Termopāra darbības princips un dizains ir ārkārtīgi vienkāršs. Tas izraisīja šīs ierīces popularitāti un plašu izmantošanu visās zinātnes un tehnoloģiju nozarēs. Termopāra ir paredzēta temperatūras mērīšanai plašā diapazonā - no -270 līdz 2500 grādiem pēc Celsija. Ierīce gadu desmitiem ir bijusi neaizstājama palīdze inženieriem un zinātniekiem. Tas darbojas droši un nevainojami, un temperatūras rādījumi vienmēr ir patiesi. Pilnīgāka un precīzāka ierīce vienkārši nepastāv. Visas mūsdienu ierīces darbojas pēc termopāra principa. Viņi strādā sarežģītos apstākļos.
Termopāra piešķiršana
Šī ierīce pārveido siltumenerģiju elektriskajā strāvā un ļauj mērīt temperatūru. Atšķirībā no tradicionālajiem dzīvsudraba termometriem tas spēj darboties gan ārkārtīgi zemas, gan ārkārtīgi augstas temperatūras apstākļos. Šī funkcija ir novedusi pie tā, ka termopāri tiek plaši izmantoti visdažādākajās iekārtās: rūpnieciskās metalurģijas krāsnis, gāzes katli, vakuuma kameras ķīmiskai termiskai apstrādei, krāsns mājsaimniecības gāzes krāsnīm. Termopāra darbības princips vienmēr paliek nemainīgs un nav atkarīgs no ierīces, kurā tas ir uzstādīts.
Termopāra droša un nepārtraukta darbība ir atkarīga no ierīču avārijas izslēgšanas sistēmas darbības gadījumā, ja tiek pārsniegtas pieļaujamās temperatūras robežas. Tādēļ šai ierīcei jābūt uzticamai un ar precīziem rādījumiem, lai neapdraudētu cilvēku dzīvību.
Termoelementu izmantošanas priekšrocības
Šādu ierīču izmantošanas temperatūras kontrolei priekšrocības neatkarīgi no lietojuma ietver:
- liels indikatoru klāsts, kurus var ierakstīt, izmantojot termopāri;
- termopāra lodēšanu, kas tieši iesaistīta nolasījumu uzņemšanā, var novietot tiešā saskarē ar mērīšanas punktu;
- vienkāršs termoelementu ražošanas process, to izturība un izturība.
Kā darbojas termoelements
Termopāriem ir trīs galvenie elementi. Tie ir divi dažādu materiālu elektrības vadītāji, kā arī aizsargcaurule. Divi vadītāju gali (kurus sauc arī par termoelektrodiem) ir pielodēti, un pārējie divi ir savienoti ar potenciometru (temperatūras mērīšanas ierīci).
Vienkārši sakot, termopāra darbības princips ir tāds, ka termoelektrodu savienojums tiek ievietots vidē, kuras temperatūra ir jāmēra. Saskaņā ar Zēbeka likumu uz vadītājiem rodas potenciāla atšķirība (pretējā gadījumā - termoelektriskums). Jo augstāka ir vides temperatūra, jo nozīmīgāka ir potenciālā atšķirība. Attiecīgi ierīces bultiņa vairāk novirzās.
Mūsdienu mērīšanas kompleksos digitālie temperatūras indikatori ir aizstājuši mehānisko ierīci. Tomēr jaunā ierīce pēc savām īpašībām nebūt ne vienmēr ir pārāka par vecajām padomju laika ierīcēm. Tehniskajās universitātēs un pētniecības iestādēs līdz šai dienai viņi izmanto potenciometrus pirms 20-30 gadiem. Un tiem ir pārsteidzoša mērījumu precizitāte un stabilitāte.
Ierīču veidi
Katram termopāra tipam ir savs apzīmējums, un tie ir sadalīti atbilstoši vispārpieņemtajam standartam. Katram elektrodu tipam ir savs saīsinājums: TXA, TXK, TBR utt. Pārveidotāji tiek sadalīti atbilstoši klasifikācijai:
- E tips - ir hromela un konstantāna sakausējums. Šīs ierīces raksturojums tiek uzskatīts par augstu jutīgumu un veiktspēju. Tas ir īpaši piemērots lietošanai ārkārtīgi zemā temperatūrā.
- J - attiecas uz dzelzs un konstantāna sakausējumu. Tam ir augsta jutība, kas var sasniegt pat 50 μV / ° C.
- K tips tiek uzskatīts par vispopulārāko hroma / alumīnija sakausējumu. Šie termopāri var noteikt temperatūru no -200 ° C līdz +1350 ° C. Ierīces izmanto ķēdēs, kas atrodas neoksidējošos un inertos apstākļos bez novecošanas pazīmēm. Lietojot ierīces diezgan skābā vidē, hromels ātri korozē un kļūst nederīgs temperatūras mērīšanai ar termopāri.
- M tips - apzīmē niķeļa sakausējumus ar molibdēnu vai kobaltu. Ierīces var izturēt līdz 1400 ° C un tiek izmantotas iekārtās, kas darbojas pēc vakuuma krāsns principa.
- N tips - nichrosil-nisil ierīces, kuru atšķirība tiek uzskatīta par izturību pret oksidāciju. Tos izmanto temperatūras mērīšanai diapazonā no -270 līdz +1300 ° C.
Jums tas būs interesanti.Superkondensatora ierīce, darbības princips un pielietojums
Ir termopāri, kas izgatavoti no rodija un platīna sakausējumiem. Tie pieder pie B, S, R tipiem un tiek uzskatīti par visstabilākajām ierīcēm. Šo pārveidotāju trūkumi ir augsta cena un zema jutība.
Augstā temperatūrā tiek plaši izmantotas ierīces, kas izgatavotas no rēnija un volframa sakausējumiem. Turklāt atkarībā no to mērķa un darbības apstākļiem termopāri var būt iegremdējami un virspusēji.
Pēc konstrukcijas ierīcēm ir statiska un pārvietojama savienojums vai atloks. Termoelektriskie pārveidotāji tiek plaši izmantoti datoros, kuri parasti ir savienoti, izmantojot COM portu, un ir paredzēti temperatūras mērīšanai korpusa iekšpusē.
Seebeck efekts
Termopāra darbības princips ir balstīts uz šo fizisko parādību. Apakšējā līnija ir šāda: ja savienojat divus dažādu materiālu vadītājus (dažreiz tiek izmantoti pusvadītāji), tad pa šādu elektrisko ķēdi cirkulēs strāva.
Tādējādi, ja vadītāju krustojums tiek uzkarsēts un atdzesēts, potenciometra adata svārstīsies. Strāvu var noteikt arī ar ķēdei pievienotu galvanometru.
Gadījumā, ja vadītāji ir izgatavoti no tā paša materiāla, tad elektromotora spēks nenotiks, attiecīgi nebūs iespējams izmērīt temperatūru.
Termopāra savienojuma shēma
Visizplatītākās metodes mērinstrumentu savienošanai ar termopāriem ir tā saucamā vienkāršā metode, kā arī diferencētā. Pirmās metodes būtība ir šāda: ierīce (potenciometrs vai galvanometrs) ir tieši savienota ar diviem vadītājiem. Izmantojot diferencēto metodi, tiek pielodēts nevis viens, bet abi vadītāju gali, savukārt mērīšanas ierīce "salauž" vienu no elektrodiem.
Nevar nepieminēt tā saukto tālvadības metodi termopāra savienošanai. Darbības princips paliek nemainīgs. Vienīgā atšķirība ir tā, ka ķēdei tiek pievienoti pagarinātāji. Šiem nolūkiem parasts vara vads nav piemērots, jo kompensācijas vadiem obligāti jābūt izgatavotiem no tiem pašiem materiāliem kā termopāra vadītājiem.
Temperatūras mērīšanas ar termopāri trūkumi
Termopāra izmantošanas trūkumi ir šādi:
- Nepieciešamība pastāvīgi kontrolēt termopāra "aukstā" kontakta temperatūru. Šī ir atšķirīga mērinstrumentu dizaina iezīme, kuras pamatā ir termoelements. Šīs shēmas darbības princips sašaurina tās piemērošanas jomu. Tos var izmantot tikai tad, ja apkārtējā temperatūra ir zemāka par temperatūru mērīšanas punktā.
- Termopāra ražošanā izmantoto metālu iekšējās struktūras pārkāpums.Fakts ir tāds, ka ārējās vides ietekmes rezultātā kontakti zaudē viendabīgumu, kas rada kļūdas iegūtajos temperatūras rādītājos.
- Mērīšanas laikā termopāra kontaktgrupa parasti tiek pakļauta negatīvai vides ietekmei, kas ekspluatācijas laikā rada traucējumus. Tas atkal prasa kontaktu blīvēšanu, kas šādiem sensoriem rada papildu uzturēšanas izmaksas.
- Pastāv elektromagnētisko viļņu draudi, kas ietekmē termopāri, kas ir veidota ar garu kontaktu grupu. Tas var ietekmēt arī mērījumu rezultātus.
- Dažos gadījumos tiek pārkāpts lineārais sakars starp termoelementā radušos elektrisko strāvu un temperatūru mērīšanas punktā. Šajā situācijā ir nepieciešams kalibrēt vadības aprīkojumu.
Diriģentu materiāli
Termopāra darbības princips ir balstīts uz potenciālo atšķirību rašanos vadītājos. Tāpēc elektrodu materiālu izvēlei jāpieiet ļoti atbildīgi. Metālu ķīmisko un fizikālo īpašību atšķirība ir galvenais termopāra darbības faktors, kura ierīce un darbības princips ir balstīti uz pašindukcijas (potenciālās starpības) EMF parādīšanos ķēdē.
Tehniski tīri metāli nav piemēroti izmantošanai kā termopāri (izņemot ARMKO dzelzi). Parasti tiek izmantoti dažādi krāsaino un dārgmetālu sakausējumi. Šādiem materiāliem ir stabilas fizikālās un ķīmiskās īpašības, tāpēc temperatūras rādījumi vienmēr būs precīzi un objektīvi. Stabilitāte un precizitāte ir galvenās īpašības eksperimenta organizēšanā un ražošanas procesā.
Pašlaik visbiežāk sastopamie šāda veida termopāri: E, J, K.
Termopāra darbības princips un struktūra
Termoelements sastāv no diviem vadītājiem un caurules, kas kalpo kā aizsardzība termoelektrodiem. Termoelektrodi sastāv no parastajiem un cēlmetāliem, visbiežāk sakausējumiem, kas vienā galā piestiprināti viens otram (darba gals vai karstais savienojums), tādējādi tie veido vienu no ierīces daļām. Pārējie termopāra gali (stāvvadi vai aukstā krustojums) ir savienoti ar sprieguma mērītāju. Divu nesavienotu spaiļu vidū parādās EMF, vērtība ir atkarīga no darba gala temperatūras.
Paralēli kombinētie identiskie termo pārveidotāji aizver ķēdi, saskaņā ar Zēbeka likumu mēs šo noteikumu izskatīsim tālāk, starp tiem veidojas kontakta potenciāla starpība vai termoelektrisks efekts, pieskaroties, uz vadītājiem parādās elektriskie lādiņi, rodas potenciāla to brīvie gali, un tas ir atkarīgs no temperatūras starpības. Tikai tad, ja temperatūra starp termoelektrodiem ir vienāda, potenciālu starpība ir vienāda ar nulli.
Piemēram: ievietojot krustojumu ar koeficientiem, kas atšķiras no nulles, divos vārīšanās traukos ar šķidrumu, pirmā temperatūra ir 50, bet otrā - 45, tad potenciālā starpība būs 5.
Potenciālo starpību nosaka temperatūras starpība starp avotiem. Ir atkarīgs arī materiāls, no kura tiek izgatavoti termopāra elektrodi. Piemērs: Termopāra Chromel-Alumel temperatūras koeficients ir 41, un Chromel-Constantan koeficients ir 68.
K termopāra tips
Varbūt tas ir visizplatītākais un visplašāk izmantotais termopāra veids. Pāris hroma - alumīnija darbojas lieliski temperatūrā no -200 līdz 1350 grādiem pēc Celsija. Šāda veida termopāri ir ļoti jutīgi un atklāj pat nelielu temperatūras lēcienu. Pateicoties šim parametru kopumam, termopāri izmanto gan ražošanā, gan zinātniskos pētījumos. Bet tam ir arī ievērojams trūkums - darba atmosfēras sastāva ietekme. Tātad, ja šāda veida termopāri darbosies CO2 vidē, tad termopāra rādījumi būs nepareizi.Šī funkcija ierobežo šāda veida ierīču izmantošanu. Termopāra ķēde un darbības princips nemainās. Vienīgā atšķirība ir elektrodu ķīmiskajā sastāvā.
Termoelementu veidi
Termoelementu tehniskās prasības nosaka GOST 6616-94. Termoelektrisko termometru standarta tabulas - nominālie statisko pārrēķina raksturlielumi (NSC), pielaides klases un mērījumu diapazoni ir norādīti IEC 60584-1.2 standartā un GOST R 8.585-2001.
- platīna-rodija-platīna - TPP13 - R tips
- platīna-rodija-platīna - TPP10 - S tips
- platīna-rodija-platīna-rodija - TPR - B tips
- dzelzs-konstantāna (dzelzs-vara-niķeļa) TLC - J tips
- vara-konstantāns (vara-vara-niķeļa) TMKn - T tips
- nichrosil-nisil (niķeļa-hroma-niķeļa-niķeļa-silīcija) TNN - N tips.
- hroma-alumīnija - TXA - K tips
- hromelkonstantāns TChKn - E tips
- hromels-kopelis - THK - L tips
- vara kopelis - TMK - M tips
- zīdsilīns - ТСС - I tips
- volframs un rēnijs - volframa rēnijs - TVR - A-1, A-2, A-3 tips
Precīzs termoelementu sakausējums parasto metālu termopāriem nav norādīts IEC 60584-1. НСХ hromela-kopeļu termopāriem ТХК un volframa-renija termopāriem ir definēti tikai GOST R 8.585-2001. IEC standartā nav termopāra datu. Šī iemesla dēļ importēto sensoru, kas izgatavoti no šiem metāliem, īpašības var ievērojami atšķirties no vietējiem, piemēram, importētie L tips un vietējie THK nav savstarpēji aizvietojami. Tajā pašā laikā importētās iekārtas parasti nav paredzētas vietējam standartam.
Pašlaik tiek pārskatīts IEC 60584 standarts. Paredzēts ieviest A-1 tipa volframa-rēnija termoelementus, kuriem NSX atbildīs Krievijas standartam, un C tipu saskaņā ar ASTM standartu [6].
2008. gadā IEC ieviesa divus jaunus termopāru veidus: zelta-platīnu un platīna-pallādiju. Jaunais IEC 62460 standarts nosaka standarta tabulas šiem tīra metāla termopāriem. Pagaidām nav līdzīga krievu standarta.
Termopāra darbības pārbaude
Ja termopāri neizdodas, to nevar salabot. Teorētiski jūs, protams, varat to salabot, bet vai pēc tam ierīce parādīs precīzu temperatūru, tas ir liels jautājums.
Dažreiz termopāra kļūme nav acīmredzama un acīmredzama. Tas jo īpaši attiecas uz gāzes ūdens sildītājiem. Termopāra darbības princips joprojām ir vienāds. Tomēr tam ir nedaudz atšķirīga loma un tas nav paredzēts temperatūras rādījumu vizualizēšanai, bet gan vārstu darbībai. Tāpēc, lai noteiktu šāda termopāra darbības traucējumus, ir nepieciešams tam pievienot mērīšanas ierīci (testeri, galvanometru vai potenciometru) un sildīt termopāra krustojumu. Lai to izdarītu, nav nepieciešams turēt to virs atklātas uguns. Pietiek tikai to saspiest dūrē un redzēt, vai ierīces bultiņa novirzīsies.
Termoelementu atteices cēloņi var būt dažādi. Tātad, ja jūs neuzvelciet īpašu aizsargierīci uz termopāra, kas ievietots jonu un plazmas nitrēšanas iekārtas vakuuma kamerā, laika gaitā tā kļūs arvien trauslāka, līdz kāds no vadītājiem saplīsīs. Turklāt nav izslēgta arī termopāra nepareizas darbības iespējamība elektrodu ķīmiskā sastāva izmaiņu dēļ. Galu galā tiek pārkāpti termopāra pamatprincipi.
Gāzes iekārtas (katli, kolonnas) ir aprīkotas arī ar termopāriem. Galvenais elektrodu mazspējas cēlonis ir oksidācijas procesi, kas attīstās augstā temperatūrā.
Gadījumā, ja ierīces rādījumi ir apzināti nepatiesi, un ārējās pārbaudes laikā vāji skavas netika atrasti, tad iemesls, visticamāk, ir vadības un mērīšanas ierīces atteicē. Šajā gadījumā tas ir jāatgriež remontam.Ja jums ir atbilstoša kvalifikācija, varat mēģināt pats novērst problēmu.
Un vispār, ja potenciometra adata vai digitālais indikators parāda vismaz dažas "dzīvības pazīmes", tad termoelements ir labā darba kārtībā. Šajā gadījumā problēma nepārprotami ir kaut kas cits. Un attiecīgi, ja ierīce nekādā veidā nereaģē uz acīmredzamām temperatūras režīma izmaiņām, tad jūs varat droši nomainīt termopāri.
Tomēr, pirms jūs demontējat termopāri un uzstādāt jaunu, jums pilnībā jāpārliecinās, vai tas ir kļūdains. Lai to izdarītu, pietiek ar termopāra zvanu ar parastu testeri vai pat labāk, izmērot izejas spriegumu. Maz ticams, ka šeit palīdzēs tikai parasts voltmetrs. Jums būs nepieciešams milivoltmetrs vai testeris ar iespēju izvēlēties mērījumu skalu. Galu galā potenciālā atšķirība ir ļoti maza vērtība. Un standarta ierīce to pat nejutīs un neizlabos.
Dizaina iezīmes
Ja mēs esam rūpīgāki par temperatūras mērīšanas procesu, tad šo procedūru veic, izmantojot termoelektrisko termometru. Šīs ierīces galvenais jutīgais elements ir termoelements.
Pats mērīšanas process notiek sakarā ar elektromotora spēka izveidošanos termoelementā. Termopāra ierīcei ir dažas funkcijas:
- Elektrodi ir savienoti termopāros, lai vienā punktā izmērītu augstu temperatūru, izmantojot elektrisko loka metināšanu. Mērot mazus indikatorus, šāds kontakts tiek veikts, izmantojot lodēšanu. Īpaši savienojumi volframa-rēnija un volframa-molibdēna ierīcēs tiek veikti, izmantojot stingrus pagriezienus bez papildu apstrādes.
- Elementu savienojums tiek veikts tikai darba zonā, un visā pārējā garumā tie ir izolēti viens no otra.
- Izolācijas metode tiek veikta atkarībā no augšējās temperatūras vērtības. Ar vērtību diapazonu no 100 līdz 120 ° C tiek izmantots jebkura veida izolācija, ieskaitot gaisu. Porcelāna caurules vai lodītes tiek izmantotas temperatūrā līdz 1300 ° C. Ja vērtība sasniedz 2000 ° C, tad tiek izmantots alumīnija oksīda, magnija, berilija un cirkonija izolācijas materiāls.
- Ārējais aizsargapvalks tiek izmantots atkarībā no sensora lietošanas vides, kurā tiek mērīta temperatūra. Tas ir izgatavots metāla vai keramikas caurules formā. Šī aizsardzība nodrošina termopāra hidroizolāciju un virsmas aizsardzību no mehāniskās spriedzes. Ārējā apvalka materiālam jāspēj izturēt augstas temperatūras iedarbību, un tam jābūt izcilai siltuma vadītspējai.
Jums tas būs interesanti Elektriskā paneļa uzstādīšana zem skaitītāja un mašīnām
Sensora dizains lielā mērā ir atkarīgs no tā izmantošanas apstākļiem. Veidojot termopāri, tiek ņemts vērā izmērīto temperatūru diapazons, ārējās vides stāvoklis, termiskā inerce utt.
Termoelementu priekšrocības
Kāpēc tik ilgu darbības laiku termopāri nav aizstāti ar modernākiem un modernākiem temperatūras mērīšanas sensoriem? Jā, tā vienkārša iemesla dēļ, ka līdz šim neviena cita ierīce ar to nevar konkurēt.
Pirmkārt, termopāri ir salīdzinoši lēti. Kaut arī dažu aizsargelementu un virsmu, savienotāju un savienotāju izmantošanas rezultātā cenas var svārstīties plašā diapazonā.
Otrkārt, termopāri ir nepretenciozi un uzticami, kas ļauj tos veiksmīgi darbināt agresīvas temperatūras un ķīmiskās vidēs. Šādas ierīces tiek uzstādītas pat gāzes katlos. Termopāra darbības princips vienmēr paliek nemainīgs, neatkarīgi no darbības apstākļiem. Ne visi cita veida sensori varēs izturēt šādu triecienu.
Termoelementu ražošanas un ražošanas tehnoloģija ir vienkārša un viegli īstenojama praksē.Aptuveni runājot, pietiek ar to, ka stiepļu galus savīt vai sametināt no dažādiem metāla materiāliem.
Vēl viena pozitīva īpašība ir mērījumu precizitāte un nenozīmīgā kļūda (tikai 1 grāds). Šī precizitāte ir vairāk nekā pietiekama rūpnieciskās ražošanas vajadzībām un zinātniskiem pētījumiem.
Termopāra krustojumu veidi
Mūsdienu industrija ražo vairākus dizainus, kurus izmanto termopāru ražošanā:
- ar atvērtu krustojumu;
- ar izolētu krustojumu;
- ar iezemētu krustojumu.
Atvērto krustojumu termopāru iezīme ir slikta izturība pret ārējām ietekmēm.
Mērot temperatūru agresīvā vidē, kurai ir destruktīva ietekme uz kontaktu pāri, var izmantot šādus divus konstrukcijas veidus.
Turklāt šobrīd nozare apgūst termopāru ražošanas shēmas, izmantojot pusvadītāju tehnoloģijas.
Termopāra trūkumi
Termopāriem nav daudz trūkumu, it īpaši, ja salīdzina ar tā tuvākajiem konkurentiem (cita veida temperatūras sensori), taču tie tomēr ir, un būtu negodīgi par tiem klusēt.
Tātad potenciālo starpību mēra milivoltos. Tāpēc ir jāizmanto ļoti jutīgi potenciometri. Un, ja ņemam vērā, ka mērīšanas ierīces ne vienmēr var novietot eksperimentālo datu vākšanas vietas tiešā tuvumā, tad ir jāizmanto daži pastiprinātāji. Tas rada vairākas neērtības un rada nevajadzīgas izmaksas ražošanas organizēšanā un sagatavošanā.
Termoelementu veidi
- Hroms-alumīnijs
... Tos galvenokārt izmanto rūpniecībā. Raksturīgās īpašības: plašs mērījumu temperatūras diapazons -200 ... + 13000 ° C, pieejamas cenas. Nav apstiprināts lietošanai veikalos ar augstu sēra saturu. - Chromel-copel
... Lietojumprogramma ir līdzīga iepriekšējam tipam, tā ir veiktspējas saglabāšana tikai neagresīvos šķidrumos un gāzveida vidēs. Bieži izmanto temperatūras mērīšanai atklātās krāsnīs. - Dzelzs konstante
... Efektīva retā atmosfērā. - Platīns-rodijs-platīns
... Dārgākā. Tos raksturo stabili un precīzi rādījumi. Izmanto augstas temperatūras mērīšanai. - Volframs-renijs
... Parasti to dizainā ir aizsargapvalki. Galvenā pielietojuma joma ir barotnes mērīšana ar īpaši augstām temperatūrām.
