Existuje mnoho různých zařízení a mechanismů, které vám umožňují měřit teplotu. Některé z nich se používají v každodenním životě, některé - pro různé fyzikální výzkumy, ve výrobních procesech a dalších průmyslových odvětvích.
Jedním z takových zařízení je termočlánek. Princip fungování a schéma tohoto zařízení zvážíme v následujících částech.
Fyzikální základ fungování termočlánku
Funkční princip termočlánku je založen na běžných fyzikálních procesech. Poprvé byl účinek, na který toto zařízení funguje, studován německým vědcem Thomasem Seebeckem.
Podstata jevu, na kterém spočívá princip činnosti termočlánku, je následující. V uzavřeném elektrickém obvodu, který se skládá ze dvou vodičů různých typů, při vystavení určité okolní teplotě vzniká elektřina.
Výsledný elektrický tok a okolní teplota působící na vodiče jsou v lineárním vztahu. To znamená, že čím vyšší je teplota, tím větší je elektrický proud produkovaný termočlánkem. Natoto je princip činnosti termočlánku a odporového teploměru.
V tomto případě je jeden termočlánkový kontakt umístěn v místě, kde je potřeba měřit teplotu, nazývá se „horký“. Druhý kontakt, jinými slovy - "studený", - v opačném směru. Použití termočlánků pro měření je povoleno pouze tehdy, když je teplota vzduchu v místnosti nižší než v místě měření.
Toto je stručné schéma činnosti termočlánku, princip činnosti. Typy termočlánků budou diskutovány v další části.
Typy termočlánků
V každém odvětví, kde je potřeba měření teploty, je termočlánek hlavní aplikací. Zařízení a princip činnosti různých typů této jednotky jsou uvedeny níže.
Chromovo-hliníkové termočlánky
Tyto termočlánkové obvody se ve většině případů používají k výrobě různých senzorů a sond, které umožňují řídit teplotu v průmyslové výrobě.
Jejich charakteristické rysy zahrnují poměrně nízkou cenu a velký rozsah naměřených teplot. Umožňují vám nastavit teplotu od -200 do +13000 stupňů Celsia.
Nedoporučuje se používat termočlánky s podobnými slitinami v obchodech a zařízeních s vysokým obsahem síry ve vzduchu, protože tento chemický prvek negativně ovlivňuje chrom i hliník a způsobuje poruchy v zařízení.
Chromel-Kopel termočlánky
Princip činnosti termočlánku, jehož kontaktní skupina se skládá z těchto slitin, je stejný. Ale tato zařízení pracují převážně v kapalném nebo plynném médiu, které má neutrální, neagresivní vlastnosti. Horní teplotní index nepřesahuje +8000 stupňů Celsia.
Používá se podobný termočlánek, jehož princip umožňuje jeho použití pro stanovení stupně ohřevu jakýchkoli povrchů, například pro stanovení teploty otevřených pecí nebo jiných podobných konstrukcí.
Železo-konstantanové termočlánky
Tato kombinace kontaktů v termočlánku není tak běžná jako první z uvažovaných variant. Princip fungování termočlánku je stejný, ale tato kombinace se dobře ukázala ve vzácné atmosféře. Maximální úroveň naměřené teploty by neměla překročit +12500 stupňů Celsia.
Pokud však teplota začne stoupat nad +7000 stupňů, existuje nebezpečí porušení přesnosti měření v důsledku změn fyzikálních a chemických vlastností železa. Existují dokonce případy koroze železného kontaktu termočlánku v přítomnosti vodní páry v okolním vzduchu.
Platinorhodium-platinové termočlánky
Výrobně nejdražší termočlánek. Princip fungování je stejný, ale liší se od svých protějšků velmi stabilním a spolehlivým měřením teploty. Má sníženou citlivost.
Hlavní aplikací těchto zařízení je měření vysokých teplot.
Tungsten-rhenium termočlánky
Používá se také k měření ultravysokých teplot. Maximální limit, který lze pomocí tohoto schématu stanovit, dosahuje 25 tisíc stupňů Celsia.
Jejich aplikace vyžaduje splnění určitých podmínek. V procesu měření teploty je tedy nutné zcela eliminovat okolní atmosféru, která má negativní vliv na kontakty v důsledku oxidačního procesu.
Za tímto účelem jsou wolfram-rheniumové termočlánky obvykle umístěny v ochranných pouzdrech naplněných inertním plynem, aby byly chráněny jejich prvky.
Výše byl zvažován každý existující termočlánek, zařízení, jeho princip činnosti v závislosti na použitých slitinách. Nyní zvažte některé konstrukční prvky.
Design termočlánků
Existují dva hlavní typy provedení termočlánků.
- S izolační vrstvou. Tato konstrukce termočlánku zajišťuje izolaci pracovní vrstvy zařízení od elektrického proudu. Toto uspořádání umožňuje použití termočlánku v procesu bez izolace vstupu od země.
- Bez použití izolační vrstvy. Takové termočlánky lze připojit pouze k měřicím obvodům, jejichž vstupy nejsou v kontaktu se zemí. Pokud tato podmínka není splněna, zařízení vytvoří dva nezávislé uzavřené okruhy, což povede k neplatným hodnotám termočlánku.
Cestovní termočlánek a jeho použití
Existuje samostatnýdruh tohoto zařízení, nazývaný "běh". Nyní se budeme podrobněji zabývat principem činnosti běžícího termočlánku.
Tato konstrukce se používá hlavně k detekci teploty ocelového předvalku během jeho zpracování na soustružnických, frézovacích a jiných podobných strojích.
Je třeba poznamenat, že v tomto případě je také možné použít běžný termočlánek, pokud však výrobní proces vyžaduje vysokou teplotní přesnost, je obtížné provozní termočlánek přecenit.
Při použití této metody jsou její kontaktní prvky předem zapájeny do obrobku. Tyto kontakty jsou pak během zpracování polotovaru neustále vystaveny působení řezačky nebo jiného pracovního nástroje stroje, v důsledku čehož se zdá, že přechod (který je hlavním prvkem při odečítání teplot) „běží“.” u kontaktů.
Tento efekt je široce používán v kovoobráběcím průmyslu.
Technologické vlastnosti konstrukcí termočlánků
Při výrobě funkčního termočlánkového obvodu se připájejí dva kovové kontakty, které, jak víte, jsou vyrobeny z různých materiálů. Křižovatka se nazývá křižovatka.
Je třeba poznamenat, že toto spojení není nutné provádět pájením. Jednoduše otočte dva kontakty k sobě. Ale taková výrobní metoda nebude mít dostatečnou úroveň spolehlivosti a může také způsobit chyby při měření teploty.
Pokud potřebujete měřit vysokouteplot, je pájení kovů nahrazeno jejich svařováním. To je způsobeno skutečností, že ve většině případů má pájka použitá ve spojení nízký bod tání a při jeho překročení se rozpadá.
Svařované obvody vydrží širší teplotní rozsah. Tento způsob připojení má ale i své nevýhody. Vnitřní struktura kovu při vystavení vysokým teplotám během procesu svařování se může změnit, což ovlivní kvalitu získaných dat.
Kromě toho by měl být během provozu monitorován stav kontaktů termočlánku. Je tedy možné měnit vlastnosti kovů v obvodu vlivem agresivního prostředí. Může dojít k oxidaci nebo vzájemné difúzi materiálů. V takové situaci by měl být provozní okruh termočlánku vyměněn.
Typy termočlánkových přechodů
Moderní průmysl vyrábí několik designů, které se používají při výrobě termočlánků:
- open junction;
- s izolovaným spojem;
- s uzemněnou křižovatkou.
Vlastností termočlánků s otevřeným spojem je špatná odolnost vůči vnějším vlivům.
Následující dva typy provedení lze použít při měření teplot v agresivním prostředí, které má devastující vliv na pár kontaktů.
Průmysl navíc v současné době ovládá schémata výroby termočlánků pomocí polovodičových technologií.
Chyba měření
Správnost teplot získaných pomocí termočlánku závisí na materiálu skupiny kontaktů a také na vnějších faktorech. Ty zahrnují tlak, radiační pozadí nebo jiné důvody, které mohou ovlivnit fyzikálně-chemické parametry kovů, ze kterých jsou kontakty vyrobeny.
Chyba měření se skládá z následujících součástí:
- náhodná chyba způsobená výrobním procesem termočlánku;
- chyba způsobená porušením teplotního režimu "studeného" kontaktu;
- chyba způsobená externím rušením;
- chyba ovládacího zařízení.
Výhody používání termočlánků
Výhody používání těchto zařízení pro regulaci teploty bez ohledu na aplikaci zahrnují:
- velká řada indikátorů, které lze zaznamenat pomocí termočlánku;
- Spojení termočlánku, který se přímo podílí na měření, lze umístit do přímého kontaktu s měřicím bodem;
- Termočlánky se snadno vyrábějí, jsou odolné a mají dlouhou životnost.
Nevýhody měření teploty termočlánkem
Nevýhody použití termočlánku zahrnují:
- Potřeba neustálého sledování teploty "studeného" kontaktu termočlánku. Toto je příznačnékonstrukční prvek měřicích přístrojů, které jsou založeny na termočlánku. Princip fungování tohoto schématu zužuje rozsah jeho použití. Lze je použít pouze v případě, že je okolní teplota nižší než teplota v místě měření.
- Porušení vnitřní struktury kovů používaných při výrobě termočlánků. Faktem je, že v důsledku vystavení vnějšímu prostředí ztrácejí kontakty svou jednotnost, což způsobuje chyby v získaných indikátorech teploty.
- Během procesu měření je kontaktní skupina termočlánků obvykle vystavena negativním vlivům prostředí, které způsobuje poruchy v procesu. To opět vyžaduje utěsnění kontaktů, což způsobuje dodatečné náklady na údržbu takových senzorů.
- U termočlánku, jehož konstrukce zajišťuje dlouhou kontaktní skupinu, existuje riziko vystavení elektromagnetickým vlnám. To může také ovlivnit výsledky měření.
- V některých případech dochází k narušení lineárního vztahu mezi elektrickým proudem, který se vyskytuje v termočlánku, a teplotou v místě měření. Tato situace vyžaduje kalibraci řídicího zařízení.
Závěr
Metoda měření teploty pomocí termočlánků, která byla poprvé vynalezena a testována v 19. století, nalezla i přes své nedostatky široké uplatnění ve všech odvětvích moderního průmyslu.
Navíc existují aplikace, kde se používají termočlánkyje jediný způsob, jak získat údaje o teplotě. A po přečtení tohoto materiálu jste zcela plně pochopili základní principy jejich práce.
