Υπάρχουν πολλές διαφορετικές συσκευές και μηχανισμοί που σας επιτρέπουν να μετράτε τη θερμοκρασία. Μερικά από αυτά χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή, άλλα - για διάφορες φυσικές έρευνες, σε παραγωγικές διαδικασίες και άλλες βιομηχανίες.
Μια τέτοια συσκευή είναι ένα θερμοστοιχείο. Θα εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας και το σχήμα αυτής της συσκευής στις ακόλουθες ενότητες.
Φυσική βάση λειτουργίας θερμοστοιχείου
Η αρχή λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου βασίζεται σε συνηθισμένες φυσικές διεργασίες. Για πρώτη φορά, η επίδραση στην οποία λειτουργεί αυτή η συσκευή μελετήθηκε από τον Γερμανό επιστήμονα Thomas Seebeck.
Η ουσία του φαινομένου στο οποίο βασίζεται η αρχή λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου είναι η εξής. Σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, που αποτελείται από δύο αγωγούς διαφορετικών τύπων, όταν εκτίθεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία περιβάλλοντος, προκύπτει ηλεκτρισμός.
Η προκύπτουσα ηλεκτρική ροή και η θερμοκρασία περιβάλλοντος που επενεργεί στους αγωγούς βρίσκονται σε γραμμική σχέση. Δηλαδή, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από το θερμοστοιχείο. Στοαυτή είναι η αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου και του θερμομέτρου αντίστασης.
Σε αυτή την περίπτωση, μία επαφή θερμοστοιχείου βρίσκεται στο σημείο όπου είναι απαραίτητο να μετρηθεί η θερμοκρασία, ονομάζεται "καυτή". Η δεύτερη επαφή, με άλλα λόγια - "κρύο", - προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η χρήση θερμοστοιχείων για μέτρηση επιτρέπεται μόνο όταν η θερμοκρασία του αέρα στο δωμάτιο είναι χαμηλότερη από ό,τι στον τόπο μέτρησης.
Αυτό είναι ένα σύντομο διάγραμμα της λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου, η αρχή της λειτουργίας. Οι τύποι των θερμοστοιχείων θα συζητηθούν στην επόμενη ενότητα.
Τύποι θερμοζευγών
Σε κάθε κλάδο όπου χρειάζονται μετρήσεις θερμοκρασίας, το θερμοστοιχείο είναι η κύρια εφαρμογή. Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας των διαφόρων τύπων αυτής της μονάδας δίνονται παρακάτω.
Θερμοζεύγη Chromel-αλουμινίου
Αυτά τα κυκλώματα θερμοστοιχείων χρησιμοποιούνται στις περισσότερες περιπτώσεις για την παραγωγή διαφόρων αισθητήρων και ανιχνευτών που σας επιτρέπουν να ελέγχετε τη θερμοκρασία στη βιομηχανική παραγωγή.
Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους περιλαμβάνουν μια αρκετά χαμηλή τιμή και ένα τεράστιο εύρος μετρούμενων θερμοκρασιών. Σας επιτρέπουν να ρυθμίσετε τη θερμοκρασία από -200 έως +13000 βαθμούς Κελσίου.
Δεν συνιστάται η χρήση θερμοζευγών με παρόμοια κράματα σε καταστήματα και εγκαταστάσεις με υψηλή περιεκτικότητα σε θείο στον αέρα, καθώς αυτό το χημικό στοιχείο επηρεάζει αρνητικά τόσο το χρώμιο όσο και το αλουμίνιο, προκαλώντας δυσλειτουργίες στη συσκευή.
Θερμοζεύγη Chromel-Kopel
Η αρχή λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου, η ομάδα επαφής του οποίου αποτελείται από αυτά τα κράματα, είναι η ίδια. Αλλά αυτές οι συσκευές λειτουργούν κυρίως σε υγρό ή αέριο μέσο, το οποίο έχει ουδέτερες, μη επιθετικές ιδιότητες. Ο ανώτερος δείκτης θερμοκρασίας δεν υπερβαίνει τους +8000 βαθμούς Κελσίου.
Χρησιμοποιείται ένα παρόμοιο θερμοστοιχείο, η αρχή του οποίου επιτρέπει τη χρήση του για τον προσδιορισμό του βαθμού θέρμανσης οποιωνδήποτε επιφανειών, για παράδειγμα, για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας κλιβάνων ανοιχτής εστίας ή άλλων παρόμοιων κατασκευών.
θερμοζεύγη σιδήρου-σταθερής
Αυτός ο συνδυασμός επαφών σε ένα θερμοστοιχείο δεν είναι τόσο συνηθισμένος όσο η πρώτη από τις υπό εξέταση ποικιλίες. Η αρχή λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου είναι η ίδια, αλλά αυτός ο συνδυασμός έχει αποδειχθεί καλά σε μια σπάνια ατμόσφαιρα. Το μέγιστο επίπεδο της μετρούμενης θερμοκρασίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τους +12500 βαθμούς Κελσίου.
Ωστόσο, εάν η θερμοκρασία αρχίσει να ανεβαίνει πάνω από τους +7000 βαθμούς, υπάρχει κίνδυνος παραβιάσεων της ακρίβειας των μετρήσεων λόγω αλλαγών στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του σιδήρου. Υπάρχουν ακόμη και περιπτώσεις διάβρωσης της σιδερένιας επαφής του θερμοστοιχείου παρουσία υδρατμών στον αέρα του περιβάλλοντος.
θερμοζεύγη Platinorhodium-Platinum
Το πιο ακριβό θερμοστοιχείο για κατασκευή. Η αρχή λειτουργίας είναι η ίδια, αλλά διαφέρει από τους ομολόγους του σε πολύ σταθερές και αξιόπιστες μετρήσεις θερμοκρασίας. Έχει μειωμένη ευαισθησία.
Η κύρια εφαρμογή αυτών των συσκευών είναι η μέτρηση υψηλών θερμοκρασιών.
Θερμοζεύγη βολφραμίου-ρηνίου
Χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών. Το μέγιστο όριο που μπορεί να καθοριστεί χρησιμοποιώντας αυτό το σχήμα φτάνει τους 25 χιλιάδες βαθμούς Κελσίου.
Η εφαρμογή τους απαιτεί συμμόρφωση με ορισμένες προϋποθέσεις. Έτσι, κατά τη διαδικασία μέτρησης της θερμοκρασίας, είναι απαραίτητο να εξαλειφθεί πλήρως η περιβάλλουσα ατμόσφαιρα, η οποία έχει αρνητική επίδραση στις επαφές ως αποτέλεσμα της διαδικασίας οξείδωσης.
Για αυτό, τα θερμοστοιχεία βολφραμίου-ρηνίου συνήθως τοποθετούνται σε προστατευτικά περιβλήματα γεμάτα με αδρανές αέριο για την προστασία των στοιχείων τους.
Παραπάνω, εξετάστηκαν κάθε υπάρχον θερμοστοιχείο, συσκευή, η αρχή λειτουργίας του, ανάλογα με τα κράματα που χρησιμοποιούνται. Τώρα εξετάστε ορισμένα χαρακτηριστικά σχεδίασης.
Σχέδια θερμοστοιχείων
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι σχεδίων θερμοστοιχείων.
- Με μονωτική στρώση. Αυτός ο σχεδιασμός του θερμοστοιχείου προβλέπει την απομόνωση του στρώματος εργασίας της συσκευής από το ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η διάταξη επιτρέπει στο θερμοστοιχείο να χρησιμοποιείται στη διαδικασία χωρίς να απομονώνεται η είσοδος από τη γείωση.
- Χωρίς τη χρήση μονωτικής στρώσης. Τέτοια θερμοστοιχεία μπορούν να συνδεθούν μόνο σε κυκλώματα μέτρησης των οποίων οι είσοδοι δεν έχουν επαφή με το έδαφος. Εάν δεν πληρούται αυτή η προϋπόθεση, η συσκευή θα αναπτύξει δύο ανεξάρτητα κλειστά κυκλώματα, με αποτέλεσμα μη έγκυρες ενδείξεις θερμοστοιχείου.
Ταξιδευτικό θερμοστοιχείο και η εφαρμογή του
Υπάρχει ξεχωριστόένα είδος αυτής της συσκευής, που ονομάζεται "τρέξιμο". Θα εξετάσουμε τώρα την αρχή λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου που λειτουργεί.
Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιείται κυρίως για την ανίχνευση της θερμοκρασίας ενός χαλύβδινου μπιγιέτα κατά την επεξεργασία του σε τόρνευση, φρεζάρισμα και άλλες παρόμοιες μηχανές.
Πρέπει να σημειωθεί ότι σε αυτήν την περίπτωση είναι επίσης δυνατή η χρήση συμβατικού θερμοστοιχείου, ωστόσο, εάν η διαδικασία κατασκευής απαιτεί ακρίβεια υψηλής θερμοκρασίας, είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί το θερμοστοιχείο που λειτουργεί.
Κατά την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, τα στοιχεία επαφής της συγκολλούνται εκ των προτέρων στο τεμάχιο εργασίας. Στη συνέχεια, κατά την επεξεργασία του τυφλού, αυτές οι επαφές εκτίθενται συνεχώς στη δράση ενός κόφτη ή άλλου εργαλείου εργασίας της μηχανής, με αποτέλεσμα η διασταύρωση (που είναι το κύριο στοιχείο κατά τη λήψη μετρήσεων θερμοκρασίας) φαίνεται να «τρέχει κατά μήκος των επαφών.
Αυτό το εφέ χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία μεταλλουργίας.
Τεχνολογικά χαρακτηριστικά των σχεδίων θερμοστοιχείων
Κατά την κατασκευή ενός κυκλώματος θερμοστοιχείου εργασίας, συγκολλούνται δύο μεταλλικές επαφές, οι οποίες, όπως γνωρίζετε, είναι κατασκευασμένες από διαφορετικά υλικά. Η διασταύρωση ονομάζεται διασταύρωση.
Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν είναι απαραίτητο να κάνετε αυτή τη σύνδεση με συγκόλληση. Απλώς στρίψτε δύο επαφές μεταξύ τους. Αλλά μια τέτοια μέθοδος παραγωγής δεν θα έχει επαρκές επίπεδο αξιοπιστίας και μπορεί επίσης να δώσει σφάλματα κατά τη μέτρηση των μετρήσεων θερμοκρασίας.
Εάν πρέπει να μετρήσετε το υψηλόθερμοκρασίες, η συγκόλληση των μετάλλων αντικαθίσταται από τη συγκόλληση τους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στις περισσότερες περιπτώσεις η συγκόλληση που χρησιμοποιείται στη σύνδεση έχει χαμηλό σημείο τήξης και χαλάει όταν ξεπεραστεί.
Τα κυκλώματα που έχουν συγκολληθεί μπορούν να αντέξουν ένα ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών. Αλλά αυτή η μέθοδος σύνδεσης έχει επίσης τα μειονεκτήματά της. Η εσωτερική δομή του μετάλλου όταν εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία συγκόλλησης μπορεί να αλλάξει, γεγονός που θα επηρεάσει την ποιότητα των δεδομένων που λαμβάνονται.
Επιπλέον, η κατάσταση των επαφών του θερμοστοιχείου θα πρέπει να παρακολουθείται κατά τη λειτουργία του. Έτσι, είναι δυνατό να αλλάξουν τα χαρακτηριστικά των μετάλλων στο κύκλωμα λόγω της επίδρασης ενός επιθετικού περιβάλλοντος. Μπορεί να συμβεί οξείδωση ή διάχυση υλικών. Σε μια τέτοια περίπτωση, το κύκλωμα λειτουργίας του θερμοστοιχείου θα πρέπει να αντικατασταθεί.
Τύποι συνδέσεων θερμοστοιχείων
Η σύγχρονη βιομηχανία παράγει πολλά σχέδια που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή θερμοζευγών:
- ανοιχτή διασταύρωση;
- με μονωμένη διασταύρωση;
- με γειωμένη διασταύρωση.
Ένα χαρακτηριστικό των θερμοζευγών ανοιχτής διασταύρωσης είναι η κακή αντίσταση στις εξωτερικές επιρροές.
Οι παρακάτω δύο τύποι σχεδίασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τη μέτρηση θερμοκρασιών σε επιθετικά περιβάλλοντα που έχουν καταστροφική επίδραση στο ζεύγος επαφών.
Επιπλέον, η βιομηχανία αυτή τη στιγμή εξοικειώνεται με σχέδια για την παραγωγή θερμοστοιχείων με χρήση τεχνολογιών ημιαγωγών.
Σφάλμα μέτρησης
Η ορθότητα των μετρήσεων θερμοκρασίας που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο εξαρτάται από το υλικό της ομάδας επαφής, καθώς και από εξωτερικούς παράγοντες. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν την πίεση, το υπόβαθρο ακτινοβολίας ή άλλους λόγους που μπορούν να επηρεάσουν τις φυσικοχημικές παραμέτρους των μετάλλων από τα οποία γίνονται οι επαφές.
Σφάλμα μέτρησης αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία:
- τυχαίο σφάλμα που προκαλείται από τη διαδικασία κατασκευής του θερμοστοιχείου;
- σφάλμα που προκαλείται από παραβίαση του καθεστώτος θερμοκρασίας της "κρύας" επαφής;
- σφάλμα που προκαλείται από εξωτερικές παρεμβολές;
- σφάλμα του εξοπλισμού ελέγχου.
Τα οφέλη από τη χρήση θερμοζευγών
Τα οφέλη από τη χρήση αυτών των συσκευών ελέγχου θερμοκρασίας, ανεξάρτητα από την εφαρμογή, περιλαμβάνουν:
- μεγάλο εύρος ενδείξεων που μπορούν να καταγραφούν χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο;
- Η διασταύρωση του θερμοστοιχείου, η οποία εμπλέκεται άμεσα στη λήψη μετρήσεων, μπορεί να τεθεί σε άμεση επαφή με το σημείο μέτρησης.
- Τα θερμοστοιχεία είναι εύκολα στην κατασκευή, ανθεκτικά και μεγάλης διάρκειας.
Μειονεκτήματα της μέτρησης θερμοκρασίας με θερμοστοιχείο
Τα μειονεκτήματα της χρήσης ενός θερμοστοιχείου περιλαμβάνουν:
- Η ανάγκη για συνεχή παρακολούθηση της θερμοκρασίας της «κρύας» επαφής του θερμοστοιχείου. Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικόχαρακτηριστικό σχεδιασμού οργάνων μέτρησης, τα οποία βασίζονται σε θερμοστοιχείο. Η αρχή λειτουργίας αυτού του συστήματος περιορίζει το πεδίο εφαρμογής του. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο εάν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία στο σημείο μέτρησης.
- Παραβίαση της εσωτερικής δομής των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή θερμοστοιχείων. Το γεγονός είναι ότι ως αποτέλεσμα της έκθεσης στο εξωτερικό περιβάλλον, οι επαφές χάνουν την ομοιομορφία τους, γεγονός που προκαλεί σφάλματα στους δείκτες θερμοκρασίας που λαμβάνονται.
- Κατά τη διαδικασία μέτρησης, η ομάδα επαφής του θερμοστοιχείου συνήθως εκτίθεται στην αρνητική επίδραση του περιβάλλοντος, η οποία προκαλεί διαταραχές στη διαδικασία. Αυτό απαιτεί και πάλι σφράγιση των επαφών, γεγονός που προκαλεί πρόσθετο κόστος συντήρησης για τέτοιους αισθητήρες.
- Υπάρχει κίνδυνος έκθεσης σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε ένα θερμοστοιχείο, ο σχεδιασμός του οποίου προβλέπει μια μακρά ομάδα επαφής. Αυτό μπορεί επίσης να επηρεάσει τα αποτελέσματα των μετρήσεων.
- Σε ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχει παραβίαση της γραμμικής σχέσης μεταξύ του ηλεκτρικού ρεύματος που εμφανίζεται στο θερμοστοιχείο και της θερμοκρασίας στο σημείο μέτρησης. Αυτή η κατάσταση απαιτεί βαθμονόμηση του εξοπλισμού ελέγχου.
Συμπέρασμα
Παρά τις ελλείψεις της, η μέθοδος μέτρησης θερμοκρασίας με χρήση θερμοστοιχείων, η οποία εφευρέθηκε και δοκιμάστηκε για πρώτη φορά τον 19ο αιώνα, βρήκε την ευρεία εφαρμογή της σε όλους τους κλάδους της σύγχρονης βιομηχανίας.
Επιπλέον, υπάρχουν εφαρμογές όπου η χρήση θερμοστοιχείωνείναι ο μόνος τρόπος λήψης δεδομένων θερμοκρασίας. Και αφού διαβάσατε αυτό το υλικό, έχετε κατανοήσει πλήρως τις βασικές αρχές της δουλειάς τους.
