Термодвойка - какво е просто?

Принципът на действие и дизайн на термодвойка е изключително прост. Това доведе до популярността на това устройство и широкото му използване във всички отрасли на науката и техниката. Термодвойката е предназначена за измерване на температури в широк диапазон - от -270 до 2500 градуса по Целзий. Устройството е незаменим помощник за инженери и учени в продължение на десетилетия. Работи надеждно и безупречно, а показанията на температурата винаги са верни. По-перфектно и точно устройство просто не съществува. Всички съвременни устройства работят на принципа на термодвойката. Те работят в трудни условия.

Присвояване на термодвойки

Това устройство преобразува топлинната енергия в електрически ток и позволява измерване на температурата. За разлика от традиционните живачни термометри, той е способен да работи както при изключително ниски, така и при изключително високи температури. Тази характеристика доведе до широкото използване на термодвойки в голямо разнообразие от инсталации: промишлени металургични пещи, газови котли, вакуумни камери за химико-термична обработка, фурна за битова газова печка. Принципът на работа на термодвойката винаги остава непроменен и не зависи от устройството, в което е монтиран.

Надеждната и непрекъсната работа на термодвойката зависи от работата на системата за аварийно изключване на устройства в случай на превишаване на допустимите температурни граници. Следователно това устройство трябва да е надеждно и да дава точни показания, за да не застрашава живота на хората.

Дизайнерски характеристики

Ако сме по-внимателни относно процеса на измерване на температурата, тогава тази процедура се извършва с помощта на термоелектричен термометър. Термодвойката се счита за основния чувствителен елемент на това устройство.

Самият процес на измерване се дължи на създаването на електродвижеща сила в термодвойката. Има някои характеристики на термодвойката:

• Електродите са свързани в термодвойки за измерване на високи температури в една точка с помощта на електродъгово заваряване. Когато се измерват малки индикатори, такъв контакт се осъществява чрез запояване. Специалните съединения в устройствата от волфрам-рений и волфрам-молибден се извършват с помощта на плътни усуквания без допълнителна обработка.
• Свързването на елементите се извършва само в работната зона, а по останалата част от дължината те са изолирани един от друг.
• Методът на изолация се извършва в зависимост от горната стойност на температурата. При диапазон на стойности от 100 до 120 ° C се използва всякакъв вид изолация, включително въздух. Порцелановите туби или мъниста се използват при температури до 1300 ° C. Ако стойността достигне 2000 ° C, тогава се използва изолационен материал от алуминиев оксид, магнезий, берилий и цирконий.
• Използва се външен защитен капак в зависимост от средата на използване на сензора, в който се измерва температурата. Изработен е под формата на метална или керамична тръба. Тази защита осигурява хидроизолация и повърхностна защита на термодвойката от механично напрежение. Външният покривен материал трябва да може да издържа на висока температура и да има отлична топлопроводимост.

За вас ще бъде интересно Изборът и характеристиките на свързване на електромер

Дизайнът на сензора до голяма степен зависи от условията за неговото използване. При създаването на термодвойка се взема предвид диапазонът на измерените температури, състоянието на външната среда, топлинната инерция и др.

Как работи термодвойката

Термодвойката има три основни елемента. Това са два проводника на електричество от различни материали, както и защитна тръба.Двата края на проводниците (наричани още термоелектроди) са запоени, а другите два са свързани към потенциометър (устройство за измерване на температурата).

С прости думи, принципът на действие на термодвойката е, че кръстовището на термоелектродите се поставя в среда, чиято температура трябва да бъде измерена. В съответствие с правилото на Seebeck възниква потенциална разлика върху проводниците (в противен случай - термоелектричество). Колкото по-висока е температурата на средата, толкова по-значителна е потенциалната разлика. Съответно стрелката на устройството се отклонява повече.

В съвременните измервателни комплекси цифровите температурни индикатори са заменили механичното устройство. Новото устройство обаче далеч не винаги превъзхожда по своите характеристики старите устройства от съветската епоха. В техническите университети и в изследователските институции и до днес те използват потенциометри преди 20-30 години. И те показват невероятна точност на измерване и стабилност.

Дизайнерски характеристики

Термодвойката е специално устройство, което измерва температурата. Структурата ще се състои от два разнородни проводника, които в бъдеще ще контактуват помежду си в една или повече точки. Когато температурата се промени в една секция на тези проводници, тогава ще се създаде напрежение. Много професионалисти използват термодвойки доста често, за да контролират температурата в различни среди и да преобразуват температурата в енергия.

Търговският конвертор ще бъде достъпен. Той ще има стандартни съединители и може да измерва голямо разнообразие от температури. Основната разлика от другите устройства за измерване на температурата е, че те се захранват самостоятелно и не изискват външен фактор на възбуждане. Основното ограничение при работа с това устройство е неговата точност.

Съществуват и различни видове термодвойки. Много тела се считат за напълно стандартизирани. Днес много производствени компании използват електронни техники за студено свързване, за да коригират температурните промени в терминалите на устройството. Благодарение на това те успяха значително да подобрят точността.

Използването на термодвойка се счита за доста широко. Те могат да се използват в следните области:

• Наука.
• Промишленост.
• За измерване на температури във фурни или котли.
• Частни домове или офиси.
• Също така тези устройства могат да заменят AOGV термостати в газови нагреватели.

Ефект на Seebeck

Принципът на работа на термодвойка се основава на това физическо явление. Изводът е следният: ако свържете два проводника, изработени от различни материали (понякога се използват полупроводници), тогава по такава електрическа верига ще циркулира ток.

По този начин, ако кръстовището на проводниците се нагрява и охлажда, иглата на потенциометъра ще трепне. Токът може да бъде открит и от галванометър, свързан към веригата.

В случай, че проводниците са направени от един и същ материал, тогава електродвижещата сила няма да възникне, съответно няма да е възможно да се измери температурата.

Схема на свързване на термодвойки

Най-често срещаните методи за свързване на измервателни уреди към термодвойки са така нареченият прост метод, както и диференцираният. Същността на първия метод е следната: устройството (потенциометър или галванометър) е директно свързано с два проводника. При диференцирания метод не един, а двата края на проводниците са запоени, докато единият от електродите е "счупен" от измервателното устройство.

Невъзможно е да не споменем така наречения дистанционен метод за свързване на термодвойка. Принципът на действие остава непроменен. Единствената разлика е, че удължителните проводници се добавят към веригата.За тези цели обикновеният меден кабел не е подходящ, тъй като компенсационните проводници задължително трябва да бъдат направени от същите материали като проводниците на термодвойките.

Градуиране на термодвойки

Според GOST 8.585 и IEC 60574 градуирането на термодвойките има буквени кодове K, J, N, T, S, R, B, в зависимост от химичния състав на термоелектродите. Следващата таблица показва обозначенията на калибровките на термодвойките, диапазона, в който се нормализира NSX на всеки тип калибриране на термодвойки и цветното кодиране на удължителните проводници на термодвойките.

Тип сензор	Скица на тел	НСХ се нормализира в температурния диапазон	Цветово кодиране съгласно IEC 60584: 3-2007	Номинален състав
HA (K)		От -200	"+" Зелено	Хромел
		До 1370г	"-" Бяло	Алумел
НН (Н)		"+" Розов
		"-" Бяло
LCD (J)		"+" Черен
		"-" Бяло
MK (T)		"+" Кафяво
		"-" Бяло
PP (С)
	PP (R)
ETC (Б)
	XK (L)		"+" Зелено
"-" Жълто

Проводни материали

Принципът на работа на термодвойка се основава на появата на потенциална разлика в проводниците. Следователно, към избора на електродни материали трябва да се подхожда много отговорно. Разликата в химичните и физичните свойства на металите е основният фактор при работата на термодвойка, чието устройство и принцип на работа се основават на появата на ЕМП на самоиндукция (потенциална разлика) във веригата.

Технически чистите метали не са подходящи за използване като термодвойка (с изключение на ARMKO-желязо). Обикновено се използват различни сплави от цветни и благородни метали. Такива материали имат стабилни физични и химични характеристики, така че показанията на температурата винаги ще бъдат точни и обективни. Стабилността и прецизността са ключови качества при организацията на експеримента и производствения процес.

В момента най-често срещаните термодвойки са от следните типове: E, J, K.

Характеристики на термодвойките

Обикновено неблагородните метали се използват за производство на термодвойки. И за да предпазят работните елементи от външни фактори, те се поставят в тръба, снабдена с подвижен фланец.

Той служи като средство за закрепване на конструкцията. Тръбата на термодвойката за газов котел е направена от обикновена или неръждаема стомана и за да се изключи контактът на електродите помежду си, се използват такива средства като азбест, порцеланови тръби или керамични мъниста.

Въпреки че термодвойките са направени предимно от неблагородни метали, благородните материали им позволяват значително да подобрят точността на измерване. Тук термоелектричната нехомогенност се проявява в по-малка степен. Освен това те са по-устойчиви на окисляване и следователно такива конструкции са много стабилни. Само такива устройства са много скъпи.

Структурно термодвойките могат да бъдат произведени по различни начини. Това също е версия с отворена рамка, където кръстовището на двата проводника не е затворено. Такова устройство осигурява почти моментално измерване на температурата, а инертността е забележимо по-ниска.

Втората версия на термодвойка за газова печка или котел е сондите. Този дизайн стана по-широко разпространен, тъй като е подходящ за производствени цели, където се изисква да се предпазват работните елементи от агресивни измервателни среди. Но в ежедневието те също се използват по-често от първия тип.

Термодвойка тип К

Това е може би най-често срещаният и широко използван тип термодвойка. Двойка хромел - алуминий работи чудесно при температури в диапазона от -200 до 1350 градуса по Целзий. Този тип термодвойка е силно чувствителен и открива дори малък скок на температурата. Благодарение на този набор от параметри, термодвойката се използва както в производството, така и за научни изследвания. Но има и съществен недостатък - влиянието на състава на работната атмосфера.Така че, ако този тип термодвойка ще работи в среда с CO2, тогава термодвойката ще даде неправилни показания. Тази функция ограничава използването на този тип устройства. Веригата и принципът на работа на термодвойката остават непроменени. Единствената разлика е в химичния състав на електродите.

Видове устройства

Всеки тип термодвойка има свое собствено обозначение и те са разделени според общоприетия стандарт. Всеки тип електрод има свое собствено съкращение: TXA, TXK, TBR и др. Преобразувателите се разпределят според класификацията:

• Тип Е - е сплав на хромел и константан. Характеристиката на това устройство се счита за висока чувствителност и производителност. Това е особено подходящо за използване при изключително ниски температури.
• J - се отнася до сплав от желязо и константан. Отличава се с висока чувствителност, която може да достигне до 50 μV / ° C.
• Тип К се счита за най-популярната хромел / алуминиева сплав. Тези термодвойки могат да откриват температури в диапазона от -200 ° C до +1350 ° C. Устройствата се използват във вериги, разположени в неокислителни и инертни условия без признаци на стареене. При използване на устройства в доста кисела среда, хромел бързо корозира и става неизползваем за измерване на температурата с термодвойка.
• Тип М - представлява никелови сплави с молибден или кобалт. Устройствата могат да издържат до 1400 ° C и се използват в инсталации, работещи на принципа на вакуумните пещи.
• Тип N - устройства с нихрозил-низил, чиято разлика се счита за устойчивост на окисляване. Те се използват за измерване на температури в диапазона от -270 до +1300 ° C.

Ще ви бъде интересно Физика и последици от токов удар

Има термодвойки, изработени от родиеви и платинени сплави. Те принадлежат към типове B, S, R и се считат за най-стабилните устройства. Недостатъците на тези преобразуватели включват висока цена и ниска чувствителност.

При високи температури се използват широко устройства от рений и волфрамови сплави. В допълнение, според предназначението и условията на работа, термодвойките могат да бъдат потопяеми и повърхностни.

По дизайн устройствата имат статично и подвижно съединение или фланец. Термоелектрическите преобразуватели се използват широко в компютрите, които обикновено са свързани чрез COM порт и са предназначени за измерване на температурата вътре в корпуса.

Проверка на работата на термодвойката

Ако термодвойката не успее, тя не може да бъде поправена. Теоретично можете, разбира се, да го поправите, но дали устройството ще показва точната температура след това е голям въпрос.

Понякога повредата на термодвойка не е очевидна и очевидна. По-специално това се отнася за газови бойлери. Принципът на работа на термодвойка е все същият. Той обаче играе малко по-различна роля и е предназначен не за визуализиране на показанията на температурата, а за работа на клапана. Следователно, за да се открие неизправност на такава термодвойка, е необходимо към нея да се свърже измервателно устройство (тестер, галванометър или потенциометър) и да се загрее кръстовището на термодвойката. За да направите това, не е необходимо да го държите на открит огън. Достатъчно е просто да го стиснете в юмрук и да видите дали стрелката на устройството ще се отклони.

Причините за повредата на термодвойките могат да бъдат различни. Така че, ако не поставите специално екраниращо устройство на термодвойката, поставена във вакуумната камера на йонно-плазменото азотиращо устройство, с течение на времето тя ще става все по-крехка, докато един от проводниците се счупи. Освен това не е изключена възможността за неправилна работа на термодвойката поради промяна в химичния състав на електродите. В крайна сметка фундаменталните принципи на термодвойката са нарушени.

Газовото оборудване (котли, колони) също е оборудвано с термодвойки.Основната причина за отказ на електрода са окислителните процеси, които се развиват при високи температури.

В случай, че показанията на устройството са умишлено неверни и по време на външен преглед не са открити слаби скоби, тогава причината, най-вероятно, се крие в повредата на контролно-измервателното устройство. В този случай той трябва да бъде върнат за ремонт. Ако имате съответната квалификация, можете да опитате да разрешите проблема сами.

И като цяло, ако иглата на потенциометъра или цифровият индикатор показват поне някои "признаци на живот", тогава термодвойката е в изправност. В този случай проблемът очевидно е нещо друго. И съответно, ако устройството не реагира по никакъв начин на очевидни промени в температурния режим, тогава можете безопасно да промените термодвойката.

Преди да демонтирате термодвойката и да инсталирате нова, трябва напълно да проверите нейната неизправност. За да направите това, достатъчно е да позвъните на термодвойката с обикновен тестер или дори по-добре да измерите напрежението на изхода. Тук едва ли ще помогне един обикновен волтметър. Ще ви трябва миливолтметър или тестер с възможност за избор на скала за измерване. В крайна сметка потенциалната разлика е много малка стойност. А едно стандартно устройство дори няма да го усети и няма да го поправи.

Термодвойка за свързване

Повечето термодвойки имат само една връзка. Въпреки това, когато термодвойка е свързана към електрическа верига, в точките на свързване може да се образува друга връзка.

Термодвойка

Схемата, показана на фигурата, има три проводника, обозначени с A, B и C. Проводниците са усукани заедно и обозначени с D и E. Съединението е допълнително съединение, което се образува, когато термодвойка е свързана към веригата. Това кръстовище се нарича свободно (студено) съединение на термодвойката. Съединението E е работещ (горещ) кръстовище. Схемата съдържа измервателно устройство, което измерва разликата в стойностите на напрежението в двете връзки.

Двата кръстовища са свързани по такъв начин, че напрежението им да се противопоставя. По този начин се генерира една и съща стойност на напрежението и на двата кръстовища и показанията на инструмента ще бъдат нула. Тъй като има пряко пропорционална връзка между температурата и величината на напрежението, генерирано от термодвойката, двете връзки ще генерират еднакви стойности на напрежението, когато температурата в тях е еднаква.

Ефект от нагряването на едно съединение на термодвойка

Когато връзката на термодвойката се нагрее, напрежението се увеличава право пропорционално. Потокът от електрони от нагрятата връзка преминава през друга връзка, през измервателното устройство и се връща обратно към горещата връзка. Уредът показва разликата в напрежението между двата кръстовища. Разликата в напрежението между двата кръстовища. Разликата в напрежението, показана от устройството, се преобразува в температурни показания или с помощта на таблица, или директно показана на скала, която е калибрирана в градуси.

Термодвойка за студено съединение

Студената връзка често е точката, където свободните краища на проводниците на термодвойката се свързват с измервателния уред.

Тъй като измервателният уред във веригата на термодвойката всъщност измерва разликата в напрежението между двата кръстовища, напрежението на студената връзка трябва да се поддържа възможно най-постоянно. Поддържайки постоянното напрежение в студената връзка, ние гарантираме, че отклонението в показанията на измервателния уред показва промяна в температурата в работния кръстовище.

Ако температурата около студения кръстовище се промени, тогава напрежението в студения кръстовище също ще се промени. Това ще промени напрежението в студения възел. В резултат на това разликата в напрежението в двата кръстовища също ще се промени, което в крайна сметка ще доведе до неточни показания на температурата.

Компенсаторните резистори се използват в много термодвойки, за да поддържат температурата на студената връзка постоянна. Резисторът е на същото място като студената връзка, така че температурата влияе едновременно на кръстовището и резистора.

Верига на термодвойка с компенсиращ резистор

Работен възел на термодвойка (горещ)

Работен кръстовище е кръстовище, което се влияе от процеса, чиято температура се измерва. Поради факта, че напрежението, генерирано от термодвойката, е право пропорционално на нейната температура, тогава когато работният възел се нагрява, той генерира повече напрежение, а когато се охлади, генерира по-малко.

Работен възел и студен преход

Предимства на термодвойките

Защо термодвойките не са заменени от по-модерни и модерни сензори за измерване на температурата през толкова дългата история на експлоатация? Да, по простата причина, че досега никое друго устройство не може да се конкурира с него.

Първо, термодвойките са относително евтини. Въпреки че цените могат да варират в широк диапазон в резултат на използването на определени защитни елементи и повърхности, съединители и съединители.

На второ място, термодвойките са непретенциозни и надеждни, което им позволява да работят успешно в агресивна температурна и химическа среда. Такива устройства дори са инсталирани в газови котли. Принципът на работа на термодвойка винаги остава един и същ, независимо от условията на работа. Не всеки друг тип сензор ще може да устои на подобно въздействие.

Технологията за производство и производство на термодвойки е проста и лесна за прилагане на практика. Грубо казано, достатъчно е просто да усукате или заварите краищата на проводниците от различни метални материали.

Друга положителна характеристика е точността на измерванията и незначителната грешка (само 1 градус). Тази точност е повече от достатъчна за нуждите на индустриалното производство и за научни изследвания.

Прилагане на термодвойки

В този раздел липсват препратки към източници на информация. Информацията трябва да бъде проверима, в противен случай тя може да бъде поставена под въпрос и изтрита. Можете да редактирате тази статия, като добавите връзки към авторитетни източници. Тази маркировка е зададена 31 юли 2012 г. .

За измерване на температурата на различни видове обекти и среди, както и температурен сензор в автоматизирани системи за управление. Волфрам-рениевите термодвойки са контактни температурни сензори с най-висока температура [2]. Такива термодвойки са незаменими в металургията за контрол на температурата на разтопените метали.

За контрол на пламъка и защита срещу замърсяване с газ в газови котли и други газови уреди (например битови газови печки). Токът от термодвойката, нагряван от пламъка на горелката, поддържа газовия клапан отворен. В случай на отказ на пламъка токът на термодвойката се намалява и клапанът спира подаването на газ.

През 20-те и 30-те години на миналия век термодвойките се използват за захранване на най-простите радиостанции и други слаботокови устройства. Напълно възможно е да се използват термогенератори за презареждане на батериите на съвременните слаботокови устройства (телефони, камери и др.), Използвайки открит огън.

Радиационен приемник

Отблизо на термопилата на фотодетектора. Всеки от телените ъгли е термодвойка.
Исторически погледнато термодвойките представляват един от най-ранните термоелектрични детектори на радиация [3]. Споменаването на тази употреба от тях датира от началото на 30-те години [4]. Първите приемници са използвали единични двойки проводници (мед - константан, бисмут - антимон), горещият възел е бил в контакт с почерняла златна плоча. По-късните проекти използват полупроводници.

Термодвойките могат да бъдат свързани последователно, една след друга, образувайки термопила. В този случай горещите кръстовища са разположени или по периметъра на приемащата платформа, или равномерно по нейната повърхност. В първия случай отделни термодвойки лежат в една и съща равнина, във втория те са успоредни една на друга [5].

Предимства на термодвойките

• Висока точност на измерване на температурата (до ± 0,01 ° С).
• Голям диапазон на измерване на температурата: от -250 ° C до +2500 ° C.
• Простота.
• Евтиност.
• Надеждност.

недостатъци

• За да се получи висока точност на измерване на температурата (до ± 0,01 ° С), се изисква индивидуално калибриране на термодвойката.
• Отчитането се влияе от температурата на щранговете, която трябва да бъде коригирана. В съвременните конструкции на измервателни уреди, базирани на термодвойки, температурата на блока от студени връзки се измерва с помощта на вграден термистор или полупроводников сензор и се използва автоматична корекция на измерения TEMF.
• Ефект на Пелтие (по време на вземане на показания е необходимо да се изключи потокът на ток през термодвойката, тъй като токът, протичащ през него, охлажда горещия възел и загрява студения).
• Температурната зависимост на термоенергията е по същество нелинейна. Това създава трудности при проектирането на вторични преобразуватели на сигнал.
• Появата на термоелектрична нехомогенност в резултат на резки температурни промени, механични напрежения, корозия и химични процеси в проводниците води до промяна в калибрационната характеристика и грешки до 5 К.
• Дългите термодвойки и удължителните проводници могат да създадат ефект на „антена“ за съществуващите електромагнитни полета.

Недостатъци на термодвойката

Няма много недостатъци на термодвойката, особено в сравнение с най-близките й конкуренти (температурни сензори от друг тип), но все пак те са и би било несправедливо да се мълчи за тях.

И така, потенциалната разлика се измерва в миливолта. Следователно е необходимо да се използват много чувствителни потенциометри. И ако вземем предвид, че измервателните устройства не винаги могат да бъдат поставени в непосредствена близост до точката за събиране на експериментални данни, тогава трябва да се използват някои усилватели. Това причинява редица неудобства и води до ненужни разходи при организацията и подготовката на производството.