A hőelem a tudomány és a technológia minden ágában hőmérsékletmérésre szolgáló eszköz. Ez a cikk a hőelemek általános áttekintését mutatja be, az eszköz kialakításának és működési elvének elemzésével. Leírják a hőelemek fajtáit rövid jellemzőikkel, valamint a hőelem, mint mérőműszer értékelését is.
Tartalom
Hőelemes készülék
A hőelem működési elve. Seebeck hatás
A hőelem működése a termoelektromos hatásnak köszönhető, amelyet Tomas Seebeck német fizikus fedezett fel 1821-ben.
A jelenség azon alapul, hogy egy zárt elektromos áramkörben elektromosság lép fel bizonyos környezeti hőmérséklet hatására. Elektromos áram akkor keletkezik, ha két különböző összetételű (különböző fémek vagy ötvözetek) vezető (termoelektródák) között hőmérséklet-különbség van, és érintkezésük (csomópontjaik) helyének megtartásával tartják fenn. A készülék megjeleníti a mért hőmérséklet értékét a csatlakoztatott másodlagos készülék képernyőjén.
A kimeneti feszültség és a hőmérséklet lineárisan összefügg. Ez azt jelenti, hogy a mért hőmérséklet növekedése magasabb millivolt értéket eredményez a hőelem szabad végein.
A hőmérsékletmérés pontján található csomópontot „forrónak”, a vezetékek konverterhez való csatlakoztatásának helyét pedig „hidegnek” nevezzük.
Hideg csatlakozási hőmérséklet kompenzáció (CJC)
A Cold Junction Compensation (CJC) a teljes leolvasás korrekciójaként alkalmazott kompenzáció, amikor a hőmérsékletet azon a ponton mérik, ahol a hőelem vezetékei csatlakoznak. Ennek oka a hideg végek tényleges hőmérséklete és a kalibrációs táblázat számított értékek közötti eltérés a hideg csomópont hőmérsékletére 0 °C-on.
A CCS egy differenciális módszer, amelyben az abszolút hőmérsékleti értékeket egy ismert hideg csomóponti hőmérsékletről (más néven referencia csomópontról) találják.
Hőelemes kivitel
A hőelem tervezésekor figyelembe veszik az olyan tényezők hatását, mint a külső környezet "agresszivitása", az anyag aggregációjának állapota, a mért hőmérsékleti tartomány és mások.
A hőelem tervezési jellemzői:
1) A vezetékek csomópontjait csavarással vagy csavarással kötik össze további elektromos ívhegesztéssel (ritkán forrasztással).
FONTOS: A csavarási módszer alkalmazása nem javasolt a csatlakozási tulajdonságok gyors elvesztése miatt.
2) A termoelektródákat teljes hosszukban elektromosan le kell választani, kivéve az érintkezési pontot.
3) A szigetelési módszert a felső hőmérsékleti határ figyelembevételével választjuk ki.
- 100-120 ° C-ig - bármilyen szigetelés;
- 1300°C-ig - porcelán csövek vagy gyöngyök;
- 1950°C-ig - Al csövek2O3;
- 2000°С felett - MgO, BeO, ThO csövek2, ZrO2.
4) Védőburkolat.
Az anyagnak hő- és vegyszerállónak, jó hővezető képességgel kell rendelkeznie (fém, kerámia). A csomagtartó használata bizonyos környezetekben megakadályozza a korróziót.
Hosszabbító (kompenzációs) vezetékek
Ez a fajta huzal szükséges ahhoz, hogy a hőelem végeit a másodlagos műszerhez vagy akadályhoz meghosszabbítsák. A vezetékek nem használhatók, ha a hőelem beépített átalakítóval rendelkezik egységes kimeneti jellel. A legszélesebb körben használt normalizáló konverter, amely az érzékelő szabványos csatlakozófejében található, egységes jellel 4-20 mA, az úgynevezett "táblagép".
A vezetékek anyaga egybeeshet a termoelektródák anyagával, de leggyakrabban olcsóbbra cserélik, figyelembe véve azokat a körülményeket, amelyek megakadályozzák a parazita (indukált) termo-emf-ek kialakulását. A hosszabbító vezetékek használata lehetővé teszi a termelés optimalizálását is.
Life hack! A kompenzáló vezetékek polaritásának helyes meghatározásához és a hőelemhez való csatlakoztatásához ne feledje az MM mnemonikus szabályt - a mínusz mágnesezett. Vagyis bármilyen mágnest veszünk, és a kompenzáció mínusza mágnesezett lesz, ellentétben a pluszval.
A hőelemek típusai és típusai
A hőelemek sokféleségét a felhasznált fémötvözetek különféle kombinációi magyarázzák. A hőelem kiválasztása az iparágtól és a kívánt hőmérséklet-tartománytól függően történik.
Króm-alumel hőelem (TXA)
Pozitív elektróda: krómötvözet (90% Ni, 10% Cr).
Negatív elektróda: alumel ötvözet (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Szigetelőanyag: porcelán, kvarc, fémoxidok stb.
Hőmérséklet tartomány -200°С és 1300°С között rövid távon és 1100°С hosszú távon.
Munkakörnyezet: inert, oxidáló (O2=2-3% vagy teljesen kizárt), száraz hidrogén, rövid távú vákuum. Redukáló vagy redox atmoszférában védőburkolat jelenlétében.
Hátrányok: könnyű deformálódás, a termo-EMF visszafordítható instabilitása.
Előfordulhat az alumel korróziója és ridegsége, ha a légkörben kén, a króm pedig gyengén oxidáló atmoszférában („zöld agyag”) van jelen.
Króm-kopel hőelem (TKhK)
Pozitív elektróda: krómötvözet (90% Ni, 10% Cr).
Negatív elektróda: Kopel ötvözet (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Hőmérséklet-tartomány -253°С-tól 800°С-ig hosszú távon és 1100°С-ig rövid ideig tartó fűtés.
Munkakörnyezet: inert és oxidáló, rövid távú vákuum.
Hátrányok: termoelektróda deformáció.
A króm elpárologtatásának lehetősége hosszan tartó vákuumban; reakció ként, krómot, fluort tartalmazó atmoszférával.
Hőelem vas-konstantán (TGK)
Pozitív elektróda: kereskedelemben kapható tiszta vas (enyhe acél).
Negatív elektróda: konstans ötvözet (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Redukáló, inert közegben és vákuumban végzett mérésekhez használható. Hőmérséklet -203°С-tól 750°С-ig hosszú távon és 1100°С rövid ideig tartó fűtés.
Alkalmazása pozitív és negatív hőmérséklet együttes mérésére fejlődik ki. Kizárólag negatív hőmérséklet esetén nem jövedelmező használni.
Hátrányok: termoelektróda deformáció, alacsony korrózióállóság.
A vas fizikai-kémiai tulajdonságainak változása körülbelül 700 °C és 900 °C hőmérsékleten. Kénnel és vízgőzzel reagál, korróziót képezve.
Volfrám-rénium hőelem (TVR)
Pozitív elektróda: ötvözetek BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 szilícium-dioxid és alumínium adalékkal) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Negatív elektróda: BP20 ötvözetek (80% W, 20% Rh).
Szigetelés: vegytiszta fémoxid kerámia.
Megfigyelhető a mechanikai szilárdság, a hőállóság, az alacsony szennyeződésérzékenység és a könnyű gyártás.
Hőmérséklet mérése 1800°С és 3000°С között, alsó határa 1300°С. A méréseket inert gáz, száraz hidrogén vagy vákuum környezetben végezzük. Oxidáló környezetben csak gyors folyamatok mérésére.
Hátrányok: a termo-EMF rossz reprodukálhatósága, instabilitása besugárzás során, instabil érzékenység a hőmérséklet-tartományban.
Volfrám-molibdén hőelem (VM)
Pozitív elektróda: volfrám (kereskedelmi tisztaságú).
Negatív elektróda: molibdén (kereskedelmi tisztaságú).
Szigetelés: alumínium-oxid kerámia, kvarc hegyekkel védett.
Inert, hidrogén vagy vákuum környezet. Lehetőség van rövid távú mérések elvégzésére oxidáló környezetben, szigetelés jelenlétében.A mért hőmérséklet tartomány 1400-1800°C, a maximális üzemi hőmérséklet kb. 2400°C.
Hátrányok: a termikus EMF rossz reprodukálhatósága és érzékenysége, polaritás felcserélése, ridegség magas hőmérsékleten.
Platina-ródium-platina hőelemek (TPP)
Pozitív elektróda: platina-ródium (Pt c 10% vagy 13% Rh).
Negatív elektróda: platina.
Szigetelés: kvarc, porcelán (sima és tűzálló). 1400°C-ig - magas Al-tartalmú kerámiák2O3, 1400°C felett - kerámia vegytiszta Al2O3.
Maximális üzemi hőmérséklet 1400°C hosszú távon, 1600°C rövid távon. Az alacsony hőmérséklet mérését általában nem végzik el.
Munkakörnyezet: oxidáló és inert, védelem jelenlétében redukálódik.
Hátrányok: magas költség, instabilitás a besugárzás során, nagy érzékenység a szennyeződésekre (különösen a platinaelektróda), fémszemcsék növekedése magas hőmérsékleten.
Hőelemek platina-ródium-platina-ródium (TPR)
Pozitív elektróda: Pt ötvözet 30% Rh-val.
Negatív elektróda: Pt ötvözet 6% Rh-val.
Közeg: oxidáló, semleges és vákuum. Fémek vagy nem fémek gőzeinek redukálására és visszatartására használható védelem jelenlétében.
Maximális üzemi hőmérséklet 1600°C hosszú távon, 1800°C rövid távon.
Szigetelés: Al kerámia2O3 Nagy tisztaságú.
Kevésbé érzékeny a kémiai szennyeződésekre és a szemek növekedésére, mint a platina-ródium-platina hőelem.
Hőelem kapcsolási rajza
- Potenciométer vagy galvanométer csatlakoztatása közvetlenül a vezetékekhez.
- Csatlakozás kompenzáló vezetékekkel;
- Csatlakozás hagyományos rézhuzalokkal egységes kimenetű hőelemhez.
Hőelem-vezető színszabványok
A vezetékek színes szigetelése segít megkülönböztetni a termoelektródákat egymástól a terminálokhoz való megfelelő csatlakoztatás érdekében. A szabványok országonként eltérőek, a vezetékekre nincs külön színkód.
FONTOS: A hibák megelőzése érdekében ismerni kell a vállalkozásban alkalmazott szabványt.
Mérési pontosság
A pontosság a hőelem típusától, a hőmérséklet-tartománytól, az anyag tisztaságától, az elektromos zajtól, a korróziótól, a csatlakozási tulajdonságoktól és a gyártási folyamattól függ.
A hőelemekhez egy toleranciaosztály (standard vagy speciális) van hozzárendelve, amely meghatározza a mérési konfidencia intervallumot.
FONTOS: A gyártáskori jellemzők működés közben változnak.
Mérési sebesség
A sebességet az határozza meg, hogy az elsődleges konverter képes-e gyorsan reagálni a hőmérséklet-ugrásokra és az azokat követő mérőeszköz bemeneti jeleinek áramlására.
A teljesítményt növelő tényezők:
- Az elsődleges konverter helyes telepítése és hosszának kiszámítása;
- Védőhüvellyel ellátott jelátalakító használatakor csökkenteni kell az egység tömegét a hüvelyek kisebb átmérőjének kiválasztásával;
- Az elsődleges konverter és a védőhüvely közötti légrés minimalizálása;
- Rugós primer konverter alkalmazása és a hüvelyben lévő üregek feltöltése hővezető töltőanyaggal;
- Gyorsan mozgó vagy sűrűbb közeg (folyadék).
A hőelem teljesítményének ellenőrzése
A teljesítmény ellenőrzéséhez csatlakoztasson egy speciális mérőeszközt (tesztert, galvanométert vagy potenciométert), vagy mérje meg a kimeneti feszültséget millivoltméterrel. Ha a nyíl vagy a digitális jelző ingadoz, a hőelem üzemképes, ellenkező esetben a készüléket ki kell cserélni.
A hőelem meghibásodásának okai:
- Védőárnyékoló eszköz használatának elmulasztása;
- Az elektródák kémiai összetételének megváltozása;
- Magas hőmérsékleten kialakuló oxidatív folyamatok;
- A vezérlő és mérőeszköz meghibásodása stb.
A hőelemek használatának előnyei és hátrányai
Az eszköz használatának előnyei a következők:
- Nagy hőmérséklet mérési tartomány;
- Nagy pontosság;
- Egyszerűség és megbízhatóság.
A hátrányok közé tartozik:
- A hideg csomópont folyamatos ellenőrzésének megvalósítása, a vezérlőberendezések ellenőrzése, kalibrálása;
- A fémek szerkezeti változásai az eszköz gyártása során;
- A légkör összetételétől való függés, a tömítés költsége;
- Mérési hiba elektromágneses hullámok miatt.
