Principio di funzionamento della termocoppia: descrizione, dispositivo, circuito

Il principio di funzionamento e le termocoppie del dispositivo sono estremamente semplici. Ciò ha portato alla popolarità di questo dispositivo e ad un'ampia applicazione in tutti i settori della scienza e della tecnologia. La termocoppia è progettata per misurare le temperature in un ampio intervallo - da -270 a 2500 gradi Celsius. Il dispositivo è stato un assistente indispensabile di ingegneri e scienziati per decenni. Funziona in modo affidabile e affidabile e le letture della temperatura sono sempre vere. Uno strumento più sofisticato e preciso semplicemente non esiste. Tutti i dispositivi moderni operano secondo il principio delle termocoppie. Lavorare in condizioni difficili

Scopo della termocoppia

Questo dispositivo converte l'energia termica in corrente elettrica e consente di misurare la temperatura. A differenza dei termometri a mercurio tradizionali, è in grado di lavorare in condizioni di temperature estremamente basse ed estremamente elevate. Questa caratteristica ha portato all'uso diffuso di termocoppie in un'ampia varietà di impianti: metallurgici industriali stufe a gas caldaie, camere a vuoto per trattamenti termici chimici, forno a gas per uso domestico. Il principio di funzionamento della termocoppia rimane invariato e non dipende dal dispositivo in cui è montato.

Il funzionamento del sistema di arresto di emergenza del dispositivo in caso di superamento dei limiti di temperatura consentiti dipende dal funzionamento affidabile e ininterrotto della termocoppia. Pertanto, questo dispositivo deve essere affidabile e fornire letture accurate in modo da non mettere a rischio la vita delle persone.

Principio di funzionamento della termocoppia

Una termocoppia ha tre elementi principali. Si tratta di due conduttori di elettricità di materiali diversi, oltre a un tubo protettivo. Le due estremità dei conduttori (detti anche termoelettrodi) sono saldate e le altre due sono collegate a un potenziometro (un dispositivo per misurare la temperatura).

In termini semplici, il principio di funzionamento di una termocoppia è che la giunzione dei termoelettrodi è posta sul mezzo, la cui temperatura deve essere misurata. In conformità con la regola Seebeck, si verifica una differenza di potenziale sui conduttori (altrimenti, termoelettricità). Maggiore è la temperatura del mezzo, maggiore è la differenza potenziale. Di conseguenza, l'ago dello strumento viene deviato di più.

Nei moderni complessi di misurazione, gli indicatori di temperatura digitali hanno sostituito il dispositivo meccanico. Tuttavia, è tutt'altro che sempre il nuovo dispositivo sorpassi i vecchi dispositivi dell'era sovietica nelle sue caratteristiche. Nelle università tecniche, e persino nelle istituzioni di ricerca, fino ad oggi usano potenziometri di 20-30 anni. E dimostrano incredibile precisione e stabilità di misura.

Effetto Seebeck

Il principio di funzionamento della termocoppia si basa su questo fenomeno fisico. La linea di fondo è questa: se si collegano due conduttori di materiali diversi (a volte vengono utilizzati semiconduttori), allora una corrente circolerà attraverso questo circuito elettrico.

Pertanto, se la giunzione dei conduttori viene riscaldata e raffreddata, allora l'ago del potenziometro oscilla. Un galvanometro collegato a un circuito può anche consentire di rilevare la corrente.

In tal caso, se i conduttori sono fatti dello stesso materiale, allora la forza elettromotrice non si verificherà, rispettivamente, sarà impossibile misurare la temperatura.

Schema di collegamento della termocoppia

I modi più comuni per connettersi strumenti di misura alle termocoppie sono il cosiddetto metodo semplice, oltre che differenziato. L'essenza del primo metodo è la seguente: il dispositivo (potenziometro o galvanometro) è collegato direttamente a due conduttori. a metodo differenziato non una ma due estremità dei conduttori sono saldate, mentre uno degli elettrodi è "rotto" dal dispositivo di misurazione.

Per non parlare del cosiddetto metodo remoto di collegamento di una termocoppia. Il principio di funzionamento rimane invariato. L'unica differenza è che i cavi di estensione vengono aggiunti al circuito. Per questi scopi, il cavo di rame convenzionale non funzionerà, poiché i fili di compensazione devono necessariamente essere realizzati con gli stessi materiali dei conduttori di termocoppia.

Materiali del conduttore

Il principio di funzionamento di una termocoppia si basa sul verificarsi di una differenza di potenziale nei conduttori. Pertanto, la scelta dei materiali degli elettrodi deve essere affrontata in modo molto responsabile. La differenza nelle proprietà chimiche e fisiche dei metalli è un fattore importante nel funzionamento di una termocoppia, il cui dispositivo e il cui principio di funzionamento si basano sul verificarsi di una fem emf autoindotta (differenza di potenziale) in un circuito.

I metalli tecnicamente puri non sono adatti per l'uso come termocoppia (ad eccezione del ferro ARMKO). Vengono comunemente utilizzate varie leghe di metalli non ferrosi e nobili. Tali materiali hanno caratteristiche fisico-chimiche stabili, in modo che le letture della temperatura siano sempre accurate e oggettive. Stabilità e precisione: le qualità chiave nell'organizzazione dell'esperimento e del processo di produzione.

Attualmente, le termocoppie più comuni dei seguenti tipi: E, J, K.

Termocoppia tipo E

Costantan e chromel sono usati come materiali per i conduttori. I prodotti di questo tipo si sono dimostrati in termini di affidabilità e accuratezza delle indicazioni. Prova di questo - molti feedback positivi da parte di esperti. Tuttavia, questa composizione dimostra la precisione delle misurazioni solo nell'intervallo di temperatura positivo fino a 600 gradi Celsius inclusi.

Termocoppia tipo J

Secondo il principio di funzionamento, la termocoppia non differisce dalla precedente. Tuttavia, Chromel cedette il passo a un ferro tecnicamente puro, che rese possibile espandere significativamente la gamma della temperatura operativa mantenendo la stabilità delle indicazioni. Varia da -100 a 1200 gradi Celsius.

Termocoppia tipo K

Questo è forse il tipo più comune di termocoppia utilizzato in tutto. Un paio di Chromel - alluminio funziona bene a temperature da -200 a 1350 gradi Celsius. Questo tipo di termocoppia è estremamente sensibile e cattura anche un leggero salto di temperatura. Grazie a questo insieme di parametri, la termocoppia viene utilizzata sia nella produzione che nella ricerca scientifica. Ma ha anche un notevole svantaggio: l'influenza della composizione dell'atmosfera lavorativa. Quindi, se questo tipo di termocoppia funzionerà in un ambiente CO ₂ , la termocoppia fornirà letture errate. Questa funzione limita l'uso di questo tipo di dispositivo. Lo schema e il principio di funzionamento della termocoppia rimangono invariati. L'unica differenza è nella composizione chimica degli elettrodi.

Test termocoppia

In caso di guasto della termocoppia è irreparabile. Teoricamente, puoi, naturalmente, risolvere il problema, ma se il dispositivo dopo di che mostrerà la temperatura esatta è una grande domanda.

A volte un malfunzionamento della termocoppia non è ovvio e ovvio. In particolare, riguarda colonne di gas. Il principio di funzionamento della termocoppia è lo stesso. Tuttavia, svolge un ruolo leggermente diverso e non ha lo scopo di visualizzare le letture della temperatura, ma di azionare le valvole. Pertanto, al fine di rilevare il malfunzionamento di tale termocoppia, è necessario collegare un dispositivo di misurazione (tester, galvanometro o potenziometro) ad esso e riscaldare la giunzione della termocoppia. Per questo, non è necessario tenerlo sopra il fuoco aperto. Basta solo tenerlo a pugno e vedere se l'ago del dispositivo si devia.

Le ragioni del fallimento delle termocoppie possono essere diverse. Quindi, se non si mette uno speciale dispositivo di schermatura su una termocoppia posizionata in una camera a vuoto di un'unità di nitrurazione a plasma ionico, col passare del tempo diventerà più fragile fino a quando uno dei conduttori si rompe. Inoltre, la probabilità di malfunzionamento di una termocoppia dovuta a cambiamenti nella composizione chimica degli elettrodi non è esclusa. Dopo tutto, i principi fondamentali dell'operazione della termocoppia sono violati.

Le apparecchiature a gas (caldaie, colonne) sono inoltre dotate di termocoppie. Il motivo principale per il fallimento degli elettrodi sono processi ossidativi che si sviluppano a temperature elevate.

Nel caso in cui le letture del dispositivo siano ovviamente false, e durante l'esame esterno non sono stati rilevati morsetti deboli, la causa più probabile risiede nel guasto dello strumento di misura. In questo caso, deve essere restituito per la riparazione. Se si dispone delle qualifiche appropriate, è possibile provare a risolvere il problema da soli.

Ad ogni modo, se l'ago del potenziometro o l'indicatore digitale mostra almeno alcuni "segni di vita", allora la termocoppia è intatta. In questo caso, il problema, ovviamente, sta in qualcos'altro. Di conseguenza, se il dispositivo non risponde alle evidenti variazioni di temperatura, è possibile modificare in sicurezza la termocoppia.

Tuttavia, prima di rimuovere la termocoppia e inserirne una nuova, è necessario essere completamente convinti del suo malfunzionamento. Per fare questo, è sufficiente suonare la termocoppia con un comune tester, e ancora meglio misurare la tensione di uscita. È improbabile che solo un normale voltmetro possa aiutare qui. Avrai bisogno di un millivoltmetro o tester con la possibilità di selezionare una scala di misurazione. Dopo tutto, la differenza potenziale è un valore molto basso. E il dispositivo standard non lo sentirà nemmeno e non lo aggiusterà.

Benefici della termocoppia

Perché nella lunga storia di funzionamento le termocoppie non sono state sostituite da sensori più sofisticati e moderni che misurano la temperatura? Sì, per la semplice ragione che finora nessun altro dispositivo può competere con esso.

Innanzitutto, le termocoppie sono relativamente economiche. Anche se i prezzi possono variare in una vasta gamma a causa dell'uso di determinati elementi protettivi e superfici, connettori e connettori.

In secondo luogo, le termocoppie si distinguono per non pretenziosità e affidabilità, che consente loro di operare con successo in ambienti aggressivi di temperatura e chimici. Tali dispositivi sono installati anche in caldaie a gas. Principio di funzionamento La termocoppia rimane invariata, indipendentemente dalle condizioni operative. Non tutti i sensori di un altro tipo possono resistere a un effetto simile.

La tecnologia di produzione e produzione di termocoppie è semplice e facile da implementare nella pratica. In parole povere, basta solo torcere o saldare le estremità dei fili con materiali metallici diversi.

Un'altra caratteristica positiva è l'accuratezza delle misure e l'errore magro (solo 1 grado). Questa precisione è più che sufficiente per le esigenze della produzione industriale e per la ricerca scientifica.

Svantaggi della termocoppia

Le carenze di termocoppie non sono così tante, soprattutto se confrontate con i loro concorrenti più vicini (sensori di temperatura di altri tipi), ma esistono ancora, e sarebbe ingiusto non parlarne.

Quindi, la differenza potenziale è misurata in millivolt. Pertanto è necessario utilizzare potenziometri molto sensibili. E se si considera che non sempre i dispositivi di misurazione possono essere collocati nelle immediate vicinanze del sito di raccolta dati sperimentale, è necessario utilizzare alcuni amplificatori. Ciò comporta una serie di inconvenienti e comporta costi inutili nell'organizzazione e preparazione della produzione.