Princip delovanja termoelementa: opis, naprava, vezje

Načelo delovanja in termoelementi naprave so zelo enostavni. To je pripeljalo do priljubljenosti te naprave in široke uporabe v vseh vejah znanosti in tehnologije. Termoelement je zasnovan za merjenje temperature v širokem razponu - od -270 do 2500 stopinj Celzija. Naprava je že desetletja nepogrešljiv pomočnik inženirjev in znanstvenikov. Deluje zanesljivo in zanesljivo, odčitavanje temperature pa je vedno resnično. Bolj izpopolnjen in natančen instrument preprosto ne obstaja. Vse sodobne naprave delujejo na principu termoelementov. Delo v težkih pogojih.

Namen termoelementa

Ta naprava pretvarja toplotno energijo v električni tok in omogoča merjenje temperature. Za razliko od tradicionalnih živosrebrnih termometrov je sposoben delovati v zelo nizkih in izredno visokih temperaturah. Ta funkcija je privedla do široke uporabe termočlenov v najrazličnejših napravah: industrijske metalurške plinske peči kotli, vakuumske komore za kemično toplotno obdelavo, peč na gospodinjski plinski peči. Načelo delovanja termočlena je vedno nespremenjeno in ni odvisno od naprave, v kateri je nameščen.

Delovanje sistema za zaustavitev v sili v primeru preseganja dovoljenih temperaturnih omejitev je odvisno od zanesljivega in neprekinjenega delovanja termočlena. Zato mora biti ta naprava zanesljiva in natančno odčitana, da ne ogrozi življenja ljudi.

Princip delovanja termoelementov

Termoelement ima tri glavne elemente. To sta dva prevodnika električne energije iz različnih materialov in zaščitna cev. Dva konca vodnikov (imenovanih tudi termoelektrodi) sta spajkana, druga dva pa sta povezana s potenciometrom (napravo za merjenje temperature).

Enostavno rečeno, načelo delovanja termoelementa je, da se stičišče termoelektrod postavi na medij, katerega temperaturo je treba izmeriti. V skladu s Seebeckovim pravilom se na vodnikih pojavlja razlika v potencialu (sicer termoelektrična). Višja kot je temperatura medija, večja je potencialna razlika. Skladno s tem se igla instrumenta bolj odkloni.

V sodobnih kompleksih meritev so digitalni indikatorji temperature nadomestili mehansko napravo. Vendar pa ni vedno vedno, da nova naprava po svojih značilnostih presega stare naprave sovjetske dobe. Na tehničnih univerzah in celo v raziskovalnih ustanovah do danes uporabljajo potenciometre, stare od 20 do 30 let. Prikazujejo neverjetno natančnost in stabilnost meritev.

Seebeckov učinek

Načelo delovanja termočlena temelji na tem fizičnem pojavu. V spodnji vrstici je to: če povežete dva prevodnika iz različnih materialov (včasih se uporabljajo polprevodniki), bo tok skozi to električno vezje krožil tok.

Če se spoj vodnikov segreje in ohladi, bo igla potenciometra nihala. Galvanometer, ki je priključen na vezje, lahko omogoči tudi odkrivanje toka.

V tem primeru, če so vodniki izdelani iz istega materiala, se elektromotorna sila ne bo pojavila, oziroma ne bo mogoče izmeriti temperature.

Shema priključka termočlenov

Najpogostejši načini povezovanja merilnih instrumentov termočleni so tako imenovana enostavna metoda, kot tudi diferencirana. Bistvo prve metode je naslednje: naprava (potenciometer ali galvanometer) je neposredno povezana z dvema vodnikoma. S diferencirana metoda ne enega, ampak dva konca prevodnikov, medtem ko je ena od elektrod "zlomljena" z merilno napravo.

Da ne omenjam ti daljinske metode povezovanja termočlena. Načelo delovanja ostaja nespremenjeno. Edina razlika je v tem, da so podaljški žice dodani krogu. Za te namene običajni bakreni kabel ne bo deloval, saj morajo biti kompenzacijske žice nujno izdelane iz enakih materialov kot termoelementni vodniki.

Materiali za vodnike

Načelo delovanja termoelementa temelji na pojavu razlike v potencialih vodnikov. Zato je treba izbiri materialov za elektrode pristopiti zelo odgovorno. Razlika v kemijskih in fizikalnih lastnostih kovin je pomemben dejavnik pri delovanju termoelementa, katerega naprava in princip delovanja temeljita na pojavu samo-inducirane emf (potencialne razlike) v vezju.

Tehnično čiste kovine niso primerne za uporabo kot termočlen (z izjemo ARMKO železa). Pogosto se uporabljajo različne zlitine barvnih in plemenitih kovin. Takšni materiali imajo stabilne fizikalno-kemijske lastnosti, tako da bodo odčitki temperature vedno točni in objektivni. Stabilnost in natančnost - ključne lastnosti pri organizaciji eksperimenta in proizvodnem procesu.

Trenutno so najpogostejši termoelementi naslednjih tipov: E, J, K.

Termočlen tipa E

Constantan in kromel se uporabljata kot material za prevodnike. Izdelki tega tipa so se izkazali v smislu zanesljivosti in natančnosti označb. Dokaz za to - veliko pozitivnih povratnih informacij strokovnjakov. Vendar ta sestava dokazuje natančnost meritev le v pozitivnem temperaturnem območju do 600 stopinj Celzija.

Termočlen J tipa

V skladu z načelom delovanja se termoelement ne razlikuje od prejšnjega. Kromel pa se je umaknil tehnično čistemu železu, ki je omogočil bistveno povečanje razpona delovne temperature ob ohranjanju stabilnosti indikacij. V območju od -100 do 1200 stopinj Celzija.

Termočlen tipa K

To je morda najpogostejša vrsta termoelementov, ki se uporablja po vsem svetu. Par kromel - aluminij deluje dobro pri temperaturah od -200 do 1350 stopinj Celzija. Ta vrsta termoelementa je zelo občutljiva in zajame tudi rahlo skok temperature. Zaradi tega sklopa parametrov se termočlen uporablja tako v proizvodnji kot pri znanstvenih raziskavah. Vendar pa ima tudi pomembno pomanjkljivost - vpliv sestave delovnega ozračja. Torej, če bo ta tip termočlena deloval v okolju CO ₂ , bo termočlen dal napačne odčitke. Ta funkcija omejuje uporabo te vrste naprave. Shema in princip delovanja termočlena ostajata nespremenjena. Edina razlika je v kemijski sestavi elektrod.

Test termočlenov

V primeru okvare termočlena se ne da popraviti. Teoretično lahko, seveda, popravite, ampak ali bo naprava po tem pokazala natančno temperaturo, je veliko vprašanje.

Včasih napaka termočlenov ni očitna in očitna. Zlasti zadeva plinske kolone. Princip delovanja termočlena je enak. Vendar pa opravlja nekoliko drugačno vlogo in ni namenjena vizualiziranju temperaturnih odčitkov, temveč upravljanju ventilov. Zato je treba za zaznavanje okvare takšnega termočlena priključiti merilno napravo (tester, galvanometer ali potenciometer) in segreti spoj termočlena. Za to ni potrebno, da je nad odprtim ognjem. Dovolj je samo, da ga držite v pesti in preverite, ali se bo igla naprave odvrnila.

Razlogi za odpoved termočlenov so lahko različni. Torej, če na termočlen, ki je nameščen v vakuumski komori enote za ionsko plazemsko nitriranje, ne položite posebne zaščitne naprave, bo sčasoma postala bolj krhka, dokler se eden od vodnikov ne razbije. Poleg tega ni izključena verjetnost okvare termočlena zaradi sprememb v kemični sestavi elektrod. Konec koncev so kršena osnovna načela delovanja termoelementov.

Plinska oprema (kotli, stebri) je opremljena tudi s termoelementi. Glavni razlog za odpoved elektrod so oksidacijski procesi, ki se razvijejo pri visokih temperaturah.

V primeru, ko so odčitki naprave očitno napačni in med zunanjim pregledom niso bile zaznane šibke sponke, je razlog najverjetneje v okvari merilnega instrumenta. V tem primeru ga je treba vrniti v popravilo. Če imate ustrezne kvalifikacije, lahko poskusite sami odpraviti težavo.

Kakorkoli že, če potenciometrska igla ali digitalni indikator kaže vsaj nekaj "znakov življenja", potem je termočlen nedotaknjen. V tem primeru problem očitno leži v nečem drugem. In zato, če se naprava ne odziva na očitne spremembe temperature, lahko varno spremenite termočlen.

Vendar, preden odstranite termočlen in postavite novega, morate biti popolnoma prepričani v njegovo okvaro. Da bi to naredili, je dovolj, da termoelement pokličete z navadnim testerjem in še bolje izmerite izhodno napetost. Le navadni voltmeter tukaj verjetno ne bo pomagal. Potrebovali boste milivoltmeter ali tester z možnostjo izbire merilne lestvice. Navsezadnje je potencialna razlika zelo majhna vrednost. In standardna naprava ga ne bo niti čutila in ga ne bo popravila.

Koristi termočlenov

Zakaj v dolgi zgodovini delovanja termočleni niso bili nadomeščeni z bolj prefinjenimi in sodobnimi senzorji, ki merijo temperaturo? Da, iz preprostega razloga, da do sedaj nobena druga naprava ne more tekmovati z njo.

Prvič, termočleni so relativno poceni. Čeprav lahko cene nihajo v širokem razponu zaradi uporabe določenih zaščitnih elementov in površin, priključkov in konektorjev.

Drugič, termočleni odlikujejo nezahtevnost in zanesljivost, kar jim omogoča uspešno delovanje v agresivnih temperaturah in kemičnih okoljih. Takšne naprave so nameščene celo v plinski kotli. Načelo delovanja Termočlen vedno ostane nespremenjen, ne glede na pogoje delovanja. Ni vsak senzor drugega tipa lahko prenese podoben učinek.

Tehnologija izdelave in proizvodnje termočlenov je enostavna in enostavna za izvajanje v praksi. Grobo rečeno - dovolj je, da se konci žic zavrtijo ali zavarijo iz različnih kovinskih materialov.

Druga pozitivna značilnost je natančnost meritev in skromna napaka (le 1 stopinja). Ta natančnost je več kot dovolj za potrebe industrijske proizvodnje in za znanstvene raziskave.

Slabosti termočlenov

Pomanjkljivosti termočlenov niso toliko, zlasti če jih primerjamo z njihovimi najbližjimi konkurenti (temperaturnimi senzorji drugih tipov), vendar še vedno obstajajo, in ne bi bilo pošteno, če bi o njih molčali.

Torej se potencialna razlika meri v milivoltih. Zato je treba uporabiti zelo občutljive potenciometre. In če menite, da merilnih naprav ni mogoče vedno namestiti v neposredni bližini mesta za zbiranje podatkov, morate uporabiti nekaj ojačevalnikov. To prinaša številne nevšečnosti in povzroča nepotrebne stroške pri organizaciji in pripravi proizvodnje.