Principiul de funcționare și proiectarea unui termocuplu este extrem de simplu. Acest lucru a dus la popularitatea acestui dispozitiv și la utilizarea sa pe scară largă în toate ramurile științei și tehnologiei. Termocuplul este conceput pentru a măsura temperaturile într-o gamă largă - de la -270 la 2500 grade Celsius. Dispozitivul a fost un asistent indispensabil pentru ingineri și oameni de știință de zeci de ani. Funcționează fiabil și impecabil, iar citirile de temperatură sunt întotdeauna adevărate. Un dispozitiv mai perfect și mai precis pur și simplu nu există. Toate dispozitivele moderne funcționează pe principiul termocuplului. Lucrează în condiții dificile.
Alocarea termocuplului
Acest dispozitiv convertește energia termică în curent electric și permite măsurarea temperaturii. Spre deosebire de termometrele tradiționale cu mercur, acesta poate funcționa atât în condiții de temperaturi extrem de scăzute, cât și de temperaturi extrem de ridicate. Această caracteristică a condus la utilizarea pe scară largă a termocuplurilor într-o mare varietate de instalații: cuptoare industriale metalurgice, cazane pe gaz, camere de vid pentru tratamentul termic chimic, cuptor pentru sobe de uz casnic. Principiul de funcționare al unui termocuplu rămâne întotdeauna neschimbat și nu depinde de dispozitivul în care este montat.
Funcționarea fiabilă și neîntreruptă a termocuplului depinde de funcționarea sistemului de oprire de urgență a dispozitivelor în cazul depășirii limitelor de temperatură admise. Prin urmare, acest dispozitiv trebuie să fie fiabil și să ofere citiri exacte pentru a nu pune în pericol viața oamenilor.
Aplicarea termocuplurilor
Senzorii de temperatură diferențială generează un semnal electric care este proporțional cu diferența de temperatură în două puncte diferite.
Prin urmare, locul unde sunt conectați conductorii, unde se măsoară temperatura necesară, se numește joncțiune fierbinte, iar locul opus este o joncțiune rece. Acest lucru se datorează faptului că temperatura măsurată este mai mare decât temperatura din jurul dispozitivului de măsurare. Complexitatea măsurătorilor constă în necesitatea măsurării temperaturii la un moment dat și nu la două puncte diferite, când se determină doar diferența.
Există anumite metode de măsurare a temperaturii cu un termocuplu la un anumit punct. În acest caz, trebuie să plecăm de la faptul că în orice circuit suma pământurilor va avea valoare zero. În plus, trebuie să se țină cont de faptul că atunci când se unesc metale diferite, stresul apare la o temperatură care depășește zero absolut.
Cum funcționează termocuplul
Un termocuplu are trei elemente principale. Aceștia sunt doi conductori de electricitate din materiale diferite, precum și un tub de protecție. Cele două capete ale conductoarelor (numite și termoelectrozi) sunt lipite, iar celelalte două sunt conectate la un potențiometru (dispozitiv de măsurare a temperaturii).
În termeni simpli, principiul de funcționare al unui termocuplu este că joncțiunea termoelectrozilor este plasată într-un mediu, a cărui temperatură trebuie măsurată. În conformitate cu regula Seebeck, apare o diferență de potențial asupra conductoarelor (altfel - termoelectricitate). Cu cât temperatura mediului este mai mare, cu atât diferența de potențial este mai semnificativă. În consecință, săgeata dispozitivului deviază mai mult.
În complexele moderne de măsurare, indicatorii digitali de temperatură au înlocuit dispozitivul mecanic. Cu toate acestea, noul dispozitiv este departe de a fi întotdeauna superior în caracteristicile sale vechilor dispozitive din epoca sovietică.În universitățile tehnice și în instituțiile de cercetare, până în ziua de azi ei folosesc potențiometre în urmă cu 20-30 de ani. Și prezintă precizie și stabilitate uimitoare de măsurare.
LLC "CB Controls"
Cum funcționează termocuplurile
Dacă două fire de metale diferite sunt conectate între ele la un capăt, la celălalt capăt al acestei structuri, datorită diferenței de potențial de contact, apare o tensiune (EMF), care depinde de temperatură. Cu alte cuvinte, combinația a două metale diferite se comportă ca o celulă galvanică sensibilă la temperatură. Acest tip de senzor de temperatură se numește termocuplu:
Acest fenomen ne oferă o modalitate ușoară de a găsi echivalentul electric al temperaturii: trebuie doar să măsurați tensiunea și puteți determina temperatura acestei joncțiuni a două metale. Și ar fi simplu, dacă nu pentru următoarea condiție: atunci când conectați orice fel de dispozitiv de măsurare la firele termocuplului, veți realiza inevitabil o a doua joncțiune din metale diferite.
Următoarea diagramă arată că joncțiunea fier-cupru J1 este completată în mod necesar de o a doua joncțiune fier-cupru J2 cu polaritate opusă:
Joncțiunea J1 a fierului și a cuprului (două metale diferite) va genera o tensiune dependentă de temperatura măsurată. Conexiunea J2, care este de fapt necesară pentru a ne conecta cumva firele de intrare a voltmetrului de cupru la firul termocuplului de fier, este, de asemenea, o conexiune metalică diferită, care va genera, de asemenea, o tensiune dependentă de temperatură. Mai mult, trebuie remarcat faptul că polaritatea conexiunii J2 este opusă polarității conexiunii J1 (firul de fier este pozitiv; firul de cupru este negativ). În această schemă, există și o a treia conexiune (J3), dar nu are niciun efect, deoarece aceasta este o conexiune a două metale identice, care nu creează un EMF. Generarea unei a doua tensiuni prin joncțiunea J2 ajută la explicarea de ce voltmetrul citește 0 volți atunci când întregul sistem este la temperatura camerei: orice tensiuni create de punctele de joncțiune ale metalelor diferite vor fi egale în mărime și opuse în polaritate, ceea ce va duce la zero citiri. Numai când cele două conexiuni J1 și J2 sunt la temperaturi diferite, voltmetrul va înregistra un fel de tensiune.
Putem exprima această relație matematic astfel:
Vmetru = VJ1 - VJ2
Este clar că există doar o diferență între cele două tensiuni generate la punctele de conectare.
Astfel, termocuplurile sunt senzori de temperatură pur diferențiali. Acestea generează un semnal electric proporțional cu diferența de temperatură dintre două puncte diferite. Prin urmare, joncțiunea (joncțiunea) pe care o folosim pentru a măsura temperatura necesară se numește joncțiunea „fierbinte”, în timp ce cealaltă joncțiune (pe care nu o putem evita în niciun fel) se numește joncțiunea „rece”. Acest nume provine din faptul că, de obicei, temperatura măsurată este mai mare decât temperatura la care se află dispozitivul de măsurare. O mare parte din complexitatea aplicațiilor cu termocuplu este legată de tensiunea de joncțiune rece și de necesitatea de a face față acestui potențial (nedorit). Pentru majoritatea aplicațiilor, este necesar să se măsoare temperatura la un punct specific, nu diferența de temperatură dintre două puncte, ceea ce face un termocuplu prin definiție.
Există mai multe metode pentru a obține un senzor de temperatură a termocuplului pentru a măsura temperatura la punctul dorit, iar acestea vor fi discutate mai jos.
Studenții și profesioniștii găsesc adesea principiul general al influenței joncțiunilor reci și efectele sale incredibil de confuz.Pentru a înțelege această problemă, este necesar să reveniți la circuitul simplu cu fire de fier - cupru, prezentat mai devreme ca „punctul de plecare”, și apoi deduceți comportamentul acestui circuit, aplicând prima lege a lui Kirchhoff: suma algebrică a tensiunilor din orice circuit trebuie să fie zero. Știm că îmbinarea metalelor diferite creează stres dacă temperatura sa este peste zero absolut. Știm, de asemenea, că, pentru a realiza un circuit complet de sârmă de fier și cupru, trebuie să formăm o a doua conexiune de fier și cupru, polaritatea tensiunii acestei a doua conexiuni va fi în mod necesar polaritatea opusă celei dintâi. Dacă desemnăm prima conexiune de fier și cupru ca J1, iar J2 a doua, suntem absolut încrezători că tensiunea măsurată de voltmetrul din acest circuit va fi VJ1 - VJ2.
Toate circuitele de termocuplu - fie că sunt simple sau complexe - prezintă această caracteristică fundamentală. Este necesar să ne imaginăm mental un circuit simplu din două fire metalice diferite și apoi, efectuând un „experiment de gândire”, să determinăm modul în care acest circuit se va comporta la joncțiune la aceeași temperatură și la temperaturi diferite. Acesta este cel mai bun mod de a înțelege oricine cum funcționează termocuplurile.
Efect Seebeck
Principiul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe acest fenomen fizic. Concluzia este următoarea: dacă conectați doi conductori din materiale diferite (uneori se folosesc semiconductori), atunci un curent va circula de-a lungul unui astfel de circuit electric.
Astfel, dacă joncțiunea conductorilor este încălzită și răcită, acul potențiometrului va oscila. Curentul poate fi detectat și de un galvanometru conectat la circuit.
În cazul în care conductorii sunt din același material, atunci nu va apărea forța electromotivă, respectiv nu va fi posibilă măsurarea temperaturii.
Diagrama conexiunii termocuplului
Cele mai comune metode de conectare a instrumentelor de măsurare la termocupluri sunt așa-numita metodă simplă, precum și cea diferențiată. Esența primei metode este următoarea: dispozitivul (potențiometru sau galvanometru) este conectat direct la doi conductori. Cu metoda diferențiată, nu unul, ci ambele capete ale conductoarelor sunt lipite, în timp ce unul dintre electrozi este „rupt” de dispozitivul de măsurare.
Este imposibil să nu menționăm așa-numita metodă la distanță de conectare a unui termocuplu. Principiul de funcționare rămâne neschimbat. Singura diferență este că firele de extensie sunt adăugate la circuit. În aceste scopuri, un cablu obișnuit de cupru nu este potrivit, deoarece firele de compensare trebuie să fie neapărat din aceleași materiale ca și conductoarele termocuplului.
Baza fizică a termocuplului
Principiul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe procese fizice normale. Pentru prima dată, efectul pe baza căruia funcționează acest dispozitiv a fost investigat de omul de știință german Thomas Seebeck.
Esența fenomenului pe care se bazează principiul de funcționare al termocuplului este următoarea. Într-un circuit electric închis, format din doi conductori de tipuri diferite, atunci când este expus la o anumită temperatură ambientală, se generează electricitate.
Fluxul electric rezultat și temperatura ambiantă care acționează asupra conductorilor sunt într-o relație liniară. Adică, cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai mult curent electric este generat de termocuplu. Aceasta este baza principiului funcționării unui termocuplu și a unui termometru de rezistență.
În acest caz, un contact al termocuplului este situat în punctul în care este necesar să se măsoare temperatura, se numește „fierbinte”. Al doilea contact, cu alte cuvinte - „rece” - în direcția opusă.Utilizarea termocuplurilor pentru măsurare este permisă numai atunci când temperatura aerului din cameră este mai mică decât la punctul de măsurare.
Aceasta este o scurtă schemă a funcționării termocuplului, principiul funcționării. Vom lua în considerare tipurile de termocupluri în secțiunea următoare.
Materiale conductoare
Principiul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe apariția unei diferențe de potențial în conductori. Prin urmare, selectarea materialelor pentru electrozi trebuie abordată foarte responsabil. Diferența dintre proprietățile chimice și fizice ale metalelor este factorul principal în funcționarea unui termocuplu, al cărui dispozitiv și principiul de funcționare se bazează pe apariția unui CEM de autoinducție (diferență de potențial) în circuit.
Metalele din punct de vedere tehnic nu sunt adecvate pentru utilizare ca termocuplu (cu excepția fierului ARMKO). Sunt utilizate în mod obișnuit diverse aliaje de metale neferoase și prețioase. Astfel de materiale au caracteristici fizice și chimice stabile, astfel încât citirile de temperatură vor fi întotdeauna exacte și obiective. Stabilitatea și precizia sunt calități cheie în organizarea experimentului și a procesului de producție.
În prezent, cele mai comune termocupluri sunt de următoarele tipuri: E, J, K.
Termocuplu tip K
Acesta este probabil cel mai frecvent utilizat tip de termocuplu. O pereche de chromel - aluminiu funcționează excelent la temperaturi cuprinse între -200 și 1350 grade Celsius. Acest tip de termocuplu este extrem de sensibil și detectează chiar și un mic salt de temperatură. Datorită acestui set de parametri, termocuplul este utilizat atât în producție, cât și în cercetarea științifică. Dar are și un dezavantaj semnificativ - influența compoziției atmosferei de lucru. Deci, dacă acest tip de termocuplu va funcționa într-un mediu cu CO2, atunci termocuplul va da citiri incorecte. Această caracteristică limitează utilizarea acestui tip de dispozitiv. Circuitul și principiul de funcționare al termocuplului rămân neschimbate. Singura diferență constă în compoziția chimică a electrozilor.
Tipuri de dispozitive
Fiecare tip de termocuplu are o denumire proprie și sunt împărțite în conformitate cu standardul general acceptat. Fiecare tip de electrod are propria abreviere: TXA, TXK, TBR etc. Convertoarele sunt distribuite în funcție de clasificare:
- Tipul E - este un aliaj de chromel și constantan. Caracteristica acestui dispozitiv este considerată a fi sensibilitate și performanță ridicate. Acest lucru este potrivit în special pentru utilizare la temperaturi extrem de scăzute.
- J - se referă la un aliaj de fier și constantan. Are o sensibilitate ridicată, care poate ajunge până la 50 μV / ° C.
- Tipul K este considerat cel mai popular aliaj de crom / aluminiu. Aceste termocupluri pot detecta temperaturi cuprinse între -200 ° C și +1350 ° C. Dispozitivele sunt utilizate în circuite situate în condiții neoxidante și inerte, fără semne de îmbătrânire. Când dispozitivele sunt utilizate într-un mediu destul de acid, chromel se corodează rapid și devine inutilizabil pentru măsurarea temperaturii cu un termocuplu.
- Tipul M - reprezintă aliaje de nichel cu molibden sau cobalt. Dispozitivele pot rezista până la 1400 ° C și sunt utilizate în instalații care funcționează pe principiul cuptoarelor cu vid.
- Tipul N - dispozitive nichrosil-nisil, a căror diferență este considerată a fi rezistența la oxidare. Acestea sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor cuprinse între -270 și +1300 ° C.
Va fi interesant pentru dvs. Descriere și tipuri de dispozitive de distribuție a intrărilor (ASU)
Există termocupluri din aliaje de rodiu și platină. Aparțin tipurilor B, S, R și sunt considerate cele mai stabile dispozitive. Dezavantajele acestor convertoare includ prețul ridicat și sensibilitatea redusă.
La temperaturi ridicate, dispozitivele fabricate din aliaje de reniu și tungsten sunt utilizate pe scară largă. În plus, în funcție de scopul și condițiile lor de funcționare, termocuplurile pot fi submersibile și de suprafață.
Prin proiectare, dispozitivele au o uniune statică și mobilă sau flanșă.Convertoarele termoelectrice sunt utilizate pe scară largă în computere, care sunt de obicei conectate printr-un port COM și sunt proiectate pentru a măsura temperatura din interiorul carcasei.
Verificarea funcționării termocuplului
Dacă termocuplul eșuează, acesta nu poate fi reparat. Teoretic, puteți, desigur, să o remediați, dar dacă dispozitivul va afișa temperatura exactă după aceea este o întrebare importantă.
Uneori eșecul unui termocuplu nu este evident și evident. În special, acest lucru se aplică încălzitoarelor de apă cu gaz. Principiul de funcționare al unui termocuplu este în continuare același. Cu toate acestea, joacă un rol ușor diferit și este destinat nu vizualizării citirilor de temperatură, ci pentru funcționării supapelor. Prin urmare, pentru a detecta o defecțiune a unui astfel de termocuplu, este necesar să conectați un dispozitiv de măsurare (tester, galvanometru sau potențiometru) la acesta și să încălziți joncțiunea termocuplului. Pentru a face acest lucru, nu este necesar să îl păstrați la foc deschis. Este suficient doar să îl strângeți într-un pumn și să vedeți dacă săgeata dispozitivului se va abate.
Motivele eșecului termocuplurilor pot fi diferite. Deci, dacă nu puneți un dispozitiv special de protecție pe termocuplul plasat în camera de vid a unității de nitrurare ion-plasmă, atunci în timp va deveni din ce în ce mai fragil până se rupe unul dintre conductori. În plus, nu este exclusă posibilitatea unei funcționări incorecte a termocuplului datorită modificării compoziției chimice a electrozilor. La urma urmei, principiile fundamentale ale termocuplului sunt încălcate.
Echipamentele cu gaz (cazane, coloane) sunt, de asemenea, echipate cu termocupluri. Principala cauză a defecțiunii electrodului este procesele oxidative care se dezvoltă la temperaturi ridicate.
În cazul în care citirile dispozitivului sunt în mod deliberat false și în timpul unei examinări externe, nu au fost găsite cleme slabe, atunci motivul, cel mai probabil, rezidă în defectarea dispozitivului de control și măsurare. În acest caz, trebuie returnat pentru reparare. Dacă aveți calificările corespunzătoare, puteți încerca să vă depanați.
Și, în general, dacă acul potențiometrului sau indicatorul digital prezintă cel puțin unele „semne de viață”, atunci termocuplul este în stare bună de funcționare. În acest caz, problema este în mod clar altceva. În consecință, dacă dispozitivul nu reacționează în niciun fel la schimbările evidente ale regimului de temperatură, atunci puteți schimba în siguranță termocuplul.
Cu toate acestea, înainte de a demonta termocuplul și a instala unul nou, trebuie să vă asigurați pe deplin că este defect. Pentru a face acest lucru, este suficient să sunați termocuplul cu un tester obișnuit sau, chiar mai bine, să măsurați tensiunea la ieșire. Este puțin probabil ca un voltmetru obișnuit să ajute aici. Veți avea nevoie de un milivoltmetru sau tester cu capacitatea de a selecta o scală de măsurare. La urma urmei, diferența de potențial este o valoare foarte mică. Și un dispozitiv standard nici măcar nu îl va simți și nu îl va remedia.
Caracteristici de proiectare
Dacă suntem mai scrupuloși cu privire la procesul de măsurare a temperaturii, atunci această procedură se efectuează folosind un termometru termoelectric. Principalul element sensibil al acestui dispozitiv este un termocuplu.
Procesul de măsurare în sine are loc datorită creării unei forțe electromotoare în termocuplu. Există câteva caracteristici ale unui dispozitiv cu termocuplu:
- Electrozii sunt conectați în termocupluri pentru a măsura temperaturile ridicate la un moment dat folosind sudarea cu arc electric. La măsurarea indicatorilor mici, un astfel de contact se face folosind lipirea. Compușii speciali din dispozitivele de tungsten-reniu și tungsten-molibden se realizează folosind răsuciri strânse fără prelucrare suplimentară.
- Conexiunea elementelor se realizează numai în zona de lucru, iar de-a lungul restului lungimii sunt izolate una de cealaltă.
- Metoda de izolare se realizează în funcție de valoarea temperaturii superioare.Cu un interval de valori de la 100 la 120 ° C, se utilizează orice tip de izolație, inclusiv aerul. Tuburile sau mărgelele din porțelan sunt utilizate la temperaturi de până la 1300 ° C. Dacă valoarea atinge 2000 ° C, atunci se utilizează un material izolant din oxid de aluminiu, magneziu, beriliu și zirconiu.
- Un capac de protecție exterior este utilizat în funcție de mediul de utilizare al senzorului în care se măsoară temperatura. Este realizat sub forma unui tub metalic sau ceramic. Această protecție asigură impermeabilizarea și protecția suprafeței termocuplului împotriva stresului mecanic. Materialul exterior al capacului trebuie să poată rezista expunerii la temperaturi ridicate și să aibă o conductivitate termică excelentă.
Vă va fi interesant Principiul de funcționare a releelor de timp electronice și mecanice
Proiectarea senzorului depinde în mare măsură de condițiile de utilizare a acestuia. La crearea unui termocuplu se iau în considerare gama temperaturilor măsurate, starea mediului extern, inerția termică etc.
Beneficiile termocuplului
De ce nu au fost înlocuite termocuplurile cu senzori de măsurare a temperaturii mai avansați și mai moderni într-un istoric atât de lung de funcționare? Da, din simplul motiv că până acum niciun alt dispozitiv nu poate concura cu acesta.
În primul rând, termocuplurile sunt relativ ieftine. Deși prețurile pot fluctua într-o gamă largă ca urmare a utilizării anumitor elemente și suprafețe de protecție, conectori și conectori.
În al doilea rând, termocuplurile sunt nepretențioase și fiabile, ceea ce le permite să fie acționate cu succes în medii chimice și de temperatură agresive. Astfel de dispozitive sunt instalate chiar în cazane pe gaz. Principiul de funcționare al unui termocuplu rămâne întotdeauna același, indiferent de condițiile de funcționare. Nu orice alt tip de senzor va putea rezista unui astfel de impact.
Tehnologia pentru fabricarea și fabricarea termocuplurilor este simplă și ușor de implementat în practică. Aproximativ vorbind, este suficient doar să răsuciți sau să sudați capetele firelor din diferite materiale metalice.
O altă caracteristică pozitivă este acuratețea măsurătorilor și eroarea neglijabilă (doar 1 grad). Această precizie este mai mult decât suficientă pentru nevoile producției industriale și pentru cercetarea științifică.
Dezavantaje ale termocuplului
Nu există multe dezavantaje ale unui termocuplu, mai ales în comparație cu cei mai apropiați concurenți ai săi (senzori de temperatură de alte tipuri), dar totuși sunt, și ar fi nedrept să păstrăm tăcerea în legătură cu acestea.
Deci, diferența de potențial se măsoară în milivolți. Prin urmare, este necesar să se utilizeze potențiometre foarte sensibile. Și dacă luăm în considerare faptul că dispozitivele de măsurare nu pot fi întotdeauna amplasate în imediata vecinătate a locului de colectare a datelor experimentale, atunci trebuie folosite unele amplificatoare. Acest lucru provoacă o serie de inconveniente și duce la costuri inutile în organizarea și pregătirea producției.
