Τι είναι το θερμοστοιχείο; Αρχή λειτουργίας, βασικοί τύποι και είδη

Το θερμοστοιχείο είναι μια συσκευή μέτρησης θερμοκρασιών σε όλους τους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Αυτό το άρθρο παρέχει μια γενική επισκόπηση των θερμοζευγών με ανάλυση του σχεδιασμού και της αρχής λειτουργίας τους. Περιγράφονται οι ποικιλίες των θερμοζευγών με τα σύντομα χαρακτηριστικά τους και δίνεται μια αξιολόγηση του θερμοζεύγους ως συσκευή μέτρησης.

Σχεδιασμός θερμοζεύγους

Η αρχή λειτουργίας ενός θερμοζεύγους. Φαινόμενο Seebeck

Το θερμοζεύγος βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο που ανακάλυψε ο Γερμανός φυσικός Tomas Seebeck το 1821.

Το φαινόμενο βασίζεται στην εμφάνιση ηλεκτρισμού σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα όταν εκτίθεται σε μια ορισμένη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο αγωγών (θερμοζεύγη) διαφορετικής σύνθεσης (ανόμοια μέταλλα ή κράματα) και διατηρείται με τη διατήρηση των σημείων επαφής τους (επαφές). Η συσκευή εμφανίζει την προς μέτρηση θερμοκρασία στην οθόνη της συνδεδεμένης δευτερεύουσας συσκευής.

Η τάση εξόδου και η θερμοκρασία βρίσκονται σε γραμμική σχέση. Αυτό σημαίνει ότι η αύξηση της μετρούμενης θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη τιμή χιλιοστοβολτίου στα ελεύθερα άκρα του θερμοζεύγους.

Η σύνδεση στο σημείο μέτρησης της θερμοκρασίας ονομάζεται "θερμή σύνδεση" και η σύνδεση των καλωδίων με τον πομπό ονομάζεται "ψυχρή σύνδεση".

Αντιστάθμιση θερμοκρασίας ψυχρής σύνδεσης (CJC)

Η αντιστάθμιση ψυχρής συμβολής (CJC) είναι μια διόρθωση που γίνεται με τη μορφή διόρθωσης της τελικής ένδειξης κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας στο σημείο σύνδεσης των ελεύθερων άκρων του θερμοζεύγους. Αυτό οφείλεται στην απόκλιση μεταξύ της πραγματικής θερμοκρασίας ψυχρής σύνδεσης και των υπολογισμένων ενδείξεων από τον πίνακα βαθμονόμησης για τη θερμοκρασία ψυχρής σύνδεσης στους 0°C.

Η CHS είναι μια διαφορική μέθοδος κατά την οποία η απόλυτη ένδειξη της θερμοκρασίας προκύπτει από τη γνωστή τιμή της θερμοκρασίας ψυχρής σύνδεσης (γνωστή και ως σύνδεση αναφοράς).

Σχεδιασμός θερμοζεύγους

Ο σχεδιασμός ενός θερμοζεύγους λαμβάνει υπόψη την επίδραση παραγόντων όπως η "επιθετικότητα" του εξωτερικού περιβάλλοντος, η αθροιστική κατάσταση της ουσίας, το εύρος των προς μέτρηση θερμοκρασιών και άλλα.

Χαρακτηριστικά σχεδιασμού θερμοζεύγους:

1) Τα ζεύγη αγωγών συνδέονται μεταξύ τους με συστροφή ή κλώση με περαιτέρω συγκόλληση ηλεκτρικού τόξου (σπάνια συγκόλληση).

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Η μέθοδος συστροφής δεν συνιστάται λόγω της ταχείας απώλειας των ιδιοτήτων της σύνδεσης.

2) Τα ηλεκτρόδια του θερμοζεύγους πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένα σε όλο τους το μήκος, εκτός από το σημείο επαφής.

3) Η μέθοδος μόνωσης επιλέγεται ανάλογα με το ανώτερο όριο θερμοκρασίας.

• Μέχρι 100-120°C - οποιαδήποτε μόνωση,
• Μέχρι 1300°C - σωλήνες ή χάντρες από πορσελάνη,
• Μέχρι 1950°C - Al₂O₃;
• Πάνω από 2000°C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Προστατευτικό κάλυμμα.

Το υλικό πρέπει να είναι θερμικά και χημικά ανθεκτικό, με καλή θερμική αγωγιμότητα (μέταλλο, κεραμικά). Η χρήση του περιβλήματος αποτρέπει τη διάβρωση σε ορισμένα μέσα.

Καλώδια επέκτασης (αντιστάθμισης)

Αυτός ο τύπος καλωδίου απαιτείται για την επέκταση των άκρων του θερμοζεύγους σε μια δευτερεύουσα συσκευή ή φράγμα. Τα καλώδια δεν χρησιμοποιούνται εάν το θερμοστοιχείο διαθέτει ενσωματωμένο πομπό με ενιαίο σήμα εξόδου. Η πιο συνηθισμένη εφαρμογή είναι για έναν τυπικό πομπό που στεγάζεται σε μια κεφαλή ακροδεκτών αισθητήρων ενιαίου σήματος 4-20mA, το λεγόμενο "tablet".

Το υλικό του σύρματος μπορεί να είναι το ίδιο με το υλικό του θερμοζεύγους, αλλά τις περισσότερες φορές αντικαθίσταται με φθηνότερο, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες που εμποδίζουν το σχηματισμό παρασιτικών (επαγόμενων) θερμο-ΕΔ. Η χρήση συρμάτων επέκτασης μπορεί επίσης να συμβάλει στη βελτιστοποίηση της παραγωγής.

Οι συμβουλές σας! Για να προσδιορίσετε σωστά την πολικότητα των καλωδίων αντιστάθμισης και τη σύνδεσή τους με το θερμοστοιχείο, θυμηθείτε τον μνημονικό κανόνα ΜΜ - το μείον είναι μαγνητικό. Δηλαδή, πάρτε οποιονδήποτε μαγνήτη και το μείον της αντιστάθμισης θα είναι μαγνητικό, σε αντίθεση με το συν.

Τύποι και είδη θερμοστοιχείων

Η ποικιλομορφία των θερμοζευγών οφείλεται στους διαφορετικούς συνδυασμούς των μεταλλικών κραμάτων που χρησιμοποιούνται. Η επιλογή του θερμοζεύγους βασίζεται στον κλάδο και στο απαιτούμενο εύρος θερμοκρασίας.

Θερμοστοιχείο χρωμίου-αργιλίου (TXA)

Θετικό ηλεκτρόδιο: κράμα χρωμίου (90% Ni, 10% Cr).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα αλουμινίου (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Μονωτικό υλικό: πορσελάνη, χαλαζίας, οξείδια μετάλλων κ.λπ.

Εύρος θερμοκρασιών από -200°C έως 1300°C βραχυπρόθεσμα και 1100°C μακροπρόθεσμα.

Περιβάλλον λειτουργίας: αδρανές, οξειδωτικό (O₂=2-3% ή εξαλείφεται εντελώς), ξηρό υδρογόνο, βραχυπρόθεσμο κενό. Σε αναγωγική ή οξειδοαναγωγική ατμόσφαιρα παρουσία προστατευτικού περιβλήματος.

Μειονεκτήματα: εύκολη παραμόρφωση, αναστρέψιμη αστάθεια του θερμικού ΗΜΣ.

Πιθανές περιπτώσεις διάβρωσης και ευθραυστότητας του αλουμινίου παρουσία ιχνών θείου στην ατμόσφαιρα και του χρωμίου σε ασθενώς οξειδωτική ατμόσφαιρα ("πράσινος πηλός").

Θερμοστοιχείο χρωμίου-χαλκού (CTC)

Θετικό ηλεκτρόδιο: κράμα χρωμίου (90% Ni, 10% Cr).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Εύρος θερμοκρασιών -253°C έως 800°C μακροπρόθεσμα και 1100°C βραχυπρόθεσμα.

Μέσο λειτουργίας: Αδρανές και οξειδωτικό, βραχυπρόθεσμο κενό.

Μειονεκτήματα: στρέβλωση του θερμοζεύγους.

Είναι πιθανό το χρώμιο να εξατμιστεί κατά τη διάρκεια παρατεταμένου κενού- μπορεί να αντιδράσει με την ατμόσφαιρα που περιέχει θείο, χρώμιο, φθόριο.

Θερμοστοιχείο σιδήρου-σταθερού (PCT)

Θετικό ηλεκτρόδιο: καθαρός σίδηρος (ήπιος χάλυβας).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Χρησιμοποιείται για μετρήσεις σε περιβάλλοντα αναγωγής, αδρανοποίησης και κενού. Εύρος θερμοκρασιών από -203°C έως 750°C μακροπρόθεσμα και 1100°C βραχυπρόθεσμα.

Η εφαρμογή βασίζεται στη συνδυασμένη μέτρηση θετικών και αρνητικών θερμοκρασιών. Δεν είναι κατάλληλο μόνο για αρνητικές θερμοκρασίες.

Μειονεκτήματα: παραμόρφωση του θερμοζεύγους, χαμηλή αντοχή στη διάβρωση.

Μεταβολή των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του σιδήρου γύρω στους 700°C και 900°C. Αλληλεπιδρά με το θείο και τους υδρατμούς για τη δημιουργία διάβρωσης.

Θερμοστοιχείο βολφραμίου-ρενίου (TVR)

Θετικό ηλεκτρόδιο: κράματα BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 με προσθήκη πυριτίας και αλουμινίου)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράματα BP20 (80% W, 20% Rh).

Μόνωση: Κεραμικά από χημικά καθαρά οξείδια μετάλλων.

Τα χαρακτηριστικά τους περιλαμβάνουν μηχανική αντοχή, αντοχή στη θερμοκρασία, χαμηλή ευαισθησία στη μόλυνση και ευκολία κατασκευής.

Μετρά θερμοκρασίες από 1800°C έως 3000°C, με κατώτερο όριο τους 1300°C. Μετράται υπό συνθήκες αδρανούς αερίου, ξηρού υδρογόνου ή κενού. Κατάλληλο μόνο για μετρήσεις σε οξειδωτικά περιβάλλοντα για ταχείες διεργασίες.

Μειονεκτήματα: κακή αναπαραγωγιμότητα του θερμικού ΗΜΣ, αστάθεια κατά την ακτινοβόληση, ασταθής ευαισθησία στο εύρος της θερμοκρασίας.

Θερμοστοιχείο βολφραμίου-μολυβδαινίου (TM)

Θετικό ηλεκτρόδιο: βολφράμιο (τεχνικά καθαρό).
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: μολυβδαίνιο (τεχνικά καθαρό).

Μόνωση: Κεραμικό αλουμίνας, προστατευμένο με άκρες χαλαζία.

Αδρανές περιβάλλον, περιβάλλον υδρογόνου ή κενού. Βραχυπρόθεσμες μετρήσεις σε οξειδωτικά περιβάλλοντα με την παρουσία μόνωσης. Το μετρήσιμο εύρος θερμοκρασίας κυμαίνεται μεταξύ 1400 και 1800°C, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας περίπου 2400°C.

Μειονεκτήματα: κακή αναπαραγωγιμότητα και ευαισθησία του θερμο-EDC, αναστροφή πολικότητας, ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Θερμοστοιχεία πλατίνας-ροδίου-πλατίνας (PPT)

Θετικό ηλεκτρόδιο: Πλατίνα-Rh (Pt με 10% ή 13% Rh)
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: Πλατίνα.

Μόνωση: χαλαζία, πορσελάνη (κανονική και πυρίμαχη). Μέχρι 1400°C - κεραμικά με αυξημένη περιεκτικότητα σε Al₂O₃O, πάνω από 1400°C - χημικά καθαρό Al₂O₃.

Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 1400°C μακροπρόθεσμα, 1600°C βραχυπρόθεσμα. Η μέτρηση σε χαμηλές θερμοκρασίες δεν πραγματοποιείται συνήθως.

Περιβάλλον λειτουργίας: οξειδωτικό και αδρανές, αναγωγικό περιβάλλον παρουσία θωράκισης.

Μειονεκτήματα: υψηλό κόστος, αστάθεια υπό ακτινοβολία, υψηλή ευαισθησία στη μόλυνση (ιδίως στο ηλεκτρόδιο λευκόχρυσου), ανάπτυξη μεταλλικών κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες.

Θερμοστοιχεία πλατίνας-ροδίου-πλατίνας-ροδίου (PRT)

Θετικό ηλεκτρόδιο: κράμα Pt με 30% Rh.
Αρνητικό ηλεκτρόδιο: κράμα Pt με 6% Rh.

Μέσα: Οξειδωτικό, ουδέτερο και κενό. Χρήση σε περιβάλλοντα που περιέχουν αναγωγικούς και ατμούς, μεταλλικά ή μη μεταλλικά, παρουσία θωράκισης.

Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας: 1600°C μακροπρόθεσμα, 1800°C βραχυπρόθεσμα.

Μόνωση: Κεραμικά από Al₂O₃ Κεραμικό Al O υψηλής καθαρότητας.

Λιγότερο επιρρεπές σε χημική μόλυνση και ανάπτυξη κόκκων από το θερμοζεύγος λευκόχρυσου-νικελίου.

Διάγραμμα συνδεσμολογίας για θερμοζεύγος

• Σύνδεση ποτενσιόμετρου ή γαλβανόμετρου απευθείας σε αγωγούς.
• Σύνδεση μέσω καλωδίων αντιστάθμισης,
• Σύνδεση με συμβατικά χάλκινα καλώδια σε θερμοστοιχείο με ενιαία έξοδο.

Πρότυπα χρώματος αγωγών θερμοζεύγους

Η έγχρωμη μόνωση του αγωγού βοηθά στη διάκριση των ηλεκτροδίων του θερμοζεύγους μεταξύ τους για τη σωστή σύνδεση στους ακροδέκτες. Τα πρότυπα διαφέρουν από χώρα σε χώρα, δεν υπάρχουν συγκεκριμένες χρωματικές ονομασίες για τους αγωγούς.

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Είναι απαραίτητο να μάθετε το πρότυπο που χρησιμοποιεί η εταιρεία για να αποφύγετε τα λάθη.

Ακρίβεια μέτρησης

Η ακρίβεια εξαρτάται από τον τύπο του θερμοζεύγους, το εύρος θερμοκρασίας που πρέπει να μετρηθεί, την καθαρότητα του υλικού, τον ηλεκτρικό θόρυβο, τη διάβρωση, τις ιδιότητες της σύνδεσης και τη διαδικασία κατασκευής.

Στα θερμοστοιχεία αντιστοιχίζεται μια κατηγορία ανοχής (τυπική ή ειδική), η οποία καθορίζει το διάστημα εμπιστοσύνης της μέτρησης.

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Τα χαρακτηριστικά κατά τη στιγμή της κατασκευής αλλάζουν κατά τη λειτουργία.

Ταχύτητα μέτρησης

Η ταχύτητα καθορίζεται από την ικανότητα του πρωτεύοντος μετατροπέα να αντιδρά γρήγορα στις μεταπτώσεις της θερμοκρασίας και την επακόλουθη ροή των σημάτων εισόδου στο όργανο μέτρησης.

Παράγοντες που αυξάνουν την ανταπόκριση:

1. Σωστή εγκατάσταση και υπολογισμός του μήκους του πρωτεύοντος μετατροπέα,
2. Όταν χρησιμοποιείτε πομπό με θερμοθάλαμο, μειώστε τη μάζα της μονάδας επιλέγοντας μικρότερη διάμετρο θερμοθαλάμου,
3. Ελαχιστοποιήστε το διάκενο αέρα μεταξύ του πρωτεύοντος μετατροπέα και του θερμοθαλάμου,
4. Χρησιμοποιώντας έναν πρωτογενή μετατροπέα με ελατήριο και γεμίζοντας τις κοιλότητες στο θερμοθάλαμο με θερμικά αγώγιμο υλικό πλήρωσης,
5. Ταχέως κινούμενο μέσο ή μέσο με μεγαλύτερη πυκνότητα (υγρό).

Λειτουργική δοκιμή ενός θερμοζεύγους

Για να επαληθεύσετε τη λειτουργία, συνδέστε μια ειδική συσκευή μέτρησης (δοκιμαστή, γαλβανόμετρο ή ποτενσιόμετρο) ή μετρήστε την τάση εξόδου με ένα χιλιοστοβολτόμετρο. Εάν το βέλος ή η ψηφιακή ένδειξη παρουσιάζει διακυμάνσεις, το θερμοστοιχείο είναι έγκυρο, διαφορετικά η συσκευή πρέπει να αντικατασταθεί.

Αιτίες βλάβης θερμοζεύγους:

1. Μη χρήση προστατευτικής θωράκισης,
2. Μεταβολή της χημικής σύνθεσης των ηλεκτροδίων,
3. Διεργασίες οξείδωσης που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες,
4. Βλάβη του οργάνου μέτρησης κ.λπ.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης θερμοστοιχείων

Τα πλεονεκτήματα της χρήσης αυτής της συσκευής περιλαμβάνουν:

• Μεγάλο εύρος μέτρησης θερμοκρασίας,
• Υψηλή ακρίβεια,
• Απλό και αξιόπιστο.

Τα μειονεκτήματα είναι:

• Συνεχής παρακολούθηση της ψυχρής σύνδεσης, επαλήθευση και βαθμονόμηση του εξοπλισμού ελέγχου,
• Δομικές αλλαγές στα μέταλλα κατά την κατασκευή της συσκευής,
• Εξάρτηση από την ατμοσφαιρική σύνθεση, κόστος σφράγισης,
• Σφάλματα μέτρησης λόγω έκθεσης σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Σχετικά άρθρα: