Načelo rada i dizajna termoelementa izuzetno je jednostavno. To je dovelo do popularnosti ovog uređaja i njegove široke upotrebe u svim granama znanosti i tehnologije. Termoelement je dizajniran za mjerenje temperatura u širokom rasponu - od -270 do 2500 Celzijevih stupnjeva. Uređaj je desetljećima nezaobilazan asistent inženjera i znanstvenika. Djeluje pouzdano i besprijekorno, a očitanja temperature uvijek su istinita. Savršeniji i precizniji uređaj jednostavno ne postoji. Svi moderni uređaji rade na principu termoelementa. Rade u teškim uvjetima.
Dodjela termoelementa
Ovaj uređaj pretvara toplinsku energiju u električnu struju i omogućuje mjerenje temperature. Za razliku od tradicionalnih živinih termometara, sposoban je za rad u uvjetima ekstremno niskih i ekstremno visokih temperatura. Ova je značajka dovela do široke upotrebe termoelemenata u širokom spektru instalacija: industrijske metalurške peći, plinski kotlovi, vakuumske komore za kemijsko-termičku obradu, pećnica za kućanski plinski štednjak. Načelo rada termoelementa ostaje uvijek isto i ne ovisi o uređaju u koji je postavljen.
Pouzdan i nesmetan rad termoelementa ovisi o radu sustava za hitno isključivanje uređaja u slučaju prekoračenja dopuštenih temperaturnih granica. Stoga ovaj uređaj mora biti pouzdan i davati točna očitanja kako ne bi ugrozio živote ljudi.
Prednosti upotrebe termoparova
Prednosti upotrebe takvih uređaja za regulaciju temperature, neovisno o primjeni, uključuju:
- veliki raspon pokazatelja koji se mogu zabilježiti pomoću termoelementa;
- lemljenje termoelementa, koji je izravno uključen u mjerenje očitanja, može se staviti u izravni kontakt s mjernom točkom;
- jednostavan postupak proizvodnje termoparova, njihova snaga i trajnost.
Kako radi termoelement
Termoelement ima tri glavna elementa. To su dva vodiča električne energije iz različitih materijala, kao i zaštitna cijev. Dva su kraja vodiča (koja se nazivaju i termoelektrodama) zalemljena, a druga su dva spojena na potenciometar (uređaj za mjerenje temperature).
Jednostavno rečeno, princip rada termoelementa je da se spoj termoelektroda nalazi u okruženju čija se temperatura mora izmjeriti. U skladu s Seebeckovim pravilom, na vodičima nastaje potencijalna razlika (inače - termoelektričnost). Što je temperatura okoline viša, to je potencijalna razlika značajnija. Sukladno tome, strelica uređaja više odstupa.
U modernim mjernim kompleksima digitalni indikatori temperature zamijenili su mehanički uređaj. Međutim, novi uređaj svojim karakteristikama daleko nije uvijek superiorniji od starih uređaja koji datiraju iz sovjetskih vremena. Na tehničkim sveučilištima i u istraživačkim institucijama do danas koriste potenciometre prije 20-30 godina. I pokazuju nevjerojatnu točnost i stabilnost mjerenja.
Vrste uređaja
Svaka vrsta termoelementa ima svoju oznaku i podijeljeni su prema općeprihvaćenom standardu. Svaka vrsta elektrode ima svoju kraticu: TXA, TXK, TBR itd. Pretvarači se distribuiraju prema klasifikaciji:
- Tip E - je legura kromela i konstantana. Karakteristika ovog uređaja smatra se visokom osjetljivošću i performansama. Ovo je posebno pogodno za upotrebu na ekstremno niskim temperaturama.
- J - odnosi se na leguru željeza i konstantana. Odlikuje se visokom osjetljivošću, koja može doseći i do 50 μV / ° C.
- Tip K smatra se najpopularnijom legurom kromel / aluminij. Ovi termoparovi mogu otkriti temperature u rasponu od -200 ° C do +1350 ° C. Uređaji se koriste u krugovima smještenim u neoksidirajućim i inertnim uvjetima bez znakova starenja. Kada se uređaji koriste u prilično kiselom okruženju, kromel brzo nagriza i postaje neupotrebljiv za mjerenje temperature termoparom.
- Tip M - predstavlja legure nikla s molibdenom ili kobaltom. Uređaji mogu izdržati do 1400 ° C i koriste se u instalacijama koje rade na principu vakuumskih peći.
- Tip N - uređaji od nikrosil-nizila, čija se razlika smatra otpornošću na oksidaciju. Koriste se za mjerenje temperatura u rasponu od -270 do +1300 ° C.
Bit će vam zanimljivo.
Postoje termoparovi izrađeni od rodijevih i platinskih legura. Pripadaju tipovima B, S, R i smatraju se najstabilnijim uređajima. Mane ovih pretvarača uključuju visoku cijenu i nisku osjetljivost.
Na visokim temperaturama naširoko se koriste uređaji izrađeni od legura renija i volframa. Osim toga, prema svojoj namjeni i uvjetima rada, termoparovi mogu biti potopljeni i površinski.
Dizajn, uređaji imaju statički i pomični spoj ili prirubnicu. Termoelektrični pretvarači široko se koriste u računalima koja su obično povezana putem COM priključka i dizajnirana su za mjerenje temperature unutar kućišta.
Seebeckov efekt
Načelo rada termoelementa temelji se na ovom fizikalnom fenomenu. Dno crta je ovo: ako međusobno spojite dva vodiča različitih materijala (ponekad se koriste poluvodiči), tada će struja strujati duž takvog električnog kruga.
Dakle, ako se spoj vodiča zagrije i ohladi, igla potenciometra će oscilirati. Struju također može otkriti galvanometar spojen na krug.
U slučaju da su vodiči izrađeni od istog materijala, tada neće nastati elektromotorna sila, odnosno neće biti moguće izmjeriti temperaturu.
Dijagram spajanja termoelementa
Najčešće metode spajanja mjernih instrumenata na termoparove su takozvana jednostavna metoda, kao i ona diferencirana. Bit prve metode je sljedeća: uređaj (potenciometar ili galvanometar) izravno je povezan s dva vodiča. Diferenciranom metodom nije zalemljen jedan, već oba kraja vodiča, dok je jedna od elektroda mjernim uređajem "slomljena".
Nemoguće je ne spomenuti takozvanu daljinsku metodu spajanja termoelementa. Načelo rada ostaje nepromijenjeno. Jedina razlika je u tome što se u krug dodaju produžne žice. U ove svrhe nije prikladna obična bakrena žica, jer kompenzacijske žice moraju nužno biti izrađene od istih materijala kao i vodiči termoelementa.
Mane mjerenja temperature termoelementom
Mane primjene termoelementa uključuju:
- Potreba za stalnim praćenjem temperature "hladnog" kontakta termoelementa. To je prepoznatljiva značajka dizajna mjernih instrumenata koji se temelje na termoelementu. Načelo djelovanja ove sheme sužava opseg njezine primjene. Mogu se koristiti samo ako je temperatura okoline niža od temperature na mjernom mjestu.
- Kršenje unutarnje strukture metala koji se koriste u proizvodnji termoelementa.Činjenica je da kao rezultat utjecaja vanjskog okruženja kontakti gube homogenost, što uzrokuje pogreške u dobivenim temperaturnim pokazateljima.
- Tijekom mjerenja kontaktna skupina termoelementa obično je izložena negativnim utjecajima okoline, što uzrokuje kvarove tijekom rada. To opet zahtijeva brtvljenje kontakata, što uzrokuje dodatne troškove održavanja takvih senzora.
- Postoji opasnost da elektromagnetski valovi utječu na termoelement koji je izrađen s dugom kontaktnom skupinom. To također može utjecati na rezultate mjerenja.
- U nekim slučajevima dolazi do kršenja linearnog odnosa između električne struje koja nastaje u termoelementu i temperature na mjestu mjerenja. Ova situacija zahtijeva kalibraciju upravljačke opreme.
Materijali vodiča
Princip rada termoelementa temelji se na pojavi potencijalne razlike u vodičima. Stoga se odabiru materijala elektroda mora pristupiti vrlo odgovorno. Razlika u kemijskim i fizikalnim svojstvima metala glavni je čimbenik u radu termoelementa, čiji se uređaj i princip rada temelje na nastanku EMP samoindukcije (razlike potencijala) u krugu.
Tehnički čisti metali nisu prikladni za upotrebu kao termoelement (osim ARMCO-željeza). Obično se koriste razne legure obojenih i plemenitih metala. Takvi materijali imaju stabilne fizikalne i kemijske karakteristike, tako da će očitanja temperature uvijek biti točna i objektivna. Stabilnost i preciznost ključne su osobine u organizaciji eksperimenta i proizvodnog procesa.
Trenutno su najčešći termoelementi sljedećih vrsta: E, J, K.
Načelo rada i struktura termoparova
Termoelement se sastoji od dva vodiča i cijevi koja služi kao zaštita termoelektrodama. Termoelektrode se sastoje od osnovnih i plemenitih metala, najčešće slitina, međusobno pričvršćenih na jednom kraju (radni kraj ili vrući spoj), pa čine jedan od dijelova uređaja. Ostali krajevi termoelementa (usponi ili hladni spoj) povezani su s mjeračem napona. EMF se javlja u sredini dva nepovezana terminala, vrijednost ovisi o temperaturi radnog kraja.
Identični toplinski pretvarači kombinirani paralelno zatvaraju krug, prema Seebeckovom pravilu, ovo ćemo pravilo dalje razmotriti, između njih se stvara razlika potencijalnog kontakta ili termoelektrični efekt, električni naboji se pojavljuju na vodičima kad se dodirnu, nastaje potencijalna razlika njihovi slobodni krajevi, a to ovisi o temperaturnoj razlici. Tek kada je temperatura između termoelektroda jednaka, razlika potencijala jednaka je nuli.
Na primjer: Postavljanjem spoja s koeficijentima koji se razlikuju od nule, u dva lonca s tekućinom temperatura prve, 50, a druge 45, tada će razlika potencijala biti 5.
Razlika potencijala određuje se temperaturnom razlikom između izvora. Materijal od kojeg su izrađene elektrode termoelementa također ovisi. Primjer: Termoelement Chromel-Alumel ima temperaturni koeficijent 41, a Chromel-Constantan koeficijent 68.
Termoelement tipa K
Ovo je možda najčešći i najčešće korišten tip termoelementa. Par kromel-aluminija izvrsno djeluje na temperaturama od -200 do 1350 Celzijevih stupnjeva. Ova vrsta termoelementa vrlo je osjetljiva i otkriva čak i mali skok temperature. Zahvaljujući ovom skupu parametara, termoelement se koristi i u proizvodnji i u znanstvenim istraživanjima. Ali ima i značajan nedostatak - utjecaj sastava radne atmosfere. Dakle, ako će ova vrsta termoelementa raditi u CO2 okruženju, tada će termoelement dati pogrešna očitanja.Ova značajka ograničava upotrebu ove vrste uređaja. Krug i princip rada termoelementa ostaju nepromijenjeni. Razlika je samo u kemijskom sastavu elektroda.
Vrste termoelemenata
Tehnički zahtjevi za termoparove određeni su GOST 6616-94. Standardne tablice za termoelektrične termometre - nazivne karakteristike statičke pretvorbe (NSC), razredi tolerancije i opsezi mjerenja dani su u standardu IEC 60584-1.2 i u GOST R 8.585-2001.
- platina-rodij-platina - TPP13 - Tip R
- platina-rodij-platina - TPP10 - tip S
- platina-rodij-platina-rodij - TPR - tip B
- željezo-konstantan (željezo-bakar-nikal) TLC - tip J
- bakar-konstantan (bakar-bakar-nikal) TMKn - tip T
- nikrosil-nizil (nikal-krom-nikal-nikal-silicij) TNN - tip N.
- chromel-alumel - TXA - Tip K
- kromel-konstantan TChKn - tip E
- kromel-kopel - THK - Tip L
- bakreni kopel - TMK - Tip M
- silkh-silin - TSS - Tip I
- volfram i renij - volfram renij - TVR - Tip A-1, A-2, A-3
Točan sastav legura termoparova za termoparove od osnovnih metala nije naveden u IEC 60584-1. NSH za termoelemente kromel-kopel THK i termoelemente volfram-renij definirani su samo u GOST R 8.585-2001. U IEC standardu nema podataka o termoelementima. Iz tog se razloga karakteristike uvezenih senzora izrađenih od ovih metala mogu značajno razlikovati od domaćih, na primjer, uvezeni tip L i domaći THK nisu zamjenjivi. Istodobno, u pravilu uvezena oprema nije dizajnirana za domaći standard.
Standard IEC 60584 trenutno je u fazi revizije. Planirano je uvođenje u standardne volfram-renijeve termoparove tipa A-1, za koje će NSX odgovarati ruskoj normi, a tipa C prema standardu ASTM [6].
2008. IEC je predstavio dvije nove vrste termoparova: zlato-platina i platina-paladij. Novi standard IEC 62460 uspostavlja standardne tablice za ove termoparove od čistog metala. Još ne postoji sličan ruski standard.
Provjera rada termoelementa
Ako termoelement otkaže, ne može se popraviti. Teoretski to možete, naravno, popraviti, ali hoće li uređaj nakon toga pokazati točnu temperaturu, veliko je pitanje.
Ponekad kvar termoelementa nije očit i očit. To se posebno odnosi na plinske bojlere. Princip rada termoelementa i dalje je isti. Međutim, on igra malo drugačiju ulogu i nije namijenjen vizualizaciji očitanja temperature, već radu ventila. Stoga je, kako bi se utvrdio kvar takvog termoelementa, na njega potrebno spojiti mjerni uređaj (ispitivač, galvanometar ili potenciometar) i zagrijati spoj termoelementa. Da biste to učinili, nije ga potrebno držati na otvorenoj vatri. Dovoljno je samo stisnuti je u šaku i vidjeti hoće li strelica uređaja odstupiti.
Razlozi neuspjeha termoparova mogu biti različiti. Dakle, ako ne stavite poseban zaštitni uređaj na termoelement smješten u vakuumsku komoru jedinice za nitriranje ionsko-plazme, s vremenom će postati sve krhkiji dok se jedan od vodiča ne slomi. Uz to, nije isključena mogućnost nepravilnog rada termoelementa zbog promjene kemijskog sastava elektroda. Uostalom, krše se temeljni principi termoelementa.
Plinska oprema (kotlovi, stupovi) također je opremljena termoparovima. Glavni uzrok otkaza elektrode su oksidativni procesi koji se razvijaju na visokim temperaturama.
U slučaju kada su očitanja uređaja namjerno lažna, a tijekom vanjskog pregleda nisu pronađene slabe stezaljke, tada razlog, najvjerojatnije, leži u kvaru upravljačko-mjernog uređaja. U tom slučaju mora se vratiti na popravak.Ako imate odgovarajuće kvalifikacije, možete pokušati riješiti problem sami.
I općenito, ako igla potenciometra ili digitalni indikator pokazuju barem neke "znakove života", tada je termoelement u dobrom stanju. U ovom je slučaju problem očito nešto drugo. I u skladu s tim, ako uređaj na bilo koji način ne reagira na očite promjene temperaturnog režima, tada možete sigurno promijeniti termoelement.
Međutim, prije nego što demontirate termoelement i instalirate novi, morate u potpunosti potvrditi njegov kvar. Da biste to učinili, dovoljno je pozvoniti na termoelement običnim testerom, ili još bolje, izmjeriti izlazni napon. Ovdje vjerojatno neće pomoći samo obični voltmetar. Trebat će vam milivoltmetar ili ispitivač s mogućnošću odabira mjerne skale. Napokon, razlika potencijala je vrlo mala vrijednost. A standardni uređaj to neće ni osjetiti i neće popraviti.
Značajke dizajna
Ako smo pažljiviji prema postupku mjerenja temperature, tada se ovaj postupak provodi pomoću termoelektričnog termometra. Glavni osjetljivi element ovog uređaja je termoelement.
Sam postupak mjerenja nastaje uslijed stvaranja elektromotorne sile u termoelementu. Neke su značajke uređaja s termoelementima:
- Elektrode su povezane termoparovima za mjerenje visokih temperatura u jednom trenutku pomoću elektrolučnog zavarivanja. Pri mjerenju malih pokazatelja takav kontakt ostvaruje se lemljenjem. Posebni spojevi u uređajima od volframa-renija i volframa-molibdena provode se pomoću uskih uvijanja bez dodatne obrade.
- Spajanje elemenata provodi se samo u radnom području, a duž ostatka duljine međusobno su izolirani.
- Metoda izolacije provodi se ovisno o gornjoj vrijednosti temperature. U rasponu vrijednosti od 100 do 120 ° C koristi se bilo koja vrsta izolacije, uključujući zrak. Porculanske cijevi ili perle koriste se na temperaturama do 1300 ° C. Ako vrijednost dosegne 2000 ° C, tada se koristi izolacijski materijal od aluminijevog oksida, magnezija, berilija i cirkonija.
- Vanjski zaštitni poklopac koristi se ovisno o okolišu u kojem se mjeri temperatura. Izrađen je u obliku metalne ili keramičke cijevi. Ova zaštita osigurava hidroizolaciju i površinsku zaštitu termoelementa od mehaničkih naprezanja. Materijal vanjskog pokrova mora podnijeti izloženost visokim temperaturama i imati izvrsnu toplinsku vodljivost.
Bit će vam zanimljivo Instaliranje električne ploče ispod brojila i automata
Dizajn senzora uvelike ovisi o uvjetima njegove uporabe. Prilikom izrade termoelementa uzima se u obzir raspon izmjerenih temperatura, stanje vanjske okoline, toplinska inercija itd.
Prednosti termoelementa
Zašto termoparove tijekom tako duge povijesti rada nisu zamijenili napredniji i moderniji senzori za mjerenje temperature? Da, iz jednostavnog razloga što mu se do sada nijedan drugi uređaj ne može natjecati.
Prvo, termoelementi su relativno jeftini. Iako cijene mogu varirati u širokom rasponu kao rezultat upotrebe određenih zaštitnih elemenata i površina, konektora i konektora.
Drugo, termoelementi su nepretenciozni i pouzdani, što im omogućuje uspješan rad u agresivnim temperaturnim i kemijskim okruženjima. Takvi su uređaji čak instalirani u plinskim kotlovima. Princip rada termoelementa uvijek ostaje isti, bez obzira na radne uvjete. Neće svaki drugi tip senzora moći izdržati takav utjecaj.
Tehnologija proizvodnje i izrade termoelemenata jednostavna je i laka za primjenu u praksi.Grubo govoreći, dovoljno je samo uviti ili zavariti krajeve žica od različitih metalnih materijala.
Još jedna pozitivna karakteristika je točnost mjerenja i zanemariva pogreška (samo 1 stupanj). Ta je točnost više nego dovoljna za potrebe industrijske proizvodnje i za znanstvena istraživanja.
Vrste spojeva termoelemenata
Suvremena industrija proizvodi nekoliko dizajna koji se koriste u proizvodnji termoparova:
- s otvorenim spojem;
- s izoliranim spojem;
- uzemljenim spojem.
Značajka termoparova s otvorenim spojem je slaba otpornost na vanjske utjecaje.
Sljedeće dvije vrste konstrukcija mogu se koristiti za mjerenje temperatura u agresivnim medijima koji imaju razarajući učinak na kontaktni par.
Uz to, trenutno industrija svladava sheme za proizvodnju termoparova pomoću poluvodičkih tehnologija.
Mane termoelementa
Nema puno nedostataka termoelementa, posebno u usporedbi s najbližim konkurentima (temperaturni senzori drugih vrsta), ali ipak jesu, i bilo bi nepravedno šutjeti o njima.
Dakle, razlika potencijala mjeri se u milivoltima. Stoga je potrebno koristiti vrlo osjetljive potenciometre. A ako uzmemo u obzir da mjerni uređaji ne mogu uvijek biti smješteni u neposrednoj blizini mjesta prikupljanja eksperimentalnih podataka, tada se moraju koristiti neka pojačala. To uzrokuje brojne neugodnosti i dovodi do nepotrebnih troškova u organizaciji i pripremi proizvodnje.
Vrste termoelemenata
- Kromel-aluminij
... Uglavnom se koristi u industriji. Karakteristične značajke: širok raspon temperatura mjerenja -200 ... + 13000 ° C, pristupačna cijena. Nije odobreno za upotrebu u trgovinama s visokim udjelom sumpora. - Kromel-kopel
... Aplikacija je slična prethodnoj vrsti, značajka je očuvanje performansi samo u neagresivnim tekućim i plinovitim medijima. Često se koristi za mjerenje temperatura u pećima s otvorenim ognjištem. - Konstanta željeza
... Učinkovito u razrijeđenoj atmosferi. - Platina-rodij-platina
... Najskuplja. Karakteriziraju ih stabilna i točna očitanja. Koristi se za mjerenje visokih temperatura. - Volfram-renij
... Obično u svom dizajnu imaju zaštitne navlake. Glavno područje primjene je mjerenje medija s ultra visokim temperaturama.
