Princippet om drift og design af et termoelement er ekstremt simpelt. Dette førte til populariteten af denne enhed og dens udbredte anvendelse i alle grene af videnskab og teknologi. Termoelementet er designet til at måle temperaturer i et bredt interval - fra -270 til 2500 grader Celsius. Enheden har været en uundværlig assistent for ingeniører og forskere i årtier. Det fungerer pålideligt og fejlfrit, og temperaturaflæsningerne er altid sande. En mere perfekt og nøjagtig enhed findes simpelthen ikke. Alle moderne enheder fungerer på termoelementprincippet. De arbejder under vanskelige forhold.
Termoelementopgave
Denne enhed konverterer termisk energi til elektrisk strøm og tillader temperaturmåling. I modsætning til traditionelle kviksølvtermometre er den i stand til at fungere under forhold med ekstremt lave og ekstremt høje temperaturer. Denne funktion har ført til en udbredt anvendelse af termoelementer i en lang række installationer: industrielle metallurgiske ovne, gaskedler, vakuumkamre til kemisk varmebehandling, ovn til husholdningsgaskomfurer. Princippet om drift af et termoelement forbliver altid uændret og afhænger ikke af den enhed, det er monteret i.
Pålidelig og uafbrudt drift af termoelementet afhænger af funktionen af udstyrets nødlukningssystem i tilfælde af overskridelse af de tilladte temperaturgrænser. Derfor skal denne enhed være pålidelig og give nøjagtige aflæsninger for ikke at bringe folks liv i fare.
Anvendelse af termoelementer
Differentialtemperatursensorer genererer et elektrisk signal, der er i forhold til temperaturforskellen på to forskellige punkter.
Derfor kaldes stedet, hvor lederne er forbundet, hvor den krævede temperatur måles, et varmt kryds, og det modsatte sted er et koldt kryds. Dette skyldes, at temperaturen, der måles, er højere end temperaturen omkring måleenheden. Kompleksiteten af målinger ligger i behovet for at måle temperaturen på et punkt og ikke på to forskellige punkter, når kun forskellen bestemmes.
Der er visse metoder til at måle temperaturen med et termoelement på et bestemt punkt. I dette tilfælde skal man gå ud fra det faktum, at summen af jordforbindelserne i ethvert kredsløb har nul værdi. Derudover skal man tage højde for det faktum, at når forskellige metaller sammenføjes, opstår der stress ved en temperatur, der overstiger absolut nul.
Sådan fungerer termoelementet
Et termoelement har tre hovedelementer. Disse er to ledere af elektricitet fra forskellige materialer samt et beskyttende rør. De to ender af lederne (også kaldet termoelektroder) er loddet, og de to andre er forbundet til et potentiometer (temperaturmåler).
Enkelt sagt er princippet for et termoelements drift, at krydset mellem termoelektroder placeres i et miljø, hvis temperatur skal måles. I overensstemmelse med Seebeck-reglen opstår der en potentiel forskel på lederne (ellers termoelektricitet). Jo højere temperaturen på mediet er, jo mere signifikant er potentialforskellen. Følgelig afviger enhedens pil mere.
I moderne målekomplekser har digitale temperaturindikatorer erstattet den mekaniske enhed. Imidlertid er den nye enhed langt fra altid bedre i sine egenskaber end de gamle enheder fra den sovjetiske æra.På tekniske universiteter og i forskningsinstitutioner bruger de den dag i dag potentiometre for 20-30 år siden. Og de udviser forbløffende målenøjagtighed og stabilitet.
LLC "CB-kontrol"
Sådan fungerer termoelementer
Hvis to ledninger af forskellige metaller er forbundet til hinanden i den ene ende, i den anden ende af denne struktur på grund af kontaktpotentialeforskellen, vises en spænding (EMF), som afhænger af temperaturen. Med andre ord opfører kombinationen af to forskellige metaller sig som en temperaturfølsom galvanisk celle. Denne type temperatursensor kaldes et termoelement:
Dette fænomen giver os en nem måde at finde den elektriske ækvivalent med temperatur: du skal bare måle spændingen, og du kan bestemme temperaturen på denne krydsning af to metaller. Og det ville være simpelt, hvis ikke for følgende tilstand: Når du forbinder en hvilken som helst måleindretning til termoelementtrådene, vil du uundgåeligt foretage et andet kryds af forskellige metaller.
Følgende diagram viser, at jern-kobberforbindelsen J1 nødvendigvis suppleres med en anden jern-kobberforbindelse J2 med modsat polaritet:
J1-krydset mellem jern og kobber (to forskellige metaller) genererer en spænding afhængig af den målte temperatur. J2-forbindelsen, som faktisk kræves, at vi på en eller anden måde tilsluttede vores kobbervoltmeterindgangsledninger til jerntermoelementledningen, er også en anden metalforbindelse, der også genererer en temperaturafhængig spænding. Yderligere skal det bemærkes, at J2-forbindelsens polaritet er modsat J1-forbindelsens polaritet (jerntråden er positiv; kobbertråden er negativ). I denne ordning er der også en tredje forbindelse (J3), men den har ingen effekt, fordi dette er en forbindelse af to identiske metaller, som ikke skaber en EMF. Dannelsen af en anden spænding ved krydset J2 hjælper med at forklare, hvorfor voltmeteret læser 0 volt, når hele systemet er ved stuetemperatur: eventuelle spændinger, der oprettes af krydspunkterne for forskellige metaller, vil være lige store og modsatte i polaritet, hvilket vil føre til nul aflæsninger. Først når de to forbindelser J1 og J2 har forskellige temperaturer, registrerer voltmeteret en slags spænding.
Vi kan udtrykke dette forhold matematisk som følger:
Vmeter = VJ1 - VJ2
Det er klart, at der kun er en forskel mellem de to spændinger, der genereres ved forbindelsespunkterne.
Således er termoelementer rent differentielle temperaturfølere. De genererer et elektrisk signal, der er proportionalt med temperaturforskellen mellem to forskellige punkter. Derfor kaldes krydset (krydset), som vi bruger til at måle den krævede temperatur, det "varme" kryds, mens det andet kryds (som vi ikke kan undgå på nogen måde) kaldes det "kolde" kryds. Dette navn kommer fra det faktum, at den målte temperatur normalt er højere end den temperatur, hvor måleenheden er placeret. Meget af kompleksiteten af termoelementapplikationer er relateret til den kolde krydsspænding og behovet for at håndtere dette (uønskede) potentiale. For de fleste applikationer er det nødvendigt at måle temperaturen på et bestemt punkt, ikke temperaturforskellen mellem to punkter, hvilket er, hvad et termoelement gør pr. Definition.
Der er flere metoder til at få en termoelementtemperatursensor til at måle temperaturen på det ønskede punkt, og disse vil blive diskuteret nedenfor.
Studerende og fagfolk finder ofte det generelle princip om kold krydsindflydelse og dens virkninger utrolig forvirrende.For at forstå dette problem er det nødvendigt at vende tilbage til det enkle kredsløb med jern - kobbertråde, der tidligere er vist som "startpunktet", og derefter udlede dette kredsløbs opførsel ved at anvende den første Kirchhoffs lov: den algebraiske sum af belastninger i ethvert kredsløb skal være nul. Vi ved, at sammenføjning af forskellige metaller skaber stress, hvis temperaturen er over absolut nul. Vi ved også, at for at skabe et komplet kredsløb af jern og kobbertråd, skal vi danne en anden forbindelse af jern og kobber, spændingspolariteten på denne anden forbindelse vil nødvendigvis være den modsatte polaritet af den første. Hvis vi betegner den første forbindelse af jern og kobber som J1, og J2 den anden, er vi helt sikre på, at spændingen målt af voltmeteret i dette kredsløb vil være VJ1 - VJ2.
Alle termoelementkredsløb - hvad enten de er enkle eller komplekse - udviser denne grundlæggende egenskab. Det er nødvendigt mentalt at forestille sig et simpelt kredsløb med to forskellige metaltråde og derefter udføre et "tankeeksperiment", bestemme hvordan dette kredsløb vil opføre sig ved krydset ved den samme temperatur og ved forskellige temperaturer. Dette er den bedste måde for nogen at forstå, hvordan termoelementer fungerer.
Seebeck-effekt
Princippet om drift af et termoelement er baseret på dette fysiske fænomen. Bundlinjen er denne: hvis du forbinder to ledere lavet af forskellige materialer (nogle gange bruges halvledere), så cirkulerer en strøm langs et sådant elektrisk kredsløb.
Hvis ledningsforbindelsen således opvarmes og afkøles, vil potentiometernålen svinge. Strømmen kan også detekteres ved hjælp af et galvanometer tilsluttet kredsløbet.
I tilfælde af at lederne er lavet af det samme materiale, vil den elektromotoriske kraft ikke forekomme henholdsvis, det er ikke muligt at måle temperaturen.
Termoelementforbindelsesdiagram
De mest almindelige metoder til tilslutning af måleinstrumenter til termoelementer er den såkaldte enkle metode såvel som den differentierede. Essensen af den første metode er som følger: Enheden (potentiometer eller galvanometer) er direkte forbundet til to ledere. Med den differentierede metode loddes ikke en, men begge ender af lederne, mens en af elektroderne "knækkes" af måleenheden.
Det er umuligt ikke at nævne den såkaldte fjernmetode til at forbinde et termoelement. Driftsprincippet forbliver uændret. Den eneste forskel er, at forlængerledninger føjes til kredsløbet. Til disse formål er en almindelig kobberledning ikke egnet, da kompensationstrådene nødvendigvis skal være lavet af de samme materialer som termoelementledere.
Det fysiske grundlag for termoelementet
Driftsprincippet for et termoelement er baseret på normale fysiske processer. For første gang blev effekten af, hvorpå denne enhed fungerer, undersøgt af den tyske videnskabsmand Thomas Seebeck.
Essensen af fænomenet, som termoelementets funktionsprincip er baseret på, er som følger. I et lukket elektrisk kredsløb, der består af to ledere af forskellige typer, genereres elektricitet, når de udsættes for en bestemt omgivelsestemperatur.
Den resulterende elektriske strømning og den omgivende temperatur, der virker på lederne, er i et lineært forhold. Jo højere temperatur, jo mere elektrisk strøm genereres af termoelementet. Dette er grundlaget for funktionsprincippet for et termoelement og et modstandstermometer.
I dette tilfælde er en kontakt af termoelementet placeret på det punkt, hvor det er nødvendigt at måle temperaturen, det kaldes "varmt". Den anden kontakt, med andre ord - "kold" - i den modsatte retning.Brug af termoelementer til måling er kun tilladt, når lufttemperaturen i rummet er lavere end på målepunktet.
Dette er et kort diagram over termoelementoperationen, driftsprincippet. Vi vil overveje typer termoelementer i det næste afsnit.
Ledermaterialer
Princippet om drift af et termoelement er baseret på forekomsten af en potentiel forskel i ledere. Derfor skal valget af elektrodematerialer kontaktes meget ansvarligt. Forskellen i metals kemiske og fysiske egenskaber er den vigtigste faktor i driften af et termoelement, hvis enhed og funktionsprincip er baseret på forekomsten af en EMF for selvinduktion (potentialforskel) i kredsløbet.
Teknisk set er rene metaller ikke egnede til brug som termoelement (med undtagelse af ARMKO jern). Forskellige legeringer af ikke-jernholdige og ædle metaller anvendes ofte. Sådanne materialer har stabile fysiske og kemiske egenskaber, så temperaturaflæsninger altid vil være nøjagtige og objektive. Stabilitet og præcision er nøglekvaliteter i organisationen af eksperimentet og produktionsprocessen.
I øjeblikket er de mest almindelige termoelementer af følgende typer: E, J, K.
Termoelement type K
Dette er måske den mest almindelige og udbredte type termoelement. Et par kromeluminium fungerer godt ved temperaturer fra -200 til 1350 grader Celsius. Denne type termoelement er meget følsom og registrerer endda et lille temperaturstigning. Takket være dette sæt parametre bruges termoelementet både til produktion og til videnskabelig forskning. Men det har også en betydelig ulempe - indflydelsen af arbejdstematets sammensætning. Så hvis denne type termoelement fungerer i et CO2-miljø, giver termoelementet forkerte aflæsninger. Denne funktion begrænser brugen af denne type enhed. Kredsløbet og funktionsprincippet for termoelementet forbliver uændret. Den eneste forskel er i elektrodernes kemiske sammensætning.
Typer af enheder
Hver type termoelement har sin egen betegnelse, og de er opdelt efter den almindeligt accepterede standard. Hver type elektrode har sin egen forkortelse: TXA, TXK, TBR osv. Omformere distribueres i henhold til klassificeringen:
- Type E - er en legering af krom og konstantan. Karakteristikken ved denne enhed anses for at være høj følsomhed og ydeevne. Dette er især velegnet til brug ved ekstremt lave temperaturer.
- J - henviser til en legering af jern og konstantan. Den har høj følsomhed, som kan nå op til 50 μV / ° C.
- Type K betragtes som den mest populære krom / aluminiumslegering. Disse termoelementer kan registrere temperaturer fra -200 ° C til +1350 ° C. Enhederne bruges i kredsløb placeret under ikke-oxiderende og inerte forhold uden tegn på ældning. Når enhederne bruges i et ret surt miljø, korroderer chromel hurtigt og bliver ubrugeligt til måling af temperaturen med et termoelement.
- Type M - repræsenterer legeringer af nikkel med molybdæn eller cobalt. Enhederne tåler op til 1400 ° C og bruges i installationer, der fungerer efter princippet om vakuumovne.
- Type N - nichrosil-nisil-enheder, hvis forskel anses for at være modstandsdygtig over for oxidation. De bruges til at måle temperaturer i området fra -270 til +1300 ° C.
Det vil være interessant for dig Beskrivelse og typer af inputdistributionsenheder (ASU)
Der er termoelementer lavet af rhodium og platinlegeringer. De tilhører type B, S, R og betragtes som de mest stabile enheder. Ulemperne ved disse omformere inkluderer høj pris og lav følsomhed.
Ved høje temperaturer anvendes apparater lavet af rhenium og wolframlegeringer i vid udstrækning. Desuden kan termoelementer i henhold til deres formål og driftsforhold være nedsænkelige og overflade.
Efter design har enhederne en statisk og bevægelig samling eller flange.Termoelektriske omformere bruges i vid udstrækning i computere, som normalt er forbundet via en COM-port og er designet til at måle temperaturen inde i kabinettet.
Kontrol af termoelementets funktion
Hvis termoelementet fejler, kan det ikke repareres. Teoretisk kan du selvfølgelig rette det, men om enheden viser den nøjagtige temperatur efter det er et stort spørgsmål.
Nogle gange er svigt af et termoelement ikke indlysende og åbenlyst. Dette gælder især gasvandvarmerne. Princippet om drift af et termoelement er stadig det samme. Det spiller dog en lidt anden rolle og er ikke beregnet til visualisering af temperaturaflæsninger, men til ventilbetjening. Derfor er det nødvendigt at tilslutte en måleindretning (tester, galvanometer eller potentiometer) til det for at opdage en funktionsfejl i et sådant termoelement og opvarme krydset mellem termoelementet. For at gøre dette er det ikke nødvendigt at holde det over åben ild. Det er nok bare at presse det i en knytnæve og se, om enhedens pil vil afvige.
Årsagerne til svigt af termoelementer kan være forskellige. Så hvis du ikke sætter en speciel afskærmningsenhed på termoelementet anbragt i vakuumkammeret på ion-plasma-nitreringsenheden, bliver den over tid mere og mere skrøbelig, indtil en af lederne går i stykker. Derudover er muligheden for forkert drift af termoelementet på grund af en ændring i elektrodernes kemiske sammensætning ikke udelukket. Når alt kommer til alt er de grundlæggende principper for termoelementet krænket.
Gasudstyr (kedler, søjler) er også udstyret med termoelementer. Hovedårsagen til elektrodefejl er oxidative processer, der udvikler sig ved høje temperaturer.
I det tilfælde, hvor aflæsningerne af enheden bevidst er falske, og under en ekstern undersøgelse blev der ikke fundet svage klemmer, så ligger årsagen sandsynligvis i svigt i kontrol- og måleenheden. I dette tilfælde skal den returneres til reparation. Hvis du har de relevante kvalifikationer, kan du prøve at foretage fejlfinding selv.
Og generelt, hvis potentiometernålen eller den digitale indikator i det mindste viser nogle "livstegn", så er termoelementet i god stand. I dette tilfælde er problemet helt klart noget andet. Og følgelig, hvis enheden ikke reagerer på nogen måde på åbenlyse ændringer i temperaturregimet, kan du sikkert ændre termoelementet.
Inden du demonterer termoelementet og installerer et nyt, skal du dog sikre dig, at det er defekt. For at gøre dette er det nok at ringe termoelementet med en almindelig tester, eller endnu bedre, måle spændingen ved udgangen. Kun et almindeligt voltmeter kan næppe hjælpe her. Du skal bruge et millivoltmeter eller en tester, der har mulighed for at vælge en måleskala. Den potentielle forskel er trods alt en meget lille værdi. Og en standardenhed vil ikke engang mærke det og ikke rette det.
Designfunktioner
Hvis vi er mere omhyggelige med processen med at måle temperaturen, udføres denne procedure ved hjælp af et termoelektrisk termometer. Det vigtigste følsomme element i denne enhed er et termoelement.
Selve måleprocessen sker på grund af skabelsen af en elektromotorisk kraft i termoelementet. Der er nogle funktioner i en termoelementenhed:
- Elektroderne er forbundet i termoelementer til måling af høje temperaturer på et tidspunkt ved hjælp af elektrisk lysbuesvejsning. Ved måling af små indikatorer oprettes en sådan kontakt ved hjælp af lodning. Specielle forbindelser i wolfram-rhenium- og wolfram-molybdæn-enheder udføres ved hjælp af tætte vendinger uden yderligere behandling.
- Forbindelsen af elementerne udføres kun i arbejdsområdet, og langs resten af længden er de isoleret fra hinanden.
- Isoleringsmetoden udføres afhængigt af den øvre temperaturværdi.Med et værdiområde fra 100 til 120 ° C anvendes enhver form for isolering, inklusive luft. Porcelænsrør eller perler anvendes ved temperaturer op til 1300 ° C. Hvis værdien når 2000 ° C, anvendes et isolerende materiale af aluminiumoxid, magnesium, beryllium og zirconium.
- Der anvendes et ydre beskyttelsesdæksel afhængigt af det miljø, hvor sensoren bruges, hvor temperaturen måles. Det er lavet i form af et metal- eller keramikrør. Denne beskyttelse giver vandtætning og overfladebeskyttelse af termoelementet mod mekanisk belastning. Det ydre dækmateriale skal kunne modstå høj temperatureksponering og have fremragende varmeledningsevne.
Det vil være interessant for dig Princippet om drift af elektroniske og mekaniske tidsrelæer
Sensorens design afhænger stort set af betingelserne for dens anvendelse. Når man opretter et termoelement, tages der hensyn til rækkevidden af målte temperaturer, tilstanden af det ydre miljø, termisk inerti osv.
Fordele ved termoelement
Hvorfor er termoelementer ikke blevet erstattet af mere avancerede og moderne temperaturmålesensorer gennem en så lang driftshistorie? Ja, af den enkle grund, at indtil nu ingen andre enheder kan konkurrere med det.
For det første er termoelementer relativt billige. Selvom priserne kan svinge inden for en bred vifte som følge af brugen af visse beskyttelseselementer og overflader, stik og stik.
For det andet er termoelementer uhøjtidelige og pålidelige, hvilket gør det muligt at betjene dem med succes i aggressive temperatur- og kemiske miljøer. Sådanne enheder er endda installeret i gaskedler. Princippet om drift af et termoelement forbliver altid det samme, uanset driftsforhold. Ikke alle andre sensortyper er i stand til at modstå en sådan påvirkning.
Teknologien til fremstilling og fremstilling af termoelementer er enkel og nem at implementere i praksis. Groft sagt er det nok bare at vride eller svejse enderne af ledninger fra forskellige metalmaterialer.
En anden positiv egenskab er målingernes nøjagtighed og den ubetydelige fejl (kun 1 grad). Denne nøjagtighed er mere end nok til behovene i industriel produktion og til videnskabelig forskning.
Ulemper ved termoelement
Der er ikke mange ulemper ved et termoelement, især når man sammenligner med dets nærmeste konkurrenter (temperaturfølere af andre typer), men de er stadig, og det ville være uretfærdigt at tie om dem.
Så den potentielle forskel måles i millivolt. Derfor er det nødvendigt at bruge meget følsomme potentiometre. Og hvis vi tager i betragtning, at måleinstrumenter ikke altid kan placeres i umiddelbar nærhed af stedet for indsamling af eksperimentelle data, skal der bruges nogle forstærkere. Dette medfører en række ulemper og fører til unødvendige omkostninger ved organisering og forberedelse af produktionen.
