Zasada działania termopary: opis, urządzenie, obwód

Zasada działania i termoelementy urządzenia są niezwykle proste. Doprowadziło to do popularności tego urządzenia i szerokiego zastosowania we wszystkich gałęziach nauki i technologii. Termopara jest przeznaczona do pomiaru temperatury w szerokim zakresie - od -270 do 2500 stopni Celsjusza. Urządzenie było niezastąpionym pomocnikiem inżynierów i naukowców od dziesięcioleci. Działa niezawodnie i niezawodnie, a odczyty temperatury są zawsze prawdziwe. Bardziej wyrafinowany i dokładny instrument po prostu nie istnieje. Wszystkie nowoczesne urządzenia działają na zasadzie termoelementów. Pracuj w trudnych warunkach.

Cel termopary

To urządzenie zamienia energię cieplną w prąd elektryczny i umożliwia pomiar temperatury. W przeciwieństwie do tradycyjnych termometrów rtęciowych, może pracować w warunkach ekstremalnie niskich i ekstremalnie wysokich temperatur. Ta cecha doprowadziła do powszechnego stosowania termoogniw w wielu różnych instalacjach: przemysł metalurgiczny kuchenki gazowe kotły, komory próżniowe do chemicznej obróbki cieplnej, kuchenki gazowe. Zasada działania termopary pozostaje zawsze niezmieniona i nie zależy od urządzenia, w którym jest zamontowana.

Działanie układu awaryjnego wyłączania urządzenia w przypadku przekroczenia dopuszczalnych limitów temperatury zależy od niezawodnego i nieprzerwanego działania termopary. Dlatego też to urządzenie musi być niezawodne i zapewniać dokładne odczyty, tak aby nie zagrażać życiu ludzi.

Zasada działania termopary

Termopara ma trzy główne elementy. Są to dwa przewodniki prądu elektrycznego z różnych materiałów, a także rura ochronna. Dwa końce przewodów (zwane także termoelektrodami) są lutowane, a pozostałe dwa są połączone z potencjometrem (urządzeniem do pomiaru temperatury).

W uproszczeniu, zasadą działania termopary jest to, że połączenie termoelektrod umieszczane jest na medium, którego temperatura ma być mierzona. Zgodnie z zasadą Seebecka na przewodach występuje różnica potencjałów (w przeciwnym razie termoelektryczność). Im wyższa temperatura medium, tym większa różnica potencjałów. W związku z tym igła instrumentu jest odchylana bardziej.

W nowoczesnych kompleksach pomiarowych cyfrowe wskaźniki temperatury zastąpiły urządzenie mechaniczne. Jednak nie zawsze jest tak, że nowe urządzenie przewyższa stare urządzenia z czasów radzieckich. Na uczelniach technicznych, a nawet w instytucjach badawczych, do dziś używają potencjometrów 20-30-letnich. Wykazują się niezwykłą dokładnością i stabilnością pomiaru.

Efekt Seebecka

Zasada działania termopary opiera się na tym fizycznym zjawisku. Najważniejsze jest to, że jeśli podłączysz dwa przewody z różnych materiałów (czasami używane są półprzewodniki), prąd będzie krążył w tym obwodzie elektrycznym.

Tak więc, jeśli połączenie przewodów jest ogrzewane i chłodzone, wówczas igła potencjometru będzie oscylować. Galwanometr podłączony do obwodu może również pozwolić na wykrycie prądu.

W takim przypadku, jeśli przewody są wykonane z tego samego materiału, wówczas siła elektromotoryczna nie wystąpi, odpowiednio, niemożliwe będzie zmierzenie temperatury.

Schemat podłączenia termopary

Najczęstsze sposoby łączenia przyrządy pomiarowe do termoelementów to tak zwana metoda prosta, a także zróżnicowana. Istota pierwszej metody jest następująca: urządzenie (potencjometr lub galwanometr) jest bezpośrednio połączone z dwoma przewodnikami. Dzięki zróżnicowana metoda nie jeden, ale dwa końce przewodów są lutowane, podczas gdy jedna z elektrod jest "zerwana" przez urządzenie pomiarowe.

Nie wspominając już o tak zwanym zdalnym sposobie podłączenia termopary. Zasada działania pozostaje niezmieniona. Jedyną różnicą jest to, że przedłużacze są dodawane do obwodu. W tym celu konwencjonalny przewód miedziany nie będzie działał, ponieważ przewody kompensacyjne muszą koniecznie być wykonane z tych samych materiałów co przewodniki termoparowe.

Materiały przewodzące

Zasada działania termoelementu jest oparta na występowaniu potencjalnej różnicy w przewodach. Dlatego też wybór materiałów na elektrody musi odbywać się w bardzo odpowiedzialny sposób. Różnica w chemicznych i fizycznych właściwościach metali jest głównym czynnikiem wpływającym na działanie termopary, której urządzenie i zasada działania opierają się na wystąpieniu samoistnego emf (różnicy potencjałów) w obwodzie.

Technicznie czyste metale nie nadają się do użycia jako termoelementy (z wyjątkiem żelaza ARMKO). Często stosuje się różne stopy metali nieżelaznych i szlachetnych. Takie materiały mają stabilne właściwości fizyko-chemiczne, dzięki czemu odczyty temperatury zawsze będą dokładne i obiektywne. Stabilność i dokładność - kluczowe cechy w organizacji eksperymentu i procesu produkcyjnego.

Obecnie najczęściej spotykane termoelementy następujących typów: E, J, K.

Termopara typu E.

Constantan i chromel są używane jako materiały na przewodniki. Produkty tego typu sprawdziły się pod względem niezawodności i dokładności wskazań. Dowody na to - wiele pozytywnych opinii ekspertów. Jednak ta kompozycja wykazuje dokładność pomiarów tylko w dodatnim zakresie temperatur do 600 stopni Celsjusza włącznie.

Termopara typu J

Zgodnie z zasadą działania, termopara nie różni się od poprzedniej. Jednak chromel ustąpił technicznie czystego żelaza, co umożliwiło znaczne rozszerzenie zakresu temperatury roboczej przy zachowaniu stabilności wskazań. Jest w zakresie od -100 do 1200 stopni Celsjusza.

Termopara typu K

Jest to prawdopodobnie najczęstszy rodzaj termopary stosowanej w całym teście. Para chromu - aluminium działa dobrze w temperaturach od -200 do 1350 stopni Celsjusza. Ten typ termopary jest bardzo czuły i wychwytuje nawet niewielki skok temperatury. Dzięki temu zestawowi parametrów termopara jest wykorzystywana zarówno w produkcji, jak i do badań naukowych. Ale ma też znaczącą wadę - wpływ kompozycji atmosfery pracy. Tak więc, jeśli ten typ termopary będzie działał w środowisku CO ₂ , wówczas termopara da nieprawidłowe odczyty. Ta funkcja ogranicza użycie tego typu urządzenia. Schemat i zasada działania termopary pozostają niezmienione. Jedyna różnica polega na składzie chemicznym elektrod.

Test termoelektryczny

W przypadku awarii termopary jest nie do naprawienia. Teoretycznie można go oczywiście naprawić, ale to, czy urządzenie po nim pokaże dokładną temperaturę, jest dużym pytaniem.

Czasami nieprawidłowe działanie termopary nie jest oczywiste. W szczególności dotyczy kolumny gazowe. Zasada działania termopary jest taka sama. Jednak pełni ona nieco inną rolę i nie ma na celu wizualizacji odczytów temperatury, ale obsługi zaworów. Dlatego, aby wykryć nieprawidłowe działanie takiej termopary, konieczne jest podłączenie do niej urządzenia pomiarowego (tester, galwanometr lub potencjometr) i podgrzanie połączenia termopary. W tym celu nie jest konieczne trzymanie go nad otwartym ogniem. Wystarczy przytrzymać go w pięści i sprawdzić, czy igła urządzenia się ugnie.

Przyczyny awarii termopar mogą być różne. Tak więc, jeśli nie umieścisz specjalnego urządzenia osłonowego na termoparze umieszczonym w komorze próżniowej jednostki azotującej jony plazmowe, z czasem stanie się ono bardziej kruche, dopóki jeden z przewodów nie pęknie. Ponadto nie wyklucza się prawdopodobieństwa nieprawidłowego działania termopary wskutek zmian składu chemicznego elektrod. W końcu naruszone zostają podstawowe zasady działania termopary.

Sprzęt gazowy (kotły, kolumny) jest również wyposażony w termopary. Główną przyczyną awarii elektrod są procesy utleniania, które rozwijają się w wysokich temperaturach.

W przypadku, gdy odczyty urządzenia są oczywiście fałszywe, a podczas badania zewnętrznego słabe zaciski nie zostały wykryte, powodem najprawdopodobniej jest awaria przyrządu pomiarowego. W takim przypadku musi zostać zwrócony do naprawy. Jeśli masz odpowiednie kwalifikacje, możesz spróbować samodzielnie rozwiązać problem.

W każdym razie, jeśli igła potencjometru lub wskaźnik cyfrowy pokazuje przynajmniej niektóre "oznaki życia", wówczas termopara pozostaje nienaruszona. W tym przypadku problem polega oczywiście na czymś innym. I odpowiednio, jeśli urządzenie nie reaguje na oczywiste zmiany temperatury, można bezpiecznie zmienić termoparę.

Zanim jednak usuniesz termoparę i umieścisz nową, musisz być całkowicie przekonany o jej awarii. W tym celu wystarczy zadzwonić do termopary za pomocą zwykłego testera, a jeszcze lepiej zmierzyć napięcie wyjściowe. Tylko zwykły woltomierz raczej nie pomoże. Będziesz potrzebował miliwoltomierza lub testera z możliwością wyboru skali pomiaru. W końcu różnica potencjałów jest bardzo niewielka. Standardowe urządzenie nawet tego nie poczuje i nie naprawi.

Zalety termopar

Dlaczego w długiej historii eksploatacji termoelementów nie zastąpiły bardziej wyrafinowane i nowoczesne czujniki mierzące temperaturę? Tak, z prostego powodu, że do tej pory żadne inne urządzenie nie może z nim konkurować.

Po pierwsze, termopary są stosunkowo tanie. Chociaż ceny mogą wahać się w szerokim zakresie w wyniku zastosowania niektórych elementów ochronnych i powierzchni, złącz i złączy.

Po drugie, termopary wyróżniają się bezpretensjonalnością i niezawodnością, co pozwala im z powodzeniem działać w agresywnych środowiskach temperaturowych i chemicznych. Takie urządzenia są instalowane nawet w kotły gazowe. Zasada działania Termopara pozostaje zawsze niezmieniona, niezależnie od warunków pracy. Nie każdy czujnik innego typu może wytrzymać podobny efekt.

Technologia produkcji i produkcji termoelementów jest prosta i łatwa do wdrożenia w praktyce. Z grubsza rzecz biorąc - wystarczy tylko skręcić lub spawać końce drutów z różnych materiałów metalicznych.

Kolejną pozytywną cechą jest dokładność pomiarów i niewielki błąd (tylko 1 stopień). Ta dokładność jest więcej niż wystarczająca dla potrzeb produkcji przemysłowej i badań naukowych.

Wady termoelementów

Wady termopary nie są tak liczne, szczególnie w porównaniu z ich najbliższymi konkurentami (czujniki temperatury innych typów), ale wciąż istnieją i byłoby niesprawiedliwe milczeć na ich temat.

Tak więc różnica potencjałów jest mierzona w miliwoltach. Dlatego konieczne jest użycie bardzo czułych potencjometrów. A jeśli weźmiesz pod uwagę, że nie zawsze urządzenia pomiarowe można umieścić w bezpośrednim sąsiedztwie eksperymentalnego miejsca gromadzenia danych, to musisz użyć niektórych wzmacniaczy. Daje to wiele niedogodności i prowadzi do niepotrzebnych kosztów w organizacji i przygotowaniu produkcji.