Termoelementas – visų mokslo ir technikos šakų temperatūros matavimo prietaisas. Šiame straipsnyje pateikiama bendra termoporų apžvalga su prietaiso konstrukcijos ir veikimo principo analize. Aprašomos termoporų rūšys su trumpomis charakteristikomis, taip pat pateikiamas termoporos, kaip matavimo priemonės, įvertinimas.
Turinys
Termoporos įtaisas
Termoporos veikimo principas. Seebeck efektas
Termopora veikia dėl termoelektrinio efekto, kurį 1821 m. atrado vokiečių fizikas Tomas Seebeckas.
Reiškinys pagrįstas elektros atsiradimu uždaroje elektros grandinėje, kai ją veikia tam tikra aplinkos temperatūra. Elektros srovė atsiranda esant temperatūrų skirtumui tarp dviejų skirtingos sudėties laidininkų (termoelektrodų) (nepanašių metalų ar lydinių) ir palaikoma išlaikant jų kontaktų (sandūrų) vietą. Prietaisas prijungto antrinio įrenginio ekrane rodo išmatuotos temperatūros reikšmę.
Išėjimo įtampa ir temperatūra yra tiesiškai susijusios. Tai reiškia, kad išmatuotos temperatūros padidėjimas lemia didesnę milivoltų vertę laisvuosiuose termoporos galuose.
Temperatūros matavimo taške esanti sandūra vadinama „karšta“, o vieta, kur laidai prijungti prie keitiklio, vadinama „šalta“.
Šaltos sankryžos temperatūros kompensavimas (CJC)
Šaltosios sankryžos kompensavimas (CJC) – tai kompensacija, taikoma bendram rodmeniui pataisyti matuojant temperatūrą toje vietoje, kur prijungti termoporos laidai. Taip yra dėl neatitikimų tarp tikrosios šaltų galų temperatūros ir kalibravimo lentelės rodmenų, skirtų šalto sandūros temperatūrai esant 0°C.
CCS yra diferencinis metodas, kai absoliučios temperatūros rodmenys nustatomi iš žinomos šaltos sandūros temperatūros (taip pat žinomos kaip atskaitos sandūra).
Termoporos dizainas
Projektuojant termoporą, atsižvelgiama į tokių veiksnių kaip išorinės aplinkos „agresyvumas“, medžiagos agregacijos būsena, išmatuotų temperatūrų diapazonas ir kt.
Termoporos dizaino ypatybės:
1) Laidininkų sandūros sujungiamos sukant arba sukant su tolesniu elektros lankiniu suvirinimu (retai litavimo būdu).
SVARBU: Nerekomenduojama naudoti sukimo metodo, nes greitai prarandamos jungties savybės.
2) Termoelektrodai turi būti elektra izoliuoti per visą ilgį, išskyrus sąlyčio tašką.
3) Izoliacijos būdas parenkamas atsižvelgiant į viršutinę temperatūros ribą.
- Iki 100-120°C - bet kokia izoliacija;
- Iki 1300°C – porcelianiniai vamzdeliai arba karoliukai;
- Iki 1950°C – Al vamzdeliai2O3;
- Virš 2000°С – vamzdeliai iš MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Apsauginis dangtelis.
Medžiaga turi būti termiškai ir chemiškai atspari, gero šilumos laidumo (metalas, keramika). Bagažinės naudojimas apsaugo nuo korozijos tam tikroje aplinkoje.
Prailginimo (kompensavimo) laidai
Šio tipo viela reikalinga norint pratęsti termoporos galus iki antrinio prietaiso arba barjero. Laidai nenaudojami, jei termoporoje yra įmontuotas keitiklis su vieningu išėjimo signalu. Plačiausiai naudojamas normalizuojantis keitiklis, esantis standartinėje jutiklio gnybtų galvutėje su vieningu signalu 4-20mA, vadinamasis "tabletė".
Laidų medžiaga gali sutapti su termoelektrodų medžiaga, tačiau dažniausiai ji pakeičiama pigesne, atsižvelgiant į sąlygas, neleidžiančias susidaryti parazitiniams (sukeliamiems) termoemfams. Prailginimo laidų naudojimas taip pat leidžia optimizuoti gamybą.
Įsilaužimas į gyvenimą! Norėdami teisingai nustatyti kompensacinių laidų poliškumą ir prijungti juos prie termoporos, prisiminkite mnemoninę taisyklę MM - minusas yra įmagnetintas. Tai yra, mes paimame bet kurį magnetą ir kompensacijos minusas bus įmagnetintas, skirtingai nei pliusas.
Termoporų tipai ir tipai
Termoporų įvairovė paaiškinama įvairiais naudojamų metalų lydinių deriniais. Termoporos pasirinkimas atliekamas priklausomai nuo pramonės ir reikiamo temperatūros diapazono.
Termopora chromelis-alumelis (TXA)
Teigiamas elektrodas: chromelio lydinys (90 % Ni, 10 % Cr).
Neigiamas elektrodas: alumelio lydinys (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Izoliacinės medžiagos: porcelianas, kvarcas, metalo oksidai ir kt.
Temperatūros diapazonas nuo -200°С iki 1300°С trumpalaikis ir 1100°С ilgalaikis šildymas.
Darbo aplinka: inertiška, oksiduojanti (O2=2-3% arba visiškai neįtraukta), sausas vandenilis, trumpalaikis vakuumas. Redukcinėje arba redoksinėje atmosferoje, esant apsauginei dangai.
Trūkumai: lengva deformacija, grįžtamas termo-EMF nestabilumas.
Galimi alumelio korozijos ir trapumo atvejai, kai atmosferoje yra sieros pėdsakų, o chromelis silpnai oksiduojančioje atmosferoje („žalias molis“).
Termopora chromel-kopel (TKhK)
Teigiamas elektrodas: chromelio lydinys (90 % Ni, 10 % Cr).
Neigiamas elektrodas: Kopelio lydinys (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Temperatūros diapazonas nuo -253°С iki 800°С ilgalaikis ir 1100°С trumpalaikis šildymas.
Darbo aplinka: inertiška ir oksiduojanti, trumpalaikis vakuumas.
Trūkumai: termoelektrodų deformacija.
Chromo išgarinimo galimybė ilgalaikiame vakuume; reakcija su atmosfera, kurioje yra sieros, chromo, fluoro.
Termoporos geležies konstantanas (TGK)
Teigiamas elektrodas: komerciškai gryna geležis (švelnus plienas).
Neigiamas elektrodas: konstantano lydinys (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Naudojamas matavimams redukuojančioje, inertinėje terpėje ir vakuume. Temperatūra nuo -203°С iki 750°С ilgalaikis ir 1100°С trumpalaikis šildymas.
Taikymas sukurtas bendrai matuojant teigiamą ir neigiamą temperatūrą. Nepelninga naudoti tik esant neigiamai temperatūrai.
Trūkumai: termoelektrodų deformacija, mažas atsparumas korozijai.
Geležies fizikinių ir cheminių savybių pokyčiai maždaug 700°C ir 900°C temperatūroje. Reaguoja su siera ir vandens garais, sudarydami koroziją.
Volframo-renio termopora (TVR)
Teigiamas elektrodas: lydiniai BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 su silicio ir aliuminio priedu) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Neigiamas elektrodas: BP20 lydiniai (80% W, 20% Rh).
Izoliacija: chemiškai gryna metalo oksido keramika.
Pastebimas mechaninis stiprumas, atsparumas karščiui, mažas jautrumas taršai, gamybos paprastumas.
Temperatūros matavimas nuo 1800°С iki 3000°С, apatinė riba yra 1300°С. Matavimai atliekami inertinių dujų, sauso vandenilio arba vakuumo aplinkoje. Oksiduojančioje aplinkoje tik matavimams greituose procesuose.
Trūkumai: blogas termo-EMF atkuriamumas, jo nestabilumas švitinimo metu, nestabilus jautrumas temperatūros diapazone.
Volframo-molibdeno termopora (VM)
Teigiamas elektrodas: volframas (komerciškai grynas).
Neigiamas elektrodas: molibdenas (prekybinis grynas).
Izoliacija: aliuminio oksido keramika, apsaugota kvarciniais antgaliais.
Inertinė, vandenilio arba vakuuminė aplinka. Galima atlikti trumpalaikius matavimus oksiduojančioje aplinkoje esant izoliacijai.Matuojamų temperatūrų diapazonas yra 1400-1800°C, maksimali darbinė temperatūra apie 2400°C.
Trūkumai: prastas šiluminio EML atkuriamumas ir jautrumas, poliškumo pasikeitimas, trapumas aukštoje temperatūroje.
Termoporos platina-rodis-platina (TPP)
Teigiamas elektrodas: platina-rodis (Pt c 10% arba 13% Rh).
Neigiamas elektrodas: platina.
Izoliacija: kvarcas, porcelianas (paprastas ir ugniai atsparus). Iki 1400°C – keramika su dideliu Al kiekiu2O3, virš 1400°C – keramika iš chemiškai gryno Al2O3.
Maksimali darbo temperatūra 1400°C ilgalaikė, 1600°C trumpalaikė. Žemos temperatūros matavimas dažniausiai neatliekamas.
Darbo aplinka: oksiduojanti ir inertiška, redukuojanti esant apsaugai.
Trūkumai: didelė kaina, nestabilumas švitinimo metu, didelis jautrumas užterštumui (ypač platinos elektrodui), metalo grūdelių augimas aukštoje temperatūroje.
Termoporos platina-rodis-platina-rodis (TPR)
Teigiamas elektrodas: Pt lydinys su 30 % santykinio drėgnumo.
Neigiamas elektrodas: Pt lydinys su 6 % santykinio drėgnumo.
Vidutinė: oksiduojanti, neutrali ir vakuuminė. Naudoti metalų arba nemetalų garams redukuoti ir sulaikyti esant apsaugai.
Maksimali darbinė temperatūra 1600°C ilgalaikė, 1800°C trumpalaikė.
Izoliacija: Al keramika2O3 didelio grynumo.
Mažiau jautrus cheminiam užteršimui ir grūdų augimui nei platinos-rodžio-platinos termopora.
Termoporos laidų schema
- Potenciometro arba galvanometro prijungimas tiesiai prie laidų.
- Sujungimas su kompensaciniais laidais;
- Sujungimas įprastais variniais laidais prie termoporos su vieningu išėjimu.
Termoporos laidininko spalvų standartai
Spalvota laidininko izoliacija padeda atskirti termoelektrodus vieną nuo kito, kad būtų galima tinkamai prijungti prie gnybtų. Standartai skiriasi įvairiose šalyse, konkrečių laidininkų spalvų kodų nėra.
SVARBU: Norint išvengti klaidų, būtina žinoti įmonėje naudojamą standartą.
Matavimo tikslumas
Tikslumas priklauso nuo termoporos tipo, temperatūros diapazono, medžiagos grynumo, elektrinio triukšmo, korozijos, jungties savybių ir gamybos proceso.
Termoporoms priskiriama tolerancijos klasė (standartinė arba specialioji), kuri nustato matavimo pasikliautinąjį intervalą.
SVARBU: Gamybos metu charakteristikos keičiasi eksploatacijos metu.
Matavimo greitis
Greitis nustatomas pagal pirminio keitiklio gebėjimą greitai reaguoti į temperatūros šuolius ir juos sekančio matavimo prietaiso įvesties signalų srautą.
Veiksniai, didinantys našumą:
- Teisingas pirminio keitiklio montavimas ir ilgio apskaičiavimas;
- Naudojant keitiklį su apsaugine mova, reikia mažinti agregato masę, pasirenkant mažesnį movų skersmenį;
- Oro tarpo tarp pirminio keitiklio ir apsauginės movos sumažinimas;
- Spyruoklinio pirminio keitiklio naudojimas ir įvorėje esančių tuštumų užpildymas šilumą laidžiu užpildu;
- Greitai judanti arba tankesnė terpė (skysta).
Termoporos veikimo patikrinimas
Norėdami patikrinti veikimą, prijunkite specialų matavimo prietaisą (testerį, galvanometrą ar potenciometrą) arba išmatuokite išėjimo įtampą milivoltmetru. Jei yra rodyklės ar skaitmeninio indikatoriaus svyravimai, termopora tinkama eksploatuoti, priešingu atveju prietaisą reikia pakeisti.
Termoporos gedimo priežastys:
- Apsauginio ekranavimo įtaiso nenaudojimas;
- Elektrodų cheminės sudėties pasikeitimas;
- Aukštoje temperatūroje besivystantys oksidaciniai procesai;
- Valdymo ir matavimo prietaiso gedimas ir kt.
Termoporų naudojimo privalumai ir trūkumai
Šio įrenginio naudojimo pranašumai yra šie:
- Didelis temperatūros matavimo diapazonas;
- Didelis tikslumas;
- Paprastumas ir patikimumas.
Trūkumai apima:
- Nuolatinio šaltosios sankryžos stebėjimo, valdymo įrangos patikros ir kalibravimo įgyvendinimas;
- Metalų struktūriniai pokyčiai gaminant įrenginį;
- Priklausomybė nuo atmosferos sudėties, sandarinimo kainos;
- Matavimo paklaida dėl elektromagnetinių bangų.
