Er zijn veel verschillende apparaten en mechanismen waarmee je temperatuur kunt meten. Sommigen van hen worden gebruikt in het dagelijks leven, sommige - voor verschillende fysieke onderzoeken, in productieprocessen en andere industrieën.
Een dergelijk apparaat is een thermokoppel. We zullen het werkingsprincipe en het schema van dit apparaat in de volgende secties bekijken.
Fysieke basis van thermokoppelwerking
Het werkingsprincipe van een thermokoppel is gebaseerd op gewone fysieke processen. Voor het eerst werd het effect waarop dit apparaat werkt bestudeerd door de Duitse wetenschapper Thomas Seebeck.
De essentie van het fenomeen waarop het werkingsprincipe van een thermokoppel berust, is als volgt. In een gesloten elektrisch circuit, bestaande uit twee geleiders van verschillende typen, ontstaat bij blootstelling aan een bepaalde omgevingstemperatuur elektriciteit.
De resulterende elektrische stroom en de omgevingstemperatuur die op de geleiders inwerkt, staan in een lineaire relatie. Dat wil zeggen, hoe hoger de temperatuur, hoe groter de elektrische stroom die door het thermokoppel wordt geproduceerd. Op dedit is het werkingsprincipe van het thermokoppel en de weerstandsthermometer.
In dit geval bevindt één thermokoppelcontact zich op het punt waar het nodig is om de temperatuur te meten, dit wordt "heet" genoemd. Het tweede contact, met andere woorden - "koud", - in de tegenovergestelde richting. Het gebruik van thermokoppels voor meting is alleen toegestaan wanneer de luchttemperatuur in de kamer lager is dan op de plaats van meting.
Dit is een kort diagram van de werking van een thermokoppel, het werkingsprincipe. De soorten thermokoppels worden in de volgende sectie besproken.
Soorten thermokoppels
In elke branche waar temperatuurmetingen nodig zijn, is het thermokoppel de belangrijkste toepassing. Het apparaat en het werkingsprincipe van verschillende typen van dit apparaat worden hieronder gegeven.
Chromel-aluminium thermokoppels
Deze thermokoppelcircuits worden in de meeste gevallen gebruikt voor de productie van verschillende sensoren en sondes waarmee u de temperatuur in industriële productie kunt regelen.
Hun onderscheidende kenmerken zijn onder meer een vrij lage prijs en een enorm scala aan gemeten temperaturen. Hiermee kunt u de temperatuur instellen van -200 tot +13000 graden Celsius.
Het is niet aan te raden om thermokoppels met soortgelijke legeringen te gebruiken in winkels en faciliteiten met een hoog zwavelgeh alte in de lucht, omdat dit chemische element zowel chroom als aluminium negatief aantast en storingen in het apparaat veroorzaakt.
Chromel-Kopel thermokoppels
Het werkingsprincipe van een thermokoppel, waarvan de contactgroep uit deze legeringen bestaat, is hetzelfde. Maar deze apparaten werken voornamelijk in een vloeibaar of gasvormig medium, dat neutrale, niet-agressieve eigenschappen heeft. De bovenste temperatuurindex is niet hoger dan +8000 graden Celsius.
Er wordt een soortgelijk thermokoppel gebruikt, waarvan het principe het mogelijk maakt om de mate van verwarming van alle oppervlakken te bepalen, bijvoorbeeld om de temperatuur van open haardovens of andere soortgelijke structuren te bepalen.
Ijzer-constantaan thermokoppels
Deze combinatie van contacten in een thermokoppel is niet zo gebruikelijk als de eerste van de overwogen variëteiten. Het werkingsprincipe van een thermokoppel is hetzelfde, maar deze combinatie heeft zich goed getoond in een ijle atmosfeer. Het maximale niveau van de gemeten temperatuur mag niet hoger zijn dan +12500 graden Celsius.
Als de temperatuur echter boven de +7000 graden begint te stijgen, bestaat het gevaar van schendingen van de meetnauwkeurigheid als gevolg van veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van ijzer. Er zijn zelfs gevallen van corrosie van het ijzercontact van het thermokoppel in aanwezigheid van waterdamp in de omgevingslucht.
Platinorhodium-platina thermokoppels
Het duurste thermokoppel om te vervaardigen. Het werkingsprincipe is hetzelfde, maar het verschilt van zijn tegenhangers in zeer stabiele en betrouwbare temperatuurmetingen. Heeft verminderde gevoeligheid.
De belangrijkste toepassing van deze apparaten is het meten van hoge temperaturen.
Tungsten-rhenium thermokoppels
Ook gebruikt om ultrahoge temperaturen te meten. De maximale limiet die met dit schema kan worden vastgesteld, bereikt 25 duizend graden Celsius.
Hun toepassing vereist naleving van bepaalde voorwaarden. Tijdens het meten van de temperatuur is het dus noodzakelijk om de omringende atmosfeer volledig te elimineren, wat een negatief effect heeft op de contacten als gevolg van het oxidatieproces.
Hiervoor worden wolfraam-rhenium-thermokoppels meestal in beschermende omhulsels geplaatst die zijn gevuld met een inert gas om hun elementen te beschermen.
Hierboven werd elk bestaand thermokoppel, apparaat, het werkingsprincipe, afhankelijk van de gebruikte legeringen, overwogen. Overweeg nu enkele ontwerpkenmerken.
Thermokoppelontwerpen
Er zijn twee hoofdtypen thermokoppelontwerpen.
- Met een isolerende laag. Dit ontwerp van het thermokoppel zorgt voor het isoleren van de werklaag van het apparaat van elektrische stroom. Door deze opstelling kan het thermokoppel in het proces worden gebruikt zonder de invoer van de aarde te isoleren.
- Zonder het gebruik van een isolerende laag. Dergelijke thermokoppels kunnen alleen worden aangesloten op meetcircuits waarvan de ingangen geen contact hebben met de grond. Als niet aan deze voorwaarde wordt voldaan, zal het apparaat twee onafhankelijke gesloten circuits ontwikkelen, wat resulteert in ongeldige thermokoppelmetingen.
Reizen thermokoppel en de toepassing ervan
Er is een aparteeen soort van dit apparaat, genaamd "running". We zullen nu het werkingsprincipe van een lopend thermokoppel in meer detail bekijken.
Dit ontwerp wordt voornamelijk gebruikt om de temperatuur van een stalen knuppel te detecteren tijdens de verwerking ervan op draai-, frees- en andere soortgelijke machines.
Opgemerkt moet worden dat het in dit geval ook mogelijk is om een conventioneel thermokoppel te gebruiken, maar als het fabricageproces een hoge temperatuurnauwkeurigheid vereist, is het moeilijk om het lopende thermokoppel te overschatten.
Bij het toepassen van deze methode worden de contactelementen vooraf in het werkstuk gesoldeerd. Vervolgens worden deze contacten tijdens de verwerking van de blanco constant blootgesteld aan de werking van een snijplotter of ander werkgereedschap van de machine, waardoor de kruising (die het belangrijkste element is bij het nemen van temperatuurmetingen) lijkt te lopen” langs de contacten.
Dit effect wordt veel gebruikt in de metaalverwerkende industrie.
Technologische kenmerken van thermokoppelontwerpen
Bij het vervaardigen van een werkend thermokoppelcircuit worden twee metalen contacten gesoldeerd, die, zoals u weet, van verschillende materialen zijn gemaakt. De kruising wordt een kruising genoemd.
Opgemerkt moet worden dat het niet nodig is om deze verbinding te maken met behulp van solderen. Draai eenvoudig twee contacten in elkaar. Maar een dergelijke productiemethode zal niet voldoende betrouwbaar zijn en kan ook fouten opleveren bij het nemen van temperatuurmetingen.
Als je hoog moet metentemperaturen, wordt het solderen van metalen vervangen door hun lassen. Dit komt door het feit dat het soldeer dat in de verbinding wordt gebruikt in de meeste gevallen een laag smeltpunt heeft en afbreekt wanneer het wordt overschreden.
Circuits die zijn gelast, zijn bestand tegen een groter temperatuurbereik. Maar deze manier van aansluiten heeft ook zijn nadelen. De interne structuur van het metaal bij blootstelling aan hoge temperaturen tijdens het lasproces kan veranderen, wat de kwaliteit van de verkregen gegevens zal beïnvloeden.
Bovendien moet de toestand van de thermokoppelcontacten worden gecontroleerd tijdens de werking ervan. Het is dus mogelijk om de eigenschappen van metalen in het circuit te veranderen door de impact van een agressieve omgeving. Oxidatie of interdiffusie van materialen kan optreden. In een dergelijke situatie moet het bedrijfscircuit van het thermokoppel worden vervangen.
Soorten thermokoppelverbindingen
De moderne industrie produceert verschillende ontwerpen die worden gebruikt bij de vervaardiging van thermokoppels:
- open kruising;
- met geïsoleerde aansluiting;
- met geaarde kruising.
Een kenmerk van open-junction thermokoppels is een slechte weerstand tegen invloeden van buitenaf.
De volgende twee soorten ontwerpen kunnen worden gebruikt bij het meten van temperaturen in agressieve omgevingen die een verwoestend effect hebben op het contactpaar.
Bovendien is de industrie momenteel bezig met het beheersen van schema's voor de productie van thermokoppels met behulp van halfgeleidertechnologieën.
Meetfout
De juistheid van de temperatuurmetingen verkregen met behulp van een thermokoppel hangt af van het materiaal van de contactgroep, evenals van externe factoren. Deze laatste omvatten druk, stralingsachtergrond of andere redenen die de fysisch-chemische parameters kunnen beïnvloeden van de metalen waaruit de contacten zijn gemaakt.
Meetfout bestaat uit de volgende componenten:
- willekeurige fout veroorzaakt door het fabricageproces van het thermokoppel;
- fout veroorzaakt door schending van het temperatuurregime van het "koude" contact;
- fout veroorzaakt door externe interferentie;
- fout van regelapparatuur.
De voordelen van het gebruik van thermokoppels
De voordelen van het gebruik van deze apparaten voor temperatuurregeling, ongeacht de toepassing, zijn onder meer:
- groot aantal indicatoren die kunnen worden opgenomen met een thermokoppel;
- De kruising van het thermokoppel, die direct betrokken is bij het nemen van metingen, kan in direct contact worden geplaatst met het meetpunt;
- Thermokoppels zijn eenvoudig te vervaardigen, duurzaam en gaan lang mee.
Nadelen van temperatuur meten met een thermokoppel
De nadelen van het gebruik van een thermokoppel zijn:
- De noodzaak van constante bewaking van de temperatuur van het "koude" contact van het thermokoppel. Dit is een onderscheidendontwerpkenmerk van meetinstrumenten, die zijn gebaseerd op een thermokoppel. Het werkingsprincipe van deze regeling beperkt het toepassingsgebied ervan. Ze kunnen alleen worden gebruikt als de omgevingstemperatuur lager is dan de temperatuur op het meetpunt.
- Schending van de interne structuur van metalen die worden gebruikt bij de vervaardiging van thermokoppels. Feit is dat als gevolg van blootstelling aan de externe omgeving de contacten hun uniformiteit verliezen, wat fouten veroorzaakt in de verkregen temperatuurindicatoren.
- Tijdens het meetproces wordt de thermokoppel-contactgroep meestal blootgesteld aan de negatieve invloeden van de omgeving, wat verstoringen in het proces veroorzaakt. Dit vereist opnieuw het afdichten van de contacten, wat extra onderhoudskosten met zich meebrengt voor dergelijke sensoren.
- Er bestaat een risico op blootstelling aan elektromagnetische golven op een thermokoppel, waarvan het ontwerp zorgt voor een lange contactgroep. Dit kan ook van invloed zijn op de meetresultaten.
- In sommige gevallen is er een schending van de lineaire relatie tussen de elektrische stroom die optreedt in het thermokoppel en de temperatuur op de meetplaats. Deze situatie vereist kalibratie van regelapparatuur.
Conclusie
Ondanks zijn tekortkomingen heeft de methode van temperatuurmeting met behulp van thermokoppels, die voor het eerst werd uitgevonden en getest in de 19e eeuw, een brede toepassing gevonden in alle takken van de moderne industrie.
Bovendien zijn er toepassingen waarbij het gebruik van thermokoppelsis de enige manier om temperatuurgegevens te krijgen. En na het lezen van dit materiaal heb je de basisprincipes van hun werk vrij goed begrepen.
