Es gibt viele verschiedene Geräte und Mechanismen, mit denen Sie die Temperatur messen können. Einige von ihnen werden im Alltag verwendet, andere - für verschiedene physikalische Forschungen, in Produktionsprozessen und anderen Industrien.
Ein solches Gerät ist ein Thermoelement. Wir werden das Funktionsprinzip und das Schema dieses Geräts in den folgenden Abschnitten betrachten.
Physikalische Grundlagen des Thermoelementbetriebs
Das Funktionsprinzip eines Thermoelements basiert auf gewöhnlichen physikalischen Prozessen. Die Wirkungsweise dieses Geräts wurde erstmals von dem deutschen Wissenschaftler Thomas Seebeck untersucht.
Die Essenz des Phänomens, auf dem das Funktionsprinzip eines Thermoelements beruht, ist wie folgt. In einem geschlossenen Stromkreis, bestehend aus zwei verschiedenartigen Leitern, entsteht bei einer bestimmten Umgebungstemperatur Strom.
Der resultierende elektrische Fluss und die auf die Leiter wirkende Umgebungstemperatur stehen in einem linearen Zusammenhang. Das heißt, je höher die Temperatur, desto größer der vom Thermoelement erzeugte elektrische Strom. Auf derdas ist das Funktionsprinzip von Thermoelement und Widerstandsthermometer.
In diesem Fall befindet sich ein Thermoelementkontakt an der Stelle, an der die Temperatur gemessen werden muss, er wird als "heiß" bezeichnet. Der zweite Kontakt, mit anderen Worten - "k alt", - in die entgegengesetzte Richtung. Die Verwendung von Thermoelementen zur Messung ist nur zulässig, wenn die Lufttemperatur im Raum niedriger ist als am Ort der Messung.
Dies ist ein kurzes Diagramm der Funktionsweise eines Thermoelements, das Funktionsprinzip. Auf die Arten von Thermoelementen wird im nächsten Abschnitt eingegangen.
Arten von Thermoelementen
In jeder Branche, in der Temperaturmessungen benötigt werden, ist das Thermoelement die Hauptanwendung. Das Gerät und das Funktionsprinzip verschiedener Typen dieses Geräts sind unten angegeben.
Chromel-Aluminium-Thermoelemente
Diese Thermoelement-Sch altkreise werden in den meisten Fällen für die Herstellung verschiedener Sensoren und Sonden verwendet, mit denen Sie die Temperatur in der industriellen Produktion kontrollieren können.
Sie zeichnen sich durch einen relativ niedrigen Preis und eine große Bandbreite an gemessenen Temperaturen aus. Damit können Sie die Temperatur von -200 bis +13000 Grad Celsius fixieren.
Es ist nicht ratsam, Thermoelemente mit ähnlichen Legierungen in Geschäften und Einrichtungen mit hohem Schwefelgeh alt in der Luft zu verwenden, da dieses chemische Element sowohl Chrom als auch Aluminium negativ beeinflusst und zu Fehlfunktionen des Geräts führt.
Chromel-Kopel-Thermoelemente
Das Funktionsprinzip eines Thermoelements, dessen Kontaktgruppe aus diesen Legierungen besteht, ist dasselbe. Diese Geräte arbeiten jedoch hauptsächlich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, das neutrale, nicht aggressive Eigenschaften hat. Der obere Temperaturindex überschreitet nicht +8000 Grad Celsius.
Ein ähnliches Thermoelement wird verwendet, dessen Prinzip es ermöglicht, den Erwärmungsgrad beliebiger Oberflächen zu bestimmen, beispielsweise um die Temperatur von Herdöfen oder anderen ähnlichen Strukturen zu bestimmen.
Eisen-Konstantan-Thermoelemente
Diese Kombination von Kontakten in einem Thermoelement ist nicht so verbreitet wie die erste der betrachteten Varianten. Das Funktionsprinzip eines Thermoelements ist das gleiche, aber diese Kombination hat sich in einer verdünnten Atmosphäre gut bewährt. Der Höchstwert der gemessenen Temperatur sollte +12500 Grad Celsius nicht überschreiten.
Wenn die Temperatur jedoch über +7000 Grad zu steigen beginnt, besteht die Gefahr von Messgenauigkeitsverletzungen aufgrund von Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Eisen. Es kommt sogar vor, dass der Eisenkontakt des Thermoelements in Gegenwart von Wasserdampf in der Umgebungsluft korrodiert.
Platinorhodium-Platin-Thermoelemente
Das teuerste Thermoelement in der Herstellung. Das Funktionsprinzip ist das gleiche, unterscheidet sich jedoch von seinen Gegenstücken durch sehr stabile und zuverlässige Temperaturmesswerte. Hat eine reduzierte Empfindlichkeit.
Die Hauptanwendung dieser Geräte ist die Messung hoher Temperaturen.
Wolfram-Rhenium-Thermoelemente
Wird auch zur Messung ultrahoher Temperaturen verwendet. Die maximale Grenze, die mit diesem Schema festgelegt werden kann, erreicht 25.000 Grad Celsius.
Ihre Anwendung erfordert die Einh altung bestimmter Bedingungen. Daher muss bei der Temperaturmessung die umgebende Atmosphäre, die sich durch den Oxidationsprozess negativ auf die Kontakte auswirkt, vollständig eliminiert werden.
Hierfür werden Wolfram-Rhenium-Thermoelemente üblicherweise zum Schutz ihrer Elemente in mit einem Inertgas gefüllte Schutzgehäuse eingebracht.
Oben wurde jedes existierende Thermoelement, Gerät, sein Funktionsprinzip, abhängig von den verwendeten Legierungen, betrachtet. Betrachten Sie nun einige Designmerkmale.
Thermoelementdesigns
Es gibt zwei Haupttypen von Thermoelementen.
- Mit Isolierschicht. Diese Konstruktion des Thermoelements sorgt dafür, dass die Arbeitsschicht der Vorrichtung von elektrischem Strom isoliert wird. Durch diese Anordnung kann das Thermoelement im Prozess verwendet werden, ohne den Eingang von Masse zu isolieren.
- Ohne Verwendung einer Isolierschicht. Solche Thermoelemente dürfen nur an Messkreise angeschlossen werden, deren Eingänge keinen Massekontakt haben. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, entwickelt das Gerät zwei unabhängige geschlossene Kreisläufe, was zu ungültigen Thermoelement-Messwerten führt.
Wanderthermoelement und seine Anwendung
Es gibt einen separateneine Art von diesem Gerät, das "Laufen" genannt wird. Betrachten wir nun das Funktionsprinzip eines laufenden Thermoelements genauer.
Dieses Design wird hauptsächlich verwendet, um die Temperatur eines Stahlknüppels während seiner Bearbeitung auf Dreh-, Fräs- und anderen ähnlichen Maschinen zu erfassen.
Es ist zu beachten, dass in diesem Fall auch ein herkömmliches Thermoelement verwendet werden kann, aber wenn der Herstellungsprozess eine hohe Temperaturgenauigkeit erfordert, ist es schwierig, das laufende Thermoelement zu überschätzen.
Bei diesem Verfahren werden dessen Kontaktelemente vorab in das Werkstück eingelötet. Während der Bearbeitung des Rohlings sind diese Kontakte dann ständig der Einwirkung eines Messers oder eines anderen Arbeitswerkzeugs der Maschine ausgesetzt, wodurch die Verbindungsstelle (die das Hauptelement bei der Temperaturmessung ist) zu „laufen“scheint” entlang der Kontakte.
Dieser Effekt ist in der metallverarbeitenden Industrie weit verbreitet.
Technologische Merkmale von Thermoelementkonstruktionen
Bei der Herstellung einer funktionierenden Thermoelementsch altung werden zwei Metallkontakte verlötet, die bekanntlich aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Kreuzung heißt Kreuzung.
Es ist zu beachten, dass es nicht notwendig ist, diese Verbindung durch Löten herzustellen. Drehen Sie einfach zwei Kontakte zusammen. Ein solches Herstellungsverfahren ist jedoch nicht ausreichend zuverlässig und kann auch zu Fehlern bei der Temperaturmessung führen.
Wenn Sie hoch messen müssenTemperaturen wird das Löten von Metallen durch deren Schweißen ersetzt. Dies liegt daran, dass das in der Verbindung verwendete Lot in den meisten Fällen einen niedrigen Schmelzpunkt hat und bei dessen Überschreitung zusammenbricht.
Sch altungen, die geschweißt wurden, können einem größeren Temperaturbereich standh alten. Aber diese Verbindungsmethode hat auch ihre Nachteile. Die innere Struktur des Metalls kann sich ändern, wenn es während des Schweißvorgangs hohen Temperaturen ausgesetzt wird, was sich auf die Qualität der erh altenen Daten auswirkt.
Zusätzlich sollte der Zustand der Thermoelementkontakte während des Betriebs überwacht werden. So ist es möglich, die Eigenschaften von Metallen im Stromkreis durch den Einfluss einer aggressiven Umgebung zu verändern. Es kann zu einer Oxidation oder Interdiffusion von Materialien kommen. In einer solchen Situation sollte die Betriebssch altung des Thermoelements ausgetauscht werden.
Arten von Thermoelementen
Die moderne Industrie produziert mehrere Konstruktionen, die bei der Herstellung von Thermoelementen verwendet werden:
- offene Kreuzung;
- mit isoliertem Übergang;
- mit geerdetem Anschluss.
Offene Thermoelemente zeichnen sich durch ihre geringe Beständigkeit gegen äußere Einflüsse aus.
Bei Temperaturmessungen in aggressiven Umgebungen, die eine verheerende Wirkung auf das Kontaktpaar haben, können folgende zwei Bauformen verwendet werden.
Darüber hinaus beherrscht die Industrie derzeit Systeme zur Herstellung von Thermoelementen unter Verwendung von Halbleitertechnologien.
Messfehler
Die Richtigkeit der mit einem Thermoelement erh altenen Temperaturmesswerte hängt vom Material der Kontaktgruppe sowie von äußeren Faktoren ab. Letztere umfassen Druck, Strahlungshintergrund oder andere Gründe, die die physikalisch-chemischen Parameter der Metalle beeinflussen können, aus denen die Kontakte hergestellt sind.
Messfehler setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:
- zufälliger Fehler, verursacht durch den Herstellungsprozess des Thermoelements;
- Fehler durch Verletzung des Temperaturregimes des "k alten" Kontakts;
- Fehler durch externe Störung;
- Fehler der Kontrolleinrichtung.
Die Vorteile der Verwendung von Thermoelementen
Die Vorteile der Verwendung dieser Temperaturregelgeräte, unabhängig von der Anwendung, umfassen:
- große Auswahl an Indikatoren, die mit einem Thermoelement erfasst werden können;
- Die Verbindungsstelle des Thermoelements, die direkt an der Messung beteiligt ist, kann in direkten Kontakt mit der Messstelle gebracht werden;
- Thermoelemente sind einfach herzustellen, robust und langlebig.
Nachteile der Temperaturmessung mit Thermoelement
Zu den Nachteilen der Verwendung eines Thermoelements gehören:
- Die Notwendigkeit einer ständigen Überwachung der Temperatur des "k alten" Kontakts des Thermoelements. Dies ist eine BesonderheitKonstruktionsmerkmal von Messgeräten, die auf einem Thermoelement basieren. Das Funktionsprinzip dieses Schemas engt den Umfang seiner Anwendung ein. Sie können nur verwendet werden, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Temperatur an der Messstelle.
- Verletzung der inneren Struktur von Metallen, die bei der Herstellung von Thermoelementen verwendet werden. Tatsache ist, dass die Kontakte durch die Einwirkung der äußeren Umgebung ihre Gleichmäßigkeit verlieren, was zu Fehlern in den erh altenen Temperaturindikatoren führt.
- Während des Messvorgangs ist die Thermoelement-Kontaktgruppe in der Regel den negativen Einflüssen der Umgebung ausgesetzt, was zu Störungen im Prozess führt. Dies erfordert wiederum eine Versiegelung der Kontakte, was zusätzliche Wartungskosten für solche Sensoren verursacht.
- Bei einem Thermoelement, dessen Konstruktion eine lange Kontaktgruppe vorsieht, besteht die Gefahr der Einwirkung elektromagnetischer Wellen. Dies kann sich auch auf die Messergebnisse auswirken.
- In einigen Fällen wird der lineare Zusammenhang zwischen dem im Thermoelement auftretenden elektrischen Strom und der Temperatur an der Messstelle verletzt. Diese Situation erfordert eine Kalibrierung der Kontrollausrüstung.
Schlussfolgerung
Trotz ihrer Mängel hat die im 19. Jahrhundert erstmals erfundene und erprobte Methode der Temperaturmessung mit Thermoelementen ihre breite Anwendung in allen Zweigen der modernen Industrie gefunden.
Darüber hinaus gibt es Anwendungen, bei denen Thermoelemente verwendet werdenist die einzige Möglichkeit, Temperaturdaten zu erh alten. Und nachdem Sie dieses Material gelesen haben, haben Sie die Grundprinzipien ihrer Arbeit ziemlich vollständig verstanden.
