Sok különböző eszköz és mechanizmus létezik, amelyek lehetővé teszik a hőmérséklet mérését. Némelyiket a mindennapi életben, másokat különféle fizikai kutatásokhoz, termelési folyamatokhoz és más iparágakban használják.
Az egyik ilyen eszköz a hőelem. Ennek az eszköznek a működési elvét és felépítését a következő szakaszokban tárgyaljuk.
A hőelem működésének fizikai alapja
A hőelem működési elve közönséges fizikai folyamatokon alapul. Első alkalommal Thomas Seebeck német tudós tanulmányozta ennek az eszköznek a hatását.
A jelenség lényege, amelyen a hőelem működési elve nyugszik, a következő. Egy zárt elektromos áramkörben, amely két különböző típusú vezetőből áll, ha bizonyos környezeti hőmérsékletnek vannak kitéve, elektromosság keletkezik.
A keletkező elektromos áramlás és a vezetékekre ható környezeti hőmérséklet lineáris összefüggésben van. Vagyis minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a hőelem által termelt elektromos áram. Aez a hőelem és az ellenálláshőmérő működési elve.
Ebben az esetben egy hőelem érintkező azon a ponton található, ahol a hőmérsékletet mérni kell, ezt "forrónak" nevezik. A második érintkezés, más szóval - "hideg", - az ellenkező irányba. Hőelemek használata a méréshez csak akkor megengedett, ha a helyiség levegő hőmérséklete alacsonyabb, mint a mérés helyén.
Ez egy rövid ábra a hőelem működéséről, a működési elvről. A hőelemek típusairól a következő részben lesz szó.
Hőelemek típusai
Minden iparágban, ahol hőmérsékletmérésre van szükség, a hőelem a fő alkalmazás. Az alábbiakban bemutatjuk az egység különféle típusainak eszközét és működési elvét.
Chromel-alumínium hőelemek
Ezeket a hőelemes áramköröket a legtöbb esetben különféle érzékelők és szondák gyártására használják, amelyek lehetővé teszik a hőmérséklet szabályozását az ipari termelésben.
Megkülönböztető jellemzőik a meglehetősen alacsony ár és a mért hőmérsékletek széles választéka. Lehetővé teszik a hőmérséklet rögzítését -200 és +13000 Celsius fok között.
Nem tanácsos hasonló ötvözetű hőelemeket használni olyan üzletekben és létesítményekben, ahol magas a levegő kéntartalma, mivel ez a kémiai elem negatívan hat a krómra és az alumíniumra is, ami meghibásodást okoz a készülékben.
Chromel-Kopel hőelemek
A hőelem működési elve, amelynek érintkezőcsoportja ezekből az ötvözetekből áll, ugyanaz. De ezek az eszközök főleg folyékony vagy gáznemű közegben működnek, amelyek semleges, nem agresszív tulajdonságokkal rendelkeznek. A felső hőmérsékleti index nem haladja meg a +8000 Celsius fokot.
Hasonló hőelemet használnak, amelynek elve lehetővé teszi bármely felület melegítési fokának meghatározását, például nyitott kandallós kemencék vagy más hasonló szerkezetek hőmérsékletének meghatározását.
Vas-állandó hőelemek
Az érintkezőknek ez a kombinációja a hőelemben nem olyan elterjedt, mint a vizsgált változatok közül az első. A hőelem működési elve ugyanaz, de ez a kombináció jól mutatkozott a ritka légkörben. A mért hőmérséklet maximális szintje nem haladhatja meg a +12500 Celsius fokot.
Ha azonban a hőmérséklet +7000 fok fölé kezd emelkedni, fennáll a veszélye a mérési pontosság megsértésének a vas fizikai és kémiai tulajdonságainak megváltozása miatt. Még a környezeti levegőben lévő vízgőz jelenlétében is előfordulhatnak korróziós esetek a hőelem vas érintkezésében.
Platinorhodium-platina hőelemek
A gyártás legdrágább hőeleme. A működési elv ugyanaz, de nagyon stabil és megbízható hőmérsékleti értékekben különbözik társaitól. Csökkentett érzékenységgel rendelkezik.
Az eszközök fő alkalmazása a magas hőmérséklet mérése.
Volfram-rénium hőelemek
Ultramagas hőmérséklet mérésére is. Az ezzel a sémával rögzíthető maximális határ eléri a 25 ezer Celsius-fokot.
Alkalmazásukhoz bizonyos feltételek betartása szükséges. Így a hőmérsékletmérés során teljesen meg kell szüntetni a környező atmoszférát, ami az oxidációs folyamat következtében negatívan hat az érintkezőkre.
Ehhez a wolfram-rénium hőelemeket általában inert gázzal töltött védőburkolatokba helyezik, hogy megvédjék az elemeket.
Fent minden létező hőelemet, készüléket, azok működési elvét vettük figyelembe, a felhasznált ötvözetektől függően. Most vegye figyelembe néhány tervezési jellemzőt.
Hőelemes kivitelek
Két fő típusa van a hőelemnek.
- Szigetelő réteggel. A hőelem ilyen kialakítása biztosítja az eszköz munkarétegének az elektromos áramtól való elszigetelését. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy a hőelemet a folyamatban a bemenet földtől való leválasztása nélkül használják.
- Szigetelőréteg használata nélkül. Az ilyen hőelemek csak olyan mérőáramkörökhöz csatlakoztathatók, amelyek bemenetei nem érintkeznek a földeléssel. Ha ez a feltétel nem teljesül, a készülék két független zárt áramkört fejleszt ki, ami érvénytelen hőelem-leolvasást eredményez.
Utazó hőelem és alkalmazása
Van egy különegyfajta eszköz, az úgynevezett "futás". Most részletesebben megvizsgáljuk a működő hőelem működési elvét.
Ezt a kialakítást főként az acéltuskó hőmérsékletének kimutatására használják eszterga-, maró- és más hasonló gépeken történő feldolgozás során.
Megjegyzendő, hogy ebben az esetben is lehetséges hagyományos hőelem használata, azonban ha a gyártási folyamat nagy hőmérsékleti pontosságot igényel, akkor nehéz túlbecsülni a működő hőelemet.
Ennek a módszernek az alkalmazásakor az érintkezőelemeit előre beforrasztják a munkadarabba. Ezután a nyersdarab feldolgozása során ezek az érintkezők folyamatosan ki vannak téve egy vágó vagy a gép más munkaeszközének hatásának, aminek következtében a csomópont (amely a hőmérséklet mérésénél a fő elem) „futni” tűnik.” a névjegyek mentén.
Ezt a hatást széles körben használják a fémmegmunkáló iparban.
A hőelem-konstrukciók technológiai jellemzői
A működő hőelem áramkör gyártása során két fém érintkezőt forrasztanak, amelyek, mint tudod, különböző anyagokból készülnek. A csomópontot csomópontnak nevezik.
Megjegyzendő, hogy ezt a csatlakozást nem szükséges forrasztással létrehozni. Egyszerűen csavarja össze két érintkezőt. De egy ilyen gyártási módszer nem lesz kellően megbízható, és a hőmérséklet leolvasásakor hibákat is okozhat.
Ha magasra kell mérnedhőmérsékleten a fémek forrasztását azok hegesztése váltja fel. Ennek az az oka, hogy a legtöbb esetben a csatlakozáshoz használt forrasztóanyag alacsony olvadáspontú, és ennek túllépése esetén elromlik.
A hegesztett áramkörök szélesebb hőmérsékleti tartománynak is ellenállnak. De ennek a csatlakozási módnak megvannak a maga hátrányai is. A hegesztési folyamat során magas hőmérsékletnek kitett fém belső szerkezete megváltozhat, ami befolyásolja a kapott adatok minőségét.
Ezen kívül a hőelem érintkezőinek állapotát is figyelemmel kell kísérni működése során. Tehát az agresszív környezet hatása miatt az áramkörben lévő fémek jellemzői megváltoztathatók. Előfordulhat az anyagok oxidációja vagy interdiffúziója. Ilyen helyzetben ki kell cserélni a hőelem működési áramkörét.
A hőelemes csatlakozások típusai
A modern ipar számos olyan mintát gyárt, amelyeket a hőelemek gyártása során használnak:
- nyílt csomópont;
- szigetelt csomóponttal;
- földelt csomóponttal.
A nyitott csatlakozású hőelemek egyik jellemzője a külső hatásokkal szembeni gyenge ellenállás.
A következő kétféle kialakítás használható agresszív környezetben mérhető hőmérsékletek mérésekor, amelyek pusztító hatással vannak az érintkezőpárra.
Ezen túlmenően az ipar jelenleg a hőelemek félvezető technológiával történő gyártásának sémáját dolgozza fel.
Mérési hiba
A hőelem segítségével kapott hőmérsékleti értékek helyessége az érintkezőcsoport anyagától, valamint külső tényezőktől függ. Ez utóbbiak közé tartozik a nyomás, a sugárzási háttér vagy más okok, amelyek befolyásolhatják azon fémek fizikai-kémiai paramétereit, amelyekből az érintkezők készülnek.
A mérési hiba a következő összetevőkből áll:
- véletlen hiba, amelyet a hőelem gyártási folyamata okozott;
- hiba, amelyet a "hideg" érintkező hőmérsékleti beállításának megsértése okoz;
- külső interferencia okozta hiba;
- vezérlő berendezés hibája.
A hőelemek használatának előnyei
Ezen hőmérséklet-szabályozó eszközök használatának előnyei az alkalmazástól függetlenül a következők:
- mutatók széles választéka, amelyek hőelem segítségével rögzíthetők;
- A hőelem csatlakozása, amely közvetlenül részt vesz a leolvasásban, közvetlenül érintkezésbe hozható a mérési ponttal;
- A hőelemek könnyen gyárthatók, tartósak és hosszú élettartamúak.
A hőelemes hőmérsékletmérés hátrányai
A hőelem használatának hátrányai a következők:
- A hőelem "hideg" érintkezőjének hőmérsékletének állandó ellenőrzésének szükségessége. Ez egy jellegzeteshőelemen alapuló mérőműszerek tervezési jellemzői. Ennek a sémának a működési elve szűkíti alkalmazási körét. Csak akkor használhatók, ha a környezeti hőmérséklet alacsonyabb, mint a mérési pont hőmérséklete.
- A hőelemek gyártásához használt fémek belső szerkezetének megsértése. A helyzet az, hogy a külső környezetnek való kitettség következtében az érintkezők elvesztik egységességüket, ami hibákat okoz a kapott hőmérsékleti mutatókban.
- A mérési folyamat során a hőelem érintkező csoport általában ki van téve a környezet negatív hatásának, ami zavarokat okoz a folyamatban. Ez ismét megköveteli az érintkezők tömítését, ami további karbantartási költségeket okoz az ilyen érzékelők számára.
- Fennáll az elektromágneses hullámoknak való kitettség kockázata egy hőelemen, amelynek kialakítása hosszú érintkezési csoportot biztosít. Ez a mérési eredményeket is befolyásolhatja.
- Egyes esetekben a hőelemben fellépő elektromos áram és a mérési hely hőmérséklete közötti lineáris kapcsolat megsértése tapasztalható. Ez a helyzet a vezérlőberendezés kalibrálását igényli.
Következtetés
Hiányosságai ellenére a hőelemekkel történő hőmérsékletmérés, amelyet először a 19. században találtak ki és teszteltek, a modern ipar minden ágában széles körben alkalmazták.
Ezen kívül vannak olyan alkalmazások, ahol hőelemeket használnakez az egyetlen módja a hőmérsékleti adatok lekérésének. És miután elolvasta ezt az anyagot, teljesen megértette munkájuk alapelveit.
