Istnieje wiele różnych urządzeń i mechanizmów umożliwiających pomiar temperatury. Niektóre z nich są wykorzystywane w życiu codziennym, inne - do różnych badań fizycznych, w procesach produkcyjnych i innych gałęziach przemysłu.
Jednym z takich urządzeń jest termopara. W kolejnych sekcjach rozważymy zasadę działania i schemat tego urządzenia.
Fizyczne podstawy działania termopary
Zasada działania termopary opiera się na zwykłych procesach fizycznych. Po raz pierwszy efekt na jaki działa to urządzenie badał niemiecki naukowiec Thomas Seebeck.
Istota zjawiska, na którym opiera się zasada działania termopary, jest następująca. W zamkniętym obwodzie elektrycznym, składającym się z dwóch przewodników różnych typów, po wystawieniu na działanie określonej temperatury otoczenia powstaje elektryczność.
Wynikowy przepływ elektryczny i temperatura otoczenia działająca na przewody są w zależności liniowej. Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym większy prąd elektryczny wytwarzany przez termoparę. Najest to zasada działania termopary i termometru oporowego.
W tym przypadku jeden styk termopary znajduje się w punkcie, w którym konieczny jest pomiar temperatury, nazywa się to „gorącym”. Drugi kontakt, czyli "zimno", - w przeciwnym kierunku. Stosowanie termopar do pomiaru jest dopuszczalne tylko wtedy, gdy temperatura powietrza w pomieszczeniu jest niższa niż w miejscu pomiaru.
To jest krótki schemat działania termopary, zasada działania. Rodzaje termopar zostaną omówione w następnym rozdziale.
Rodzaje termopar
W każdej branży, w której potrzebne są pomiary temperatury, termopara jest głównym zastosowaniem. Urządzenie i zasadę działania różnych typów tego urządzenia podano poniżej.
Termopary chromowo-aluminiowe
Te obwody termopar są używane w większości przypadków do produkcji różnych czujników i sond, które pozwalają kontrolować temperaturę w produkcji przemysłowej.
Wyróżniają je dość niska cena i ogromny zakres mierzonych temperatur. Pozwalają na ustalenie temperatury od -200 do +13000 stopni Celsjusza.
Nie zaleca się stosowania termopar o podobnych stopach w sklepach i obiektach o wysokiej zawartości siarki w powietrzu, ponieważ ten pierwiastek chemiczny negatywnie wpływa zarówno na chrom, jak i aluminium, powodując nieprawidłowe działanie urządzenia.
Termopary Chromel-Kopel
Zasada działania termopary, której grupa styków składa się z tych stopów, jest taka sama. Jednak urządzenia te działają głównie w środowisku ciekłym lub gazowym, które mają neutralne, nieagresywne właściwości. Górny wskaźnik temperatury nie przekracza +8000 stopni Celsjusza.
Wykorzystywana jest podobna termopara, której zasada działania pozwala na określenie stopnia nagrzania dowolnych powierzchni, na przykład do określenia temperatury pieców martenowskich lub innych podobnych konstrukcji.
Termopary żelazowo-konstantanowe
Ta kombinacja styków w termoparze nie jest tak powszechna jak pierwsza z rozważanych odmian. Zasada działania termopary jest taka sama, ale ta kombinacja dobrze sprawdziła się w rozrzedzonej atmosferze. Maksymalny poziom mierzonej temperatury nie powinien przekraczać +12500 stopni Celsjusza.
Jednakże jeśli temperatura zacznie rosnąć powyżej +7000 stopni, istnieje niebezpieczeństwo naruszenia dokładności pomiaru ze względu na zmiany właściwości fizycznych i chemicznych żelaza. Zdarzają się nawet przypadki korozji żelaznego styku termopary w obecności pary wodnej w otaczającym powietrzu.
Termopary platynowo-platynowe
Najdroższa termopara w produkcji. Zasada działania jest taka sama, ale różni się od swoich odpowiedników bardzo stabilnymi i wiarygodnymi odczytami temperatury. Ma zmniejszoną czułość.
Głównym zastosowaniem tych urządzeń jest pomiar wysokich temperatur.
Termopary wolframowo-renowe
Używany również do pomiaru bardzo wysokich temperatur. Maksymalny limit, który można ustalić za pomocą tego schematu, sięga 25 tysięcy stopni Celsjusza.
Ich zastosowanie wymaga spełnienia określonych warunków. Dlatego w procesie pomiaru temperatury konieczne jest całkowite wyeliminowanie otaczającej atmosfery, co ma negatywny wpływ na styki w wyniku procesu utleniania.
W tym celu termopary wolframowo-renowe są zwykle umieszczane w osłonach ochronnych wypełnionych gazem obojętnym w celu ochrony ich elementów.
Powyżej uwzględniono każdą istniejącą termoparę, urządzenie, jego zasadę działania, w zależności od użytych stopów. Teraz rozważ kilka cech konstrukcyjnych.
Projekty termopar
Istnieją dwa główne typy konstrukcji termopar.
- Z warstwą izolacyjną. Taka konstrukcja termopary zapewnia izolację warstwy roboczej urządzenia od prądu elektrycznego. Taki układ pozwala na użycie termopary w procesie bez izolowania wejścia od uziemienia.
- Bez warstwy izolacyjnej. Takie termopary można podłączyć tylko do obwodów pomiarowych, których wejścia nie mają kontaktu z ziemią. Jeśli ten warunek nie zostanie spełniony, urządzenie rozwinie dwa niezależne obwody zamknięte, co spowoduje nieprawidłowe odczyty termopary.
Podróżna termopara i jej zastosowanie
Istnieje oddzielnyrodzaj tego urządzenia, zwanego "bieganiem". Omówimy teraz bardziej szczegółowo zasadę działania działającej termopary.
Ten projekt jest używany głównie do wykrywania temperatury kęsów stalowych podczas ich obróbki na tokarkach, frezarkach i innych podobnych maszynach.
Należy zauważyć, że w tym przypadku możliwe jest również użycie konwencjonalnej termopary, jednak jeśli proces produkcyjny wymaga wysokiej dokładności temperatury, trudno jest przecenić termoparę pracującą.
W przypadku stosowania tej metody jej elementy stykowe są wcześniej lutowane w obrabianym przedmiocie. Następnie, podczas obróbki półfabrykatu, styki te są stale narażone na działanie noża lub innego narzędzia roboczego maszyny, w wyniku czego złącze (które jest głównym elementem przy pomiarach temperatury) wydaje się „biegać” wzdłuż kontaktów.
Ten efekt jest szeroko stosowany w przemyśle metalowym.
Cechy technologiczne konstrukcji termopar
Podczas wytwarzania działającego obwodu termopary lutowane są dwa metalowe styki, które, jak wiadomo, są wykonane z różnych materiałów. Węzeł nazywa się węzłem.
Należy zauważyć, że nie jest konieczne wykonanie tego połączenia za pomocą lutowania. Po prostu skręć dwa styki razem. Ale taka metoda produkcji nie będzie miała wystarczającego poziomu niezawodności, a także może dawać błędy podczas odczytów temperatury.
Jeśli potrzebujesz mierzyć wysokotemperaturach lutowanie metali zostaje zastąpione ich spawaniem. Wynika to z faktu, że w większości przypadków lut użyty w połączeniu ma niską temperaturę topnienia i psuje się po jej przekroczeniu.
Obwody, które zostały spawane, mogą wytrzymać szerszy zakres temperatur. Ale ta metoda połączenia ma również swoje wady. Wewnętrzna struktura metalu wystawiona na działanie wysokich temperatur podczas procesu spawania może ulec zmianie, co wpłynie na jakość uzyskiwanych danych.
Dodatkowo należy monitorować stan styków termopary podczas jej pracy. Tak więc możliwa jest zmiana właściwości metali w obwodzie pod wpływem agresywnego środowiska. Może wystąpić utlenianie lub wzajemna dyfuzja materiałów. W takiej sytuacji należy wymienić obwód roboczy termopary.
Rodzaje złącz termopar
Współczesny przemysł produkuje kilka konstrukcji, które są wykorzystywane w produkcji termopar:
- otwarte skrzyżowanie;
- z izolowanym złączem;
- z uziemionym złączem.
Cechą termopar z otwartym złączem jest słaba odporność na wpływy zewnętrzne.
Do pomiaru temperatur w agresywnych środowiskach, które mają niszczycielski wpływ na parę styków, można stosować następujące dwa typy konstrukcji.
Ponadto przemysł opanowuje obecnie schematy produkcji termopar z wykorzystaniem technologii półprzewodnikowych.
Błąd pomiaru
Poprawność odczytów temperatury uzyskanych za pomocą termopary zależy od materiału grupy styków, a także od czynników zewnętrznych. Te ostatnie obejmują ciśnienie, tło promieniowania lub inne przyczyny, które mogą wpływać na parametry fizykochemiczne metali, z których wykonane są styki.
Błąd pomiaru składa się z następujących elementów:
- losowy błąd spowodowany procesem produkcyjnym termopary;
- błąd spowodowany naruszeniem reżimu temperaturowego „zimnego” styku;
- błąd spowodowany zakłóceniami zewnętrznymi;
- błąd sprzętu sterującego.
Korzyści z zastosowania termopar
Korzyści z używania tych urządzeń do kontroli temperatury, niezależnie od zastosowania, obejmują:
- duży zakres wskaźników, które można rejestrować za pomocą termopary;
- Złącze termopary, które jest bezpośrednio zaangażowane w odczyty, może być umieszczone w bezpośrednim kontakcie z punktem pomiarowym;
- Termopary są łatwe w produkcji, trwałe i trwałe.
Wady pomiaru temperatury za pomocą termopary
Wady korzystania z termopary obejmują:
- Konieczność ciągłego monitorowania temperatury „zimnego” styku termopary. To jest charakterystycznycecha konstrukcyjna przyrządów pomiarowych opartych na termoparze. Zasada działania tego schematu zawęża zakres jego zastosowania. Można ich używać tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia jest niższa niż temperatura w punkcie pomiarowym.
- Naruszenie wewnętrznej struktury metali używanych do produkcji termopar. Faktem jest, że w wyniku ekspozycji na środowisko zewnętrzne styki tracą jednorodność, co powoduje błędy w uzyskiwanych wskaźnikach temperatury.
- Podczas procesu pomiarowego grupa styków termopary jest zwykle narażona na negatywny wpływ środowiska, co powoduje zakłócenia w procesie. To znowu wymaga plombowania styków, co powoduje dodatkowe koszty utrzymania takich czujników.
- Istnieje ryzyko narażenia na działanie fal elektromagnetycznych termopary, której konstrukcja zapewnia długą grupę styków. Może to również wpłynąć na wyniki pomiarów.
- W niektórych przypadkach dochodzi do naruszenia liniowej zależności między prądem elektrycznym występującym w termoparze a temperaturą w miejscu pomiaru. Ta sytuacja wymaga kalibracji sprzętu kontrolnego.
Wniosek
Pomimo swoich niedociągnięć metoda pomiaru temperatury za pomocą termopar, wynaleziona i przetestowana po raz pierwszy w XIX wieku, znalazła szerokie zastosowanie we wszystkich gałęziach współczesnego przemysłu.
Ponadto istnieją aplikacje, w których stosuje się termoparyto jedyny sposób na uzyskanie danych o temperaturze. A po przeczytaniu tego materiału w pełni zrozumiałeś podstawowe zasady ich pracy.
