Merjenje površinskih temperatur s termočleni

Ne obstaja termoelement ene vrstenamenjen merjenju površinske temperature trdnih teles (površinski termočleni). Obilje obstoječih zasnov površinskih termočlenov je predvsem posledica različnih merilnih pogojev in lastnosti površin, katerih temperature je treba meriti.

V industrijski praksi je potrebno meriti temperature površin različnih geometrijskih oblik, fiksiranih in vrtečih se teles, elektroprevodnih teles in izolatorjev, teles z visoko in nizko toplotno prevodnostjo, gladkih in hrapavih. Zato so površinski termočleni, primerni za uporabo v nekaterih pogojih, v drugih neprimerni.

Merjenje temperature kovinske površine z varjenjem termočlena

Precej pogosto se za merjenje temperatur segretih tankih kovinskih plošč ali trdnih teles spoj termoelementa neposredno spajka ali privari na preskušano površino.Ta metoda merjenja temperature se lahko šteje za sprejemljivo le, če so sprejeti določeni varnostni ukrepi.

Izmenjava toplote med površino plošče in povezovalno kroglico termočlenov se v glavnem izvaja s toplotnim tokom, ki poteka skozi njihovo kontaktno površino, ki je del površine stika in termoelektrod, ki mejijo na spoj. Do neke mere pride do izmenjave toplote s sevanjem med ploščo in delom spojne površine termoelektrode, ki ni v stiku z njo.

Po drugi strani pa del spojne površine, ki je v stiku s ploščo in termoelektrodami termočlena, izgubi toplotno energijo zaradi sevanja hladnejših teles, ki obdajajo ploščo, in konvektivnega prenosa toplote na zračne tokove, ki izpirajo spoj.

Tako stičišče in sosednje termoelektrode termočlena razpršijo pomemben del toplotne energije, ki se neprekinjeno dovaja spoju skozi kontaktno površino plošče.

Zaradi ravnovesja se izkaže, da je temperatura stičišča in sosednjega dela površine plošče veliko nižja od temperature delov plošče, ki so oddaljeni od stičišča (pri merjenju visokih temperatur tankih plošč, ta sistematična merilna napaka lahko doseže več sto stopinj).

Ta napaka se zmanjša z zmanjšanjem količine toplotnega toka, ki ga odvajajo spojne elektrode in termočlen.V ta namen je koristno uporabiti termočlene, izdelane iz čim tanjših termoelektrod.

Samih termoelektrod ne smemo takoj odstraniti s plošče, ampak jih je bolje najprej postaviti v toplotni stik s ploščo na razdalji najmanj 50 premerov termoelektrod.

Upoštevati je treba, da če plošča in površina termoelektrod nista oksidirani, ju je mogoče zapreti s ploščo in izmerjena termoelektrična moč. itd. v. termočlen ne bo ustrezala temperaturi stika termočlena, temveč temperaturi točke stika termočlena s površino.

V tem primeru je treba med termoelektrode in ploščo položiti tanko plast električne izolacije, na primer tanko plast sljude. Priporočljivo je tudi, da celotno površino spoja in območje termoelektrode prekrijete s plastjo toplotne izolacije, na primer z ognjevzdržnim premazom, da zmanjšate izgube zaradi sevanja in konvektivnega prenosa toplote.

Z upoštevanjem teh previdnostnih ukrepov je mogoče zagotoviti, da je površinska temperatura kovinskih delov izmerjena v nekaj stopinjah.

Včasih ni povezava termoelementa, ki je privarjen na površino kovinske plošče, temveč njeni termoelementi na določeni razdalji drug od drugega.

Ta metoda merjenja temperature kovinske površine se lahko šteje za sprejemljivo le, če obstaja zaupanje v enakost temperatur plošč na dveh točkah varjenja termoelektrod. V nasprotnem primeru se bo v vezju termočlena pojavila parazitska termoelektrična energija. d. je razvit iz materialov termoelektrod z materialom plošč.

Spodaj je opis termočlenov, kot so lok, obliž in bajonet.Uporabljajo se za merjenje temperatur površin mirujočih teles.

Termoelement s pentljo (trak)

Nosni termočlen je opremljen z občutljivim elementom, izdelanim v obliki traku iz dveh kovin ali zlitin (na primer kromela in alumela) dolžine 300 mm, širine 10-15 mm, spajkanih ali varjenih v čelo in razvaljamo na debelino 0,1 — 0,2 mm...

Konci traku s členkom na sredini so pritrjeni na izolatorje na koncih lokasto vzmetnega ročaja, tako da je trak ves čas napet. Od njegovih koncev do sponk merilne naprave (milivoltmetra) potekajo žice iz istih materialov kot obe polovici traku.

Za merjenje temperature konveksne površine se žarkovni termočlen pritisne na to površino s srednjega dela, tako da je površina prekrita s trakom, vsaj za 30 mm odseke na obeh straneh stičišča.

Prašičji termoelement

Termoelektrode, ki tvorijo termočlen, so spajkane v skoznje luknje rdeče-bakrene plošče. Za zagotovitev mehanske trdnosti konstrukcije se uporabljajo termoelektrode s premerom 2-3 mm. Spodnja površina diska (»obliž«) je vlita v površino, za katero je termoelement namenjen za merjenje temperature.

Termoelektromotorna sila termoelementa obliža nastane kot posledica zapiranja termoelektrod s kovino obliža. Pri dobrem spajkanju se to zaprtje zgodi po celotni površini segmentov termoelektrod, ki so vdolbeni znotraj obliža.Toda električni tokokrog z najmanjšim uporom v glavnem tvori zgornja površinska plast obliža, temperatura te plasti pa v glavnem določa termoelektrično moč. itd. v. termočleni.

Enačbe toplotne bilance termočlena zaplate so podobne tistim, ki so bile narejene zgoraj za termočlen za trak, s to razliko, da poleg toplotnega toka, ki se razprši kot posledica konvektivnega in radiacijskega prenosa toplote z zunanje površine zaplate, velik pomembno je upoštevati del razpršenega toplotnega toka, ki ga posrkajo zaplate termoelektrode zaradi svoje toplotne prevodnosti.

Upoštevati je treba naslednjo okoliščino. Termoelektrode so izdelane iz različnih kovin ali zlitin z različnimi vrednostmi koeficienta toplotne prevodnosti. Tako je na primer termoelement platina-rodij tipa PP označen s koeficientom toplotne prevodnosti, ki je polovica drugega termoelementa - platine.

Če sta premera termoelektrod enaka, bo razlika v vrednostih koeficientov toplotne prevodnosti termoelektrod vodila do tega, da se v mestih električnega stika termoelektrod s termoelektrodami tvori temperaturna razlika. obliž, kar bo povzročilo pojav parazitske termoelektrične energije v vezju termočlena. itd. z

Pin termoelement

Tovrstni termočleni se uporabljajo predvsem za merjenje površinskih temperatur razmeroma mehkih kovin in zlitin. Za bajonetni termočlen se uporabljajo termoelektrode iz dovolj trdih zlitin, na primer kromela in alumela s premerom 3-5 mm.

Ena od termoelektrode termoelementa je fiksno pritrjena na glavo, druga pa se lahko premika okoli svoje osi, v nedelujočem stanju pa njen konec potegne vzmet pod koncem prve termoelektrode. Konca obeh termoelektrod sta koničasta.

Ko se termočlen približa predmetu velike velikosti, se površina predmeta najprej dotakne konice premične termoelektrode. Z dodatnim pritiskom na glavo termoelektroda vstopa vanjo, dokler se konica termoelektrode ne sreča s površino predmeta. Obe točki nato predreta površinski oksidni film na površini predmeta in ta kovina sklene električni tokokrog termočlena.

Z dobrim ostrenjem koncev termoelektrod termočlen daje zanesljive rezultate za merjenje temperatur površin barvnih kovin z mehkim, zlahka prebodenim oksidnim filmom.

Uporaba bajonetnega termoelementa s topimi konicami vodi do tega, da kontaktne površine obeh termoelektrod s predmetom postanejo relativno velike, zaradi česar se površine predmetov ohladijo na mestih, kjer se konci termočlenov dotikajo in termočlen daje očitno podcenjene odčitke temperature. Toda že po 20-30 sekundah toplota, ki prihaja iz okolice predmeta, segreje ohlajeni del in s tem konce termoelektrod.

Tako bajonetni termoelement s topimi konci v trenutku stika daje podcenjene odčitke temperature predmeta, po katerih se v nekaj desetih sekundah njegovi odčitki povečajo in se asimptotično približajo stabilni vrednosti.Ta stabilna vrednost se toliko razlikuje od dejanske vrednosti površinske temperature predmeta, kolikor večja je kontaktna površina topih koncev termoelektrod s predmetom.

Kalibracija površinskih termočlenov

Stacionarna temperatura površinskega termočlena je nižja od izmerjene temperature površine, s katero je termočlen v stiku. To temperaturno razliko je mogoče v veliki meri pojasniti s kalibracijo površinskega termočlena v pogojih prenosa toplote z njegove zunanje površine, ki se približujejo delovnim pogojem.

Iz tega stališča izhaja, da se lahko kalibracijska karakteristika površin termoelementa bistveno razlikuje od značilnosti termoelementa, ki ga tvorijo iste termoelektrode, vendar kalibrirane po metodi primerjave s primerom, ko so istočasno potopljene v termostatirani prostor.

Zato površinskih termočlenov ni mogoče kalibrirati s potopitvijo v termostate (tekoči laboratorijski grelni termostati za kalibracijo termočlenov). Zanje je treba uporabiti drugačno tehniko umerjanja.

Površinski termočleni se kalibrirajo z uporabo zahtevanega pritiska na zunanjo kovinsko površino tankostenskega tekočinskega termostata. Segreto tekočino v termostatu dobro premešamo in z vzorčno napravo izmerimo njeno temperaturo.

Zunanja površina termostata je prekrita s plastjo toplotne izolacije. Toplotna izolacija ne pokriva le majhne površine zunanje površine, ki je približno polovica višine termostata, na katerega je nameščen termoelement.

Pri tej zasnovi se lahko temperatura kovinske površine termostata pod površinskim termočlenom, z napako, ki ne presega nekaj desetink stopinje, šteje za enako temperaturi tekočine v termostatu.