Ci sono molti dispositivi e meccanismi diversi che ti consentono di misurare la temperatura. Alcuni sono usati nella vita di tutti i giorni, altri - per varie ricerche fisiche, nei processi di produzione e in altri settori.
Uno di questi dispositivi è una termocoppia. Considereremo il principio di funzionamento e lo schema di questo dispositivo nelle sezioni seguenti.
Base fisica del funzionamento della termocoppia
Il principio di funzionamento di una termocoppia si basa su normali processi fisici. Per la prima volta, l'effetto su cui funziona questo dispositivo è stato studiato dallo scienziato tedesco Thomas Seebeck.
L'essenza del fenomeno su cui si basa il principio di funzionamento di una termocoppia è la seguente. In un circuito elettrico chiuso, costituito da due conduttori di diverso tipo, quando esposto a una certa temperatura ambiente, si genera elettricità.
Il flusso elettrico risultante e la temperatura ambiente che agisce sui conduttori sono in una relazione lineare. Cioè, maggiore è la temperatura, maggiore è la corrente elettrica prodotta dalla termocoppia. Sulquesto è il principio di funzionamento della termocoppia e della termoresistenza.
In questo caso, un contatto della termocoppia si trova nel punto in cui è necessario misurare la temperatura, viene chiamato "caldo". Il secondo contatto, in altre parole - "freddo", - nella direzione opposta. L'uso di termocoppie per la misurazione è consentito solo quando la temperatura dell'aria nella stanza è inferiore a quella del luogo di misurazione.
Questo è un breve diagramma del funzionamento di una termocoppia, il principio di funzionamento. I tipi di termocoppie saranno discussi nella prossima sezione.
Tipi di termocoppie
In ogni settore in cui sono necessarie misurazioni della temperatura, la termocoppia è l'applicazione principale. Il dispositivo e il principio di funzionamento di vari tipi di questa unità sono riportati di seguito.
Termocoppie cromo-alluminio
Questi circuiti di termocoppia sono utilizzati nella maggior parte dei casi per la produzione di vari sensori e sonde che consentono di controllare la temperatura nella produzione industriale.
Le loro caratteristiche distintive includono un prezzo abbastanza basso e una vasta gamma di temperature misurate. Consentono di fissare la temperatura da -200 a +13000 gradi Celsius.
Non è consigliabile utilizzare termocoppie con leghe simili in negozi e strutture con un alto contenuto di zolfo nell'aria, poiché questo elemento chimico influisce negativamente sia sul cromo che sull'alluminio, causando malfunzionamenti nel dispositivo.
Termocoppie cromo-Kopel
Il principio di funzionamento di una termocoppia, il cui gruppo di contatti è costituito da queste leghe, è lo stesso. Ma questi dispositivi funzionano principalmente in un mezzo liquido o gassoso, che ha proprietà neutre e non aggressive. L'indice di temperatura superiore non supera +8000 gradi Celsius.
Viene utilizzata una termocoppia simile, il cui principio ne consente l'utilizzo per determinare il grado di riscaldamento di qualsiasi superficie, ad esempio per determinare la temperatura di forni a focolare aperto o altre strutture simili.
Termocoppie ferro-costanza
Questa combinazione di contatti in una termocoppia non è comune come la prima delle varietà considerate. Il principio di funzionamento di una termocoppia è lo stesso, ma questa combinazione si è mostrata bene in un'atmosfera rarefatta. Il livello massimo della temperatura misurata non deve superare i +12500 gradi Celsius.
Tuttavia, se la temperatura inizia a salire oltre i +7000 gradi, c'è il pericolo di violazioni dell'accuratezza della misurazione a causa dei cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche del ferro. Ci sono anche casi di corrosione del contatto in ferro della termocoppia in presenza di vapore acqueo nell'aria ambiente.
Termocoppie platino-rodio
La termocoppia più costosa da produrre. Il principio di funzionamento è lo stesso, ma differisce dalle sue controparti per letture di temperatura molto stabili e affidabili. Ha una sensibilità ridotta.
L'applicazione principale di questi dispositivi è la misurazione di alte temperature.
Termocoppie tungsteno-renio
Utilizzato anche per misurare temperature ultra elevate. Il limite massimo che può essere fissato utilizzando questo schema raggiunge i 25 mila gradi Celsius.
La loro domanda richiede il rispetto di determinate condizioni. Pertanto, nel processo di misurazione della temperatura, è necessario eliminare completamente l'atmosfera circostante, che ha un effetto negativo sui contatti a causa del processo di ossidazione.
Per questo, le termocoppie tungsteno-renio sono generalmente collocate in involucri protettivi riempiti con un gas inerte per proteggere i loro elementi.
Sopra, sono stati considerati ogni termocoppia, dispositivo esistente, il suo principio di funzionamento, a seconda delle leghe utilizzate. Ora considera alcune caratteristiche del design.
Modelli di termocoppie
Ci sono due tipi principali di modelli di termocoppie.
- Con uno strato isolante. Questo design della termocoppia prevede l'isolamento dello strato di lavoro del dispositivo dalla corrente elettrica. Questa disposizione consente di utilizzare la termocoppia nel processo senza isolare l'ingresso da terra.
- Senza l'uso di uno strato isolante. Tali termocoppie possono essere collegate solo a circuiti di misura i cui ingressi non hanno contatto con la terra. Se questa condizione non viene soddisfatta, il dispositivo svilupperà due circuiti chiusi indipendenti, con conseguenti letture della termocoppia non valide.
Termocoppia da viaggio e sua applicazione
C'è un separatouna specie di questo dispositivo, chiamato "running". Considereremo ora il principio di funzionamento di una termocoppia in funzione in modo più dettagliato.
Questo design viene utilizzato principalmente per rilevare la temperatura di una billetta di acciaio durante la sua lavorazione su macchine di tornitura, fresatura e altre macchine simili.
Va notato che in questo caso è anche possibile utilizzare una termocoppia convenzionale, tuttavia, se il processo di produzione richiede un'elevata precisione della temperatura, è difficile sopravvalutare la termocoppia in funzione.
Quando si applica questo metodo, i suoi elementi di contatto vengono saldati in anticipo nel pezzo. Quindi, durante la lavorazione del grezzo, questi contatti sono costantemente esposti all'azione di una fresa o di un altro strumento di lavoro della macchina, per cui la giunzione (che è l'elemento principale quando si prendono le letture della temperatura) sembra correre” lungo i contatti.
Questo effetto è ampiamente utilizzato nell'industria della lavorazione dei metalli.
Caratteristiche tecnologiche dei modelli di termocoppie
Quando si costruisce un circuito di termocoppia funzionante, vengono saldati due contatti metallici che, come sapete, sono fatti di materiali diversi. La giunzione è chiamata giunzione.
Va notato che non è necessario effettuare questa connessione usando la saldatura. Basta ruotare due contatti insieme. Ma un tale metodo di produzione non avrà un livello di affidabilità sufficiente e potrebbe anche dare errori durante la lettura della temperatura.
Se devi misurare in altotemperature, la saldatura dei metalli è sostituita dalla loro saldatura. Ciò è dovuto al fatto che nella maggior parte dei casi la saldatura utilizzata nella connessione ha un basso punto di fusione e si rompe quando viene superato.
I circuiti saldati possono resistere a un intervallo di temperatura più ampio. Ma questo metodo di connessione ha anche i suoi svantaggi. La struttura interna del metallo se esposto a temperature elevate durante il processo di saldatura può cambiare, il che influenzerà la qualità dei dati ottenuti.
Inoltre, le condizioni dei contatti della termocoppia devono essere monitorate durante il suo funzionamento. Pertanto, è possibile modificare le caratteristiche dei metalli nel circuito a causa dell'impatto di un ambiente aggressivo. Può verificarsi ossidazione o interdiffusione dei materiali. In una situazione del genere, il circuito operativo della termocoppia deve essere sostituito.
Tipi di giunzioni termocoppia
L'industria moderna produce diversi modelli utilizzati nella produzione di termocoppie:
- incrocio aperto;
- con giunzione isolata;
- con giunzione a terra.
Una caratteristica delle termocoppie a giunzione aperta è la scarsa resistenza alle influenze esterne.
I seguenti due tipi di design possono essere utilizzati per misurare le temperature in ambienti aggressivi che hanno un effetto devastante sulla coppia di contatti.
Inoltre, l'industria sta attualmente padroneggiando schemi per la produzione di termocoppie utilizzando tecnologie a semiconduttore.
Errore di misurazione
La correttezza delle letture di temperatura ottenute utilizzando una termocoppia dipende dal materiale del gruppo di contatto, nonché da fattori esterni. Questi ultimi includono pressione, radiazione di fondo o altri motivi che possono influenzare i parametri fisico-chimici dei metalli da cui sono realizzati i contatti.
L'errore di misurazione è costituito dai seguenti componenti:
- errore casuale causato dal processo di fabbricazione della termocoppia;
- errore causato dalla violazione del regime di temperatura del contatto "freddo";
- errore causato da interferenza esterna;
- errore dell'apparecchiatura di controllo.
I vantaggi dell'utilizzo delle termocoppie
I vantaggi dell'utilizzo di questi dispositivi di controllo della temperatura, indipendentemente dall'applicazione, includono:
- ampia gamma di indicatori che possono essere registrati utilizzando una termocoppia;
- La giunzione della termocoppia, che è direttamente coinvolta nell'acquisizione delle letture, può essere posta a diretto contatto con il punto di misura;
- Le termocoppie sono facili da produrre, durevoli e di lunga durata.
Svantaggi della misurazione della temperatura con una termocoppia
Gli svantaggi dell'utilizzo di una termocoppia includono:
- La necessità di un monitoraggio costante della temperatura del contatto "freddo" della termocoppia. Questo è un distintivocaratteristica di progettazione degli strumenti di misura, che si basano su una termocoppia. Il principio di funzionamento di questo schema restringe il campo di applicazione. Possono essere utilizzati solo se la temperatura ambiente è inferiore alla temperatura nel punto di misurazione.
- Violazione della struttura interna dei metalli utilizzati nella fabbricazione delle termocoppie. Il fatto è che a causa dell'esposizione all'ambiente esterno, i contatti perdono la loro uniformità, causando errori negli indicatori di temperatura ottenuti.
- Durante il processo di misurazione, il gruppo di contatto della termocoppia è solitamente esposto all'influenza negativa dell'ambiente, che provoca disturbi nel processo. Anche in questo caso è necessario sigillare i contatti, il che comporta costi di manutenzione aggiuntivi per tali sensori.
- Esiste il rischio di esposizione alle onde elettromagnetiche su una termocoppia, il cui design prevede un lungo gruppo di contatti. Ciò può influire anche sui risultati della misurazione.
- In alcuni casi, c'è una violazione della relazione lineare tra la corrente elettrica che si verifica nella termocoppia e la temperatura nel sito di misurazione. Questa situazione richiede la calibrazione dell'apparecchiatura di controllo.
Conclusione
Nonostante le sue carenze, il metodo di misurazione della temperatura mediante termocoppie, inventato e testato per la prima volta nel 19° secolo, ha trovato ampia applicazione in tutti i rami dell'industria moderna.
Inoltre, ci sono applicazioni in cui l'uso di termocoppieè l'unico modo per ottenere i dati sulla temperatura. E dopo aver letto questo materiale, hai compreso appieno i principi di base del loro lavoro.
