Kas ir termopāris, darbības princips, galvenie veidi un veidi

Termopāris ir temperatūras mērīšanas ierīce visās zinātnes un tehnikas nozarēs. Šajā rakstā ir sniegts vispārīgs pārskats par termopāriem ar ierīces konstrukcijas un darbības principa analīzi. Aprakstītas termopāru šķirnes ar to īsajiem raksturlielumiem, kā arī sniegts termopāra kā mērinstrumenta novērtējums.

Termopāra ierīce

Termopāra darbības princips. Seebeck efekts

Termopāra darbība ir saistīta ar termoelektriskā efekta rašanos, ko 1821. gadā atklāja vācu fiziķis Tomass Zēbeks.

Parādības pamatā ir elektrības rašanās slēgtā elektriskā ķēdē, pakļaujot to noteiktai apkārtējās vides temperatūrai. Elektriskā strāva rodas, ja ir temperatūras starpība starp diviem dažāda sastāva vadītājiem (termoelektrodiem) (atšķirīgi metāli vai sakausējumi), un to uztur, saglabājot to kontaktu (savienojumu) vietas. Ierīce parāda izmērītās temperatūras vērtību pievienotās sekundārās ierīces ekrānā.

Izejas spriegums un temperatūra ir lineāri saistīti. Tas nozīmē, ka izmērītās temperatūras paaugstināšanās rada augstāku milivoltu vērtību termopāra brīvajos galos.

Savienojumu, kas atrodas temperatūras mērīšanas punktā, sauc par "karstu", un vietu, kur vadi ir savienoti ar pārveidotāju, sauc par "aukstu".

Aukstā savienojuma temperatūras kompensācija (CJC)

Aukstā savienojuma kompensācija (CJC) ir kompensācija, ko izmanto kā korekciju kopējam nolasījumam, mērot temperatūru vietā, kur ir pievienoti termopāra vadi. Tas ir saistīts ar neatbilstībām starp auksto galu faktisko temperatūru un kalibrēšanas tabulas aprēķinātajiem rādījumiem aukstā savienojuma temperatūrai 0 ° C temperatūrā.

CCS ir diferenciāla metode, kurā absolūtās temperatūras rādījumus nosaka no zināmas aukstās krustojuma temperatūras (pazīstama arī kā atsauces krustojums).

Termopāra dizains

Projektējot termopāri, tiek ņemta vērā tādu faktoru ietekme kā ārējās vides "agresivitāte", vielas agregācijas stāvoklis, izmērīto temperatūru diapazons un citi.

Termopāra dizaina iezīmes:

1) Vadītāju savienojumus savstarpēji savieno, griežot vai pagriežot ar tālāku elektrisko loka metināšanu (retāk ar lodēšanu).

SVARĪGS: Nav ieteicams izmantot vīšanas metodi, jo ātri tiek zaudētas savienojuma īpašības.

2) Termoelektrodiem jābūt elektriski izolētiem visā to garumā, izņemot saskares punktu.

3) Izolācijas metode tiek izvēlēta, ņemot vērā augšējo temperatūras robežu.

• Līdz 100-120°C - jebkura izolācija;
• Līdz 1300°C - porcelāna tūbiņas vai krelles;
• Līdz 1950°C - Al caurules₂O₃;
• Virs 2000°С - caurules no MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Aizsargpārvalks.

Materiālam jābūt termiski un ķīmiski izturīgam, ar labu siltumvadītspēju (metāls, keramika). Bagāžnieka izmantošana novērš koroziju noteiktā vidē.

Pagarinājuma (kompensācijas) vadi

Šāda veida vads ir nepieciešams, lai pagarinātu termopāra galus līdz sekundārajam instrumentam vai barjerai. Vadi netiek izmantoti, ja termopārim ir iebūvēts pārveidotājs ar vienotu izejas signālu. Visplašāk tiek izmantots normalizējošais pārveidotājs, kas atrodas sensora standarta spaiļu galvā ar vienotu signālu 4-20mA, tā sauktajā "planšetdatorā".

Vadu materiāls var sakrist ar termoelektrodu materiālu, taču visbiežāk tas tiek aizstāts ar lētāku, ņemot vērā apstākļus, kas neļauj veidoties parazītiskiem (inducētiem) termoemfiem. Pagarināto vadu izmantošana arī ļauj optimizēt ražošanu.

Life hack! Lai pareizi noteiktu kompensācijas vadu polaritāti un savienotu tos ar termopāri, atcerieties mnemonisko noteikumu MM - mīnuss ir magnetizēts. Tas ir, mēs ņemam jebkuru magnētu, un kompensācijas mīnuss atšķirībā no plusa tiks magnetizēts.

Termopāru veidi un veidi

Termopāru daudzveidība ir izskaidrojama ar dažādām izmantoto metālu sakausējumu kombinācijām. Termopāra izvēle tiek veikta atkarībā no nozares un nepieciešamā temperatūras diapazona.

Hromela-alumela termopāra (TXA)

Pozitīvs elektrods: hroma sakausējums (90% Ni, 10% Cr).
Negatīvs elektrods: alumela sakausējums (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Izolācijas materiāls: porcelāns, kvarcs, metāla oksīdi utt.

Temperatūras diapazons no -200°С līdz 1300°С īslaicīgai un 1100°С ilgstošai apkurei.

Darba vide: inerta, oksidējoša (O₂=2-3% vai pilnībā izslēgts), sausais ūdeņradis, īslaicīgs vakuums. Reducējošā vai redoksējošā atmosfērā aizsargapvalka klātbūtnē.

Trūkumi: viegla deformācija, atgriezeniska termo-EMF nestabilitāte.

Var būt alumela korozijas un trausluma gadījumi, ja atmosfērā ir sēra pēdas, un hromelis vāji oksidējošā atmosfērā (“zaļais māls”).

Termopāris hromel-kopel (TKhK)

Pozitīvs elektrods: hroma sakausējums (90% Ni, 10% Cr).
Negatīvs elektrods: Kopela sakausējums (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Temperatūras diapazons no -253°С līdz 800°С ilgstošai un 1100°С īslaicīgai sildīšanai.

Darba vide: inerta un oksidējoša, īslaicīgs vakuums.

Trūkumi: termoelektroda deformācija.

Hroma iztvaikošanas iespēja ilgstošā vakuumā; reakcija ar atmosfēru, kas satur sēru, hromu, fluoru.

Termopāra dzelzs konstantāna (TGK)

Pozitīvs elektrods: komerciāli tīrs dzelzs (maigs tērauds).
Negatīvs elektrods: konstantāna sakausējums (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Izmanto mērījumiem reducējošā, inertā vidē un vakuumā. Temperatūra no -203°С līdz 750°С ilglaicīga un 1100°С īslaicīga apkure.

Pielietojums tiek izstrādāts, kopīgi mērot pozitīvas un negatīvas temperatūras. Tas ir nerentabli izmantot tikai negatīvām temperatūrām.

Trūkumi: termoelektroda deformācija, zema izturība pret koroziju.

Dzelzs fizikāli ķīmisko īpašību izmaiņas aptuveni 700°C un 900°C temperatūrā. Reaģē ar sēru un ūdens tvaikiem, veidojot koroziju.

Volframa-rēnija termopāris (TVR)

Pozitīvs elektrods: sakausējumi BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 ar silīcija dioksīda un alumīnija piedevu) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Negatīvs elektrods: BP20 sakausējumi (80% W, 20% Rh).

Izolācija: ķīmiski tīra metāla oksīda keramika.

Tiek atzīmēta mehāniskā izturība, karstumizturība, zema jutība pret piesārņojumu, ražošanas vienkāršība.

Temperatūras mērīšana no 1800°С līdz 3000°С, apakšējā robeža ir 1300°С. Mērījumus veic inertā gāzē, sausā ūdeņraža vai vakuuma vidē. Oksidējošā vidē tikai mērījumiem ātros procesos.

Trūkumi: slikta termo-EMF reproducējamība, tā nestabilitāte apstarošanas laikā, nestabila jutība temperatūras diapazonā.

Volframa-molibdēna termopāra (VM)

Pozitīvs elektrods: volframs (komerciāli tīrs).
Negatīvs elektrods: molibdēns (komerciāli tīrs).

Izolācija: alumīnija oksīda keramika, aizsargāta ar kvarca uzgaļiem.

Inerta, ūdeņraža vai vakuuma vide. Ir iespējams veikt īslaicīgus mērījumus oksidējošā vidē izolācijas klātbūtnē.Mērīto temperatūru diapazons ir 1400-1800°C, maksimālā darba temperatūra ir aptuveni 2400°C.

Trūkumi: slikta termiskā EML reproducējamība un jutība, polaritātes maiņa, trauslums augstā temperatūrā.

Platīna-rodija-platīna termopāri (TPP)

Pozitīvs elektrods: platīns-rodijs (Pt c 10% vai 13% Rh).
Negatīvs elektrods: platīns.

Izolācija: kvarcs, porcelāns (vienkāršs un ugunsizturīgs). Līdz 1400°C – keramika ar augstu Al saturu₂O₃, virs 1400°C - keramika no ķīmiski tīra Al₂O₃.

Maksimālā darba temperatūra 1400°C ilgtermiņā, 1600°C īslaicīgi. Zemas temperatūras mērīšana parasti netiek veikta.

Darba vide: oksidējoša un inerta, aizsardzības klātbūtnē reducējas.

Trūkumi: augstas izmaksas, nestabilitāte apstarošanas laikā, augsta jutība pret piesārņojumu (īpaši platīna elektrodam), metāla graudu augšana augstās temperatūrās.

Termopāri platīns-rodijs-platīns-rodijs (TPR)

Pozitīvs elektrods: Pt sakausējums ar 30% Rh.
Negatīvs elektrods: Pt sakausējums ar 6% Rh.

Vidēja: oksidējoša, neitrāla un vakuuma. Izmanto metālu vai nemetālu tvaiku samazināšanai un saturēšanai aizsardzības klātbūtnē.

Maksimālā darba temperatūra 1600°C ilgtermiņā, 1800°C īslaicīgi.

Izolācija: Alkeramika₂O₃ augsta tīrība.

Mazāk jutīgs pret ķīmisko piesārņojumu un graudu augšanu nekā platīna-rodija-platīna termopāris.

Termopāra elektroinstalācijas shēma

• Potenciometra vai galvanometra pievienošana tieši pie vadītājiem.
• Savienojums ar kompensācijas vadiem;
• Savienojums ar parastajiem vara vadiem uz termopāri ar vienotu izvadi.

Termopāra vadītāju krāsu standarti

Krāsainā vadu izolācija palīdz atšķirt termoelektrodus vienu no otra, lai tie būtu pareizi savienoti ar spailēm. Standarti dažādās valstīs atšķiras, nav īpašu krāsu kodu vadītājiem.

SVARĪGS: Lai novērstu kļūdas, ir jāzina uzņēmumā izmantotais standarts.

Mērījumu precizitāte

Precizitāte ir atkarīga no termopāra veida, temperatūras diapazona, materiāla tīrības, elektriskā trokšņa, korozijas, savienojuma īpašībām un ražošanas procesa.

Termopāriem tiek piešķirta pielaides klase (standarta vai īpaša), kas nosaka mērījumu ticamības intervālu.

SVARĪGS: Ražošanas laika raksturlielumi darbības laikā mainās.

Mērīšanas ātrums

Ātrumu nosaka primārā pārveidotāja spēja ātri reaģēt uz temperatūras lēcieniem un tiem sekojošās mērierīces ieejas signālu plūsmu.

Faktori, kas palielina veiktspēju:

1. Pareiza primārā pārveidotāja uzstādīšana un garuma aprēķināšana;
2. Lietojot devēju ar aizsarguzmavu, nepieciešams samazināt vienības masu, izvēloties mazāku uzmavu diametru;
3. Gaisa spraugas samazināšana starp primāro pārveidotāju un aizsarguzmavu;
4. Atsperu primārā pārveidotāja izmantošana un uzmavas tukšumu aizpildīšana ar siltumvadošu pildvielu;
5. Ātri kustīga vai blīvāka vide (šķidrums).

Termopāra veiktspējas pārbaude

Lai pārbaudītu veiktspēju, pievienojiet īpašu mērierīci (testeri, galvanometru vai potenciometru) vai izmēra izejas spriegumu ar milivoltmetru. Ja ir bultiņas vai digitālā indikatora svārstības, termopāris ir izmantojams, pretējā gadījumā ierīce ir jānomaina.

Termopāra atteices cēloņi:

1. Aizsardzības aizsargierīces neizmantošana;
2. Elektrodu ķīmiskā sastāva maiņa;
3. Oksidācijas procesi, kas attīstās augstā temperatūrā;
4. Vadības un mērīšanas ierīces bojājums utt.

Termopāru izmantošanas priekšrocības un trūkumi

Šīs ierīces izmantošanas priekšrocības ir:

• Liels temperatūras mērīšanas diapazons;
• Augsta precizitāte;
• Vienkāršība un uzticamība.

Trūkumi ietver:

• Aukstā savienojuma nepārtrauktas uzraudzības īstenošana, vadības iekārtu verifikācija un kalibrēšana;
• Strukturālās izmaiņas metālos ierīces ražošanas laikā;
• Atkarība no atmosfēras sastāva, blīvēšanas izmaksas;
• Mērījumu kļūda elektromagnētisko viļņu dēļ.

Līdzīgi raksti: