Принцип рада и дизајна термоелемента је изузетно једноставан. То је довело до популарности овог уређаја и његове широке употребе у свим гранама науке и технологије. Термоелемент је дизајниран за мерење температура у широком опсегу - од -270 до 2500 степени Целзијуса. Уређај је деценијама био неопходан асистент инжењерима и научницима. Ради поуздано и беспрекорно, а очитавања температуре су увек тачна. Савршенији и тачнији уређај једноставно не постоји. Сви модерни уређаји раде на принципу термоелемента. Раде у тешким условима.
Додељивање термопарова
Овај уређај претвара топлотну енергију у електричну струју и омогућава мерење температуре. За разлику од традиционалних живиних термометара, он је способан да ради у условима екстремно ниских и изузетно високих температура. Ова карактеристика је довела до широке употребе термоелемената у широком спектру инсталација: индустријске металуршке пећи, котлови на гас, вакуумске коморе за хемијску топлотну обраду, пећница за кућне шпорете на гас. Принцип рада термоелемента увек остаје непромењен и не зависи од уређаја у који је монтиран.
Поуздан и несметан рад термоелемента зависи од рада система за хитно искључивање уређаја у случају прекорачења дозвољених температурних ограничења. Стога овај уређај мора бити поуздан и давати тачна очитавања како не би угрозио животе људи.
Примена термопарова
Сензори диференцијалне температуре генеришу електрични сигнал који је пропорционалан температурној разлици у две различите тачке.
Због тога се место повезивања проводника, где се мери потребна температура, назива врућим спојем, а супротно место је хладним спојем. То је зато што је температура која се мери виша од температуре која окружује мерни уређај. Сложеност мерења лежи у потреби мерења температуре у једној тачки, а не у две различите тачке, када се утврђује само разлика.
Постоје одређене методе за мерење температуре термоелементом у одређеној тачки. У овом случају, неопходно је поћи од чињенице да ће у било којем колу збир уземљења имати нулту вредност. Поред тога, мора се узети у обзир чињеница да када се спајају различити метали, долази до напрезања на температури која прелази апсолутну нулу.
Како ради термоелемент
Термоелемент има три главна елемента. То су два проводника електричне енергије из различитих материјала, као и заштитна цев. Два краја проводника (која се називају и термоелектродама) су залемљена, а друга два су повезана на потенциометар (уређај за мерење температуре).
Једноставно речено, принцип рада термоелемента је да се спој термоелектрода постави у окружење чија температура мора да се мери. У складу са Сеебецковим правилом, на проводницима настаје потенцијална разлика (иначе - термоелектричност). Што је температура медија виша, то је разлика потенцијала значајнија. Сходно томе, стрелица уређаја више одступа.
У савременим мерним комплексима дигитални индикатори температуре заменили су механички уређај. Међутим, нови уређај по својим карактеристикама није далеко супериорнији од старих уређаја совјетске ере.На техничким универзитетима и у истраживачким институцијама до данас користе потенциометре пре 20-30 година. И они показују невероватну тачност и стабилност мерења.
ЛЛЦ "ЦБ Цонтролс"
Како раде термопарови
Ако су две жице различитих метала повезане на један крај, на другом крају ове структуре, због разлике контактног потенцијала, појављује се напон (ЕМФ), који зависи од температуре. Другим речима, комбинација два различита метала понаша се попут галванске ћелије осетљиве на температуру. Ова врста температурног сензора назива се термоелемент:
Овај феномен пружа нам једноставан начин да пронађемо електрични еквивалент температуре: треба само да измерите напон и можете да одредите температуру овог споја два метала. И било би једноставно, ако не и следећи услов: када на жице термопарова прикључите било који мерни уређај, неизбежно ћете направити други спој различитих метала.
Следећи дијаграм показује да је спој гвожђе-бакар Ј1 нужно допуњен другим спојем гвожђе-бакар Ј2 супротне поларности:
Ј1 спој гвожђа и бакра (два различита метала) генерисаће напон у зависности од измерене температуре. Ј2 веза, која је заправо потребна да бисмо некако повезали наше бакарне волтметрске улазне жице са гвозденом жицом термоелемента, такође је различита метална веза која ће такође генерисати напон зависан од температуре. Даље, треба напоменути да је поларитет везе Ј2 супротан поларитету везе Ј1 (гвоздена жица је позитивна, бакарна жица је негативна). У овој шеми постоји и трећа веза (Ј3), али она нема ефекта, јер је ово веза два идентична метала, која не ствара ЕМФ. Стварање другог напона спојем Ј2 помаже у објашњавању зашто волтметар очитава 0 волти када је цео систем на собној температури: сви напони створени тачкама споја различитих метала биће једнаке величине и супротне поларности, што ће довести до нула очитавања. Тек када су две везе Ј1 и Ј2 на различитим температурама, волтметар ће регистровати неку врсту напона.
Овај однос можемо математички изразити на следећи начин:
Вметер = ВЈ1 - ВЈ2
Јасно је да постоји само разлика између два напона која се генеришу на тачкама прикључка.
Дакле, термоелементи су чисто диференцијални температурни сензори. Они генеришу електрични сигнал пропорционалан температурној разлици између две различите тачке. Стога се спој (спој) који користимо за мерење потребне температуре назива „врући“ спој, док се други спој (који никако не можемо избећи) назива „хладни“ спој. Ово име потиче из чињенице да је, обично, измерена температура виша од температуре на којој се налази мерни уређај. Већина сложености примене термоелемената повезана је са напоном хладног споја и потребом да се избори са овим (нежељеним) потенцијалом. За већину примена потребно је мерити температуру у једној одређеној тачки, а не температурну разлику између две тачке, што термоелемент ради по дефиницији.
Постоји неколико метода за добијање сензора температуре заснован на термоелементима за мерење температуре у жељеној тачки, а о њима ће бити речи у наставку.
Студенти и професионалци често сматрају да су општи принципи утицаја хладног споја и његови ефекти невероватно збуњујући.Да би се разумело ово питање, потребно је вратити се једноставном колу са гвожђе - бакарним жицама, приказаном раније као „полазна тачка“, а затим извести понашање овог кола, примењујући први Кирцххофф-ов закон: алгебарски збир напрезања у било које коло мора бити једнако нули. Знамо да спајање различитих метала ствара стрес ако је његова температура изнад апсолутне нуле. Такође знамо да да бисмо направили комплетан круг од гвожђа и бакарне жице, морамо формирати другу везу гвожђа и бакра, поларитет напона ове друге везе нужно ће бити супротан поларитет прве. Ако прву везу гвожђа и бакра означимо као Ј1, а Ј2 другу, апсолутно смо уверени да ће напон мерен волтметром у овом колу бити ВЈ1 - ВЈ2.
Сви кругови термоелемената - било да су једноставни или сложени - показују ову основну карактеристику. Неопходно је ментално замислити једноставан круг две различите металне жице, а затим, изводећи „мисаони експеримент“, одредити како ће се ово коло понашати на споју при истој температури и на различитим температурама. Ово је најбољи начин да неко схвати како раде термопарови.
Сеебецк ефекат
Принцип рада термоелемента заснован је на овом физичком феномену. Суштина је следећа: ако повежете два проводника израђена од различитих материјала (понекад се користе полупроводници), тада ће струја циркулирати дуж таквог електричног кола.
Дакле, ако се спој проводника загрева и хлади, игла потенциометра ће осцилирати. Струју такође може детектовати галванометар повезан на коло.
У случају да су проводници направљени од истог материјала, тада електромоторна сила неће настати, односно неће бити могуће измерити температуру.
Дијаграм повезивања термопарова
Најчешће методе повезивања мерних инструмената са термоелементима су такозвана једноставна метода, као и она диференцирана. Суштина прве методе је следећа: уређај (потенциометар или галванометар) је директно повезан са два проводника. Диференцираном методом није залемљен један, већ оба краја проводника, док је једна од електрода „сломљена“ мерним уређајем.
Немогуће је не споменути такозвани даљински метод повезивања термоелемента. Принцип рада остаје непромењен. Једина разлика је у томе што се у круг додају продужне жице. У ове сврхе обична бакарна жица није погодна, јер компензационе жице морају бити израђене од истих материјала као и проводници термоелемента.
Физичка основа термоелемента
Принцип рада термоелемента заснован је на нормалним физичким процесима. По први пут је ефекат на основу којег овај уређај ради истражио немачки научник Тхомас Сеебецк.
Суштина појаве на којој се заснива принцип рада термоелемента је следећа. У затвореном електричном колу, који се састоји од два проводника различитих врста, када су изложени одређеној температури околине, ствара се електрична енергија.
Настали електрични флукс и температура околине која делује на проводнике су у линеарном односу. Односно, што је температура већа, термоелемент ствара више електричне струје. Ово је основа принципа рада термоелемента и отпорног термометра.
У овом случају, један контакт термоелемента налази се на месту где је потребно измерити температуру, назива се "врућим". Други контакт, другим речима - „хладан“ - у супротном смеру.Употреба термопарова за мерење дозвољена је само када је температура ваздуха у соби нижа него на месту мерења.
Ово је кратак дијаграм рада термоелемента, принцип рада. Врсте термопарова размотрићемо у следећем одељку.
Материјали проводника
Принцип рада термоелемента заснован је на појави потенцијалне разлике у проводницима. Због тога се избору материјала за електроде мора приступити врло одговорно. Разлика у хемијским и физичким својствима метала је главни фактор у раду термоелемента, чији се уређај и принцип рада заснивају на настанку ЕМФ самоиндукције (разлике потенцијала) у колу.
Технички чисти метали нису погодни за употребу као термоелемент (са изузетком гвожђа АРМКО). Обично се користе разне легуре обојених и племенитих метала. Такви материјали имају стабилне физичке и хемијске карактеристике, тако да ће очитавања температуре увек бити тачна и објективна. Стабилност и прецизност су кључне особине у организацији експеримента и производног процеса.
Тренутно су најчешћи термоелементи следећих врста: Е, Ј, К.
Термоелемент типа К.
Ово је можда најчешћи и најчешће коришћени тип термопарова. Пар хромел-алуминијума одлично делује на температурама од -200 до 1350 степени Целзијуса. Ова врста термоелемента је врло осетљива и открива чак и мали скок температуре. Захваљујући овом скупу параметара, термоелемент се користи и у производњи и у научним истраживањима. Али има и значајан недостатак - утицај састава радне атмосфере. Дакле, ако ће ова врста термоелемента радити у ЦО2 окружењу, тада ће термоелемент дати погрешна очитавања. Ова функција ограничава употребу ове врсте уређаја. Коло и принцип термоелемента остају непромењени. Разлика је само у хемијском саставу електрода.
Врсте уређаја
Свака врста термоелемента има своју ознаку и подељени су према општеприхваћеном стандарду. Свака врста електрода има своју скраћеницу: ТКСА, ТКСК, ТБР итд. Претварачи се дистрибуирају према класификацији:
- Тип Е - је легура хромела и константана. Карактеристика овог уређаја сматра се високом осетљивошћу и перформансама. Ово је посебно погодно за употребу на изузетно ниским температурама.
- Ј - односи се на легуру гвожђа и константана. Одликује се високом осетљивошћу која може достићи и до 50 μВ / ° Ц.
- Тип К се сматра најпопуларнијом легуром хромел / алуминијум. Ови термопарови могу детектовати температуре у распону од -200 ° Ц до +1350 ° Ц. Уређаји се користе у струјним круговима смештеним у неоксидирајућим и инертним условима без знакова старења. Када користите уређаје у прилично киселом окружењу, кромел брзо нагриза и постаје неупотребљив за мерење температуре термопаром.
- Тип М - представља легуре никла са молибденом или кобалтом. Уређаји могу издржати до 1400 ° Ц и користе се у инсталацијама које раде на принципу вакуумских пећи.
- Тип Н - уређаји од никросил-нисила, чија се разлика сматра отпорношћу на оксидацију. Користе се за мерење температура у распону од -270 до +1300 ° Ц.
Биће вам занимљиво Опис и врсте уређаја за дистрибуцију улаза (АСУ)
Постоје термопарови направљени од легура родијума и платине. Припадају типовима Б, С, Р и сматрају се најстабилнијим уређајима. Мане ових претварача укључују високу цену и ниску осетљивост.
На високим температурама широко се користе уређаји од легура ренијума и волфрама. Поред тога, према својој намени и условима рада, термопарови могу бити потопљени и површински.
По дизајну, уређаји имају статички и покретни спој или прирубницу.Термоелектрични претварачи се широко користе у рачунарима који су обично повезани преко ЦОМ порта и дизајнирани су за мерење температуре унутар кућишта.
Провера рада термопарова
Ако термоелемент откаже, не може се поправити. Теоретски то можете, наравно, поправити, али да ли ће уређај након тога показати тачну температуру, велико је питање.
Понекад квар термоелемента није очигледан и очигледан. То се посебно односи на гасне бојлере. Принцип рада термоелемента је и даље исти. Међутим, он игра мало другачију улогу и није намењен за визуализацију очитавања температуре, већ за рад вентила. Због тога је, да би се открио квар таквог термоелемента, потребно на њега прикључити мерни уређај (испитивач, галванометар или потенциометар) и загрејати спој термоелемента. Да бисте то урадили, није потребно држати га на отвореној ватри. Довољно је само стиснути је у песницу и видети да ли ће стрелица уређаја одступити.
Разлози отказа термопарова могу бити различити. Дакле, ако на термоелементу смештеном у вакуумску комору јединице за нитрирање јонско-плазме не ставите посебан заштитни уређај, с временом ће постати све крхкији док се један од проводника не сломи. Поред тога, није искључена могућност неправилног рада термоелемента због промене хемијског састава електрода. На крају крајева, кршени су основни принципи термоелемента.
Плинска опрема (котлови, стубови) такође је опремљена термопаровима. Главни узрок отказа електрода су оксидативни процеси који се развијају на високим температурама.
У случају када су очитавања уређаја намерно нетачна, а током спољног прегледа нису пронађене слабе стезаљке, онда разлог, највероватније, лежи у квару уређаја за управљање и мерење. У овом случају мора се вратити на поправак. Ако имате одговарајуће квалификације, можете сами покушати да решите проблем.
И уопште, ако игла потенциометра или дигитални индикатор показују бар неке „знакове живота“, тада је термоелемент у добром стању. У овом случају, проблем је очигледно нешто друго. И сходно томе, ако уређај на било који начин не реагује на очигледне промене температурног режима, онда можете безбедно променити термоелемент.
Међутим, пре него што демонтирате термоелемент и инсталирате нови, морате у потпуности да се уверите да је неисправан. Да бисте то урадили, довољно је позвонити на термоелемент обичним тестером, или још боље, измерити излазни напон. Овде вероватно неће помоћи само обични волтметар. Требаће вам миливолтметар или тестер са могућношћу одабира мерне скале. На крају крајева, потенцијална разлика је врло мала вредност. А стандардни уређај то неће ни осетити и неће поправити.
Карактеристике дизајна
Ако смо пажљивији према поступку мерења температуре, онда се овај поступак изводи помоћу термоелектричног термометра. Главни осетљиви елемент овог уређаја је термоелемент.
Сам поступак мерења настаје услед стварања електромоторне силе у термоелементу. Постоје неке карактеристике уређаја са термоелементима:
- Електроде су повезане термопаровима за мерење високих температура у једном тренутку помоћу електролучног заваривања. Приликом мерења малих индикатора, такав контакт се остварује помоћу лемљења. Посебна једињења у уређајима од волфрама-ренијума и волфрама-молибдена изводе се помоћу уских увијања без додатне обраде.
- Повезивање елемената врши се само у радном подручју, а дуж остатка дужине су међусобно изоловани.
- Метода изолације се изводи у зависности од горње вредности температуре.У опсегу вредности од 100 до 120 ° Ц, користи се било која врста изолације, укључујући ваздух. Порцеланске цеви или перле користе се на температурама до 1300 ° Ц. Ако вредност достигне 2000 ° Ц, тада се користи изолациони материјал од алуминијум оксида, магнезијума, берилијума и цирконијума.
- Спољни заштитни поклопац се користи у зависности од окружења употребе сензора у коме се мери температура. Израђен је у облику металне или керамичке цеви. Ова заштита обезбеђује хидроизолацију и површинску заштиту термоелемента од механичког напрезања. Спољни покривни материјал мора бити у стању да поднесе изложеност високим температурама и има изврсну топлотну проводљивост.
Биће вам занимљив Принцип рада електронских и механичких временских релеја
Дизајн сензора у великој мери зависи од услова његове употребе. Приликом стварања термоелемента узима се у обзир опсег измерених температура, стање спољне средине, топлотна инерција итд.
Предности термоелемента
Зашто термопарови нису замењени напреднијим и савременијим сензорима за мерење температуре током тако дуге историје рада? Да, из једноставног разлога што се до сада ниједан други уређај не може такмичити с њим.
Прво, термопарови су релативно јефтини. Иако цене могу да варирају у широком опсегу као резултат употребе одређених заштитних елемената и површина, конектора и конектора.
Друго, термопарови су непретенциозни и поуздани, што им омогућава да успешно раде у агресивним температурним и хемијским окружењима. Такви уређаји су чак инсталирани у котловима на гас. Принцип рада термоелемента остаје увек исти, без обзира на услове рада. Неће сваки други тип сензора моћи да издржи такав утицај.
Технологија производње и производње термопарова је једноставна и лака за примену у пракси. Грубо говорећи, довољно је само заврнути или заварити крајеве жица од различитих металних материјала.
Још једна позитивна карактеристика је тачност мерења и занемарљива грешка (само 1 степен). Ова тачност је више него довољна за потребе индустријске производње и за научна истраживања.
Мане термоелемента
Недостатака термоелемента нема много, посебно у поређењу са најближим конкурентима (температурни сензори других врста), али ипак јесу, и било би неправедно ћутати о њима.
Дакле, разлика потенцијала мери се у миливолтима. Због тога је неопходно користити врло осетљиве потенциометре. А ако узмемо у обзир да мерни уређаји не могу увек бити постављени у непосредној близини места сакупљања експерименталних података, онда се морају користити нека појачала. То узрокује низ непријатности и доводи до непотребних трошкова у организацији и припреми производње.
