Princíp činnosti a konštrukcie termočlánku je mimoriadne jednoduchý. To viedlo k popularite tohto zariadenia a jeho širokému použitiu vo všetkých vedných a technických odvetviach. Termočlánok je určený na meranie teplôt v širokom rozmedzí - od -270 do 2 500 stupňov Celzia. Zariadenie je už desaťročia nepostrádateľným pomocníkom inžinierov a vedcov. Funguje spoľahlivo a bezchybne a hodnoty teploty sú vždy pravdivé. Dokonalejšie a presnejšie zariadenie jednoducho neexistuje. Všetky moderné prístroje pracujú na princípe termočlánku. Pracujú v zložitých podmienkach.
Priradenie termočlánku
Toto zariadenie prevádza tepelnú energiu na elektrický prúd a umožňuje meranie teploty. Na rozdiel od tradičných ortuťových teplomerov je schopný pracovať v podmienkach extrémne nízkych aj extrémne vysokých teplôt. Táto vlastnosť viedla k rozšírenému použitiu termočlánkov v širokej škále inštalácií: priemyselné metalurgické pece, plynové kotly, vákuové komory na chemické tepelné ošetrenie, pec na plynové sporáky pre domácnosť. Princíp činnosti termočlánku zostáva vždy nezmenený a nezávisí od zariadenia, v ktorom je namontovaný.
Spoľahlivá a neprerušovaná prevádzka termočlánku závisí od činnosti systému núdzového vypínania zariadení v prípade prekročenia prípustných teplotných limitov. Preto musí byť toto zariadenie spoľahlivé a musí poskytovať presné hodnoty, aby nedošlo k ohrozeniu života ľudí.
Výhody použitia termočlánkov
Medzi výhody použitia týchto zariadení na reguláciu teploty bez ohľadu na aplikáciu patria:
- veľké množstvo indikátorov, ktoré je možné zaznamenať pomocou termočlánku;
- spájkovanie termočlánku, ktorý sa priamo podieľa na odčítaní údajov, môže byť uvedený do priameho kontaktu s meracím bodom;
- jednoduchý proces výroby termočlánkov, ich pevnosť a životnosť.
Ako funguje termočlánok
Termočlánok má tri hlavné prvky. Jedná sa o dva vodiče elektriny z rôznych materiálov, ako aj o ochrannú trubicu. Dva konce vodičov (nazývané tiež termoelektródy) sú spájkované a ďalšie dva sú pripojené k potenciometru (zariadenie na meranie teploty).
Zjednodušene povedané, princíp činnosti termočlánku spočíva v tom, že spojenie termoelektród je umiestnené v prostredí, ktorého teplota sa musí merať. V súlade s Seebeckovým pravidlom vzniká na vodičoch potenciálny rozdiel (inak - termoelektřina). Čím vyššia je teplota média, tým výraznejší je potenciálny rozdiel. V súlade s tým sa šípka zariadenia viac odchyľuje.
V moderných meracích komplexoch nahradili digitálne ukazovatele teploty mechanické zariadenie. Nové zariadenie však zďaleka nie je vždy vo svojich vlastnostiach lepšie ako staré zariadenia z doby bývalého Sovietskeho zväzu. Na technických univerzitách a vo výskumných inštitúciách dodnes používajú potenciometre pred 20 - 30 rokmi. A vykazujú úžasnú presnosť a stabilitu merania.
Typy zariadení
Každý typ termočlánku má svoje vlastné označenie a sú rozdelené podľa všeobecne prijatej normy. Každý typ elektródy má svoju vlastnú skratku: TXA, TXK, TBR atď. Prevodníky sú distribuované podľa klasifikácie:
- Typ E - je zliatina chromelu a konštantanu. Za charakteristiku tohto zariadenia sa považuje vysoká citlivosť a výkon. Toto je obzvlášť vhodné na použitie pri extrémne nízkych teplotách.
- J - označuje zliatinu železa a konštantanu. Vyznačuje sa vysokou citlivosťou, ktorá môže dosiahnuť až 50 μV / ° C.
- Typ K je považovaný za najpopulárnejšiu chróm / hliníkovú zliatinu. Tieto termočlánky dokážu detekovať teploty v rozmedzí od -200 ° C do +1350 ° C. Zariadenia sa používajú v obvodoch umiestnených v neoxidačných a inertných podmienkach bez známok starnutia. Ak sa zariadenia používajú v pomerne kyslom prostredí, chróm rýchlo koroduje a stáva sa nepoužiteľným na meranie teploty pomocou termočlánku.
- Typ M - predstavuje zliatiny niklu s molybdénom alebo kobaltom. Zariadenia vydržia až 1 400 ° C a používajú sa v inštaláciách pracujúcich na princípe vákuových pecí.
- Typ N - zariadenia Nichrosil-Nisil, ktorých rozdiel sa považuje za odolnosť proti oxidácii. Používajú sa na meranie teplôt v rozmedzí od -270 do +1300 ° C.
Bude to pre vás zaujímavé Zariadenie, princíp činnosti a použitie superkondenzátora
Existujú termočlánky vyrobené zo zliatin ródia a platiny. Patria k typom B, S, R a sú považované za najstabilnejšie zariadenia. Medzi nevýhody týchto prevodníkov patrí vysoká cena a nízka citlivosť.
Pri vysokých teplotách sa široko používajú zariadenia vyrobené zo zliatin rénia a volfrámu. Termočlánky môžu byť navyše ponorné a povrchové podľa svojho účelu a prevádzkových podmienok.
Podľa návrhu majú zariadenia statický a pohyblivý spoj alebo prírubu. Termoelektrické prevodníky sa často používajú v počítačoch, ktoré sa zvyčajne pripájajú cez port COM a sú určené na meranie teploty vo vnútri skrinky.
Seebeckov efekt
Princíp činnosti termočlánku je založený na tomto fyzikálnom jave. Záverom je toto: ak pripojíte dva vodiče vyrobené z rôznych materiálov (niekedy sa používajú polovodiče), potom bude prúd prúdiť pozdĺž takéhoto elektrického obvodu.
Ak je teda križovatka vodičov ohriata a ochladená, ihla potenciometra bude oscilovať. Prúd je možné zistiť aj galvanometrom pripojeným k obvodu.
V prípade, že sú vodiče vyrobené z rovnakého materiálu, potom elektromotorická sila nenastane, respektíve nebude možné merať teplotu.
Schéma pripojenia termočlánku
Najbežnejšími metódami pripojenia meracích prístrojov k termočlánkom sú takzvaná jednoduchá metóda, rovnako ako metóda diferencovaná. Podstata prvej metódy je nasledovná: zariadenie (potenciometer alebo galvanometer) je priamo spojené s dvoma vodičmi. Pri diferencovanej metóde nie je spájkovaný jeden, ale obidva konce vodičov, pričom jedna z elektród je meracím prístrojom „zlomená“.
Nemožno nespomenúť takzvaný diaľkový spôsob pripojenia termočlánku. Princíp činnosti zostáva nezmenený. Jediný rozdiel je v tom, že do obvodu sú pridané predlžovacie vodiče. Pre tieto účely nie je vhodný obyčajný medený kábel, pretože kompenzačné vodiče musia byť nevyhnutne vyrobené z rovnakých materiálov ako vodiče termočlánku.
Nevýhody merania teploty pomocou termočlánku
Medzi nevýhody použitia termočlánku patria:
- Potreba neustáleho monitorovania teploty "studeného" kontaktu termočlánku. Toto je charakteristická vlastnosť konštrukcie meracích prístrojov, ktoré sú založené na termočlánku. Princíp fungovania tejto schémy zužuje rozsah jej uplatňovania. Môžu sa použiť, iba ak je teplota okolia nižšia ako teplota v mieste merania.
- Porušenie vnútornej štruktúry kovov použitých pri výrobe termočlánku.Faktom je, že v dôsledku vplyvu vonkajšieho prostredia strácajú kontakty svoju homogenitu, čo spôsobuje chyby v získaných teplotných indikátoroch.
- Počas merania je kontaktná skupina termočlánku zvyčajne vystavená negatívnym vplyvom prostredia, ktoré počas prevádzky spôsobujú poruchy. To opäť vyžaduje utesnenie kontaktov, čo spôsobuje ďalšie náklady na údržbu týchto snímačov.
- Existuje nebezpečenstvo elektromagnetických vĺn pôsobiacich na termočlánok, ktorý je navrhnutý s dlhou kontaktnou skupinou. To môže tiež ovplyvniť výsledky merania.
- V niektorých prípadoch dôjde k narušeniu lineárneho vzťahu medzi elektrickým prúdom vznikajúcim v termočlánku a teplotou v bode merania. Táto situácia si vyžaduje kalibráciu ovládacieho zariadenia.
Materiály vodičov
Princíp činnosti termočlánku je založený na výskyte potenciálneho rozdielu vodičov. Preto treba k výberu elektródových materiálov pristupovať veľmi zodpovedne. Rozdiel v chemických a fyzikálnych vlastnostiach kovov je hlavným faktorom pri prevádzke termočlánku, ktorého zariadenie a princíp činnosti sú založené na výskyte EMF samočinnej indukcie (potenciálny rozdiel) v obvode.
Technicky čisté kovy nie sú vhodné na použitie ako termočlánok (s výnimkou železa ARMKO). Bežne sa používajú rôzne zliatiny neželezných a drahých kovov. Takéto materiály majú stabilné fyzikálne a chemické vlastnosti, takže údaje o teplote budú vždy presné a objektívne. Stabilita a presnosť sú kľúčové vlastnosti v organizácii experimentu a výrobného procesu.
V súčasnosti sú najbežnejšie termočlánky nasledujúcich typov: E, J, K.
Princíp činnosti a štruktúra termočlánkov
Termočlánok sa skladá z dvoch vodičov a trubice, ktorá slúži ako ochrana termoelektród. Termoelektródy pozostávajú z bázických a ušľachtilých kovov, najčastejšie zliatin, ktoré sú navzájom spojené na jednom konci (pracovný koniec alebo horúci spoj), takže tvoria jednu z častí zariadenia. Druhé konce termočlánku (stúpačky alebo studený spoj) sú pripojené k meraču napätia. EMF sa objaví uprostred dvoch nezapojených svoriek, hodnota závisí od teploty pracovného konca.
Identické tepelné prevodníky kombinované paralelne uzatvárajú obvod, podľa Seebeckovho pravidla budeme toto pravidlo ďalej zvažovať, vytvorí sa medzi nimi rozdiel kontaktného potenciálu alebo termoelektrický efekt, na vodičoch sa pri dotyku objavia elektrické náboje, medzi nimi vznikne potenciálny rozdiel ich voľných koncoch a závisí to od teplotného rozdielu. Iba vtedy, keď je teplota medzi termoelektródami rovnaká, sa potenciálny rozdiel rovná nule.
Napríklad: Umiestnením križovatky s koeficientmi odlišnými od nuly, v dvoch varných nádobách s kvapalinou je teplota prvého 50 a druhého 45, potom potenciálny rozdiel bude 5.
Rozdiel potenciálov je určený rozdielom teplôt medzi zdrojmi. Závisí tiež materiál, z ktorého sú vyrobené termočlánkové elektródy. Príklad: Termočlánok Chromel-Alumel má teplotný koeficient 41 a Chromel-Constantan má koeficient 68.
Termočlánok typu K
Toto je možno najbežnejší a najbežnejšie používaný typ termočlánku. Dvojica chróm - hliník funguje skvele pri teplotách v rozmedzí od -200 do 1350 stupňov Celzia. Tento typ termočlánku je vysoko citlivý a detekuje aj malý teplotný skok. Vďaka tejto množine parametrov sa termočlánok používa ako vo výrobe, tak vo vedeckom výskume. Má to však aj významnú nevýhodu - vplyv zloženia pracovnej atmosféry. Pokiaľ teda tento typ termočlánku bude pracovať v prostredí s CO2, potom bude mať termočlánok nesprávne údaje.Táto vlastnosť obmedzuje použitie tohto typu zariadenia. Schéma a princíp činnosti termočlánku zostávajú nezmenené. Rozdiel je iba v chemickom zložení elektród.
Typy termočlánkov
Technické požiadavky na termočlánky určuje GOST 6616-94. Štandardné tabuľky pre termoelektrické teplomery - nominálne statické prevodné charakteristiky (NSC), triedy tolerancie a rozsahy meraní sú uvedené v norme IEC 60584-1.2 a v GOST R 8.585-2001.
- platina-ródium-platina - TPP13 - Typ R
- platina-ródium-platina - TPP10 - Typ S
- platina-ródium-platina-ródium - TPR - typ B
- železo-konštantán (železo-meď-nikel) TLC - typ J
- meď-konštantan (meď-meď-nikel) TMKn - typ T
- nichrosil-nisil (nikel-chróm-nikel-nikel-kremík) TNN - typ N.
- chromel-alumel - TXA - Typ K.
- chromel-konštantan TChKn - typ E.
- chromel-copel - THK - typ L
- meď-kopel - TMK - typ M
- hodváb-silín - ТСС - typ I.
- volfrám a rénium - volfrámový rénium - TVR - typ A-1, A-2, A-3
Presné zloženie zliatiny termočlánkov pre termočlánky zo základných kovov nie je uvedené v norme IEC 60584-1. НСХ pre termočlánky chromel-cope-copel ТХК a wolfrám-réniové termočlánky sú definované iba v GOST R 8.585-2001. V norme IEC nie sú žiadne údaje o termočlánku. Z tohto dôvodu sa charakteristiky dovážaných snímačov vyrobených z týchto kovov môžu výrazne líšiť od domácich, napríklad dovážaný typ L a domáci THK nie sú vzájomne zameniteľné. Súčasne spravidla dovezené zariadenie nie je určené pre domáci štandard.
Norma IEC 60584 je v súčasnosti predmetom revízie. Plánuje sa zavedenie do štandardných volfrámovo-réniových termočlánkov typu A-1, pre ktoré bude NSX zodpovedať ruskému štandardu, a typu C podľa normy ASTM [6].
V roku 2008 predstavila spoločnosť IEC dva nové typy termočlánkov: zlato-platina a platina-paládium. Nový štandard IEC 62460 ustanovuje štandardné tabuľky pre tieto termočlánky z čistého kovu. Podobný ruský štandard zatiaľ neexistuje.
Kontrola činnosti termočlánku
Ak termočlánok zlyhá, nemožno ho opraviť. Teoreticky to samozrejme môžete opraviť, ale to, či potom bude prístroj zobrazovať presnú teplotu, je veľká otázka.
Niekedy nie je porucha termočlánku zrejmá a zrejmá. To platí najmä pre plynové ohrievače vody. Princíp činnosti termočlánku je stále rovnaký. Hrá však trochu inú úlohu a nie je určený na vizualizáciu nameraných hodnôt teploty, ale na činnosť ventilu. Preto, aby sme zistili poruchu takéhoto termočlánku, je potrebné k nemu pripojiť meracie zariadenie (tester, galvanometer alebo potenciometer) a ohriať spojenie termočlánku. Nie je potrebné ho udržiavať na otvorenom ohni. Stačí ho iba stlačiť v päsť a zistiť, či sa šípka prístroja bude vychyľovať.
Príčiny poruchy termočlánkov môžu byť rôzne. Pokiaľ teda na termočlánok umiestnený vo vákuovej komore nitridačnej jednotky na báze iónovej plazmy nenasadíte špeciálne tieniace zariadenie, časom bude čoraz krehkejší, kým sa jeden z vodičov nerozbije. Okrem toho nie je vylúčená možnosť nesprávnej činnosti termočlánku v dôsledku zmeny chemického zloženia elektród. Koniec koncov, základné princípy termočlánku sú porušené.
Plynové zariadenia (kotly, stĺpy) sú tiež vybavené termočlánkami. Hlavnou príčinou zlyhania elektródy sú oxidačné procesy, ktoré sa vyvíjajú pri vysokých teplotách.
V prípade, že sú namerané hodnoty prístroja úmyselne nepravdivé a pri externom vyšetrení neboli nájdené slabé svorky, je najpravdepodobnejším dôvodom zlyhanie ovládacieho a meracieho prístroja. V takom prípade sa musí vrátiť na opravu.Ak máte príslušnú kvalifikáciu, môžete sa pokúsiť problém vyriešiť sami.
A všeobecne, ak jehla potenciometra alebo digitálny indikátor vykazuje aspoň niektoré „známky života“, potom je termočlánok v dobrom stave. V tomto prípade je problémom zjavne niečo iné. A preto, ak zariadenie nijako nereaguje na zjavné zmeny teplotného režimu, môžete bezpečne zmeniť termočlánok.
Predtým, ako demontujete termočlánok a nainštalujete nový, musíte sa úplne ubezpečiť, že je chybný. K tomu stačí zazvoniť termočlánok bežným testerom, alebo ešte lepšie zmerať napätie na výstupe. Je nepravdepodobné, že by tu pomohol iba obyčajný voltmeter. Budete potrebovať milivoltmeter alebo tester so schopnosťou zvoliť meraciu stupnicu. Koniec koncov, rozdiel v potenciáli je veľmi malá hodnota. A štandardné zariadenie to ani nepocíti a neopraví.
Dizajnové prvky
Ak sme ohľaduplnejší k procesu merania teploty, potom sa tento postup vykonáva pomocou termoelektrického teplomeru. Hlavným citlivým prvkom tohto zariadenia je termočlánok.
Samotný proces merania nastáva v dôsledku vytvorenia elektromotorickej sily v termočlánku. Termočlánkové zariadenie má niekoľko funkcií:
- Elektródy sú spojené v termočlánkoch na meranie vysokých teplôt v jednom bode pomocou zvárania elektrickým oblúkom. Pri meraní malých indikátorov sa takýto kontakt uskutočňuje pomocou spájkovania. Špeciálne zlúčeniny v zariadeniach na volfrám-rénium a volfrám-molybdén sa uskutočňujú pomocou tesných zákrutov bez ďalšieho spracovania.
- Spojenie prvkov sa vykonáva iba v pracovnej oblasti a po zvyšok dĺžky sú navzájom izolované.
- Metóda izolácie sa vykonáva v závislosti od hornej hodnoty teploty. V rozsahu hodnôt od 100 do 120 ° C sa používa akýkoľvek typ izolácie vrátane vzduchu. Porcelánové tuby alebo korálky sa používajú pri teplotách do 1 300 ° C. Ak hodnota dosiahne 2 000 ° C, použije sa izolačný materiál z oxidu hlinitého, horčíka, berýlia a zirkónu.
- Vonkajší ochranný kryt sa používa v závislosti od prostredia použitia snímača, v ktorom sa meria teplota. Vyrába sa vo forme kovovej alebo keramickej trubice. Táto ochrana poskytuje hydroizoláciu a povrchovú ochranu termočlánku pred mechanickým namáhaním. Materiál vonkajšieho krytu musí odolávať pôsobeniu vysokých teplôt a musí mať vynikajúcu tepelnú vodivosť.
Bude to pre vás zaujímavé Inštalácia elektrického panelu pod merač a stroje
Konštrukcia snímača do značnej miery závisí od podmienok jeho použitia. Pri vytváraní termočlánku sa berie do úvahy rozsah nameraných teplôt, stav vonkajšieho prostredia, tepelná zotrvačnosť atď.
Výhody termočlánku
Prečo neboli termočlánky za tak dlhú históriu prevádzky nahradené modernejšími a modernejšími snímačmi teploty? Áno, z jednoduchého dôvodu, že doteraz mu žiadne iné zariadenie nemôže konkurovať.
Po prvé, termočlánky sú pomerne lacné. Aj keď ceny môžu v dôsledku použitia určitých ochranných prvkov a povrchov, konektorov a konektorov kolísať v širokom rozmedzí.
Po druhé, termočlánky sú nenáročné a spoľahlivé, čo umožňuje ich úspešnú prevádzku v agresívnych teplotných a chemických podmienkach. Takéto zariadenia sú dokonca inštalované v plynových kotloch. Princíp činnosti termočlánku zostáva vždy rovnaký, bez ohľadu na prevádzkové podmienky. Nie každý iný typ snímača taký náraz vydrží.
Technológia výroby a výroby termočlánkov je jednoduchá a ľahko realizovateľná v praxi.Zhruba povedané, stačí iba skrútiť alebo zvariť konce drôtov z rôznych kovových materiálov.
Ďalšou pozitívnou charakteristikou je presnosť meraní a zanedbateľná chyba (iba 1 stupeň). Táto presnosť je viac ako dostatočná pre potreby priemyselnej výroby a pre vedecký výskum.
Typy spojov termočlánkov
Moderný priemysel vyrába niekoľko návrhov, ktoré sa používajú pri výrobe termočlánkov:
- s otvorenou križovatkou;
- s izolovanou križovatkou;
- s uzemnenou križovatkou.
Funkciou termočlánkov s otvoreným spojom je slabá odolnosť voči vonkajším vplyvom.
Pri meraní teplôt v agresívnych médiách, ktoré majú deštruktívny vplyv na kontaktný pár, je možné použiť nasledujúce dva typy konštrukcie.
Okrem toho v súčasnosti priemysel ovláda schémy výroby termočlánkov pomocou polovodičových technológií.
Nevýhody termočlánku
Nie je veľa nevýhod termočlánku, najmä v porovnaní s jeho najbližšími konkurentmi (snímače teploty iných typov), stále však sú, a bolo by nespravodlivé o nich mlčať.
Takže potenciálny rozdiel sa meria v milivoltoch. Preto je potrebné používať veľmi citlivé potenciometre. A ak vezmeme do úvahy, že meracie prístroje nemôžu byť vždy umiestnené v bezprostrednej blízkosti miesta zhromažďovania experimentálnych údajov, musia sa použiť niektoré zosilňovače. To spôsobuje množstvo nepríjemností a vedie k zbytočným nákladom na organizáciu a prípravu výroby.
Typy termočlánkov
- Chróm-hliník
... Používajú sa hlavne v priemysle. Charakteristické vlastnosti: široký teplotný rozsah meraní -200 ... + 13000 ° C, prijateľné náklady. Nie je schválené na použitie v obchodoch s vysokým obsahom síry. - Chromel-copel
... Aplikácia je obdobou predchádzajúceho typu, funkciou je zachovanie výkonu iba v neagresívnych kvapalných a plynných médiách. Často sa používa na meranie teplôt v peciach s otvoreným ohniskom. - Železná konštanta
... Účinné v zriedenej atmosfére. - Platina-ródium-platina
... Najdrahšie. Vyznačujú sa stabilnými a presnými údajmi. Používa sa na meranie vysokých teplôt. - Volfrám-rénium
... Zvyčajne majú vo svojom dizajne ochranné kryty. Hlavnou oblasťou použitia je meranie médií s ultravysokými teplotami.
