Termočlánek: princip činnosti, zařízení

Existuje mnoho různých zařízení a mechanismů, které umožňují měřit teplotu. Některé z nich se používají v každodenním životě, některé v různých fyzikálních studiích, ve výrobních procesech a v jiných průmyslových odvětvích.

Jedním takovým zařízením je termočlánek. Princip činnosti a schéma tohoto zařízení budou zváženy v následujících částech.

Fyzická báze termočlánku

Princip fungování termočlánku je založen na běžných fyzikálních procesech. Poprvé byl účinek, na základě kterých jednotka působí, byl vyšetřován německý vědec Thomas Seebeck.

Podstata jevu, na němž platí princip působení termočlánku, je následující. V uzavřeném elektrickém obvodu sestávajícím ze dvou vodičů různých typů se generuje elektrická energie, když se aplikuje určitá okolní teplota.

Výsledný elektrický proud a teplota okolí působící na vodiče jsou lineárně závislé. To znamená, že čím vyšší je teplota, tím větší je elektrický proud produkovaný termočlánkem. To je princip činnosti termočlánku a odporového teploměru.

Kde jeden z kontaktu termočlánku je v místě, kde je třeba měřit teplotu, se nazývá „horké“. Druhý kontakt, jinými slovy - "studený", - v opačném směru. Aplikace pro měření termočlánků je přípustná, pouze pokud je pokojová teplota nižší než u místa měření.

Jedná se o krátkou schématu provozu termočlánku, principu působení. V další části se podíváme na typy termočlánků.

Typy termočlánků

V každém průmyslu, kde se vyžadují měření teploty, se používá termočlánek hlavně. Zařízení a princip činnosti různých typů této jednotky jsou uvedeny níže.

Chromel-hliníkové termočlánky

Tyto termočlánky schéma používá se ve většině případů k výrobě různých čidel a sond, které umožňují regulaci teploty v průmyslové výrobě.

Jejich charakteristické rysy lze nazvat poměrně nízkou cenou a velkým rozsahem naměřené teploty. Umožňují vám nastavit teplotu od -200 do +13000 stupňů Celsia.

Je neúčinné používat termočlánky s podobnými slitinami v dílnách a na předmětech s vysokým obsahem síry ve vzduchu, neboť chemický prvek Negativně ovlivňuje jak chróm, tak i hliník, což způsobuje poruchy ve fungování zařízení.

Chromel-Copel termočlánky

Princip termočlánku, jehož kontaktní skupina se skládá z těchto slitin, je stejný. Tato zařízení však pracují především v kapalném nebo plynném prostředí s neutrálními, neagresivními vlastnostmi. Index horní teploty nepřesahuje +8000 stupňů Celsia.

Používá se podobný termočlánek, jeho princip umožňuje jeho použití k určení stupně ohřevu jakýchkoliv povrchů, například k určení teploty otevřených pecí nebo jiných podobných konstrukcí.

Železo-konstantní termočlánky

Tato kombinace kontaktů v termočlánku není tak běžná jako první z zvažovaných odrůd. Princip fungování termočlánku je stejný, ale tato kombinace se ukázala být dobře ve vzácné atmosféře. Maximální naměřená teplota by neměla překročit +12500 stupňů Celsia.

Nicméně, pokud teplota začne stoupat nad +7000 stupňů, hrozí nebezpečí porušení přesnosti měření kvůli změně fyzikálních a chemických vlastností železa. Existují dokonce případy koroze kontaktu železa termočlánku, pokud jsou v okolním vzduchu přítomny vodní páry.

Platinové / platinové termočlánky

Nejdražší termočlánek ve výrobě. Princip fungování je stejný, ale liší se od svých protějšků velmi stabilními a spolehlivými teplotními údaji. Má sníženou citlivost.

Hlavní oblastí použití těchto zařízení je měření vysokých teplot.

Wolfram-rhenium termočlánky

Používá se také k měření ultra vysokých teplot. Maximální limit, který lze nastavit pomocí této schématu, je 25 000 stupňů Celsia.

Jejich použití vyžaduje určité podmínky. Tak, při teplotě měření je nutno zcela vyloučit okolní atmosféry, která má negativní dopad na kolíky v oxidačním procesu.

Pro tento wolfram-rhenium Termočlánky jsou obvykle umístěny v ochranných pouzdrech, naplněných inertním plynem, který chrání jejich prvky.

Uvažujeme nad každým existujícím termočlánkem, zařízením, principem jeho fungování v závislosti na použitých slitinách. Nyní zvážme některé konstruktivní rysy.

Návrh termočlánků

Existují dva hlavní typy návrhů termočlánků.

• Použití izolační vrstvy. Tato konstrukce termočlánku zajišťuje izolaci pracovní vrstvy zařízení z elektrického proudu. Taková schéma umožňuje použití termočlánku v procesu bez izolace vstupu ze země.

• Bez použití izolační vrstvy. Takové termočlánky lze připojit pouze k měřicím obvodům, jejichž vstupy nemají kontakt se zemí. Není-li tato podmínka splněna, bude mít zařízení dva nezávislé uzavřené obvody, v důsledku čehož odečty získané termočlánkem neodpovídají skutečnosti.

Běžící termočlánek a jeho aplikace

K dispozici je samostatná verze tohoto zařízení, nazvaná "běží". Pracovní princip termočlánku je nyní podrobněji zvážen.

Tento návrh se používá hlavně k určení teploty ocelového polotovaru při jeho obrábění na obráběcích, frézovacích a podobných strojích.

Je třeba poznamenat, že v tomto případě je možné použít konvenční termočlánek, avšak pokud výrobní proces vyžaduje vysokou přesnost teplotního režimu, provozní termočlánek nemůže být nadhodnocen.

Při použití této metody jsou její kontaktní prvky předběžně svařeny do obrobku. Pak jsou při zpracování polotovarů tyto kontakty neustále vystaveny řezacímu nástroji nebo jinému pracovnímu nástroji stroje, v důsledku čehož křižovatka (která je hlavním prvkem při odstraňování teplotních indexů) "prochází" kontakty.

Tento účinek je všeobecně používán v kovoprůmyslu.

Technologické vlastnosti konstrukcí termočlánků

Při výrobě pracovního obvodu termočlánku jsou dva kovové kontakty svařeny dohromady, o kterých je známo, že jsou vyrobeny z různých materiálů. Křižovatka se nazývá "křižovatka".

Mělo by být poznamenáno, že není nutné provést toto spojení pomocí hrotů. Stačí jen otočit dva kontakty. Ale takový způsob výroby nebude mít dostatečnou úroveň spolehlivosti a může také způsobit chyby při odstraňování ukazatelů teploty.

Pokud je nutné měřit vysoké teploty, je kovový hrot nahrazen svařováním. To je způsobeno skutečností, že ve většině případů má spojovací pájka nízkou teplotu tání a při překročení její hladiny je zničena.

Schémata, pro která bylo aplikováno svařování, mohou vydržet širší teplotní rozsah. Ale tento způsob připojení má své nevýhody. Vnitřní struktura kovu pod vlivem vysoké teploty během svařování se může měnit, což ovlivní kvalitu získaných dat.

Dále by měl být monitorován stav termočlánkových kontaktů během provozu. Proto je možné měnit charakteristiky kovů v obvodu kvůli vlivu agresivního prostředí. Mohou existovat oxidace nebo vzájemná difúze materiálů. V takové situaci je nutné vyměnit pracovní obvod termočlánku.

Typy termočlánkových křižovatek

Moderní průmysl vyrábí několik konstrukcí, které se používají při výrobě termočlánků:

• s otevřenou křižovatkou;

• s odděleným křižovatkem;

• s uzemněnou křižovatkou.

Funkce termočlánků s otevřeným spojem je špatná odolnost vůči vnějším vlivům.

Následující dva typy struktur mohou být použity při měření teploty v nepříznivém prostředí, může mít zničující dopad na dvojice kontaktů.

Navíc průmysl v současné době rozvíjí výrobní obvody termočlánků pro polovodičové technologie.

Chyba měření

Správnost teplotních parametrů získaných termočlánkem závisí na materiálu kontaktní skupiny, stejně jako na vnějších faktorech. Ty zahrnují tlak, záření pozadí nebo jiné příčiny, které mohou ovlivnit fyzikálně-chemické parametry kovů, ze kterých jsou kontakty vytvořeny.

Chyba měření sestává z následujících složek:

• náhodná chyba způsobená výrobními funkcemi termočlánků;

• chyba způsobená porušením teplotního režimu "chladného" kontaktu;

• chyba způsobená vnějším rušením;

• nepřesnosti kontrolního zařízení.

Výhody použití termočlánků

Výhody použití takových zařízení pro regulaci teploty bez ohledu na oblast použití zahrnují:

• široký rozsah indikátorů, který lze upevnit pomocí termočlánku;

• Hrot termočlánku, který se přímo podílí na čtení, může být umístěn v přímém kontaktu s měřícím bodem;

• jednoduchý proces výroby termočlánků, jejich pevnost a trvanlivost provozu.

Nevýhody měření teploty pomocí termočlánku

Nevýhody použití termočlánku zahrnují:

• Potřeba konstantního sledování teploty "kontaktního" termočlánku "za studena". Jedná se o charakteristický rys konstrukce měřicích přístrojů založených na termočlánku. Zásada fungování tohoto režimu omezuje rozsah jeho použití. Mohou být použity pouze v případě, že je okolní teplota nižší než teplota v místě měření.

• Porušení vnitřní struktury kovů používaných při výrobě termočlánků. Faktem je, že vlivem vnějšího prostředí ztrácejí kontakty jejich homogenitu, což způsobuje chyby v získaných teplotních indexech.

• Během měření je kontaktní skupina termočlánku obvykle vystavena negativnímu vlivu prostředí, což způsobuje poruchy během provozu. To opět vyžaduje utěsnění kontaktů, což způsobuje další náklady na údržbu takových snímačů.

• Existuje nebezpečí, že elektromagnetické vlny působí na termočlánek, jehož konstrukce zajišťuje dlouhou kontaktní skupinu. To může také ovlivnit výsledky měření.

• V některých případech dochází k porušení lineárního vztahu mezi elektrickým proudem generovaným v termočlánku a teplotou na místě měření. Podobná situace vyžaduje kalibraci řídicí techniky.

Závěr

Navzdory stávajícím nedostatkům, způsob měření teplota pomocí termočlánků, která byla poprvé vynalezena a testována v 19. století, našla širokou uplatnění ve všech odvětvích moderního průmyslu.

Kromě toho existují aplikace, kde je použití termočlánků jediným způsobem, jak získat údaje o teplotě. A když jste se seznámili s tímto materiálem, jste plně pochopili základní principy jejich práce.