Ir daudz dažādu ierīču un mehānismu, kas ļauj izmērīt temperatūru. Daļa no tiem tiek izmantoti sadzīvē, daļa - dažādiem fizikāliem pētījumiem, ražošanas procesos un citās nozarēs.
Viena no šādām ierīcēm ir termopāris. Šīs ierīces darbības principu un shēmu apskatīsim turpmākajās sadaļās.
Termopāra darbības fiziskā bāze
Termopāra darbības princips ir balstīts uz parastiem fizikāliem procesiem. Pirmo reizi šīs ierīces ietekmi pētīja vācu zinātnieks Tomass Zēbeks.
Folūcijas, uz kuras balstās termopāra darbības princips, būtība ir šāda. Slēgtā elektriskā ķēdē, kas sastāv no diviem dažāda veida vadītājiem, pakļaujot noteiktai apkārtējās vides temperatūrai, rodas elektrība.
Iegūtā elektriskā plūsma un apkārtējās vides temperatūra, kas iedarbojas uz vadītājiem, ir lineāras attiecības. Tas ir, jo augstāka temperatūra, jo lielāka ir termopāra radītā elektriskā strāva. Uztāds ir termopāra un pretestības termometra darbības princips.
Šajā gadījumā viens termopāra kontakts atrodas vietā, kur nepieciešams izmērīt temperatūru, to sauc par "karstu". Otrais kontakts, citiem vārdiem sakot - "auksts", - pretējā virzienā. Mērīšanai atļauts izmantot termopārus tikai tad, ja gaisa temperatūra telpā ir zemāka nekā mērīšanas vietā.
Šī ir īsa termopāra darbības shēma, darbības princips. Termopāru veidi tiks apspriesti nākamajā sadaļā.
Termopāru veidi
Katrā nozarē, kur nepieciešami temperatūras mērījumi, termopāris ir galvenais lietojums. Tālāk ir norādīta dažādu veidu šīs ierīces ierīce un darbības princips.
Hromela-alumīnija termopāri
Šīs termopāra shēmas vairumā gadījumu tiek izmantotas dažādu sensoru un zondu ražošanai, kas ļauj kontrolēt temperatūru rūpnieciskajā ražošanā.
To atšķirīgās iezīmes ir diezgan zemā cena un milzīgs izmērīto temperatūru diapazons. Tie ļauj fiksēt temperatūru no -200 līdz +13000 grādiem pēc Celsija.
Veikos un objektos ar augstu sēra saturu gaisā nav vēlams izmantot termopārus ar līdzīgiem sakausējumiem, jo šis ķīmiskais elements negatīvi ietekmē gan hromu, gan alumīniju, izraisot ierīces darbības traucējumus.
Chromel-Kopel termopāri
Termopāra, kura kontaktgrupa sastāv no šiem sakausējumiem, darbības princips ir vienāds. Bet šīs ierīces galvenokārt darbojas šķidrā vai gāzveida vidē, kam ir neitrālas, neagresīvas īpašības. Augšējā temperatūras indekss nepārsniedz +8000 grādus pēc Celsija.
Tiek izmantots līdzīgs termopāris, kura darbības princips ļauj ar to noteikt jebkuru virsmu sildīšanas pakāpi, piemēram, lai noteiktu martena krāšņu vai citu līdzīgu konstrukciju temperatūru.
Dzelzs konstantas termopāri
Šī termopāra kontaktu kombinācija nav tik izplatīta kā pirmā no aplūkotajām šķirnēm. Termopāra darbības princips ir vienāds, taču šī kombinācija ir labi parādījusies retinātā atmosfērā. Maksimālais izmērītās temperatūras līmenis nedrīkst pārsniegt +12500 grādus pēc Celsija.
Tomēr, ja temperatūra sāk paaugstināties virs +7000 grādiem, pastāv mērījumu precizitātes pārkāpumu draudi dzelzs fizikālo un ķīmisko īpašību izmaiņu dēļ. Pastāv pat termopāra dzelzs kontakta korozijas gadījumi ūdens tvaiku klātbūtnē apkārtējā gaisā.
Platinorodija-platīna termopāri
Visdārgākais ražotais termopāris. Darbības princips ir vienāds, taču tas atšķiras no saviem kolēģiem ar ļoti stabiliem un uzticamiem temperatūras rādījumiem. Ir samazināta jutība.
Šo ierīču galvenais pielietojums ir augstas temperatūras mērīšana.
Volframa-rēnija termopāri
Izmanto arī īpaši augstas temperatūras mērīšanai. Maksimālais ierobežojums, ko var noteikt, izmantojot šo shēmu, sasniedz 25 tūkstošus grādu pēc Celsija.
To piemērošanai ir jāatbilst noteiktiem nosacījumiem. Tādējādi temperatūras mērīšanas procesā ir nepieciešams pilnībā likvidēt apkārtējo atmosfēru, kas oksidācijas procesa rezultātā negatīvi ietekmē kontaktus.
Šim nolūkam volframa-rēnija termopāri parasti tiek ievietoti aizsargapvalkos, kas piepildīti ar inertu gāzi, lai aizsargātu to elementus.
Iepriekš tika apskatīts katrs esošais termopāris, ierīce, tā darbības princips atkarībā no izmantotajiem sakausējumiem. Tagad apsveriet dažas dizaina iezīmes.
Termopāru dizaini
Ir divi galvenie termopāra konstrukciju veidi.
- Ar izolācijas slāni. Šī termopāra konstrukcija nodrošina ierīces darba slāņa izolāciju no elektriskās strāvas. Šis izkārtojums ļauj procesā izmantot termopāri, neatdalot ievadi no zemes.
- Bez izolācijas slāņa izmantošanas. Šādus termopārus var savienot tikai ar mērīšanas ķēdēm, kuru ieejām nav kontakta ar zemi. Ja šis nosacījums nav izpildīts, ierīce attīstīs divas neatkarīgas slēgtas ķēdes, kā rezultātā termopāra rādījumi būs nederīgi.
Ceļojošais termopāris un tā pielietojums
Ir atsevišķssava veida šī ierīce, ko sauc par "skriešanu". Tagad mēs sīkāk apsvērsim strādājoša termopāra darbības principu.
Šo dizainu galvenokārt izmanto, lai noteiktu tērauda sagataves temperatūru tās apstrādes laikā virpošanas, frēzēšanas un citās līdzīgās iekārtās.
Jāpiebilst, ka šajā gadījumā ir iespējams izmantot arī parasto termopāri, tomēr, ja ražošanas procesā ir nepieciešama augsta temperatūras precizitāte, ir grūti pārvērtēt darba termopāri.
Pielietojot šo metodi, tās kontaktelementi ir iepriekš ielodēti apstrādājamā detaļā. Tad, apstrādājot sagatavi, šie kontakti tiek pastāvīgi pakļauti griezēja vai cita mašīnas darba instrumenta iedarbībai, kā rezultātā krustojums (kas ir galvenais elements, veicot temperatūras rādījumus), šķiet, darbojas” pa kontaktiem.
Šis efekts tiek plaši izmantots metālapstrādes nozarē.
Termopāra konstrukciju tehnoloģiskās iezīmes
Izgatavojot darba termopāra ķēdi, tiek pielodēti divi metāla kontakti, kuri, kā zināms, ir izgatavoti no dažādiem materiāliem. Savienojumu sauc par krustojumu.
Jāatzīmē, ka šis savienojums nav nepieciešams, izmantojot lodēšanu. Vienkārši savijiet divus kontaktus kopā. Taču šādai ražošanas metodei nebūs pietiekama uzticamības līmeņa, un tā var arī radīt kļūdas, veicot temperatūras rādījumus.
Ja nepieciešams izmērīt augstutemperatūrām metālu lodēšana tiek aizstāta ar to metināšanu. Tas ir saistīts ar faktu, ka vairumā gadījumu savienojumā izmantotajam lodmetālam ir zems kušanas punkts un tas sabojājas, kad tas tiek pārsniegts.
Shēmas, kas ir metinātas, var izturēt plašāku temperatūras diapazonu. Bet šai savienošanas metodei ir arī savi trūkumi. Metāla iekšējā struktūra, pakļaujot to augstām temperatūrām metināšanas procesā, var mainīties, kas ietekmēs iegūto datu kvalitāti.
Turklāt tā darbības laikā jāuzrauga termopāra kontaktu stāvoklis. Tātad ir iespējams mainīt metālu īpašības ķēdē agresīvas vides ietekmes dēļ. Var rasties materiālu oksidēšanās vai savstarpēja difūzija. Šādā situācijā termopāra darbības ķēde ir jānomaina.
Termopāru savienojumu veidi
Mūsdienu rūpniecība ražo vairākas konstrukcijas, kuras izmanto termopāru ražošanā:
- atvērts krustojums;
- ar izolētu krustojumu;
- ar iezemētu savienojumu.
Atvērta savienojuma termopāru iezīme ir slikta izturība pret ārējām ietekmēm.
Šādus divus dizaina veidus var izmantot, mērot temperatūru agresīvā vidē, kam ir postoša ietekme uz kontaktu pāri.
Turklāt nozare šobrīd apgūst shēmas termopāru ražošanai, izmantojot pusvadītāju tehnoloģijas.
Mērījumu kļūda
Ar termopāri iegūto temperatūras rādījumu pareizība ir atkarīga no kontaktgrupas materiāla, kā arī no ārējiem faktoriem. Pēdējie ietver spiedienu, radiācijas fonu vai citus iemeslus, kas var ietekmēt to metālu fizikāli ķīmiskos parametrus, no kuriem tiek izgatavoti kontakti.
Mērījumu kļūda sastāv no šādiem komponentiem:
- nejauša kļūda, ko izraisa termopāra ražošanas process;
- kļūda, ko izraisa "aukstā" kontakta temperatūras režīma pārkāpums;
- ārēju traucējumu izraisīta kļūda;
- vadības aprīkojuma kļūda.
Termopāru izmantošanas priekšrocības
Šo temperatūras kontroles ierīču izmantošanas priekšrocības neatkarīgi no pielietojuma ietver:
- liels indikatoru klāsts, ko var ierakstīt, izmantojot termopāri;
- Termopāra savienojumu, kas ir tieši iesaistīts rādījumu ņemšanā, var novietot tiešā saskarē ar mērīšanas punktu;
- Termopāri ir viegli izgatavojami, izturīgi un ilgstoši.
Trūkumi temperatūras mērīšanai ar termopāri
Termopāra izmantošanas trūkumi ietver:
- Nepieciešamība pastāvīgi uzraudzīt termopāra "aukstā" kontakta temperatūru. Šī ir atšķirīga iezīmeMērinstrumentu konstrukcijas iezīme, kuras pamatā ir termopāris. Šīs shēmas darbības princips sašaurina tās piemērošanas jomu. Tos var izmantot tikai tad, ja apkārtējā temperatūra ir zemāka par temperatūru mērīšanas punktā.
- Termopāru ražošanā izmantoto metālu iekšējās struktūras pārkāpums. Lieta tāda, ka ārējās vides iedarbības rezultātā kontakti zaudē viendabīgumu, kas rada kļūdas iegūtajos temperatūras rādītājos.
- Mērīšanas procesā termopāra kontaktgrupa parasti tiek pakļauta apkārtējās vides negatīvajai ietekmei, kas rada traucējumus procesā. Tas atkal prasa kontaktu blīvēšanu, kas rada papildu uzturēšanas izmaksas šādiem sensoriem.
- Pastāv elektromagnētisko viļņu iedarbības risks uz termopāra, kura konstrukcija paredz garu kontaktgrupu. Tas var ietekmēt arī mērījumu rezultātus.
- Dažos gadījumos ir lineārās attiecības pārkāpums starp elektrisko strāvu, kas rodas termopārā, un temperatūru mērījuma vietā. Šajā situācijā ir jākalibrē vadības aprīkojums.
Secinājums
Neskatoties uz trūkumiem, 19. gadsimtā pirmo reizi izgudrotā un pārbaudītā temperatūras mērīšanas metode, izmantojot termopārus, ir atradusi plašu pielietojumu visās mūsdienu rūpniecības nozarēs.
Turklāt ir lietojumprogrammas, kurās tiek izmantoti termopāriir vienīgais veids, kā iegūt temperatūras datus. Un pēc šī materiāla izlasīšanas jūs diezgan pilnībā sapratāt viņu darba pamatprincipus.
