Termoelementas - tai prietaisas, skirtas temperatūrai matuoti visose mokslo ir technikos srityse. Šiame straipsnyje pateikiama bendra termopolių apžvalga ir jų konstrukcijos bei veikimo principų aprašymas. Aprašomos termoelementų atmainos ir jų trumpos charakteristikos, taip pat pateikiamas termoelemento, kaip matavimo prietaiso, įvertinimas.
Turinys
Termoelemento konstrukcija
Termoporos veikimo principas. Sebeko efektas
Termoelementas pagrįstas termoelektriniu efektu, kurį 1821 m. atrado vokiečių fizikas Tomas Seebeckas.
Šis reiškinys pagrįstas elektros atsiradimu uždaroje elektros grandinėje, kai ją veikia tam tikra aplinkos temperatūra. Elektros srovė susidaro, kai tarp dviejų skirtingos sudėties laidininkų (termoelementų) (nepanašių metalų ar lydinių) susidaro temperatūrų skirtumas, kuris palaikomas išlaikant jų sąlyčio taškus (sandūras). Prietaisas prijungto antrinio prietaiso ekrane rodo matuojamą temperatūrą.
Išėjimo įtampa ir temperatūra yra tiesiškai priklausomos. Tai reiškia, kad padidėjus matuojamai temperatūrai, laisvuosiuose termoporos galuose atsiranda didesnė milivoltų vertė.
Jungtis temperatūros matavimo taške vadinama "karštąja jungtimi", o laidų sujungimas su siųstuvu - "šaltąja jungtimi".
Šaltosios sandūros temperatūros kompensavimas (CJC)
Šaltosios sandūros kompensavimas (CJC) - tai galutinio rodmens pataisa, atliekama matuojant temperatūrą termoporos laisvųjų galų sujungimo taške. Taip yra dėl faktinės šaltosios sandūros temperatūros ir pagal kalibravimo lentelę apskaičiuotų rodmenų neatitikimo šaltosios sandūros temperatūrai 0 °C temperatūroje.
CHS - tai diferencinis metodas, kai absoliutus temperatūros rodmuo nustatomas pagal žinomą šaltosios sandūros (kitaip vadinamos etalonine sandūra) temperatūros vertę.
Termoelementų konstrukcija
Projektuojant termoporos konstrukciją atsižvelgiama į tokių veiksnių, kaip išorinės aplinkos agresyvumas, medžiagos agregatinė būklė, matuojamų temperatūrų diapazonas ir kt., įtaką.
Termoelementų konstrukcijos ypatybės:
1) Laidininkų poros tarpusavyje sujungiamos susukant arba susukant į gijas ir toliau suvirinant elektriniu lanku (retai - lituojant).
SVARBU: Susukimo būdas nerekomenduojamas dėl greito jungties savybių praradimo.
2) Termoporos elektrodai turi būti elektriškai izoliuoti per visą jų ilgį, išskyrus sąlyčio tašką.
3) Izoliacijos būdas pasirenkamas atsižvelgiant į viršutinę temperatūros ribą.
- Iki 100-120 °C - bet kokia izoliacija;
- Iki 1300 °C - porcelianiniai vamzdeliai arba rutuliukai;
- Iki 1950 °C - Al2O3;
- Aukštesnė nei 2000 °C temperatūra - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Apsauginis dangtelis.
Medžiaga turi būti termiškai ir chemiškai atspari, pasižymėti geru šilumos laidumu (metalas, keramika). Naudojant apvalkalą išvengiama korozijos tam tikrose terpėse.
Pailginimo (kompensaciniai) kabeliai
Šio tipo laidas reikalingas termoporos galams pratęsti iki antrinio įtaiso arba barjero. Laidai nenaudojami, jei termopora turi įmontuotą siųstuvą su unifikuotu išėjimo signalu. Dažniausiai naudojamas standartinis siųstuvas, įmontuotas 4-20 mA unifikuoto signalo jutiklio gnybtų galvutėje, vadinamojoje "tabletėje".
Vielos medžiaga gali būti tokia pati kaip ir termoporos, tačiau dažniausiai ji pakeičiama pigesne, atsižvelgiant į sąlygas, neleidžiančias susidaryti parazitinėms (indukuotoms) termoelementams. Optimizuoti gamybą taip pat gali padėti ilginamųjų laidų naudojimas.
Jūsų patarimai! Norėdami teisingai nustatyti kompensavimo laidų poliškumą ir jų prijungimą prie termoporos, prisiminkite MM mnemonikos taisyklę - minusas yra magnetinis. Tai reiškia, kad paimkite bet kokį magnetą ir kompensacijos minusas bus magnetinis, priešingai nei pliusas.
Termoelementų tipai ir rūšys
Termoelementų įvairovę lemia skirtingi naudojamų metalų lydinių deriniai. Termoporos parenkamos atsižvelgiant į pramonės šaką ir reikiamą temperatūros diapazoną.
Chromelalumeno termoporos (TXA)
Teigiamasis elektrodas: chromo lydinys (90 % Ni, 10 % Cr).
Neigiamasis elektrodas: aliuminio lydinys (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Izoliacinė medžiaga: porcelianas, kvarcas, metalų oksidai ir kt.
Temperatūros diapazonas nuo -200 °C iki 1300 °C trumpalaikis ir 1100 °C ilgalaikis.
Darbo aplinka: inertinė, oksiduojanti (O2=2-3 % arba visiškai pašalintas), sausas vandenilis, trumpalaikis vakuumas. Redukuojančioje arba redokso atmosferoje, esant apsauginiam apvalkalui.
Trūkumai: lengva deformuotis, grįžtamas šiluminio elektromagnetinio lauko nestabilumas.
Galimi aliuminio oksido korozijos ir trapumo atvejai, kai atmosferoje yra sieros pėdsakų, ir chromelio korozijos ir trapumo atvejai silpnai oksiduojančioje atmosferoje ("žaliasis molis").
Chromo-vario termoporos (CTC)
Teigiamasis elektrodas: chromo lydinys (90 % Ni, 10 % Cr).
Neigiamasis elektrodas: Copel lydinys (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Temperatūros diapazonas nuo -253 °C iki 800 °C ilgalaikis ir 1100 °C trumpalaikis.
Darbo terpė: inertinė ir oksiduojanti, trumpalaikis vakuumas.
Trūkumai: termoelemento deformacija.
Gali būti, kad ilgai veikiant vakuumui chromas išgaruoja; jis gali reaguoti su atmosfera, kurioje yra sieros, chromo, fluoro.
Geležies konstantos termoporos (PCT)
Teigiamasis elektrodas: gryna geležis (minkštas plienas).
Neigiamasis elektrodas: konstantano lydinys (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Naudojamas matavimams redukuotoje, inertinėje ir vakuuminėje aplinkoje. Temperatūros diapazonas nuo -203 °C iki 750 °C ilgalaikis ir 1100 °C trumpalaikis.
Taikymas pagrįstas kombinuotu teigiamos ir neigiamos temperatūros matavimu. Netinka tik neigiamai temperatūrai.
Trūkumai: termoporos deformacija, mažas atsparumas korozijai.
Geležies fizikinių ir cheminių savybių pokyčiai 700 °C ir 900 °C temperatūroje. Sąveikaudamas su sieros ir vandens garais sukelia koroziją.
Volframo-renio termoporos (TVR)
Teigiamasis elektrodas: lydiniai BP5 (95 % W, 5 % Rh)/BP5 (BP5 su silicio dioksido ir aliuminio priedu)/BP10 (90 % W, 10 % Rh).
Neigiamasis elektrodas: BP20 lydiniai (80 % W, 20 % Rh).
Izoliacija: chemiškai grynų metalų oksidų keramika.
Šios savybės - tai mechaninis tvirtumas, atsparumas temperatūrai, mažas jautrumas užterštumui ir paprastas gaminimas.
Matuojama temperatūra nuo 1800 °C iki 3000 °C, apatinė riba - 1300 °C. Matuojama inertinių dujų, sauso vandenilio arba vakuumo sąlygomis. Tinka tik greitiems matavimams oksiduojančioje aplinkoje.
Trūkumai: prastas šiluminio EML atkuriamumas, jo nestabilumas švitinimo metu, nestabilus jautrumas temperatūros diapazone.
Volframo-molibdeno (TM) termoporos
Teigiamasis elektrodas: volframas (techniškai grynas).
Neigiamasis elektrodas: molibdenas (techniškai grynas).
Izoliacija: aliuminio oksido keramika, apsaugota kvarco antgaliais.
Inertinė, vandenilio arba vakuuminė aplinka. Trumpalaikiai matavimai oksiduojančioje aplinkoje galimi esant izoliacijai. Matuojamos temperatūros diapazonas yra nuo 1400 iki 1800 °C, o maksimali darbinė temperatūra - apie 2400 °C.
Trūkumai: prastas termo-EDC atkuriamumas ir jautrumas, poliškumo inversija, trapumas aukštoje temperatūroje.
Platinos, rodžio ir platinos termoelementai (PPT)
Teigiamasis elektrodas: platina-Rh (Pt su 10 % arba 13 % Rh)
Neigiamasis elektrodas: platina.
Izoliacija: kvarcas, porcelianas (įprastas ir ugniai atsparus). Iki 1400 °C - keramika su padidintu Al kiekiu2O3O, aukštesnėje nei 1400 °C temperatūroje - chemiškai grynas Al2O3.
Maksimali darbinė temperatūra 1400 °C ilgalaikė, 1600 °C trumpalaikė. Matavimai esant žemai temperatūrai paprastai neatliekami.
Darbo aplinka: oksiduojanti ir inertiška, redukuojanti aplinka, jei yra ekranas.
Trūkumai: didelė kaina, nestabilumas švitinant, didelis jautrumas užterštumui (ypač platinos elektrodo), metalo grūdelių augimas aukštoje temperatūroje.
Platinos-rodžio-platinos-rodžio termoelementai (PRT)
Teigiamasis elektrodas: Pt lydinys su 30 % Rh.
Neigiamasis elektrodas: Pt lydinys su 6 % Rh.
Medžiaga: oksiduojanti, neutrali ir vakuuminė. Naudoti redukuotoje ir garų turinčioje metalinėje arba nemetalinėje aplinkoje, esant ekranui.
Maksimali darbinė temperatūra: 1600 °C ilgalaikė, 1800 °C trumpalaikė.
Izoliacija: keramika iš Al2O3 Didelio grynumo Al O keramika.
Mažiau jautrus cheminiam užterštumui ir grūdėtumui nei platinos ir nikelio termoporos.
Termoelementų jungimo schema
- Potenciometro arba galvanometro prijungimas tiesiogiai prie laidininkų.
- Prijungimas kompensaciniais laidais;
- Prijungimas įprastais variniais laidais prie termoporos, turinčios unifikuotą išėjimą.
Termoelementų laidininkų spalvų standartai
Spalvota laidininkų izoliacija padeda atskirti termoporos elektrodus vieną nuo kito ir teisingai prijungti prie gnybtų. Įvairiose šalyse standartai skiriasi, nėra konkrečių laidininkų spalvų žymėjimų.
SVARBU: Siekiant išvengti klaidų, būtina išsiaiškinti, kokį standartą taiko įmonė.
Matavimo tikslumas
Tikslumas priklauso nuo termoporos tipo, matuojamo temperatūros diapazono, medžiagos grynumo, elektrinio triukšmo, korozijos, sandūros savybių ir gamybos proceso.
Termoelementams priskiriama tolerancijos klasė (standartinė arba specialioji), pagal kurią nustatomas matavimo patikimumo intervalas.
SVARBU: Gamybos metu charakteristikos keičiasi eksploatacijos metu.
Matavimo greitis
Greitį lemia pirminio keitiklio gebėjimas greitai reaguoti į temperatūros šuolius ir po to įėjimo signalų srautas į matavimo prietaisą.
Reagavimą didinantys veiksniai:
- Teisingai sumontuokite ir apskaičiuokite pirminio keitiklio ilgį;
- Jei naudojate siųstuvą su termovamzdeliu, pasirinkdami mažesnio skersmens termovamzdelį sumažinkite prietaiso masę;
- Sumažinkite oro tarpą tarp pirminio keitiklio ir termobangos;
- Naudojant spyruoklinį pirminį keitiklį ir užpildant ertmes termobranduolyje šilumai laidžiu užpildu;
- Greitai judanti terpė arba didesnio tankio terpė (skystis).
Termoporos funkcinis bandymas
Norėdami patikrinti veikimą, prijunkite specialų matavimo prietaisą (testerį, galvanometrą arba potenciometrą) arba išmatuokite išėjimo įtampą milivoltmetru. Jei rodyklė arba skaitmeninis ekranas svyruoja, vadinasi, termoporos veikia, priešingu atveju prietaisą reikia pakeisti.
Termoporos gedimo priežastys:
- Apsauginio ekranavimo įtaiso nenaudojimas;
- Elektrodų cheminės sudėties pakeitimas;
- Oksidacijos procesai, vykstantys aukštoje temperatūroje;
- matavimo prietaiso gedimas ir kt.
Termoelementų naudojimo privalumai ir trūkumai
Šio prietaiso naudojimo privalumai:
- Didelis temperatūros matavimo diapazonas;
- Didelis tikslumas;
- Paprasta ir patikima.
Trūkumai yra šie:
- Nuolatinis šaltosios jungties stebėjimas, kontrolės įrangos tikrinimas ir kalibravimas;
- Metalų struktūros pokyčiai gaminant aparatą;
- Atmosferos sudėties priklausomybė, sandarinimo išlaidos;
- Matavimo paklaidos dėl elektromagnetinių bangų poveikio.
