A termoelem a tudomány és a technológia minden területén alkalmazott hőmérsékletmérő eszköz. Ez a cikk általános áttekintést nyújt a termoelemekről, és részletesen ismerteti felépítésüket és működési elvüket. A termoelemek fajtáit és rövid jellemzőiket ismertetjük, és értékeljük a termoelemet mint mérőeszközt.
Tartalomjegyzék
Termoelem kialakítása
A termoelem működési elve. Seebeck-effektus
A termoelem a Tomas Seebeck német fizikus által 1821-ben felfedezett termoelektromos hatáson alapul.
A jelenség alapja, hogy egy zárt elektromos áramkörben bizonyos környezeti hőmérsékletnek kitéve elektromosság keletkezik. Elektromos áram akkor keletkezik, ha két különböző összetételű (különböző fémek vagy ötvözetek) vezető (termoelemek) között hőmérsékletkülönbség van, és az érintkezési pontjaik (csomópontok) fenntartásával marad fenn. A készülék a csatlakoztatott másodlagos eszköz képernyőjén megjeleníti a mérendő hőmérsékletet.
A kimeneti feszültség és a hőmérséklet lineáris kapcsolatban áll. Ez azt jelenti, hogy a mért hőmérséklet növekedése magasabb millivolt értéket eredményez a termoelem szabad végein.
A hőmérsékletmérő pontnál lévő csatlakozási pontot "forró csatlakozási pontnak", a vezetékek csatlakoztatását a jeladóhoz pedig "hideg csatlakozási pontnak" nevezzük.
Hidegcsatlakozási hőmérséklet-kompenzáció (CJC)
A hidegcsatlakozási kompenzáció (CJC) a termoelem szabad végeinek csatlakozási pontjánál a hőmérséklet mérésekor a végső leolvasott értéket korrigáló korrekció. Ennek oka a tényleges hidegcsatlakozási hőmérséklet és a 0°C-os hidegcsatlakozási hőmérsékletre vonatkozó kalibrációs táblázatból számított értékek közötti eltérés.
A CHS egy olyan differenciális módszer, amelyben az abszolút hőmérséklet-értéket a hideg kapcsolódási pont hőmérsékletének ismert értékéből (más néven referencia-csatlakozási pont) származtatják.
Termoelem kialakítás
A termoelem tervezése során figyelembe kell venni az olyan tényezők hatását, mint a külső környezet "agresszivitása", az anyag összesített állapota, a mérendő hőmérsékleti tartomány és egyéb tényezők.
A termoelemek kialakításának jellemzői:
1) A vezetékpárokat sodrással vagy sodrással, további elektromos ívhegesztéssel (ritkán forrasztással) kötik össze egymással.
FONTOS: A csavarási módszer nem ajánlott, mert a kötési tulajdonságok gyorsan elvesznek.
2) A termoelem elektródáit teljes hosszukban elektromosan szigetelni kell, kivéve az érintkezési ponton.
3) A szigetelés módját a felső hőmérsékleti határértéknek megfelelően választják ki.
- 100-120°C-ig - bármilyen szigetelés;
- 1300°C-ig - porceláncsövek vagy gyöngyök;
- 1950°C-ig - Al2O3;
- 2000°C felett - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Védőburkolat.
Az anyagnak hő- és vegyileg ellenállónak kell lennie, jó hővezető képességgel (fém, kerámia). A köpeny használata megakadályozza a korróziót bizonyos közegekben.
Hosszabbító (kompenzáló) kábelek
Ez a vezetéktípus a termoelem végeinek egy másodlagos eszközhöz vagy akadályhoz való meghosszabbításához szükséges. A vezetékeket nem kell használni, ha a termoelem beépített jeladóval rendelkezik, amely egységes kimeneti jellel rendelkezik. A leggyakoribb alkalmazás egy 4-20mA egységes jeladós érzékelőfejben elhelyezett szabványos jeladó, az úgynevezett "tabletta".
A huzal anyaga lehet ugyanaz, mint a hőelem anyaga, de leggyakrabban olcsóbbra cserélik, figyelembe véve a parazita (indukált) hő-ED-k kialakulását megakadályozó feltételeket. A hosszabbítóhuzalok használata szintén segíthet a termelés optimalizálásában.
A tippjeid! A kompenzációs vezetékek polaritásának és a termoelemhez való csatlakozásuknak a helyes meghatározásához ne feledje az MM mnemonikus szabályt - a mínusz a mágneses. Vagyis vegyünk bármilyen mágnest, és a kompenzáció mínusza mágneses lesz, ellentétben a plusszal.
A hőelemek típusai és fajtái
A hőelemek sokfélesége a felhasznált fémötvözetek különböző kombinációinak köszönhető. A termoelem kiválasztása az iparág és a kívánt hőmérséklettartomány alapján történik.
Króm-alumel hőelem (TXA)
Pozitív elektróda: krómötvözet (90% Ni, 10% Cr).
Negatív elektróda: Alumel ötvözet (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Szigetelőanyag: porcelán, kvarc, fémoxidok stb.
Hőmérséklet-tartomány -200°C és 1300°C között rövid távon és 1100°C hosszú távon.
Működési környezet: inert, oxidáló (O2=2-3% vagy teljesen megszűnik), száraz hidrogén, rövid ideig tartó vákuum. Redukáló vagy redoxi légkörben, védőburkolat jelenlétében.
Hátrányok: könnyen deformálható, a termikus EMF reverzibilis instabilitása.
Az alumínium korróziójának és ridegségének lehetséges esetei a légkörben lévő kén nyomokban, valamint a króm gyengén oxidáló légkörben ("zöld agyag").
Króm-réz hőelem (CTC)
Pozitív elektróda: krómötvözet (90% Ni, 10% Cr).
Negatív elektróda: Copel ötvözet (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Hőmérséklet-tartomány -253°C-tól 800°C-ig hosszú távon és 1100°C-ig rövid távon.
Működési közeg: inert és oxidáló, rövid ideig tartó vákuum.
Hátrányok: a hőelem megvetemedése.
Elképzelhető, hogy a króm elpárolog a hosszan tartó vákuum során; reakcióba léphet a ként, krómot, fluort tartalmazó légkörrel.
Vas-állandó termoelem (PCT)
Pozitív elektróda: tiszta vas (lágyacél).
Negatív elektród: konstantán ötvözet (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Mérésekhez redukáló, inertizáló és vákuumos környezetben. Hőmérséklet-tartomány -203°C és 750°C között hosszú távon és 1100°C rövid távon.
Az alkalmazás a pozitív és negatív hőmérsékletek kombinált mérésén alapul. Csak negatív hőmérséklet esetén nem alkalmas.
Hátrányok: a hőelem deformációja, alacsony korrózióállóság.
A vas fizikai-kémiai tulajdonságainak változása 700°C és 900°C körül. Kénnel és vízgőzökkel kölcsönhatásba lépve korróziót képez.
Volfram-renium hőelem (TVR)
Pozitív elektród: BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 szilícium-dioxiddal és alumínium adalékkal)/BP10 (90% W, 10% Rh) ötvözetek.
Negatív elektróda: BP20 ötvözetek (80% W, 20% Rh).
Szigetelés: kémiailag tiszta fémoxidokból készült kerámia.
Jellemzői közé tartozik a mechanikai szilárdság, a hőmérséklet-ellenállás, az alacsony szennyeződésérzékenység és a könnyű gyárthatóság.
1800°C és 3000°C közötti hőmérsékletet mér, az alsó határ 1300°C. Inert gáz, száraz hidrogén vagy vákuum körülmények között mérve. Csak oxidáló környezetben végzett mérésekhez alkalmas gyors folyamatok esetén.
Hátrányok: a termikus EMF rossz reprodukálhatósága, instabilitása a besugárzás során, instabil érzékenység a hőmérsékleti tartományban.
Volfram-molibdén (TM) hőelem
Pozitív elektróda: volfrám (technikailag tiszta).
Negatív elektróda: molibdén (technikailag tiszta).
Szigetelés: Alumínium-oxid-kerámia, kvarchegyekkel védve.
Inert, hidrogén vagy vákuum környezet. Rövid távú mérések oxidáló környezetben lehetségesek szigetelés jelenlétében. A mérhető hőmérséklettartomány 1400 és 1800°C között van, a maximális üzemi hőmérséklet kb. 2400°C.
Hátrányok: a termo-EDC rossz reprodukálhatósága és érzékenysége, polaritás inverzió, magas hőmérsékleten való ridegség.
Platina-ródium-platina hőelemek (PPT)
Pozitív elektród: platina-Rh (Pt 10% vagy 13% Rh-val)
Negatív elektróda: platina.
Szigetelés: kvarc, porcelán (normál és tűzálló). 1400°C-ig - kerámia megnövelt Al-tartalommal2O3O, 1400°C felett - kémiailag tiszta Al2O3.
Maximális üzemi hőmérséklet 1400°C hosszú távon, 1600°C rövid távon. Alacsony hőmérsékleten általában nem végeznek méréseket.
Működési környezet: oxidáló és inert, redukáló környezet árnyékolás jelenlétében.
Hátrányok: magas költségek, instabilitás besugárzás alatt, nagy érzékenység a szennyeződésekre (különösen a platinaelektródra), fémszemcsék növekedése magas hőmérsékleten.
Platina-ródium-platina-ródium hőelemek (PRT)
Pozitív elektród: Pt ötvözet 30% Rh-val.
Negatív elektród: Pt ötvözet 6% Rh-val.
Közeg: Oxidáló, semleges és vákuum. Használja redukáló és gőztartalmú fémes vagy nem fémes környezetben árnyékolás jelenlétében.
Maximális üzemi hőmérséklet: 1600°C hosszú távon, 1800°C rövid távon.
Szigetelés: Alból készült kerámia2O3 Nagy tisztaságú Al O kerámia.
Kevésbé érzékeny a vegyi szennyeződésre és a szemcsék növekedésére, mint a platina-nikkel hőelem.
Kapcsolási rajz a termoelemhez
- Potentiométer vagy galvanométer csatlakoztatása közvetlenül a vezetőkhöz.
- Csatlakozás kompenzációs vezetékek segítségével;
- Hagyományos rézvezetékkel történő csatlakoztatás egy egységes kimenettel rendelkező hőelemhez.
Termoelem-vezető színszabványok
A színes vezetőszigetelés segít megkülönböztetni a termoelem elektródákat egymástól a csatlakozókhoz való helyes csatlakoztatáshoz. A szabványok országonként eltérőek, a vezetőkre nincsenek konkrét színjelölések.
FONTOS: A hibák elkerülése érdekében meg kell ismerni a vállalat által használt szabványt.
A mérés pontossága
A pontosság függ a termoelem típusától, a mérendő hőmérséklettartománytól, az anyag tisztaságától, az elektromos zajtól, a korróziótól, a csatlakozási tulajdonságoktól és a gyártási eljárástól.
A termoelemekhez egy toleranciaosztály (standard vagy speciális) tartozik, amely meghatározza a mérés megbízhatósági intervallumát.
FONTOS: A gyártáskori jellemzők a működés során megváltoznak.
Mérési sebesség
A sebességet az határozza meg, hogy az elsődleges átalakító mennyire képes gyorsan reagálni a hőmérséklet-ugrásokra és a bemeneti jelek ezt követő áramlására a mérőműszer felé.
A válaszkészséget növelő tényezők:
- Az elsődleges jelátalakító helyes beszerelése és hosszának kiszámítása;
- Ha hőcsővel ellátott jeladót használ, csökkentse a készülék tömegét a hőcső kisebb átmérőjének kiválasztásával;
- Minimalizálja a légrést az elsődleges mérőátalakító és a hőcső között;
- Rugós primer átalakító használata és a hőcső üregeinek kitöltése hővezető töltőanyaggal;
- Gyorsan mozgó vagy nagyobb sűrűségű (folyékony) közeg.
Termoelem funkcionális vizsgálata
A működés ellenőrzéséhez csatlakoztasson egy speciális mérőeszközt (teszter, galvanométer vagy potenciométer), vagy mérje a kimeneti feszültséget millivoltmérővel. Ha a nyíl vagy a digitális kijelző ingadozik, akkor a termoelem érvényes, ellenkező esetben a készüléket ki kell cserélni.
A termoelem meghibásodásának okai:
- Védő árnyékoló eszköz használatának elmulasztása;
- Az elektródák kémiai összetételének megváltozása;
- Magas hőmérsékleten lejátszódó oxidációs folyamatok;
- A mérőműszer meghibásodása stb.
A hőelemek használatának előnyei és hátrányai
Az eszköz használatának előnyei a következők:
- Nagy hőmérséklet-mérési tartomány;
- Nagy pontosság;
- Egyszerű és megbízható.
A hátrányok a következők:
- A hidegcsatlakozási pont folyamatos ellenőrzése, a vezérlőberendezés ellenőrzése és kalibrálása;
- A fémek szerkezeti változásai a készülék gyártása során;
- A légköri összetétel függése, tömítési költségek;
- Az elektromágneses hullámoknak való kitettség miatti mérési hibák.
