Prinsippet om drift og design av et termoelement er ekstremt enkelt. Dette førte til populariteten til denne enheten og den utbredte bruken i alle grener av vitenskap og teknologi. Termoelementet er designet for å måle temperaturer i et bredt spekter - fra -270 til 2500 grader Celsius. Enheten har vært en uunnværlig assistent for ingeniører og forskere i flere tiår. Det fungerer pålitelig og feilfritt, og temperaturavlesningene er alltid sanne. En mer perfekt og nøyaktig enhet eksisterer rett og slett ikke. Alle moderne enheter fungerer på termoelementprinsippet. De jobber under vanskelige forhold.
Termoelementoppgave
Denne enheten konverterer termisk energi til elektrisk strøm og tillater temperaturmåling. I motsetning til tradisjonelle kvikksølvtermometre, er den i stand til å fungere under forhold med både ekstremt lave og ekstremt høye temperaturer. Denne funksjonen har ført til utstrakt bruk av termoelementer i mange forskjellige installasjoner: industrielle metallurgiske ovner, gasskokere, vakuumkamre for kjemisk varmebehandling, ovn for husholdningsgassovner. Prinsippet om drift av et termoelement forblir alltid uendret og avhenger ikke av enheten det er montert i.
Pålitelig og uavbrutt drift av termoelementet avhenger av driften av nødstoppsystemet til enheter i tilfelle overskridelse av tillatte temperaturgrenser. Derfor må denne enheten være pålitelig og gi nøyaktige målinger for ikke å skade menneskers liv.
Fordeler med å bruke termoelementer
Fordelene ved å bruke slike enheter for temperaturkontroll, uavhengig av applikasjon, inkluderer:
- et stort utvalg av indikatorer som kan registreres ved hjelp av et termoelement;
- loddingen av termoelementet, som er direkte involvert i målinger, kan plasseres i direkte kontakt med målepunktet;
- enkel prosess for å produsere termoelementer, deres styrke og holdbarhet.
Hvordan termoelementet fungerer
Et termoelement har tre hovedelementer. Dette er to ledere av elektrisitet fra forskjellige materialer, samt et beskyttende rør. De to endene av lederne (også kalt termoelektroder) er loddet, og de to andre er koblet til et potensiometer (temperaturmåler).
Enkelt sagt er prinsippet for drift av et termoelement at krysset mellom termoelektroder er plassert i et miljø hvis temperatur må måles. I samsvar med Seebeck-regelen oppstår en potensiell forskjell på lederne (ellers - termoelektrisitet). Jo høyere temperaturen på mediet er, desto mer signifikant er potensialforskjellen. Følgelig avviker pilen på enheten mer.
I moderne målekomplekser har digitale temperaturindikatorer erstattet den mekaniske enheten. Imidlertid er den nye enheten langt fra alltid overlegen i sine egenskaper til de gamle enhetene fra sovjettiden. I tekniske universiteter og i forskningsinstitusjoner bruker de den dag i dag potensiometre for 20-30 år siden. Og de viser fantastisk målenøyaktighet og stabilitet.
Typer enheter
Hver type termoelement har sin egen betegnelse, og de er delt i henhold til den generelt aksepterte standarden. Hver type elektroder har sin egen forkortelse: TXA, TXK, TBR, etc. Omformere fordeles i henhold til klassifiseringen:
- Type E - er en legering av krom og konstantan. Karakteristikken til denne enheten anses å være høy følsomhet og ytelse. Dette er spesielt egnet for bruk ved ekstremt lave temperaturer.
- J - refererer til en legering av jern og konstantan. Den har høy følsomhet, som kan nå opptil 50 μV / ° C.
- Type K regnes som den mest populære krom / aluminiumslegering. Disse termoelementene kan oppdage temperaturer fra -200 ° C til +1350 ° C. Enhetene brukes i kretsløp i ikke-oksiderende og inerte forhold uten tegn på aldring. Når enhetene brukes i et ganske surt miljø, korroderer krom raskt og blir ubrukelig for å måle temperaturen med et termoelement.
- Type M - representerer legeringer av nikkel med molybden eller kobolt. Enhetene tåler opptil 1400 ° C og brukes i installasjoner som opererer etter prinsippet om vakuumovner.
- Type N - nichrosil-nisil-enheter, hvis forskjell anses å være motstandsdyktig mot oksidasjon. De brukes til å måle temperaturer i området -270 til +1300 ° C.
Det vil være interessant for deg.
Det er termoelementer laget av rodium og platina legeringer. De tilhører typene B, S, R og regnes som de mest stabile enhetene. Ulempene med disse omformerne inkluderer høy pris og lav følsomhet.
Ved høye temperaturer brukes enheter laget av rhenium og wolframlegeringer mye. I tillegg, i henhold til deres formål og driftsforhold, kan termoelementer være nedsenkbare og overflate.
Etter design har enhetene en statisk og bevegelig forening eller flens. Termoelektriske omformere brukes mye i datamaskiner, som vanligvis er koblet til via en COM-port og er designet for å måle temperaturen inne i saken.
Seebeck-effekt
Prinsippet om drift av et termoelement er basert på dette fysiske fenomenet. Poenget er dette: Hvis du kobler til to ledere av forskjellige materialer (noen ganger brukes halvledere), vil en strøm sirkulere langs en slik elektrisk krets.
Dermed, hvis krysset mellom lederne blir oppvarmet og avkjølt, vil potensiometernålen svinge. Strømmen kan også oppdages av et galvanometer koblet til kretsen.
I tilfelle lederne er laget av det samme materialet, vil ikke den elektromotoriske kraften oppstå, henholdsvis, det vil ikke være mulig å måle temperaturen.
Koblingsskjema for termoelement
De vanligste metodene for å koble måleinstrumenter til termoelementer er den såkalte enkle metoden, så vel som den differensierte. Essensen av den første metoden er som følger: enheten (potensiometer eller galvanometer) er direkte koblet til to ledere. Med den differensierte metoden er ikke en, men begge ender av lederne loddet, mens en av elektrodene blir "ødelagt" av måleinstrumentet.
Det er umulig å ikke nevne den såkalte eksterne metoden for å koble til et termoelement. Operasjonsprinsippet forblir uendret. Den eneste forskjellen er at skjøteledninger legges til kretsen. For disse formålene er en vanlig kobberledning ikke egnet, siden kompensasjonstrådene må være laget av de samme materialene som termoelementledere.
Ulemper ved å måle temperaturen med et termoelement
Ulempene med å bruke et termoelement inkluderer:
- Behovet for konstant overvåking av temperaturen på den "kalde" kontakten til termoelementet. Dette er et særtrekk ved utformingen av måleinstrumenter som er basert på et termoelement. Prinsippet for drift av denne ordningen begrenser anvendelsesområdet. De kan bare brukes hvis omgivelsestemperaturen er lavere enn temperaturen på målepunktet.
- Brudd på den indre strukturen til metaller som brukes i produksjonen av et termoelement.Faktum er at som et resultat av innflytelsen fra det ytre miljøet, mister kontaktene homogeniteten, noe som forårsaker feil i de oppnådde temperaturindikatorene.
- Under målingen blir kontaktgruppen til et termoelement vanligvis utsatt for negativ miljøpåvirkning, noe som forårsaker funksjonsfeil under drift. Dette krever igjen tetting av kontaktene, noe som medfører ekstra vedlikeholdskostnader for slike sensorer.
- Det er fare for at elektromagnetiske bølger påvirker termoelementet, som er designet med en lang kontaktgruppe. Dette kan også påvirke måleresultatene.
- I noen tilfeller er det et brudd på det lineære forholdet mellom den elektriske strømmen som oppstår i termoelementet og temperaturen på målepunktet. Denne situasjonen krever kalibrering av kontrollutstyret.
Ledermaterialer
Prinsippet for drift av et termoelement er basert på forekomsten av en potensiell forskjell i ledere. Derfor må valg av elektrodemateriale tilnærmes veldig ansvarlig. Forskjellen i de kjemiske og fysiske egenskapene til metaller er den viktigste faktoren i driften av et termoelement, hvis innretning og driftsprinsipp er basert på fremveksten av en EMF for selvinduksjon (potensialforskjell) i kretsen.
Teknisk rene metaller er ikke egnet for bruk som termoelement (med unntak av ARMKO jern). Forskjellige legeringer av ikke-jernholdige og edle metaller brukes ofte. Slike materialer har stabile fysiske og kjemiske egenskaper, slik at temperaturavlesning alltid vil være nøyaktig og objektiv. Stabilitet og presisjon er nøkkelegenskaper i organisasjonen av eksperimentet og produksjonsprosessen.
For tiden er de vanligste termoelementene av følgende typer: E, J, K.
Prinsippet om drift og struktur av termoelementer
Termoelementet består av to ledere og et rør som fungerer som en beskyttelse for termoelektroder. Termoelektroder består av base og edle metaller, ofte legeringer, festet til hverandre i den ene enden (arbeidsenden eller varm kryss), og dermed danner de en av delene av enheten. De andre endene av termoelementet (stigerør eller kaldt kryss) er koblet til spenningsmåleren. En EMF vises midt i to ikke-tilkoblede terminaler, verdien avhenger av temperaturen på arbeidsenden.
Identiske termoelementer kombinert parallelt lukker kretsen, i henhold til Seebeck-regelen, vil vi vurdere denne regelen videre, en kontaktpotensialforskjell eller termoelektrisk effekt dannes mellom dem, elektriske ladninger vises på lederne når de berører, en potensiell forskjell oppstår mellom frie ender, og det avhenger av temperaturforskjellen. Først når temperaturen mellom termoelektrodene er den samme, er potensialforskjellen lik null.
For eksempel: Ved å plassere et kryss med koeffisienter som er forskjellige fra null, i to kokende potter med væske, er temperaturen på den første 50, og den andre er 45, så vil potensialforskjellen være 5.
Den potensielle forskjellen bestemmes av temperaturforskjellen mellom kildene. Materialet som termoelementelektrodene er laget av, avhenger også. Eksempel: Et termoelement Chromel-Alumel har en temperaturkoeffisient på 41, og en Chromel-Constantan har en koeffisient på 68.
Termoelement type K
Dette er kanskje den vanligste og mest brukte typen termoelement. Et par kromeluminium fungerer bra ved temperaturer fra -200 til 1350 grader Celsius. Denne typen termoelement er svært følsom og oppdager til og med et lite temperaturhopp. Takket være dette settet med parametere brukes termoelementet både i produksjon og i vitenskapelig forskning. Men det har også en betydelig ulempe - innflytelsen fra sammensetningen av arbeidsatmosfæren. Så hvis denne typen termoelement vil fungere i et CO2-miljø, vil termoelementet gi feil avlesning.Denne funksjonen begrenser bruken av denne typen enheter. Kretsen og driftsprinsippet til termoelementet forblir uendret. Den eneste forskjellen er i den kjemiske sammensetningen av elektrodene.
Typer termoelementer
Tekniske krav til termoelementer bestemmes av GOST 6616-94. Standardtabeller for termoelektriske termometre - nominelle statiske konverteringsegenskaper (NSC), toleranseklasser og måleområder er gitt i IEC 60584-1.2-standarden og i GOST R 8.585-2001.
- platina-rodium-platina - TPP13 - Type R
- platina-rodium-platina - TPP10 - Type S
- platina-rodium-platina-rodium - TPR - Type B
- jern-konstantan (jern-kobber-nikkel) TLC - Type J
- kobber-konstantan (kobber-kobber-nikkel) TMKn - Type T
- nichrosil-nisil (nikkel-krom-nikkel-nikkel-silisium) TNN - Type N.
- krom-aluminium - TXA - Type K
- chromel-constantan TChKn - Type E
- chromel-copel - THK - Type L
- kobberkopel - TMK - Type M
- silkh-silin - ТСС - Type I
- wolfram og rhenium - wolframhenium - TVR - Type A-1, A-2, A-3
Den nøyaktige legeringssammensetningen til termoelementer for basemetalltermoelementer er ikke gitt i IEC 60584-1. НСХ for krom-kopel termoelementer ТХК og wolfram-rhenium termoelementer er bare definert i GOST R 8.585-2001. Det er ingen termoelementdata i IEC-standarden. Av denne grunn kan egenskapene til importerte sensorer laget av disse metallene avvike betydelig fra innenlandske, for eksempel er importert type L og innenlands THK ikke utskiftbare. Samtidig er importert utstyr som regel ikke designet for den innenlandske standarden.
IEC 60584-standarden er for tiden under revisjon. Det er planlagt å innføre i standard wolfram-rhenium termoelementer av type A-1, som NSX vil tilsvare den russiske standarden for, og type C i henhold til ASTM-standarden [6].
I 2008 introduserte IEC to nye typer termoelementer: gull-platina og platina-palladium. Den nye IEC 62460-standarden etablerer standardbord for disse termoelementene i rent metall. Det er ingen lignende russisk standard ennå.
Kontrollere termoelementets drift
Hvis termoelementet svikter, kan det ikke repareres. Teoretisk sett kan du selvfølgelig fikse det, men om enheten vil vise den eksakte temperaturen etter det er et stort spørsmål.
Noen ganger er svikt i et termoelement ikke åpenbart og åpenbart. Spesielt gjelder dette gassvarmere. Prinsippet om drift av et termoelement er fortsatt det samme. Den spiller imidlertid en litt annen rolle og er ikke ment for å visualisere temperaturavlesninger, men for ventildrift. Derfor, for å oppdage en funksjonsfeil i et slikt termoelement, er det nødvendig å koble en måleenhet (tester, galvanometer eller potensiometer) til det og varme opp krysset til termoelementet. For å gjøre dette er det ikke nødvendig å holde det over åpen ild. Det er bare å presse den i en knyttneve og se om pilen på enheten vil avvike.
Årsakene til svikt i termoelementer kan være forskjellige. Så hvis du ikke setter på en spesiell skjermingsenhet på et termoelement plassert i vakuumkammeret til ion-plasma-nitreringsenheten, vil det over tid bli mer og mer skjørt til en av lederne går i stykker. I tillegg er muligheten for feil drift av termoelementet på grunn av en endring i elektrodenes kjemiske sammensetning ikke utelukket. Tross alt er de grunnleggende prinsippene for termoelementet brutt.
Gassutstyr (kjeler, søyler) er også utstyrt med termoelementer. Hovedårsaken til elektrodesvikt er oksidative prosesser som utvikler seg ved høye temperaturer.
I tilfelle når avlesningene av enheten er bevisst falske, og under en ekstern undersøkelse, ble det ikke funnet svake klemmer, da ligger årsaken, mest sannsynlig, i svikt i kontroll- og måleinstrumentet. I dette tilfellet må den returneres for reparasjon.Hvis du har de aktuelle kvalifikasjonene, kan du prøve å løse problemet selv.
Og generelt, hvis potensiometernålen eller den digitale indikatoren viser i det minste noen "livstegn", så er termoelementet i god stand. I dette tilfellet er problemet helt klart noe annet. Og følgelig, hvis enheten ikke reagerer på noen måte på åpenbare endringer i temperaturregimet, kan du trygt bytte termoelementet.
Før du demonterer termoelementet og installerer et nytt, må du imidlertid sørge for at det er feil. For å gjøre dette er det nok å ringe termoelementet med en vanlig tester, eller enda bedre, måle spenningen ved utgangen. Bare et vanlig voltmeter vil neppe hjelpe her. Du trenger et millivoltmeter eller tester med muligheten til å velge en målestokk. Tross alt er potensiell forskjell en veldig liten verdi. Og en standard enhet vil ikke engang føle det og vil ikke fikse det.
Designfunksjoner
Hvis vi er mer nøye med prosessen med å måle temperaturen, utføres denne prosedyren ved hjelp av et termoelektrisk termometer. Termoelementet regnes som det viktigste følsomme elementet i denne enheten.
Selve måleprosessen skjer på grunn av dannelsen av en elektromotorisk kraft i termoelementet. Det er noen funksjoner i et termoelement:
- Elektrodene er koblet sammen i termoelementer for å måle høye temperaturer på et tidspunkt ved hjelp av lysbuesveising. Når man måler små indikatorer, opprettes en slik kontakt ved hjelp av lodding. Spesielle forbindelser i wolfram-rhenium- og wolfram-molybden-enheter utføres ved hjelp av tette vendinger uten ytterligere behandling.
- Tilkoblingen av elementene utføres bare i arbeidsområdet, og langs resten av lengden er de isolert fra hverandre.
- Isolasjonsmetoden utføres avhengig av den øvre temperaturverdien. Med et verdiområde fra 100 til 120 ° C brukes alle typer isolasjon, inkludert luft. Porselensrør eller perler brukes ved temperaturer opp til 1300 ° C. Hvis verdien når 2000 ° C, brukes et isolasjonsmateriale av aluminiumoksid, magnesium, beryllium og zirkonium.
- Et ytre beskyttelsesdeksel brukes avhengig av miljøet for sensoren der temperaturen måles. Den er laget i form av et metall- eller keramisk rør. Denne beskyttelsen gir vanntetting og overflatebeskyttelse av termoelementet mot mekanisk belastning. Det ytre dekselmaterialet må tåle høy temperatureksponering og ha utmerket varmeledningsevne.
Det vil være interessant for deg Installasjon av et elektrisk panel under måleren og maskiner
Utformingen av sensoren avhenger i stor grad av bruksforholdene. Når du lager et termoelement, tas rekkevidden til målte temperaturer, tilstanden til det ytre miljøet, termisk treghet, etc. i betraktning.
Fordeler med termoelement
Hvorfor har termoelementer ikke blitt erstattet av mer avanserte og moderne temperaturmålesensorer over en så lang driftshistorie? Ja, av den enkle grunnen til at ingen andre enheter til nå kan konkurrere med den.
For det første er termoelementer relativt billige. Selv om prisene kan svinge i et bredt spekter som et resultat av bruken av visse beskyttelseselementer og overflater, kontakter og kontakter.
For det andre er termoelementer upretensiøse og pålitelige, noe som gjør at de kan brukes med suksess i aggressive temperatur- og kjemiske omgivelser. Slike enheter er til og med installert i gasskjeler. Prinsippet om drift av et termoelement forblir alltid det samme, uavhengig av driftsforhold. Ikke alle andre sensortyper vil være i stand til å motstå en slik påvirkning.
Teknologien for produksjon og produksjon av termoelementer er enkel og enkel å implementere i praksis.Grovt sett er det bare å vri eller sveise endene på ledninger fra forskjellige metallmaterialer.
En annen positiv egenskap er nøyaktigheten til målingene og den ubetydelige feilen (bare 1 grad). Denne nøyaktigheten er mer enn nok for behovene til industriell produksjon, og for vitenskapelig forskning.
Typer termoelementkryss
Den moderne industrien produserer flere design som brukes til å produsere termoelementer:
- med et åpent veikryss;
- med et isolert kryss;
- med et jordet kryss.
Et trekk ved åpne krysstermoelementer er dårlig motstand mot ytre påvirkninger.
Følgende to typer konstruksjoner kan brukes ved måling av temperaturer i aggressive medier som har en ødeleggende effekt på kontaktparet.
I tillegg mestrer industrien for tiden ordninger for produksjon av termoelementer ved bruk av halvlederteknologier.
Ulemper med termoelement
Det er ikke mange ulemper med et termoelement, spesielt når man sammenligner med dets nærmeste konkurrenter (temperaturfølere av andre typer), men det er de fortsatt, og det ville være urettferdig å tie om dem.
Så potensialforskjellen måles i millivolt. Derfor er det nødvendig å bruke veldig følsomme potensiometre. Og hvis vi tar i betraktning at måleinstrumenter ikke alltid kan plasseres i umiddelbar nærhet til stedet for innsamling av eksperimentelle data, så må noen forsterkere brukes. Dette medfører en rekke ulemper og fører til unødvendige kostnader i organisering og klargjøring av produksjonen.
Typer termoelementer
- Krom-aluminium
... De brukes hovedsakelig i industrien. Karakteristiske trekk: bredt temperaturområde for målinger -200 ... + 13000 ° C, rimelig pris. Ikke godkjent for bruk i butikker med høyt svovelinnhold. - Chromel-copel
... Søknaden ligner på den forrige typen, funksjonen er å opprettholde ytelse bare i ikke-aggressive flytende og gassformige medier. Ofte brukt til å måle temperaturer i ovner med åpen ild. - Jernkonstant
... Effektiv i en sjelden atmosfære. - Platina-rodium-platina
... Dyreste. De er preget av stabile og nøyaktige målinger. Brukes til å måle høye temperaturer. - Wolfram-rhenium
... Vanligvis har de beskyttende deksler i designet. Det viktigste bruksområdet er måling av medier med ultrahøye temperaturer.
