Το θερμοστοιχείο είναι μια συσκευή για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε όλους τους κλάδους της επιστήμης και της τεχνολογίας. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια γενική επισκόπηση των θερμοστοιχείων με ανάλυση του σχεδιασμού και της αρχής λειτουργίας της συσκευής. Περιγράφονται ποικιλίες θερμοστοιχείων με τα σύντομα χαρακτηριστικά τους και δίνεται επίσης μια αξιολόγηση του θερμοστοιχείου ως οργάνου μέτρησης.
Περιεχόμενο
Συσκευή θερμοστοιχείου
Η αρχή της λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου. Εφέ Seebeck
Η λειτουργία ενός θερμοστοιχείου οφείλεται στην εμφάνιση του θερμοηλεκτρικού φαινομένου, που ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό φυσικό Tomas Seebeck το 1821.
Το φαινόμενο βασίζεται στην εμφάνιση ηλεκτρισμού σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα όταν εκτίθεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο αγωγών (θερμοηλεκτρόδια) διαφορετικής σύνθεσης (ανόμοια μέταλλα ή κράματα) και διατηρείται διατηρώντας τη θέση των επαφών τους (ενώσεις). Η συσκευή εμφανίζει την τιμή της μετρούμενης θερμοκρασίας στην οθόνη της συνδεδεμένης δευτερεύουσας συσκευής.
Η τάση εξόδου και η θερμοκρασία σχετίζονται γραμμικά. Αυτό σημαίνει ότι μια αύξηση στη μετρούμενη θερμοκρασία έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη τιμή millivolt στα ελεύθερα άκρα του θερμοστοιχείου.
Η διασταύρωση που βρίσκεται στο σημείο μέτρησης της θερμοκρασίας ονομάζεται "καυτή" και η θέση όπου συνδέονται τα καλώδια στον μετατροπέα ονομάζεται "κρύο".
Αντιστάθμιση θερμοκρασίας κρύου κόμβου (CJC)
Η αντιστάθμιση κρύου συνδέσμου (CJC) είναι μια αντιστάθμιση που εφαρμόζεται ως διόρθωση στη συνολική ένδειξη κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας στο σημείο όπου συνδέονται τα καλώδια θερμοστοιχείου. Αυτό οφείλεται σε αποκλίσεις μεταξύ της πραγματικής θερμοκρασίας των ψυχρών άκρων και των υπολογισμένων μετρήσεων του πίνακα βαθμονόμησης για τη θερμοκρασία της ψυχρής διασταύρωσης στους 0°C.
Η CCS είναι μια διαφορική μέθοδος στην οποία εντοπίζονται μετρήσεις απόλυτης θερμοκρασίας από μια γνωστή θερμοκρασία ψυχρής διασταύρωσης (επίσης γνωστή ως διασταύρωση αναφοράς).
Σχέδιο θερμοστοιχείου
Κατά το σχεδιασμό ενός θερμοστοιχείου, λαμβάνεται υπόψη η επίδραση παραγόντων όπως η "επιθετικότητα" του εξωτερικού περιβάλλοντος, η κατάσταση συσσωμάτωσης της ουσίας, το εύρος των μετρούμενων θερμοκρασιών και άλλοι.
Χαρακτηριστικά σχεδιασμού θερμοστοιχείου:
1) Οι σύνδεσμοι των αγωγών διασυνδέονται με συστροφή ή συστροφή με περαιτέρω συγκόλληση ηλεκτρικού τόξου (σπάνια με συγκόλληση).
ΣΠΟΥΔΑΙΟΣ: Δεν συνιστάται η χρήση της μεθόδου συστροφής λόγω της ταχείας απώλειας των ιδιοτήτων του συνδέσμου.
2) Τα θερμοηλεκτρόδια πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένα σε όλο το μήκος τους, εκτός από το σημείο επαφής.
3) Η μέθοδος μόνωσης επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη το ανώτερο όριο θερμοκρασίας.
- Έως 100-120°C - οποιαδήποτε μόνωση.
- Έως 1300°C - σωλήνες ή χάντρες από πορσελάνη.
- Έως 1950°C - Σωλήνες Al2Ο3;
- Πάνω από 2000°С - σωλήνες από MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Προστατευτικό κάλυμμα.
Το υλικό πρέπει να είναι θερμικά και χημικά ανθεκτικό, με καλή θερμική αγωγιμότητα (μέταλλο, κεραμικά). Η χρήση μπότας αποτρέπει τη διάβρωση σε ορισμένα περιβάλλοντα.
Καλώδια προέκτασης (αντιστάθμισης).
Αυτός ο τύπος σύρματος απαιτείται για την επέκταση των άκρων του θερμοστοιχείου στο δευτερεύον όργανο ή φράγμα. Τα καλώδια δεν χρησιμοποιούνται εάν το θερμοστοιχείο έχει ενσωματωμένο μετατροπέα με ενοποιημένο σήμα εξόδου. Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος είναι ο μετατροπέας κανονικοποίησης, που βρίσκεται στην τυπική κεφαλή ακροδεκτών του αισθητήρα με ενοποιημένο σήμα 4-20 mA, το λεγόμενο "tablet".
Το υλικό των συρμάτων μπορεί να συμπίπτει με το υλικό των θερμοηλεκτροδίων, αλλά τις περισσότερες φορές αντικαθίσταται με φθηνότερο, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες που εμποδίζουν το σχηματισμό παρασιτικών (επαγόμενων) θερμοηλεκτροδίων. Η χρήση καλωδίων επέκτασης σάς επιτρέπει επίσης να βελτιστοποιήσετε την παραγωγή.
Life hack! Για να προσδιορίσετε σωστά την πολικότητα των καλωδίων αντιστάθμισης και να τα συνδέσετε στο θερμοστοιχείο, θυμηθείτε τον μνημονικό κανόνα MM - το μείον μαγνητίζεται. Δηλαδή παίρνουμε οποιονδήποτε μαγνήτη και το μείον της αντιστάθμισης θα μαγνητιστεί, σε αντίθεση με το συν.
Τύποι και τύποι θερμοστοιχείων
Η ποικιλία των θερμοστοιχείων εξηγείται από διάφορους συνδυασμούς κραμάτων μετάλλων που χρησιμοποιούνται. Η επιλογή του θερμοστοιχείου πραγματοποιείται ανάλογα με τη βιομηχανία και το απαιτούμενο εύρος θερμοκρασίας.
Θερμοστοιχείο chromel-alumel (TXA)
Θετικό ηλεκτρόδιο: κράμα χρωμίου (90% Ni, 10% Cr).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα αλουμέλας (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Μονωτικό υλικό: πορσελάνη, χαλαζίας, οξείδια μετάλλων κ.λπ.
Εύρος θερμοκρασίας από -200°С έως 1300°С βραχυπρόθεσμη και 1100°С μακροχρόνια θέρμανση.
Περιβάλλον εργασίας: αδρανές, οξειδωτικό (Ο2=2-3% ή εξαιρείται πλήρως), ξηρό υδρογόνο, βραχυπρόθεσμο κενό. Σε αναγωγική ή οξειδοαναγωγική ατμόσφαιρα παρουσία προστατευτικού καλύμματος.
Μειονεκτήματα: ευκολία παραμόρφωσης, αναστρέψιμη αστάθεια του thermo-EMF.
Ενδέχεται να υπάρχουν περιπτώσεις διάβρωσης και ευθραυστότητας του αλουμέλας παρουσία ιχνών θείου στην ατμόσφαιρα και χρωμίου σε ασθενώς οξειδωτική ατμόσφαιρα («πράσινη άργιλος»).
Θερμοστοιχείο chromel-kopel (TKhK)
Θετικό ηλεκτρόδιο: κράμα χρωμίου (90% Ni, 10% Cr).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Εύρος θερμοκρασίας από -253°С έως 800°С μακροχρόνια θέρμανση και 1100°С βραχυπρόθεσμη θέρμανση.
Περιβάλλον εργασίας: αδρανές και οξειδωτικό, βραχυπρόθεσμο κενό.
Μειονεκτήματα: παραμόρφωση θερμοηλεκτροδίου.
Δυνατότητα εξάτμισης χρωμίου υπό παρατεταμένο κενό. αντίδραση με ατμόσφαιρα που περιέχει θείο, χρώμιο, φθόριο.
Θερμοστοιχείο σίδηρος-constantan (TGK)
Θετικό ηλεκτρόδιο: εμπορικά καθαρός σίδηρος (μαλακός χάλυβας).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα κονταντάνης (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Χρησιμοποιείται για μετρήσεις αναγωγής, αδρανών μέσων και κενού. Θερμοκρασία από -203°С έως 750°С μακροχρόνια και 1100°С βραχυπρόθεσμη θέρμανση.
Η εφαρμογή αναπτύσσεται σε κοινή μέτρηση θετικών και αρνητικών θερμοκρασιών. Είναι ασύμφορη η χρήση μόνο για αρνητικές θερμοκρασίες.
Μειονεκτήματα: παραμόρφωση θερμοηλεκτροδίου, χαμηλή αντοχή στη διάβρωση.
Αλλαγές στις φυσικοχημικές ιδιότητες του σιδήρου σε περίπου 700°C και 900°C. Αντιδρά με θείο και υδρατμούς σχηματίζοντας διάβρωση.
Θερμοστοιχείο βολφραμίου-ρηνίου (TVR)
Θετικό ηλεκτρόδιο: κράματα BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 με πρόσθετο πυριτίου και αλουμινίου) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράματα BP20 (80% W, 20% Rh).
Μόνωση: χημικά καθαρά κεραμικά οξειδίου μετάλλου.
Σημειώνεται η μηχανική αντοχή, η αντοχή στη θερμότητα, η χαμηλή ευαισθησία στη ρύπανση, η ευκολία κατασκευής.
Μέτρηση θερμοκρασιών από 1800°С έως 3000°С, το κατώτερο όριο είναι 1300°С. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε περιβάλλον αδρανούς αερίου, ξηρού υδρογόνου ή κενού. Σε οξειδωτικά περιβάλλοντα μόνο για μέτρηση σε γρήγορες διαδικασίες.
Μειονεκτήματα: κακή αναπαραγωγιμότητα του thermo-EMF, αστάθεια του κατά την ακτινοβόληση, ασταθής ευαισθησία στο εύρος θερμοκρασίας.
Θερμοστοιχείο βολφραμίου-μολυβδαινίου (VM)
Θετικό ηλεκτρόδιο: βολφράμιο (εμπορικά καθαρό).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: μολυβδαίνιο (εμπορικά καθαρό).
Μόνωση: κεραμική αλουμίνα, προστατευμένη με άκρες χαλαζία.
Περιβάλλον αδρανούς, υδρογόνου ή κενού. Είναι δυνατή η πραγματοποίηση βραχυπρόθεσμων μετρήσεων σε οξειδωτικά περιβάλλοντα παρουσία μόνωσης.Το εύρος των μετρούμενων θερμοκρασιών είναι 1400-1800°C, η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας είναι περίπου 2400°C.
Μειονεκτήματα: κακή αναπαραγωγιμότητα και ευαισθησία του θερμικού EMF, αντιστροφή πολικότητας, ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.
Θερμοζεύγη πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα (TPP)
Θετικό ηλεκτρόδιο: πλατίνα-ρόδιο (Pt c 10% ή 13% Rh).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: πλατίνα.
Μόνωση: χαλαζίας, πορσελάνης (απλή και πυρίμαχη). Έως 1400°C - κεραμικά με υψηλή περιεκτικότητα σε Al2Ο3, πάνω από 1400°C - κεραμικά από χημικά καθαρό Al2Ο3.
Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 1400°C μακροπρόθεσμα, 1600°C βραχυπρόθεσμα. Η μέτρηση των χαμηλών θερμοκρασιών συνήθως δεν πραγματοποιείται.
Περιβάλλον εργασίας: οξειδωτικό και αδρανές, μειώνοντας παρουσία προστασίας.
Μειονεκτήματα: υψηλό κόστος, αστάθεια κατά την ακτινοβόληση, υψηλή ευαισθησία στη μόλυνση (ειδικά το ηλεκτρόδιο πλατίνας), ανάπτυξη κόκκων μετάλλου σε υψηλές θερμοκρασίες.
Θερμοζεύγη πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα-ρόδιο (TPR)
Θετικό ηλεκτρόδιο: Κράμα Pt με 30% Rh.
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: Κράμα Pt με 6% Rh.
Μέσο: οξειδωτικό, ουδέτερο και υπό κενό. Χρήση για τη μείωση και τη συγκράτηση ατμών μετάλλων ή μη μετάλλων παρουσία προστασίας.
Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 1600°C μακροπρόθεσμα, 1800°C βραχυπρόθεσμα.
Μόνωση: Αλκεραμικό2Ο3 υψηλή καθαρότητα.
Λιγότερο ευαίσθητο σε χημική μόλυνση και ανάπτυξη κόκκων από ένα θερμοστοιχείο πλατίνας-ρόδιου-πλατίνας.
Διάγραμμα καλωδίωσης θερμοστοιχείου
- Σύνδεση ποτενσιόμετρου ή γαλβανόμετρου απευθείας στους αγωγούς.
- Σύνδεση με καλώδια αντιστάθμισης.
- Σύνδεση με συμβατικά χάλκινα σύρματα σε θερμοστοιχείο με ενοποιημένη έξοδο.
Πρότυπα χρώματος αγωγού θερμοστοιχείου
Η έγχρωμη μόνωση αγωγών βοηθά στη διάκριση των θερμοηλεκτροδίων μεταξύ τους για σωστή σύνδεση με τους ακροδέκτες. Τα πρότυπα διαφέρουν ανά χώρα, δεν υπάρχουν συγκεκριμένοι χρωματικοί κωδικοί για αγωγούς.
ΣΠΟΥΔΑΙΟΣ: Είναι απαραίτητο να γνωρίζετε το πρότυπο που χρησιμοποιείται στην επιχείρηση για την αποφυγή σφαλμάτων.
Ακρίβεια μέτρησης
Η ακρίβεια εξαρτάται από τον τύπο του θερμοστοιχείου, το εύρος θερμοκρασίας, την καθαρότητα του υλικού, τον ηλεκτρικό θόρυβο, τη διάβρωση, τις ιδιότητες διασταύρωσης και τη διαδικασία κατασκευής.
Στα θερμοστοιχεία εκχωρείται μια κατηγορία ανοχής (τυπική ή ειδική) που καθορίζει ένα διάστημα εμπιστοσύνης μέτρησης.
ΣΠΟΥΔΑΙΟΣ: Τα χαρακτηριστικά τη στιγμή της κατασκευής αλλάζουν κατά τη λειτουργία.
Ταχύτητα μέτρησης
Η ταχύτητα καθορίζεται από την ικανότητα του πρωτεύοντος μετατροπέα να ανταποκρίνεται γρήγορα στα άλματα θερμοκρασίας και τη ροή των σημάτων εισόδου της συσκευής μέτρησης που τα ακολουθεί.
Παράγοντες που αυξάνουν την απόδοση:
- Σωστή εγκατάσταση και υπολογισμός του μήκους του πρωτεύοντος μετατροπέα.
- Όταν χρησιμοποιείτε μορφοτροπέα με προστατευτικό χιτώνιο, είναι απαραίτητο να μειώσετε τη μάζα της μονάδας επιλέγοντας μικρότερη διάμετρο των χιτωνίων.
- Ελαχιστοποίηση του διακένου αέρα μεταξύ του πρωτεύοντος μετατροπέα και του προστατευτικού χιτωνίου.
- Η χρήση ενός πρωτεύοντος μετατροπέα με ελατήριο και η πλήρωση των κενών στο χιτώνιο με ένα θερμοαγώγιμο πληρωτικό.
- Ένα ταχέως κινούμενο ή πιο πυκνό μέσο (υγρό).
Έλεγχος απόδοσης θερμοστοιχείου
Για να ελέγξετε την απόδοση, συνδέστε μια ειδική συσκευή μέτρησης (ελεγκτή, γαλβανόμετρο ή ποτενσιόμετρο) ή μετρήστε την τάση εξόδου με ένα χιλιοστοβολτόμετρο. Εάν υπάρχουν διακυμάνσεις του βέλους ή της ψηφιακής ένδειξης, το θερμοστοιχείο μπορεί να επισκευαστεί, διαφορετικά η συσκευή πρέπει να αντικατασταθεί.
Αιτίες αστοχίας θερμοστοιχείου:
- Αποτυχία χρήσης προστατευτικής διάταξης θωράκισης.
- Αλλαγή στη χημική σύνθεση των ηλεκτροδίων.
- Οξειδωτικές διεργασίες που αναπτύσσονται σε υψηλές θερμοκρασίες.
- Βλάβη της συσκευής ελέγχου και μέτρησης κ.λπ.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης θερμοστοιχείων
Τα πλεονεκτήματα της χρήσης αυτής της συσκευής είναι:
- Μεγάλη περιοχή μέτρησης θερμοκρασίας.
- Υψηλή ακρίβεια;
- Απλότητα και αξιοπιστία.
Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν:
- Εφαρμογή συνεχούς παρακολούθησης της ψυχρής διασταύρωσης, επαλήθευση και βαθμονόμηση του εξοπλισμού ελέγχου.
- Δομικές αλλαγές στα μέταλλα κατά την κατασκευή της συσκευής.
- Εξάρτηση από τη σύνθεση της ατμόσφαιρας, το κόστος σφράγισης.
- Σφάλμα μέτρησης λόγω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
