Termoelement - što je to jednostavno?

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 kemijsku toplinsku obradu, pećnica za kućanske peći na plin. Načelo rada termoelementa uvijek ostaje nepromijenjeno 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.

Značajke dizajna

Ako smo pažljiviji prema postupku mjerenja temperature, tada se ovaj postupak provodi pomoću termoelektričnog termometra. Termoelement se smatra glavnim osjetljivim elementom ovog uređaja.

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 do 2000 ° C, tada se koristi izolacijski materijal od aluminijevog oksida, magnezija, berilija i cirkonija.
• Vanjski zaštitni poklopac koristi se ovisno o okolini upotrebe senzora u kojem se mjeri temperatura. Izrađen je u obliku metalne ili keramičke cijevi. Ova zaštita osigurava vodonepropusnost i površinsku zaštitu termoelementa od mehaničkih naprezanja. Vanjski pokrovni materijal mora podnijeti izloženost visokoj temperaturi i imati izvrsnu toplinsku vodljivost.

Bit će vam zanimljivo Izbor i značajke povezivanja mjerača energije

Dizajn senzora uvelike ovisi o uvjetima njegove uporabe. Prilikom izrade termoelementa uzima se u obzir raspon izmjerenih temperatura, stanje vanjske okoline, toplinska inercija itd.

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 smjesti u okruženje čija se temperatura mora izmjeriti. U skladu s Seebeckovim pravilom, na vodičima nastaje potencijalna razlika (inače - termoelektričnost). Što je temperatura medija viša, to je razlika potencijala 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.

Značajke dizajna

Termoelement je poseban uređaj koji mjeri temperaturu. Struktura će se sastojati od dva različita vodiča, koji će se u budućnosti međusobno kontaktirati u jednoj ili više točaka. Kada se temperatura promijeni u jednom dijelu ovih vodiča, tada će se stvoriti napon. Mnogi stručnjaci često koriste termoparove za kontrolu temperature u raznim okruženjima i pretvaranje temperature u energiju.

Komercijalni pretvarač bit će povoljan. Imat će standardne konektore i može mjeriti širok spektar temperatura. Glavna razlika od ostalih uređaja za mjerenje temperature je u tome što se napajaju vlastitim napajanjem i ne zahtijevaju vanjski faktor pobude. Glavno ograničenje pri radu s ovim uređajem je njegova točnost.

Postoje i različite vrste termoparova. Mnogi se uređaji smatraju potpuno standardiziranima. Mnoge proizvodne tvrtke danas koriste elektroničke tehnike hladnog spajanja kako bi ispravile promjene temperature na stezaljkama uređaja. Zahvaljujući tome uspjeli su značajno poboljšati točnost.

Smatra se da je uporaba termoelementa prilično široka. Mogu se koristiti u sljedećim područjima:

• Znanost.
• Industrija.
• Za mjerenje temperatura u pećnicama ili kotlovima.
• Privatne kuće ili uredi.
• Također, ovi uređaji mogu zamijeniti AOGV termostate u plinskim grijačima.

Seebeckov efekt

Načelo rada termoelementa temelji se na ovom fizikalnom fenomenu. Dno crta je ovo: ako spojite dva vodiča izrađena od različitih materijala (ponekad se koriste poluvodiči), tada će struja cirkulirati duž takvog električnog kruga.

Dakle, ako se spoj vodiča zagrije i ohladi, igla potenciometra će oscilirati. Struju također može detektirati galvanometar spojen na krug.

U slučaju da su vodiči izrađeni od istog materijala, tada se neće dogoditi 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 obična bakrena žica nije prikladna, jer kompenzacijske žice moraju nužno biti izrađene od istih materijala kao i vodiči termoelementa.

Diplomiranje termoelementa

Prema GOST 8.585 i IEC 60574, gradacije termoelemenata imaju slovne kodove K, J, N, T, S, R, B, ovisno o kemijskom sastavu termoelektroda. Sljedeća tablica prikazuje oznake kalibracija termoelemenata, raspon u kojem je normaliziran NSX svake vrste kalibracije termoelementa i kodiranje boja produžnih žica termoelementa.

Tip senzora	Skica žice	NSH je normaliziran u temperaturnom području	Kodiranje u boji prema IEC 60584: 3-2007	Nominalni sastav
HA (K)		Od -200	"+" Zeleno	Chromel
		Do 1370. god	"-" Bijela	Alumel
NN (N)		"+" Ružičasta
		"-" Bijela
LCD (J)		"+" Crna
		"-" Bijela
MK (T)		"+" Smeđa
		"-" Bijela
PP (S)
	PP (R)
ETC (B)
	XK (L)		"+" Zeleno
"-" Žuta

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 ARMKO 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.

Značajke termoelementa

Obično se osnovni metali koriste za proizvodnju termoelemenata. A kako bi zaštitili radne elemente od vanjskih čimbenika, smješteni su u cijev opremljenu pomičnom prirubnicom.

Služi kao sredstvo za pričvršćivanje strukture. Cijev termoelementa za plinski kotao izrađena je od običnog ili nehrđajućeg čelika, a kako bi se isključio kontakt elektroda jedna s drugom, koriste se sredstva kao što su azbest, porculanske cijevi ili keramičke kuglice.

Iako su termoelementi uglavnom izrađeni od neplemenitih metala, plemeniti materijali omogućuju im značajno poboljšanje točnosti mjerenja. Ovdje se termoelektrična nehomogenost očituje u manjoj mjeri. Osim toga, otporniji su na oksidaciju, pa su stoga takvi dizajni vrlo stabilni. Samo su takvi uređaji vrlo skupi.

Strukturno se termoelementi mogu izrađivati ​​na različite načine. Ovo je također inačica s otvorenim okvirom, gdje spoj dva vodiča nije zatvoren. Takav uređaj omogućuje gotovo trenutno mjerenje temperature, a inertnost je osjetno niža.

Druga inačica termoelementa za plinski štednjak ili kotao su sonde. Ovaj je dizajn rašireniji jer je relevantan za proizvodne svrhe, gdje je potreban da zaštiti radne elemente od agresivnih mjernih medija. No, u svakodnevnom životu koriste se i češće od prve vrste.

Termoelement tipa K

Ovo je možda najčešći i najčešće korišten tip termoelementa. Par kromel - aluminija izvrsno djeluje na temperaturama u rasponu 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 okolišu s CO2, 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 uređaja

Svaka vrsta termoelementa ima svoju oznaku, a 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. Karakteristikom ovog uređaja smatra se visoka osjetljivost i performanse. 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-nisila, čija se razlika smatra otpornošću na oksidaciju. Koriste se za mjerenje temperatura u rasponu od -270 do +1300 ° C.

Bit će vam zanimljivo Fizika i posljedice električnog udara

Postoje termoelementi 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.

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 otkrio 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 na termoelementu smještenom u vakuumsku komoru jedinice za nitriranje ionsko-plazmom ne stavite poseban zaštitni uređaj, s vremenom će postati sve krhkiji dok se jedan od vodiča ne slomi. Osim toga, 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 sami pokušati riješiti problem.

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 se u potpunosti uvjeriti da je neispravan. Da biste to učinili, dovoljno je pozvoniti na termoelement običnim testerom, ili još bolje, izmjeriti napon na izlazu. 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.

Spojni termoelement

Većina termoparova ima samo jedan spoj. Međutim, kada je termoelement spojen na električni krug, na mjestima spajanja može se stvoriti drugi spoj.

Krug termoelementa

Sklop prikazan na slici sastoji se od tri žice s oznakama A, B i C. Žice su međusobno uvijene i označene s D i E. Spoj je dodatni spoj koji nastaje kad je na krug povezan termoelement. Taj spoj naziva se slobodni (hladni) spoj termoelementa. Spoj E je radni (vrući) spoj. Krug sadrži mjerni uređaj koji mjeri razliku u vrijednostima napona na dva spoja.

Dva spoja povezana su na takav način da se njihov napon suprotstavlja jedni drugima. Dakle, na oba spoja generira se ista vrijednost napona i očitanja instrumenta bit će jednaka nuli. Budući da postoji izravno proporcionalan odnos između temperature i veličine napona koji generira spoj termoelementa, ta dva spoja generirat će iste vrijednosti napona kada je temperatura na njima jednaka.

Učinak zagrijavanja jednog spoja termoelementa

Kada se spoj termoelementa zagrije, napon se povećava izravno proporcionalno. Protok elektrona iz zagrijanog spoja teče kroz drugi spoj, kroz mjerni uređaj i vraća se natrag u vrući spoj. Mjerač prikazuje razliku napona između dva spoja. Razlika napona između dva spoja. Razlika napona koju uređaj prikazuje pretvara se u očitanja temperature bilo pomoću tablice ili izravno prikazana na skali koja je kalibrirana u stupnjevima.

Termoelement hladnog spoja

Hladni spoj je često mjesto spajanja slobodnih krajeva žica termoelementa na brojilo.

Budući da mjerač u krugu termoelementa zapravo mjeri razliku napona između dva spoja, napon hladnog spoja treba održavati što je moguće konstantnijim. Održavanjem konstantnog napona na hladnom spoju osiguravamo da odstupanje očitanja brojila ukazuje na promjenu temperature na radnom spoju.

Ako se temperatura oko hladnog spoja promijeni, tada će se promijeniti i napon na hladnom spoju. To će promijeniti napon na hladnom spoju. Kao posljedica toga, promijenit će se i razlika napona na dva spoja, što će u konačnici dovesti do netočnih očitanja temperature.

Kompenzacijski otpornici koriste se u mnogim termoelementima kako bi temperatura hladnog spoja bila konstantna. Otpornik je na istom mjestu kao i hladni spoj, pa temperatura istodobno utječe na spoj i otpornik.

Krug termoelementa s kompenzacijskim otpornikom

Radni spoj termoelementa (vrući)

Radni spoj je spoj na koji utječe proces čija se temperatura mjeri. S obzirom na to da je napon koji generira termoelement izravno proporcionalan njegovoj temperaturi, tada kada se radni spoj zagrije generira više napona, a kada se ohladi stvara manje.

Radni spoj i hladni spoj

Prednosti termoelementa

Zašto termoparovi nisu zamijenjeni naprednijim i modernijim temperaturnim senzorima tijekom tako duge povijesti rada? 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 ostaje uvijek isti, bez obzira na radne uvjete. Ni svaki drugi tip senzora neće moći izdržati takav utjecaj.

Tehnologija proizvodnje i izrade termoelemenata jednostavna je i jednostavna 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.

Primjena termoparova

U ovom odjeljku nedostaju reference na izvore informacija. Podaci moraju biti provjerljivi jer se u protivnom mogu dovesti u pitanje i izbrisati. Ovaj članak možete urediti dodavanjem veza na mjerodavne izvore. Ova je oznaka postavljena 31. srpnja 2012 .

Za mjerenje temperature različitih vrsta predmeta i medija, kao i temperaturni senzor u automatiziranim sustavima upravljanja. Termoelementi od volframa i renija senzori su temperature temperature s najvišom temperaturom [2]. Takvi su termoelementi neophodni u metalurgiji za kontrolu temperature rastopljenih metala.

Za kontrolu plamena i zaštitu od onečišćenja plinom u plinskim kotlovima i drugim plinskim uređajima (na primjer, kućanske peći na plin). Struja iz termoelementa, zagrijavana plamenom plamenika, drži plinski ventil otvorenim. U slučaju kvara plamena, struja termoelementa smanjuje se i ventil prekida dovod plina.

Dvadesetih i tridesetih godina 20. stoljeća, termoelementi su korišteni za napajanje najjednostavnijih radija i drugih slabih strujnih uređaja. Sasvim je moguće koristiti termogeneratore za punjenje baterija suvremenih uređaja s niskom strujom (telefona, fotoaparata itd.) Pomoću otvorene vatre.

Prijemnik zračenja

Izgled termopile fotodetektora. Svaki od kutova žice je termoelement.
Povijesno gledano, termoelementi predstavljaju jedan od najranijih detektora termoelektričnog zračenja [3]. Spominjanje njihove upotrebe potječe iz ranih 1830-ih [4]. Prvi su se prijemnici koristili jednožičnim parovima (bakar - konstantan, bizmut - antimon), vrući spoj bio je u dodiru s pocrnjelom zlatnom pločicom. Kasniji dizajni koristili su poluvodiče.

Termoparovi se mogu povezati serijski, jedan za drugim, čineći termopilu. U ovom su slučaju vrući spojevi smješteni ili duž perimetra prihvatne platforme ili ravnomjerno duž njene površine. U prvom slučaju, pojedini termoparovi leže u istoj ravnini, u drugom su paralelni jedan s drugim [5].

Prednosti termoelementa

• Velika točnost mjerenja temperature (do ± 0,01 ° C).
• Veliko područje mjerenja temperature: od −250 ° C do +2500 ° C.
• Jednostavnost.
• Jeftinoća.
• Pouzdanost.

nedostaci

• Da bi se postigla visoka točnost mjerenja temperature (do ± 0,01 ° C), potrebna je pojedinačna kalibracija termoelementa.
• Na očitanje utječe temperatura uspona, koja se mora ispraviti. U suvremenim izvedbama brojila temeljenih na termoparovima, temperatura bloka hladnih spojeva mjeri se pomoću ugrađenog termistora ili poluvodičkog senzora i koristi se automatska korekcija izmjerenog TEMF.
• Peltierov efekt (u vrijeme očitavanja potrebno je isključiti protok struje kroz termoelement, jer struja koja prolazi kroz njega hladi vrući spoj i zagrijava hladni).
• Ovisnost termoenergije o temperaturi u osnovi je nelinearna. To stvara poteškoće u dizajnu sekundarnih pretvarača signala.
• Pojava termoelektrične nehomogenosti kao rezultat oštrih promjena temperature, mehaničkih naprezanja, korozije i kemijskih procesa u vodičima dovodi do promjene kalibracijske karakteristike i pogrešaka do 5 K.
• Dugi termoelementi i produžni kablovi mogu stvoriti efekt "antene" za postojeća elektromagnetska polja.

Mane termoelementa

Nedostataka termoelementa nema puno, posebno u usporedbi s najbližim konkurentima (temperaturni senzori drugih vrsta), ali ipak jesu, i bilo bi nepravedno o njima šutjeti.

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.