Termoelement - hva er det i enkle termer?

Prinsippet om drift og design av et termoelement er ekstremt enkelt. Dette førte til populariteten til denne enheten og den utbredte bruken i alle grener av vitenskap og teknologi. Termoelementet er designet for å måle temperaturer i et bredt spekter - fra -270 til 2500 grader Celsius. Enheten har vært en uunnværlig assistent for ingeniører og forskere i flere tiår. Det fungerer pålitelig og feilfritt, og temperaturavlesningene er alltid sanne. En mer perfekt og nøyaktig enhet eksisterer rett og slett ikke. Alle moderne enheter fungerer på termoelementprinsippet. De jobber under vanskelige forhold.

Termoelementoppgave

Denne enheten konverterer termisk energi til elektrisk strøm og tillater temperaturmåling. I motsetning til tradisjonelle kvikksølvtermometre, er den i stand til å fungere under forhold med både ekstremt lave og ekstremt høye temperaturer. Denne funksjonen har ført til utstrakt bruk av termoelementer i en rekke installasjoner: industrielle metallurgiske ovner, gasskokere, vakuumkamre for kjemisk varmebehandling, ovn for husholdningsgassovner. Prinsippet for drift av et termoelement forblir alltid uendret og avhenger ikke av enheten det er montert i.

Pålitelig og uavbrutt drift av termoelementet avhenger av driften av nødstoppsystemet for enheter i tilfelle overskridelse av tillatte temperaturgrenser. Derfor må denne enheten være pålitelig og gi nøyaktige målinger for ikke å skade menneskers liv.

Designfunksjoner

Hvis vi er mer nøye med prosessen med å måle temperaturen, utføres denne prosedyren ved hjelp av et termoelektrisk termometer. Det viktigste følsomme elementet i denne enheten er et termoelement.

Selve måleprosessen skjer på grunn av dannelsen av en elektromotorisk kraft i termoelementet. Det er noen funksjoner i et termoelement:

• Elektrodene er koblet sammen i termoelementer for å måle høye temperaturer på ett tidspunkt ved hjelp av lysbuesveising. Når man måler små indikatorer, blir en slik kontakt laget ved lodding. Spesielle forbindelser i wolfram-rhenium- og wolfram-molybden-enheter utføres ved hjelp av tette vendinger uten ytterligere behandling.
• Tilkoblingen av elementene utføres bare i arbeidsområdet, og langs resten av lengden er de isolert fra hverandre.
• Isolasjonsmetoden utføres avhengig av den øvre temperaturverdien. Med et verdiområde fra 100 til 120 ° C brukes alle typer isolasjon, inkludert luft. Porselensrør eller perler brukes ved temperaturer opp til 1300 ° C. Hvis verdien når 2000 ° C, brukes et isolerende materiale av aluminiumoksid, magnesium, beryllium og zirkonium.
• Et ytre beskyttelsesdeksel brukes avhengig av miljøet for bruk av sensoren der temperaturen måles. Den er laget i form av et metall- eller keramisk rør. Denne beskyttelsen gir vanntetting og overflatebeskyttelse av termoelementet mot mekanisk belastning. Det ytre dekselmaterialet må tåle høy temperatureksponering og ha utmerket varmeledningsevne.

Det vil være interessant for deg Valg og funksjoner ved å koble til en energimåler

Utformingen av sensoren avhenger i stor grad av bruksforholdene. Når du lager et termoelement, tas rekkevidden av målte temperaturer, tilstanden til det ytre miljøet, termisk treghet, etc. i betraktning.

Hvordan termoelementet fungerer

Et termoelement har tre hovedelementer. Dette er to ledere av elektrisitet fra forskjellige materialer, samt et beskyttende rør.De to endene av lederne (også kalt termoelektroder) er loddet, og de to andre er koblet til et potensiometer (temperaturmåler).

Enkelt sagt er prinsippet for drift av et termoelement at krysset mellom termoelektroder er plassert i et miljø, hvis temperatur må måles. I samsvar med Seebeck-regelen oppstår en potensiell forskjell på lederne (ellers - termoelektrisitet). Jo høyere temperaturen på mediet er, desto mer signifikant er potensialforskjellen. Følgelig avviker pilen på enheten mer.

I moderne målekomplekser har digitale temperaturindikatorer erstattet den mekaniske enheten. Imidlertid er den nye enheten langt fra alltid overlegen i sine egenskaper til de gamle enhetene fra sovjettiden. På tekniske universiteter og i forskningsinstitusjoner bruker de den dag i dag potensiometre for 20-30 år siden. Og de viser utrolig nøyaktighet og stabilitet.

Designfunksjoner

Et termoelement er en spesiell enhet som måler temperaturen. Strukturen vil bestå av to forskjellige ledere, som i fremtiden vil kontakte hverandre på ett eller flere punkter. Når temperaturen endres i en del av disse lederne, vil det opprettes en spenning. Mange fagpersoner bruker termoelementer ganske ofte for å kontrollere temperaturen i en rekke miljøer og for å konvertere temperaturen til energi.

En kommersiell omformer vil være rimelig. Den vil ha standardkontakter og kan måle et bredt utvalg av temperaturer. Hovedforskjellen fra andre enheter for måling av temperatur er at de er selvdrevne og ikke krever en ekstern eksitasjonsfaktor. Hovedbegrensningen når du arbeider med denne enheten er dens nøyaktighet.

Det finnes også forskjellige typer termoelementer. Mange inventar regnes som fullt standardiserte. Mange produksjonsbedrifter bruker i dag elektroniske kaldkoblingsteknikker for å korrigere temperaturendringer på enhetens terminaler. Takket være dette klarte de å forbedre nøyaktigheten betydelig.

Bruken av et termoelement anses å være ganske bredt. De kan brukes i følgende områder:

• Vitenskap.
• Industri.
• For måling av temperaturer i ovner eller kjeler.
• Private hjem eller kontorer.
• Disse enhetene er også i stand til å erstatte AOGV-termostater i gassovner.

Seebeck-effekt

Prinsippet for drift av et termoelement er basert på dette fysiske fenomenet. Poenget er dette: Hvis du kobler til to ledere laget av forskjellige materialer (noen ganger brukes halvledere), vil en strøm sirkulere langs en slik elektrisk krets.

Dermed, hvis krysset mellom lederne blir oppvarmet og avkjølt, vil potensiometernålen svinge. Strømmen kan også oppdages av et galvanometer koblet til kretsen.

I tilfelle lederne er laget av det samme materialet, vil ikke den elektromotoriske kraften oppstå, henholdsvis, det vil ikke være mulig å måle temperaturen.

Koblingsskjema for termoelement

De vanligste metodene for å koble måleinstrumenter til termoelementer er den såkalte enkle metoden, så vel som den differensierte. Essensen av den første metoden er som følger: enheten (potensiometer eller galvanometer) er direkte koblet til to ledere. Med den differensierte metoden er ikke en, men begge ender av lederne loddet, mens en av elektrodene blir "ødelagt" av måleinstrumentet.

Det er umulig å ikke nevne den såkalte fjernmetoden for å koble til et termoelement. Operasjonsprinsippet forblir uendret. Den eneste forskjellen er at skjøteledninger legges til kretsen.For disse formål er en vanlig kobberledning ikke egnet, siden kompensasjonstrådene nødvendigvis må være laget av de samme materialene som termoelementledere.

Termoelementeksamen

I henhold til GOST 8.585 og IEC 60574 har termoelementgraderinger bokstavkoder K, J, N, T, S, R, B, avhengig av kjemisk sammensetning av termoelektroder. Tabellen nedenfor viser betegnelsene på termoelementkalibreringene, det området NSX for hver type termoelementkalibrering normaliseres, og fargemerkingen på skjøteledningene til termoelementet.

Sensortype	Wire skisse	НСХ normaliseres i temperaturområdet	Fargekoding i henhold til IEC 60584: 3-2007	Nominell sammensetning
HA (K)		Fra -200	"+" Grønn	Chromel
		Opp til 1370	"-" Hvit	Alumel
НН (N)		"+" Rosa
		"-" Hvit
LCD (J)		"+" Svart
		"-" Hvit
MK (T)		"+" Brun
		"-" Hvit
PP (S)
	PP (R)
ETC (B)
	XK (L)		"+" Grønn
"-" Gul

Ledermaterialer

Prinsippet for drift av et termoelement er basert på forekomsten av en potensiell forskjell i ledere. Derfor må valg av elektrodemateriale tilnærmes veldig ansvarlig. Forskjellen i de kjemiske og fysiske egenskapene til metaller er den viktigste faktoren i driften av et termoelement, hvis innretning og driftsprinsipp er basert på forekomsten av en EMF for selvinduksjon (potensialforskjell) i kretsen.

Teknisk rene metaller er ikke egnet for bruk som termoelement (med unntak av ARMKO-jern). Forskjellige legeringer av ikke-jernholdige og edle metaller brukes ofte. Slike materialer har stabile fysiske og kjemiske egenskaper, slik at temperaturavlesning alltid vil være nøyaktig og objektiv. Stabilitet og presisjon er nøkkelegenskaper i organisasjonen av eksperimentet og produksjonsprosessen.

For tiden er de vanligste termoelementene av følgende typer: E, J, K.

Termoelement funksjoner

Vanligvis brukes uedle metaller til å produsere termoelementer. Og for å beskytte arbeidselementene mot eksterne faktorer, plasseres de i et rør utstyrt med en bevegelig flens.

Det fungerer som et middel til å feste strukturen. Termoelementrøret til en gasskjele er laget av vanlig eller rustfritt stål, og for å utelukke kontakt mellom elektrodene med hverandre, brukes slike midler som asbest, porselensrør eller keramiske perler.

Selv om termoelementer hovedsakelig er laget av uedle metaller, tillater edle materialer dem å forbedre målenøyaktigheten betydelig. Her manifesteres termoelektrisk inhomogenitet i mindre grad. I tillegg er de mer motstandsdyktige mot oksidasjon, og derfor er slike design svært stabile. Bare slike enheter er veldig dyre.

Strukturelt kan termoelementer produseres på forskjellige måter. Dette er også en versjon med åpen ramme, hvor krysset mellom de to lederne ikke er stengt. En slik innretning gir nesten øyeblikkelig temperaturmåling, og inertiteten er merkbart lavere.

Den andre versjonen av et termoelement for gasskomfyr eller kjele er sonder. Denne designen har blitt mer utbredt, siden den er relevant for produksjonsformål, der den er nødvendig for å beskytte arbeidselementene fra aggressive målemedier. Men i hverdagen blir de også brukt oftere enn den første typen.

Termoelement type K

Dette er kanskje den vanligste og mest brukte typen termoelement. Et par kromeluminium fungerer utmerket ved temperaturer fra -200 til 1350 grader Celsius. Denne typen termoelement er svært følsom og oppdager til og med et lite temperaturhopp. Takket være dette settet med parametere brukes termoelementet både i produksjon og i vitenskapelig forskning. Men det har også en betydelig ulempe - påvirkningen av sammensetningen av arbeidsatmosfæren.Så hvis denne typen termoelement vil fungere i et CO2-miljø, vil termoelementet gi feil avlesning. Denne funksjonen begrenser bruken av denne typen enheter. Kretsen og driftsprinsippet til termoelementet forblir uendret. Den eneste forskjellen er i den kjemiske sammensetningen av elektrodene.

Typer enheter

Hver type termoelement har sin egen betegnelse, og de er delt i henhold til den generelt aksepterte standarden. Hver type elektroder har sin egen forkortelse: TXA, TXK, TBR, etc. Omformere fordeles i henhold til klassifiseringen:

• Type E - er en legering av krom og konstantan. Karakteristikken til denne enheten anses å være høy følsomhet og ytelse. Dette er spesielt egnet for bruk ved ekstremt lave temperaturer.
• J - refererer til en legering av jern og konstantan. Den har høy følsomhet, som kan nå opptil 50 μV / ° C.
• Type K regnes som den mest populære krom / aluminiumslegering. Disse termoelementene kan oppdage temperaturer fra -200 ° C til +1350 ° C. Enhetene brukes i kretsløp i ikke-oksiderende og inerte forhold uten tegn på aldring. Når enhetene brukes i et ganske surt miljø, korroderer krom raskt og blir ubrukelig for å måle temperaturen med et termoelement.
• Type M - representerer legeringer av nikkel med molybden eller kobolt. Enhetene tåler opptil 1400 ° C og brukes i installasjoner som fungerer etter prinsippet om vakuumovner.
• Type N - nichrosil-nisil-enheter, hvis forskjell anses å være motstandsdyktig mot oksidasjon. De brukes til å måle temperaturer i området -270 til +1300 ° C.

Det vil være interessant for deg Fysikk og konsekvenser av elektrisk støt

Det er termoelementer laget av rodium og platina legeringer. De tilhører typene B, S, R og regnes som de mest stabile enhetene. Ulempene med disse omformerne inkluderer høy pris og lav følsomhet.

Ved høye temperaturer brukes enheter laget av rhenium og wolframlegeringer mye. I tillegg, i henhold til deres formål og driftsforhold, kan termoelementer være nedsenkbare og overflate.

Etter design har enhetene en statisk og bevegelig forening eller flens. Termoelektriske omformere brukes mye i datamaskiner, som vanligvis er koblet til via en COM-port og er designet for å måle temperaturen inne i saken.

Kontrollere termoelementets drift

Hvis termoelementet svikter, kan det ikke repareres. Teoretisk sett kan du selvfølgelig fikse det, men om enheten vil vise den eksakte temperaturen etter det er et stort spørsmål.

Noen ganger er svikt i et termoelement ikke åpenbart og åpenbart. Spesielt gjelder dette gassvarmere. Prinsippet om drift av et termoelement er fortsatt det samme. Imidlertid spiller den en litt annen rolle og er ikke ment for å visualisere temperaturavlesninger, men for ventildrift. Derfor, for å oppdage en funksjonsfeil i et slikt termoelement, er det nødvendig å koble en måleenhet (tester, galvanometer eller potensiometer) til den og varme opp krysset til termoelementet. For å gjøre dette er det ikke nødvendig å holde det over åpen ild. Det er bare å presse den i en knyttneve og se om pilen på enheten vil avvike.

Årsakene til svikt i termoelementer kan være forskjellige. Så hvis du ikke tar på deg en spesiell skjermingsenhet på termoelementet plassert i vakuumkammeret til ion-plasma-nitreringsenheten, vil det over tid bli mer og mer skjørt til en av lederne går i stykker. I tillegg er muligheten for feil drift av termoelementet på grunn av en endring i den kjemiske sammensetningen av elektrodene ikke utelukket. Tross alt er de grunnleggende prinsippene for termoelementet brutt.

Gassutstyr (kjeler, søyler) er også utstyrt med termoelementer.Hovedårsaken til elektrodesvikt er oksidative prosesser som utvikler seg ved høye temperaturer.

I tilfelle når avlesningene av enheten er bevisst falske, og under en ekstern undersøkelse, ble det ikke funnet svake klemmer, så ligger årsaken, mest sannsynlig, i svikt i kontroll- og måleenheten. I dette tilfellet må den returneres for reparasjon. Hvis du har de aktuelle kvalifikasjonene, kan du prøve å løse problemet selv.

Og generelt, hvis potensiometernålen eller den digitale indikatoren viser i det minste noen "livstegn", så er termoelementet i god stand. I dette tilfellet er problemet helt klart noe annet. Og følgelig, hvis enheten ikke reagerer på noen måte til åpenbare endringer i temperaturregimet, kan du trygt bytte termoelementet.

Før du demonterer termoelementet og installerer et nytt, må du imidlertid sørge for at det er feil. For å gjøre dette er det nok å ringe termoelementet med en vanlig tester, eller enda bedre, måle utgangsspenningen. Bare et vanlig voltmeter vil neppe hjelpe her. Du trenger et millivoltmeter eller tester med muligheten til å velge en målestokk. Tross alt er potensiell forskjell en veldig liten verdi. Og en standard enhet vil ikke engang føle det og vil ikke fikse det.

Kryss termoelement

De fleste termoelementer har bare ett kryss. Imidlertid, når et termoelement er koblet til en elektrisk krets, kan det dannes et annet kryss ved tilkoblingspunktene.

Termoelementkrets

Kretsen vist på figuren består av tre ledninger, merket A, B og C. Ledningene er vridd sammen og merket D og E. Krysset er et ekstra kryss som dannes når et termoelement er koblet til kretsen. Dette krysset kalles det gratis (kalde) krysset til termoelementet. Kryss E er et fungerende (varmt) kryss. Kretsen inneholder en måleenhet som måler forskjellen i spenningsverdier over de to kryssene.

De to kryssene er koblet sammen på en slik måte at spenningen deres står i motsetning til hverandre. Dermed genereres den samme spenningsverdien på begge kryssene, og instrumentavlesningene vil være null. Siden det er et direkte proporsjonalt forhold mellom temperaturen og størrelsen på spenningen som genereres av termoelementkrysset, vil de to kryssene generere de samme spenningsverdiene når temperaturen over dem er den samme.

Effekt av oppvarming av et kryss av et termoelement

Når termoelementkrysset varmes opp, øker spenningen i direkte proporsjon. Strømmen av elektroner fra det oppvarmede krysset strømmer gjennom et annet kryss, gjennom måleenheten og returnerer tilbake til det varme krysset. Måleren viser spenningsforskjellen mellom de to kryssene. Spenningsforskjellen mellom de to kryssene. Spenningsforskjellen som vises av enheten konverteres til temperaturavlesninger enten ved hjelp av en tabell eller vises direkte på en skala som er kalibrert i grader.

Termoelement for kaldt kryss

Det kalde krysset er ofte det punktet der termoelementkablenees frie ender kobles til måleren.

Siden måleren i termoelementkretsen faktisk måler spenningsforskjellen mellom de to kryssene, bør kaldkryssspenningen holdes så konstant som mulig. Ved å holde spenningen ved kaldt kryss konstant, sørger vi for at et avvik i måleravlesningen indikerer en endring i temperaturen ved arbeidskrysset.

Hvis temperaturen rundt kaldkrysset endres, vil også spenningen over kaldkrysset endres. Dette vil endre spenningen over det kalde krysset. Og som et resultat vil også spenningsforskjellen over de to kryssene endres, noe som til slutt vil føre til unøyaktige temperaturavlesninger.

Kompenserende motstander brukes i mange termoelementer for å holde kaldt kryssetemperatur konstant. Motstanden er på samme sted som kaldt kryss, så temperaturen påvirker krysset og motstanden samtidig.

Termoelementkrets med kompenserende motstand

Termoelementarbeidskryss (varmt)

Et arbeidskryss er et kryss som påvirkes av prosessen hvis temperatur måles. På grunn av det faktum at spenningen som genereres av termoelementet er direkte proporsjonal med temperaturen, genererer den mer spenning når arbeidsforbindelsen varmes opp, og når den avkjøles, genererer den mindre.

Arbeidskryss og kaldkryss

Fordeler med termoelement

Hvorfor har termoelementer ikke blitt erstattet av mer avanserte og moderne temperaturmålesensorer over en så lang driftshistorie? Ja, av den enkle grunnen til at ingen andre enheter til nå kan konkurrere med den.

For det første er termoelementer relativt billige. Selv om prisene kan svinge i et bredt spekter som et resultat av bruken av visse beskyttelseselementer og overflater, kontakter og kontakter.

For det andre er termoelementer upretensiøse og pålitelige, noe som gjør at de kan brukes med suksess i aggressive temperatur- og kjemiske omgivelser. Slike enheter er til og med installert i gasskjeler. Prinsippet om drift av et termoelement forblir alltid det samme, uavhengig av driftsforhold. Ikke alle andre sensortyper vil være i stand til å motstå en slik påvirkning.

Teknologien for produksjon og produksjon av termoelementer er enkel og enkel å implementere i praksis. Grovt sett er det nok bare å vri eller sveise endene på ledninger fra forskjellige metallmaterialer.

En annen positiv egenskap er nøyaktigheten til målingene og den ubetydelige feilen (bare 1 grad). Denne nøyaktigheten er mer enn nok for behovene til industriell produksjon, og for vitenskapelig forskning.

Påføring av termoelementer

Denne delen mangler referanser til informasjonskilder. Informasjonen må være verifiserbar, ellers kan den settes spørsmålstegn ved og slettes. Du kan redigere denne artikkelen ved å legge til lenker til autoritative kilder. Dette merket er satt 31. juli 2012 .

For å måle temperaturen på forskjellige typer gjenstander og medier, samt en temperatursensor i automatiserte kontrollsystemer. Wolfram-rhenium-termoelementer er temperaturfølere med høyeste temperaturkontakt [2]. Slike termoelementer er uunnværlige i metallurgi for å kontrollere temperaturen på smeltede metaller.

For flammekontroll og beskyttelse mot gassforurensning i gasskokere og andre gassapparater (for eksempel husholdningsgassovner). Strømmen fra termoelementet, oppvarmet av brenneren, holder gassventilen åpen. Ved flammesvikt reduseres termoelementstrømmen og ventilen slår av gassforsyningen.

På 1920- og 1930-tallet ble termoelementer brukt til å drive de enkleste radioene og andre enheter med lav strøm. Det er fullt mulig å bruke termogeneratorer til å lade opp batteriene til moderne lavstrømsenheter (telefoner, kameraer, etc.) ved hjelp av åpen ild.

Strålingsmottaker

Nærbilde av termopilen til fotodetektoren. Hver av trådvinklene er et termoelement.
Historisk sett representerer termoelementer en av de tidligste termoelektriske strålingsdetektorene [3]. Omtalen av denne bruken av dem dateres tilbake til tidlig på 1830-tallet [4]. De første mottakerne brukte enkelttrådspar (kobber - konstantan, vismut - antimon), det varme krysset var i kontakt med en svertet gullplate. Senere design brukte halvledere.

Termoelementer kan kobles i serie, den ene etter den andre, og danner en termopil. I dette tilfellet er varme kryss plassert enten langs omkretsen av mottakerplattformen, eller jevnt langs overflaten. I det første tilfellet ligger individuelle termoelementer i samme plan, i det andre er de parallelle med hverandre [5].

Fordeler med termoelement

• Høy nøyaktighet av temperaturmåling (opp til ± 0,01 ° C).
• Stort temperaturmåleområde: fra -250 ° C til +2500 ° C.
• Enkelhet.
• Billighet.
• Pålitelighet.

ulemper

• For å oppnå høy nøyaktighet av temperaturmåling (opp til ± 0,01 ° C), er det nødvendig med en individuell kalibrering av termoelementet.
• Lesingen påvirkes av temperaturen på stigerørene, som må korrigeres. I moderne design av målere basert på termoelementer, måles temperaturen på blokken med kalde kryss ved hjelp av en innebygd termistor eller halvlederføler, og automatisk korreksjon til den målte TEMF brukes.
• Peltier-effekt (på tidspunktet for avlesning er det nødvendig å ekskludere strømmen av strøm gjennom termoelementet, siden strømmen som strømmer gjennom det, kjøler det varme krysset og varmer det kalde).
• Temperaturavhengigheten til termokraften er i det vesentlige ikke-lineær. Dette skaper vanskeligheter i utformingen av sekundære signalomformere.
• Utseendet til termoelektrisk inhomogenitet som et resultat av skarpe temperaturendringer, mekaniske påkjenninger, korrosjon og kjemiske prosesser i ledere fører til en endring i kalibreringskarakteristikken og feil opp til 5 K.
• Lange termoelementer og skjøteledninger kan skape en "antenne" -effekt for eksisterende elektromagnetiske felt.

Ulemper med termoelement

Det er ikke mange ulemper med et termoelement, spesielt når man sammenligner med dets nærmeste konkurrenter (temperaturfølere av andre typer), men det er de fortsatt, og det ville være urettferdig å tie om dem.

Så potensialforskjellen måles i millivolt. Derfor er det nødvendig å bruke veldig følsomme potensiometre. Og hvis vi tar i betraktning at måleinstrumenter ikke alltid kan plasseres i umiddelbar nærhet til stedet for innsamling av eksperimentelle data, så må noen forsterkere brukes. Dette medfører en rekke ulemper og fører til unødvendige kostnader i organisering og klargjøring av produksjonen.