoltímetre o un provador amb la possibilitat de seleccionar una escala de mesura. Al cap i a la fi, la diferència de potencial és un valor molt petit. I un dispositiu estàndard ni tan sols el sentirà i no ho solucionarà.
Funcions de disseny
Si som més escrupolosos sobre el procés de mesura de la temperatura, aquest procediment es realitza mitjançant un termòmetre termoelèctric. El principal element sensible d’aquest dispositiu és un termoparell.
El propi procés de mesura es produeix a causa de la creació d’una força electromotriu al termoparell. Hi ha algunes característiques d'un dispositiu de termoparell:
- Els elèctrodes es connecten en termoparells per mesurar altes temperatures en un punt mitjançant la soldadura per arc elèctric. Quan es mesuren indicadors petits, aquest contacte es fa mitjançant soldadura. Els compostos especials en dispositius de tungstè-reni i tungstè-molibdè es duen a terme mitjançant girs ajustats sense processos addicionals.
- La connexió dels elements es realitza només a la zona de treball, i al llarg de la resta de la longitud estan aïllats els uns dels altres.
- El mètode d'aïllament es realitza en funció del valor de temperatura superior. Amb un rang de valors de 100 a 120 ° C, s’utilitza qualsevol tipus d’aïllament, inclòs l’aire. Els tubs o perles de porcellana s’utilitzen a temperatures de fins a 1300 ° C. Si el valor arriba als 2000 ° C, s’utilitza un material aïllant d’òxid d’alumini, magnesi, beril·li i zirconi.
- S'utilitza una coberta protectora exterior en funció de l'entorn d'ús del sensor en què es mesura la temperatura. Es fabrica en forma de tub metàl·lic o ceràmic. Aquesta protecció proporciona impermeabilització i protecció superficial del termopar contra les tensions mecàniques. El material de coberta exterior ha de ser capaç de suportar exposicions a altes temperatures i tenir una conductivitat tèrmica excel·lent.
Serà interessant instal·lar un quadre elèctric sota el comptador i les màquines
El disseny del sensor depèn en gran mesura de les condicions d’ús. En crear un termoparell, es té en compte l’interval de temperatures mesurades, l’estat de l’entorn extern, la inèrcia tèrmica, etc.
Beneficis del termoparell
Per què no s’han substituït els termoparells per uns sensors de mesura de temperatura més avançats i moderns durant una llarga història d’operacions? Sí, per la senzilla raó que fins ara cap altre dispositiu pot competir-hi.
En primer lloc, els termoparells són relativament econòmics. Tot i que els preus poden fluctuar en una àmplia gamma com a resultat de l’ús de determinats elements i superfícies de protecció, connectors i connectors.
En segon lloc, els termoparells són modestos i fiables, cosa que els permet operar amb èxit en entorns químics i de temperatura agressius. Aquests dispositius s’instal·len fins i tot a les calderes de gas. El principi de funcionament d’un termopar sempre es manté, independentment de les condicions de funcionament. No qualsevol altre tipus de sensor serà capaç de suportar aquest impacte.
La tecnologia per a la fabricació i fabricació de termoparells és senzilla i fàcil d’implementar a la pràctica.En termes generals, n'hi ha prou amb girar o soldar els extrems dels cables de diferents materials metàl·lics.
Una altra característica positiva és la precisió de les mesures i l’error insignificant (només 1 grau). Aquesta precisió és més que suficient per a les necessitats de producció industrial i per a la investigació científica.
Tipus d’unions de termoparell
La indústria moderna produeix diversos dissenys que s’utilitzen en la fabricació de termoparells:
- amb una cruïlla oberta;
- amb una unió aïllada;
- amb una unió a terra.
Una característica dels termoparells de juntes obertes és la poca resistència a les influències externes.
Els dos tipus de construcció següents es poden utilitzar per mesurar temperatures en suports agressius que tenen un efecte destructiu sobre el parell de contactes.
A més, actualment, la indústria domina els esquemes per a la producció de termoparells mitjançant tecnologies de semiconductors.
Inconvenients del termoparell
No hi ha molts desavantatges d’un termoparell, sobretot si es compara amb els seus competidors més propers (sensors de temperatura d’altres tipus), però sí que ho són, i seria injust mantenir-ne el silenci.
Per tant, la diferència de potencial es mesura en milivolts. Per tant, cal utilitzar potenciòmetres molt sensibles. I si tenim en compte que els dispositius de mesura no sempre es poden situar a la rodalia immediata del lloc de recollida de dades experimentals, caldrà utilitzar alguns amplificadors. Això provoca diversos inconvenients i comporta costos innecessaris en l'organització i preparació de la producció.
Tipus de termoparells
- Crom-alumini
... S’utilitzen principalment a la indústria. Característiques: àmplia gamma de mesures de temperatura -200 ... + 13000 ° C, cost assequible. No aprovat per a ús en botigues amb un contingut alt de sofre. - Chromel-copel
... L'aplicació és similar al tipus anterior, la característica és la preservació del rendiment només en suports líquids i gasosos no agressius. Sovint s’utilitza per mesurar les temperatures en forns de xemeneia oberta. - Constant de ferro
... Efectiu en una atmosfera enrarida. - Platí-rodi-platí
... Més car. Es caracteritzen per lectures estables i precises. S’utilitza per mesurar altes temperatures. - Tungstè-reni
... En general, tenen fundes de protecció en el seu disseny. L’àrea principal d’aplicació és la mesura de suports amb temperatures ultra altes.
