Bir termokuplun çalışma ve tasarım prensibi son derece basittir. Bu, bu cihazın popülaritesine ve bilim ve teknolojinin tüm dallarında yaygın kullanımına yol açtı. Termokupl, -270 ila 2500 Santigrat derece arasında geniş bir aralıktaki sıcaklıkları ölçmek için tasarlanmıştır. Cihaz, onlarca yıldır mühendisler ve bilim adamları için vazgeçilmez bir yardımcı olmuştur. Güvenilir ve kusursuz çalışır ve sıcaklık okumaları her zaman doğrudur. Daha mükemmel ve doğru bir cihaz basitçe mevcut değildir. Tüm modern cihazlar termokupl prensibine göre çalışır. Zor koşullarda çalışırlar.
Termokupl ataması
Bu cihaz, termal enerjiyi elektrik akımına çevirerek sıcaklık ölçümüne izin verir. Geleneksel cıva termometrelerinin aksine, hem aşırı düşük hem de aşırı yüksek sıcaklık koşullarında çalışabilir. Bu özellik, çok çeşitli kurulumlarda termokuplların yaygın kullanımına yol açmıştır: endüstriyel metalürjik fırınlar, gaz kazanları, kimyasal ısıl işlem için vakum odaları, ev tipi gaz sobaları için fırınlar. Bir termokuplun çalışma prensibi her zaman değişmeden kalır ve monte edildiği cihaza bağlı değildir.
Termokuplun güvenilir ve kesintisiz çalışması, izin verilen sıcaklık sınırlarının aşılması durumunda cihazların acil kapatma sisteminin çalışmasına bağlıdır. Bu nedenle, insanların hayatlarını tehlikeye atmamak için bu cihaz güvenilir olmalı ve doğru okumalar vermelidir.
Termokupl uygulaması
Diferansiyel sıcaklık sensörleri, iki farklı noktadaki sıcaklık farkıyla orantılı bir elektrik sinyali üretir.
Bu nedenle iletkenlerin bağlandığı, gerekli sıcaklığın ölçüldüğü yere sıcak bağlantı, karşı yer soğuk bağlantı noktasıdır. Bunun nedeni ölçülen sıcaklığın, ölçüm cihazını çevreleyen sıcaklıktan daha yüksek olmasıdır. Ölçümlerin karmaşıklığı, yalnızca fark belirlendiğinde sıcaklığı iki farklı noktada değil, bir noktada ölçme ihtiyacında yatmaktadır.
Belirli bir noktada bir termokupl ile sıcaklığı ölçmek için belirli yöntemler vardır. Bu durumda, herhangi bir devrede topraklamaların toplamının sıfır değerine sahip olacağı gerçeğinden hareket edilmelidir. Ek olarak, farklı metaller birleştirildiğinde gerilimin mutlak sıfırı aşan bir sıcaklıkta meydana geldiği gerçeği dikkate alınmalıdır.
Termokupl nasıl çalışır?
Bir termokuplun üç ana unsuru vardır. Bunlar, farklı malzemelerden elde edilen iki elektrik iletkeni ve koruyucu bir tüptür. İletkenlerin iki ucu (termoelektrotlar olarak da adlandırılır) lehimlenir ve diğer ikisi bir potansiyometreye (sıcaklık ölçüm cihazı) bağlanır.
Basit bir ifadeyle, bir termokuplun çalışma prensibi, termoelektrotların bağlantı noktasının sıcaklığının ölçülmesi gereken bir ortama yerleştirilmesidir. Seebeck kuralı uyarınca, iletkenlerde potansiyel bir fark ortaya çıkar (aksi takdirde - termoelektrik). Ortamın sıcaklığı ne kadar yüksekse, potansiyel fark o kadar önemlidir. Buna göre cihazın oku daha fazla sapmaktadır.
Modern ölçüm komplekslerinde, dijital sıcaklık göstergeleri mekanik cihazın yerini almıştır. Bununla birlikte, yeni cihaz, özellikleri bakımından Sovyet döneminin eski cihazlarından her zaman üstün olmaktan çok uzaktır.Teknik üniversitelerde ve araştırma kurumlarında, bugüne kadar 20-30 yıl önce potansiyometre kullanıyorlar. Ve inanılmaz ölçüm doğruluğu ve kararlılığı sergilerler.
LLC "CB Kontrolleri"
Termokupllar nasıl çalışır?
Temas potansiyeli farkından dolayı bu yapının bir ucunda birbirine benzemeyen metallerden iki tel birbirine bağlanırsa, sıcaklığa bağlı bir voltaj (EMF) ortaya çıkar. Başka bir deyişle, iki farklı metalin kombinasyonu, sıcaklığa duyarlı bir galvanik hücre gibi davranır. Bu tip sıcaklık sensörüne termokupl denir:
Bu fenomen bize sıcaklığın elektriksel eşdeğerini bulmanın kolay bir yolunu sağlar: sadece voltajı ölçmeniz gerekir ve iki metalin bu bağlantısının sıcaklığını belirleyebilirsiniz. Ve aşağıdaki koşul için olmasa da basit olacaktır: termokupl tellerine herhangi bir tür ölçüm cihazı bağladığınızda, kaçınılmaz olarak farklı metallerden ikinci bir bağlantı yaparsınız.
Aşağıdaki diyagram, demir-bakır bağlantısının J1'in zorunlu olarak zıt kutuplu ikinci bir demir-bakır bağlantı noktası J2 ile tamamlandığını göstermektedir:
Demir ve bakırın J1 birleşimi (iki farklı metal) ölçülen sıcaklığa bağlı bir voltaj oluşturacaktır. Bakır voltmetre giriş tellerimizi bir şekilde demir termokupl teline bağlamamız için gerekli olan J2 bağlantısı, aynı zamanda sıcaklığa bağlı bir voltaj da üretecek olan farklı bir metal bağlantıdır. Ayrıca, J2 bağlantısının polaritesinin J1 bağlantısının polaritesine zıt olduğuna dikkat edilmelidir (demir tel pozitiftir; bakır tel negatiftir). Bu şemada ayrıca üçüncü bir bağlantı (J3) vardır, ancak etkisi yoktur, çünkü bu bir EMF oluşturmayan iki özdeş metalin bir bağlantısıdır. J2 bağlantısıyla ikinci bir voltajın oluşturulması, tüm sistem oda sıcaklığında iken voltmetrenin neden 0 volt okuduğunu açıklamaya yardımcı olur: Farklı metallerin birleşim noktalarının oluşturduğu voltajlar büyüklük olarak eşit ve kutup olarak zıt olacaktır. sıfır okuma. Yalnızca iki bağlantı J1 ve J2 farklı sıcaklıklarda olduğunda, voltmetre bir tür voltaj kaydedecektir.
Bu ilişkiyi matematiksel olarak şu şekilde ifade edebiliriz:
Vmetre = VJ1 - VJ2
Sadece bağlantı noktalarında üretilen iki gerilim arasında bir fark olduğu açıktır.
Bu nedenle, termokupllar tamamen diferansiyel sıcaklık sensörleridir. İki farklı nokta arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı bir elektrik sinyali üretirler. Bu nedenle, gerekli sıcaklığı ölçmek için kullandığımız bağlantı noktasına (bağlantı noktasına) "sıcak" bağlantı, diğerine (hiçbir şekilde kaçınamayacağımız) "soğuk" bağlantı denir. Bu isim, genellikle ölçülen sıcaklığın, ölçüm cihazının bulunduğu sıcaklıktan daha yüksek olması gerçeğinden gelmektedir. Termokupl uygulamalarının karmaşıklığının çoğu, soğuk bağlantı voltajı ve bu (istenmeyen) potansiyelin üstesinden gelme ihtiyacı ile ilgilidir. Çoğu uygulama için, sıcaklığı iki nokta arasındaki sıcaklık farkını değil, belirli bir noktada ölçmek gerekir; bu, bir termokuplun tanımı gereği yaptığı şeydir.
İstenilen noktada sıcaklığı ölçmek için bir termokupl sıcaklık sensörü elde etmenin birkaç yöntemi vardır ve bunlar aşağıda tartışılacaktır.
Öğrenciler ve profesyoneller, soğuk kavşak etkisinin genel ilkesini ve etkilerini inanılmaz derecede kafa karıştırıcı bulmaktadır.Bu sorunu anlamak için, daha önce "başlangıç noktası" olarak gösterilen demir-bakır tellerle basit devreye geri dönmek ve ardından ilk Kirchhoff yasasını uygulayarak bu devrenin davranışını çıkarmak gerekir: herhangi bir devre sıfır olmalıdır. Farklı metalleri birleştirmenin, sıcaklığı mutlak sıfırın üzerindeyse stres yarattığını biliyoruz. Ayrıca demir ve bakır telden tam bir devre yapmak için ikinci bir demir ve bakır bağlantısı oluşturmamız gerektiğini biliyoruz, bu ikinci bağlantının voltaj polaritesi mutlaka ilkinin zıt polaritesi olacaktır. Demir ve bakırın ilk bağlantısını J1, ikincisini J2 olarak belirlersek, bu devrede voltmetre ile ölçülen voltajın VJ1 - VJ2 olacağından kesinlikle eminiz.
Basit veya karmaşık olsun, tüm termokupl devreleri bu temel özelliği sergiler. İki farklı metal telden oluşan basit bir devreyi zihinsel olarak hayal etmek ve ardından bir "düşünce deneyi" yapmak, bu devrenin aynı sıcaklıkta ve farklı sıcaklıklarda bağlantı noktasında nasıl davranacağını belirlemek gerekir. Bu, termokuplların nasıl çalıştığını herkesin anlamasının en iyi yoludur.
Seebeck etkisi
Bir termokuplun çalışma prensibi bu fiziksel fenomene dayanmaktadır. Sonuç olarak şudur: Farklı malzemelerden yapılmış iki iletken bağlarsanız (bazen yarı iletkenler kullanılır), o zaman böyle bir elektrik devresi boyunca bir akım dolaşacaktır.
Böylece, iletkenlerin birleşme yeri ısıtılıp soğutulursa, potansiyometre iğnesi salınacaktır. Akım, devreye bağlı bir galvanometre ile de tespit edilebilir.
İletkenlerin aynı malzemeden yapılması durumunda sırasıyla elektromotor kuvveti oluşmayacak, sıcaklığın ölçülmesi mümkün olmayacaktır.
Termokupl bağlantı şeması
Ölçü aletlerini termokupllara bağlamak için en yaygın yöntemler, farklılaştırılmış yöntemin yanı sıra sözde basit yöntemdir. İlk yöntemin özü şu şekildedir: cihaz (potansiyometre veya galvanometre) doğrudan iki iletkene bağlanır. Farklılaştırılmış yöntemde, iletkenlerin bir değil, her iki ucu lehimlenirken, elektrotlardan biri ölçüm cihazı tarafından "kırılır".
Bir termokupl bağlamanın sözde uzak yönteminden bahsetmek imkansızdır. Çalışma prensibi değişmeden kalır. Tek fark, devreye uzatma kablolarının eklenmiş olmasıdır. Bu amaçlar için, sıradan bir bakır kordon uygun değildir, çünkü dengeleme tellerinin mutlaka termokupl iletkenleri ile aynı malzemelerden yapılması gerekir.
Termokuplun fiziksel temeli
Bir termokuplun çalışma prensibi normal fiziksel süreçlere dayanmaktadır. İlk kez, bu cihazın çalıştığı temeldeki etki, Alman bilim adamı Thomas Seebeck tarafından araştırıldı.
Termokuplun çalışma prensibinin dayandığı olgunun özü aşağıdaki gibidir. Farklı tipte iki iletkenden oluşan kapalı bir elektrik devresinde, belirli bir ortam sıcaklığına maruz kaldığında elektrik üretilir.
Ortaya çıkan elektriksel akı ve iletkenlere etki eden ortam sıcaklığı doğrusal bir ilişki içindedir. Yani, sıcaklık ne kadar yüksekse, termokupl tarafından o kadar fazla elektrik akımı üretilir. Bu, bir termokupl ve bir direnç termometresinin çalışma prensibinin temelidir.
Bu durumda, termokuplun bir kontağı, sıcaklığın ölçülmesi gereken noktada bulunur, buna "sıcak" denir. İkinci temas, diğer bir deyişle - "soğuk" - ters yönde.Termokuplların ölçüm için kullanımına yalnızca odadaki hava sıcaklığı ölçüm noktasından daha düşük olduğunda izin verilir.
Bu, termokupl işleminin, çalışma prensibinin kısa bir diyagramıdır. Bir sonraki bölümde termokupl türlerini ele alacağız.
İletken malzemeler
Bir termokuplun çalışma prensibi, iletkenlerde potansiyel bir farkın oluşmasına dayanır. Bu nedenle, elektrot malzemelerinin seçimine çok sorumlu bir şekilde yaklaşılmalıdır. Metallerin kimyasal ve fiziksel özelliklerindeki fark, bir termokuplun çalışmasındaki ana faktördür; cihaz ve çalışma prensibi, devrede kendi kendine indüksiyon EMF'sinin (potansiyel fark) oluşmasına dayanmaktadır.
Teknik olarak saf metaller, termokupl olarak kullanıma uygun değildir (ARMKO demir hariç). Demir dışı ve değerli metallerin çeşitli alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür malzemeler sabit fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir, böylece sıcaklık okumaları her zaman doğru ve objektif olacaktır. Kararlılık ve hassasiyet, deneyin organizasyonunda ve üretim sürecinde anahtar niteliklerdir.
Şu anda, en yaygın termokupllar aşağıdaki tiplerdendir: E, J, K.
Termokupl tipi K
Bu belki de en yaygın ve yaygın olarak kullanılan termokupl türüdür. Bir çift krom - alüminyum, -200 ila 1350 santigrat derece arasındaki sıcaklıklarda harika çalışır. Bu tip termokupl son derece hassastır ve sıcaklıktaki küçük bir sıçramayı bile algılar. Bu parametre seti sayesinde, termokupl hem üretimde hem de bilimsel araştırmada kullanılır. Ancak aynı zamanda önemli bir dezavantajı da var - çalışma atmosferinin bileşiminin etkisi. Dolayısıyla, bu tür bir termokupl bir CO2 ortamında çalışacaksa, o zaman termokupl yanlış okumalar verecektir. Bu özellik, bu tür cihazların kullanımını sınırlar. Termokuplun devresi ve çalışma prensibi değişmeden kalır. Tek fark elektrotların kimyasal bileşimindedir.
Cihaz türleri
Her tip termokupl kendi tanımlamasına sahiptir ve genel kabul görmüş standarda göre bölünmüştür. Her elektrot türünün kendi kısaltması vardır: TXA, TXK, TBR, vb. Dönüştürücüler sınıflandırmaya göre dağıtılır:
- Tip E - bir kromel ve konstantan alaşımıdır. Bu cihazın karakteristiği yüksek hassasiyet ve performans olarak kabul edilir. Bu, özellikle çok düşük sıcaklıklarda kullanım için uygundur.
- J - bir demir ve konstantan alaşımını ifade eder. 50 μV / ° C'ye kadar ulaşabilen yüksek hassasiyete sahiptir.
- Tip K, en popüler kromel / alüminyum alaşımı olarak kabul edilir. Bu termokupllar -200 ° C ile +1350 ° C arasında değişen sıcaklıkları tespit edebilir. Cihazlar, oksitleyici olmayan ve atıl koşullarda bulunan devrelerde, yaşlanma belirtisi olmaksızın kullanılır. Cihazlar oldukça asidik bir ortamda kullanıldığında, chromel hızla paslanır ve bir termokupl ile sıcaklığı ölçmek için kullanılamaz hale gelir.
- Tip M - molibden veya kobalt içeren nikel alaşımlarını temsil eder. Cihazlar 1400 ° C'ye kadar dayanabilir ve vakumlu fırın prensibine göre çalışan tesisatlarda kullanılır.
- Tip N - farkı oksidasyona direnç olarak kabul edilen nişrosil-nisil cihazları. -270 ila +1300 ° C aralığındaki sıcaklıkları ölçmek için kullanılırlar.
Sizin için ilginç olacak Giriş dağıtım cihazlarının (ASU) tanımı ve türleri
Rodyum ve platin alaşımlarından yapılmış termokupllar vardır. B, S, R tiplerine aittirler ve en kararlı cihazlar olarak kabul edilirler. Bu dönüştürücülerin dezavantajları arasında yüksek fiyat ve düşük hassasiyet bulunmaktadır.
Yüksek sıcaklıklarda renyum ve tungsten alaşımlarından yapılan cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca termokupllar amaçlarına ve çalışma koşullarına göre dalgıç ve yüzey olabilir.
Tasarım gereği, cihazlar statik ve hareketli bir bağlantıya veya flanşa sahiptir.Termoelektrik dönüştürücüler, genellikle bir COM bağlantı noktası üzerinden bağlanan ve kasa içindeki sıcaklığı ölçmek için tasarlanmış bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Termokupl İşleminin Kontrol Edilmesi
Termokupl arızalanırsa tamir edilemez. Teorik olarak, elbette düzeltebilirsiniz, ancak cihazın bundan sonra tam sıcaklığı gösterip göstermeyeceği büyük bir soru.
Bazen bir termokuplun arızası açık ve açık değildir. Bu özellikle gazlı su ısıtıcıları için geçerlidir. Bir termokuplun çalışma prensibi hala aynıdır. Bununla birlikte, biraz farklı bir rol oynar ve sıcaklık okumalarını görselleştirmek için değil, valf çalışması için tasarlanmıştır. Bu nedenle, böyle bir termokuplun arızasını tespit etmek için, ona bir ölçüm cihazı (test cihazı, galvanometre veya potansiyometre) bağlamak ve termokupl bağlantısını ısıtmak gerekir. Bunu yapmak için, açık ateşte tutulması gerekli değildir. Sadece yumrukla sıkmak ve cihazın okunun sapıp sapmayacağını görmek yeterli.
Termokuplların arızalanmasının nedenleri farklı olabilir. Bu nedenle, iyon-plazma nitrürleme ünitesinin vakum odasına yerleştirilen termokupl üzerine özel bir koruyucu cihaz takmazsanız, zamanla iletkenlerden biri kırılıncaya kadar daha kırılgan hale gelecektir. Ek olarak, elektrotların kimyasal bileşimindeki bir değişiklik nedeniyle termokuplun yanlış çalışması olasılığı da hariç tutulmamaktadır. Sonuçta, termokuplun temel ilkeleri ihlal edildi.
Gaz ekipmanı (kazanlar, kolonlar) ayrıca termokupllarla donatılmıştır. Elektrot arızasının ana nedeni, yüksek sıcaklıklarda gelişen oksidatif süreçlerdir.
Cihazın okumalarının kasıtlı olarak yanlış olması ve harici bir muayene sırasında zayıf kelepçelerin bulunmaması durumunda, bunun nedeni büyük olasılıkla kontrol ve ölçüm cihazının arızasında yatmaktadır. Bu durumda, onarım için iade edilmelidir. Uygun niteliklere sahipseniz, kendi kendinize sorun gidermeyi deneyebilirsiniz.
Ve genel olarak, potansiyometre iğnesi veya dijital gösterge en azından bazı "yaşam belirtileri" gösteriyorsa, termokupl iyi çalışır durumda demektir. Bu durumda, sorun açıkça başka bir şeydir. Ve buna göre, cihaz sıcaklık rejimindeki belirgin değişikliklere herhangi bir şekilde tepki vermezse, termokuplu güvenle değiştirebilirsiniz.
Bununla birlikte, termokuplu söküp yenisini takmadan önce, arızalı olduğundan tamamen emin olmanız gerekir. Bunu yapmak için, termokuplun sıradan bir test cihazı ile çalması veya daha iyisi, çıkıştaki voltajı ölçmek yeterlidir. Burada sadece sıradan bir voltmetrenin yardımcı olması pek olası değildir. Bir milivoltmetre veya ölçüm ölçeği seçme becerisine sahip bir test cihazına ihtiyacınız olacak. Sonuçta, potansiyel fark çok küçük bir değerdir. Ve standart bir cihaz onu hissetmeyecek ve düzeltmeyecektir bile.
Tasarım özellikleri
Sıcaklığı ölçme süreci konusunda daha titiz olursak, bu prosedür bir termoelektrik termometre kullanılarak gerçekleştirilir. Bu cihazın ana hassas unsuru bir termokupldur.
Ölçüm işleminin kendisi, termokupl içinde bir elektromotor kuvvetin oluşması nedeniyle gerçekleşir. Bir termokupl cihazının bazı özellikleri vardır:
- Elektrotlar, elektrik ark kaynağı kullanarak bir noktada yüksek sıcaklıkları ölçmek için termokupllara bağlanır. Küçük göstergeleri ölçerken, böyle bir temas lehimleme kullanılarak yapılır. Tungsten-renyum ve tungsten-molibden cihazlarındaki özel bileşikler, ek işlem yapılmadan sıkı bükümler kullanılarak gerçekleştirilir.
- Elemanların bağlantısı sadece çalışma alanında gerçekleştirilir ve geri kalan uzunluk boyunca birbirlerinden izole edilirler.
- Üst sıcaklık değerine bağlı olarak yalıtım yöntemi gerçekleştirilir.100 ila 120 ° C değer aralığı ile hava dahil her türlü yalıtım kullanılır. 1300 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda porselen tüpler veya boncuklar kullanılır. Değer 2000 ° C'ye ulaşırsa, alüminyum oksit, magnezyum, berilyum ve zirkonyumdan oluşan bir yalıtım malzemesi kullanılır.
- Sıcaklığın ölçüldüğü sensörün kullanıldığı ortama bağlı olarak bir dış koruyucu kapak kullanılır. Metal veya seramik tüp şeklinde yapılır. Bu koruma, termokuplun mekanik strese karşı su geçirmezliğini ve yüzey korumasını sağlar. Dış kaplama malzemesi yüksek sıcaklığa maruz kalmaya dayanabilmeli ve mükemmel termal iletkenliğe sahip olmalıdır.
Sizin için ilginç olacak Elektronik ve mekanik zaman rölelerinin çalışma prensibi
Sensörün tasarımı büyük ölçüde kullanım koşullarına bağlıdır. Bir termokupl oluştururken, ölçülen sıcaklık aralığı, dış ortamın durumu, termal atalet vb. Dikkate alınır.
Termokupl Faydaları
Neden bu kadar uzun bir çalışma geçmişinde termokuplların yerini daha gelişmiş ve modern sıcaklık ölçüm sensörleri almadı? Evet, şu ana kadar başka hiçbir cihazın onunla rekabet edemeyeceği basit bir nedenden dolayı.
İlk olarak, termokupllar nispeten ucuzdur. Belirli koruyucu eleman ve yüzeylerin, bağlantı elemanlarının ve bağlantı elemanlarının kullanılması sonucunda fiyatlar geniş bir aralıkta dalgalanabilmektedir.
İkincisi, ısıl çiftler iddiasız ve güvenilirdir, bu da agresif sıcaklık ve kimyasal ortamlarda başarılı bir şekilde çalıştırılmalarına izin verir. Bu tür cihazlar gaz kazanlarına bile monte edilir. Bir termokuplun çalışma prensibi, çalışma koşullarına bakılmaksızın her zaman aynı kalır. Diğer her sensör türü böyle bir etkiye dayanamayacaktır.
Termokupl üretimi ve üretimi için teknoloji basittir ve pratikte uygulanması kolaydır. Kabaca söylemek gerekirse, farklı metal malzemelerden yapılmış tellerin uçlarını bükmek veya kaynaklamak yeterlidir.
Diğer bir olumlu özellik, ölçümlerin doğruluğu ve ihmal edilebilir hatadır (sadece 1 derece). Bu doğruluk, endüstriyel üretimin ihtiyaçları ve bilimsel araştırmalar için fazlasıyla yeterlidir.
Termokuplun Dezavantajları
Bir termokuplun, özellikle en yakın rakipleriyle (diğer türlerdeki sıcaklık sensörleri) karşılaştırıldığında pek çok dezavantajı yoktur, ancak yine de öyledir ve onlar hakkında sessiz kalmak haksızlık olur.
Dolayısıyla, potansiyel fark milivolt cinsinden ölçülür. Bu nedenle çok hassas potansiyometreler kullanmak gerekir. Ve ölçüm cihazlarının her zaman deneysel verilerin toplandığı yerin yakınına yerleştirilemeyeceğini hesaba katarsak, bazı amplifikatörlerin kullanılması gerekir. Bu, bir takım rahatsızlıklara neden olur ve organizasyonda ve üretimin hazırlanmasında gereksiz maliyetlere yol açar.
