Lämpösähköiset muuntimet (lämpöparit)

Kuinka termopari toimii

Jo vuonna 1821 Seebeck löysi hänen mukaansa nimetyn ilmiön, joka koostuu siitä, että e. esiintyy suljetussa piirissä, joka koostuu erilaisista johtavista materiaaleista. jne. (ns. termo-EMC), jos näiden materiaalien kosketuspisteet pidetään eri lämpötiloissa.

Yksinkertaisimmassa muodossaan, kun sähköpiiri koostuu kahdesta eri johtimesta, sitä kutsutaan termopariksi tai termopariksi.

Seebeck-ilmiön ydin piilee siinä, että vapaiden elektronien energia, jotka aiheuttavat sähkövirran ilmaantumisen johtoihin, on erilaista ja muuttuu eri tavalla lämpötilan mukaan. Siksi, jos langalla on lämpötilaero, sen kuumassa päässä olevilla elektroneilla on suurempi energia ja nopeus verrattuna kylmään päähän, mikä aiheuttaa elektronien virtauksen langan kuumasta päästä kylmään päähän. Tämän seurauksena varaukset kerääntyvät molempiin päihin - negatiivisia kylmässä ja positiivisia kuumassa.

Koska nämä varaukset ovat erilaisia ​​eri johtimille, niin kun kaksi niistä on kytketty termopariin, näkyviin tulee differentiaalinen termopari. jne. c. Termoparissa esiintyvien ilmiöiden analysoimiseksi on tarkoituksenmukaista olettaa, että termopari syntyy siinä. jne. c. E on kahden kosketuskohdassa esiintyvän kosketussähkömotorisen voiman e summa, jotka ovat näiden koskettimien lämpötilan funktio (kuva 1, a).

Riisi. 1. Kaavio kaksi- ja kolmijohtimisesta lämpösähköpiiristä, kaavio sähköisen mittauslaitteen liittämisestä risteykseen ja termoelektrodista termoparilla.

Kahden eri johtimen piirissä syntyvä lämpösähkövoima on yhtä suuri kuin niiden päissä olevien sähkömotoristen voimien ero.

Tästä määritelmästä seuraa, että yhtäläisissä lämpötiloissa termoparin päissä sen lämpösähköinen teho. jne. s tulee olemaan nolla. Tästä voidaan tehdä erittäin tärkeä johtopäätös, joka mahdollistaa termoparin käytön lämpötila-anturina.

Termoparin sähkömotorinen voima ei muutu kolmannen johdon liittäminen sen piiriin, jos lämpötilat sen päissä ovat samat.

Tämä kolmas lanka voidaan sisällyttää sekä yhteen liitoskohtaan että yhden johtimen osaan (kuva 1.6, c). Tämä johtopäätös voidaan laajentaa koskemaan useita lämpöparipiiriin tuotuja johtimia, kunhan lämpötilat niiden päissä ovat samat.

Siksi mittauslaite (joka koostuu myös johtimista) ja siihen johtavat liitosjohdot voidaan sisällyttää termoparipiiriin aiheuttamatta muutosta sen kehittämään lämpötehoon. e.c, vain jos pisteiden 1 ja 2 tai 3 ja 4 lämpötilat (kuva 1, d ja e) ovat samat. Tässä tapauksessa näiden pisteiden lämpötila voi poiketa laitteen napojen lämpötilasta, mutta molempien liittimien lämpötilan on oltava sama.

Jos lämpöparipiirin vastus pysyy muuttumattomana, sen läpi kulkeva virta (ja siten laitteen lukema) riippuu vain sen kehittämästä lämpösähkötehosta. d. työpäiden (kuuma) ja vapaa (kylmä) lämpötiloista.

Lisäksi jos lämpöparin vapaan pään lämpötila pidetään vakiona, mittarin lukema riippuu vain termoparin työpään lämpötilasta. Tällainen laite ilmaisee suoraan lämpöparin työliitoksen lämpötilan.

Siksi lämpösähköinen pyrometri koostuu termoparista (lämpöelektrodeista), tasavirtamittarista ja liitäntäjohdoista.

Yllä olevasta voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset.

1. Termoparin työpään valmistusmenetelmä (hitsaus, juottaminen, kiertäminen jne.) ei vaikuta sen kehittämään lämpötehoon. jne. jos vain työpään mitat ovat sellaiset, että lämpötila sen kaikissa kohdissa on sama.

2. Koska laitteen mittaama parametri ei ole lämpösähköinen. ja lämpöparipiirin virran kanssa, on välttämätöntä, että käyttöpiirin resistanssi pysyy muuttumattomana ja sama kuin sen arvo kalibroinnin aikana.Mutta koska tämä on käytännössä mahdotonta tehdä, koska termoelektrodien ja liitäntäjohtojen vastus muuttuu lämpötilan mukaan, syntyy yksi menetelmän tärkeimmistä virheistä: virhe piirin vastuksen ja sen vastuksen välillä kalibroinnin aikana.

Tämän virheen vähentämiseksi lämpömittauksiin tarkoitetut laitteet valmistetaan suurella resistanssilla (50-100 ohmia karkeaa mittausta varten, 200-500 ohmia tarkempia mittauksia varten) ja alhaisen lämpötilan sähkökertoimella, jotta piirin kokonaisresistanssi (ja Siksi virran ja -e. d. s.) välinen suhde vaihtelee minimiin ympäristön lämpötilan vaihteluiden myötä.

3. Lämpösähköiset pyrometrit kalibroidaan aina hyvin määritellyssä termoparin vapaan pään lämpötilassa — 0 °C:ssa. Yleensä tämä lämpötila eroaa kalibrointilämpötilasta käytössä, minkä seurauksena menetelmän toinen päävirhe tapahtuu : virhe lämpöparin vapaan pään lämpötilassa.

Koska tämä virhe voi nousta kymmeniin asteisiin, on tarpeen tehdä asianmukainen korjaus laitteen lukemiin. Tämä korjaus voidaan laskea, jos nousuputkien lämpötila tunnetaan.

Koska lämpöparin vapaan pään lämpötila kalibroinnin aikana on 0 ° C ja käytössä se on yleensä yli 0 ° C (vapaat päät ovat yleensä huoneessa, ne sijaitsevat usein lähellä uunia, jonka lämpötila mitataan ), pyrometri antaa aliarvion todelliseen mitattuun lämpötilaan verrattuna, jälkimmäisen näyttöä ja arvoa on korotettava korjausarvolla.

Tämä tehdään yleensä graafisesti. Tämä johtuu siitä, että lämpökovettuvien välillä ei yleensä ole suhteellisuutta.jne. pp. ja lämpötila. Jos niiden välinen suhde on verrannollinen, kalibrointikäyrä on suora ja tässä tapauksessa termoparin vapaan pään lämpötilan korjaus on suoraan yhtä suuri kuin sen lämpötila.

Termoparien rakenne ja tyypit

Termoelektrodimateriaaleja koskevat seuraavat vaatimukset:

1) korkea lämpösähkö. jne. v. ja lähellä sen lämpötilan muutoksen suhteellista luonnetta;

2) lämmönkestävyys (hapettumattomuus korkeissa lämpötiloissa);

3) fysikaalisten ominaisuuksien pysyvyys ajan kuluessa mitatuissa lämpötiloissa;

4) korkea sähkönjohtavuus;

5) matalan lämpötilan vastuskerroin;

6) mahdollisuus tuottaa suuria määriä vakioilla fysikaalisilla ominaisuuksilla.

Kansainvälinen sähkötekninen komissio (IEC) on määritellyt joitain vakiotyyppisiä lämpöpareja (standardi IEC 584-1). Elementeillä on indeksit R, S, B, K, J, E, T mitatun lämpötila-alueen mukaan.

Teollisuudessa termopareja käytetään korkeiden lämpötilojen mittaamiseen 600 - 1000 - 1500 ˚C asti. Teollinen termopari koostuu kahdesta tulenkestävästä metallista tai seoksesta. Kuuma liitos (merkitty kirjaimella «G») sijoitetaan paikkaan, jossa lämpötila mitataan, ja kylmäliitos («X») sijaitsee alueella, jossa mittauslaite sijaitsee.

Seuraavat vakiotermoparit ovat tällä hetkellä käytössä.

Platina-rodium-platina termopari. Näitä lämpöpareja voidaan käyttää mittaamaan lämpötiloja 1300 °C asti pitkäaikaiskäytössä ja 1600 °C lyhytaikaisessa käytössä edellyttäen, että niitä käytetään hapettavassa ilmakehässä.Keskilämpötiloissa platina-rodium-platina-termopari on osoittautunut erittäin luotettavaksi ja vakaaksi, minkä vuoksi sitä käytetään esimerkkinä alueella 630-1064 °C.

Kromi-alumel termopari. Nämä termoparit on suunniteltu mittaamaan lämpötiloja pitkäaikaiseen käyttöön 1000 °C asti ja lyhytaikaiseen käyttöön 1300 °C asti. Ne toimivat luotettavasti näissä rajoissa hapettavassa ilmakehässä (jos ei ole syövyttäviä kaasuja), koska kun lämmitetty elektrodien pinnalle ohut suojaava oksidikalvo, joka estää hapen tunkeutumisen metalliin.

Chromel-Copel-lämpöpari… Nämä termoparit pystyvät mittaamaan lämpötiloja jopa 600°C:een pitkään ja jopa 800°C:een lyhyen aikaa. Ne toimivat menestyksekkäästi sekä hapettavassa että pelkistävässä ilmakehässä sekä tyhjiössä.

Iron Copel -termopari... Mittausrajat ovat samat kuin kromeli-copel-termopareissa, käyttöolosuhteet ovat samat. Se antaa vähemmän lämpöä. jne. verrattuna XK-termopariin: 30,9 mV 500 °C:ssa, mutta sen riippuvuus lämpötilasta on lähempänä suhteellista. LC-termoparin merkittävä haittapuoli on sen rautaelektrodin korroosio.

Kupari-kupari-termopari... Koska kupari hapettavassa ilmakehässä alkaa intensiivisesti hapettua jo 350 °C:ssa, näiden termoparien käyttöalue on 350 °C pitkään ja 500 °C lyhyen aikaa. Tyhjiössä näitä termopareja voidaan käyttää 600 °C:seen asti.

Termo-e-riippuvuuskäyrät. jne. yleisimpien termoparien lämpötilasta. 1 - kromi-paskiainen; 2 - rauta-paskiainen; 3 - kupari-paskiainen; 4 - TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - kromi-alumeli; 7-platina-rodium-platina; 8 - TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Epäjaloista metalleista valmistettujen standarditermoparien termoelektrodien resistanssi on 0,13-0,18 ohmia 1 m pituutta kohti (molemmat päät), platina-rodium-platina-termoelementeillä 1,5-1,6 ohmia per 1 m. Sallitut lämpösähköisen tehon poikkeamat. jne. kalibroinnista epäjaloille termopareille ovat ± 1%, platina-rodium-platina ± 0,3-0,35%.

Vakiotermopari on sauva, jonka halkaisija on 21-29 mm ja pituus 500-3000 mm. Suojaputken päälle asetetaan meistetty tai valettu (yleensä alumiini) pää, jossa on karboliitti- tai bakeliittilevy, johon puristetaan kaksi lankaparia pareittain kytketyillä ruuvipuristimilla. Termoelektrodi on kiinnitetty yhteen liittimeen ja toiseen on kytketty liitäntäjohto, joka johtaa mittauslaitteeseen. Joskus liitäntäjohdot on suljettu taipuisaan suojaletkuun. Jos on tarpeen tiivistää reikä, johon termopari on asennettu, jälkimmäinen on varustettu kierreliitoksella. Kylpyammeisiin termoparit valmistetaan myös kyynärpään muotoisina.

Termoparien lait

Sisäinen lämpötilalaki: Lämpötilagradientin läsnäolo homogeenisessa johtimessa ei johda sähkövirran ilmaantumiseen (ei esiinny ylimääräistä EMF:ää).

Välijohtimien laki: Muodostakoon kaksi homogeenista metallien A ja B johdinta lämpösähköisen piirin koskettimilla lämpötiloissa T1 (kuumaliitos) ja T2 (kylmäliitos). Metallilanka X sisältyy langan A katkeamiseen ja muodostuu kaksi uutta kosketinta. "Jos langan X lämpötila on sama koko pituudeltaan, niin tuloksena oleva termoparin EMF ei muutu (lisäliitoksista ei synny EMF:ää)."