Meranie povrchových teplôt termočlánkami

Neexistuje termočlánok jedného typuurčené na meranie povrchovej teploty pevných telies (povrchové termočlánky). Množstvo existujúcich dizajnov povrchových termočlánkov je primárne spôsobené rôznymi podmienkami merania a vlastnosťami povrchov, ktorých teploty sa majú merať.

V priemyselnej praxi je potrebné merať teploty povrchov s rôznymi geometrickými tvarmi, pevných a rotačných telies, elektricky vodivých telies a izolantov, telies s vysokou a nízkou tepelnou vodivosťou, hladkých a drsných. Preto povrchové termočlánky vhodné na použitie v niektorých podmienkach sú v iných nevhodné.

Meranie teploty kovového povrchu zváraním termočlánku

Pomerne často sa na meranie teplôt vyhrievaných tenkých kovových dosiek alebo pevných telies termočlánkový spoj priamo pripája alebo privarí k testovanému povrchu.Tento spôsob merania teploty možno považovať za prijateľný len vtedy, ak sa prijmú určité preventívne opatrenia.

Výmena tepla medzi povrchom dosky a spojovacou guľou termočlánkov sa uskutočňuje najmä tepelným tokom prechádzajúcim cez ich kontaktnú plochu, ktorá je súčasťou povrchu prechodu a termoelektród priľahlých k prechodu. Do určitej miery dochádza k výmene tepla sálaním medzi doskou a časťou povrchu spojenia termoelektródy, ktorá s ňou nie je v kontakte.

Na druhej strane časť povrchu spoja, ktorá je v kontakte s doskou a termoelektródami termočlánku, stráca tepelnú energiu v dôsledku vyžarovania chladnejších telies obklopujúcich dosku a prenosu tepla konvekciou do prúdov vzduchu obmývajúcich spoj.

Prechod a priľahlé termoelektródy termočlánku teda rozptyľujú značnú časť tepelnej energie, ktorá je kontinuálne dodávaná do spoja cez kontaktný povrch dosky.

V dôsledku rovnováhy sa ukáže, že teplota spoja a priľahlej časti povrchu dosky je oveľa nižšia ako teplota častí dosky vzdialených od spojenia (pri meraní vysokých teplôt tenkých dosiek, táto systematická chyba merania môže dosiahnuť stovky stupňov).

Táto chyba sa redukuje znížením množstva tepelného toku rozptýleného prechodovými elektródami a termočlánkom.Na tento účel je vhodné použiť termočlánky vyrobené z čo najtenších termoelektród.

Samotné termoelektródy by sa nemali ihneď odstraňovať z platne, ale je lepšie ich najskôr umiestniť do tepelného kontaktu s platňou vo vzdialenosti rovnajúcej sa aspoň 50 priemerom termoelektród.

Treba mať na pamäti, že ak doska a povrch termoelektród nie sú oxidované, môžu byť uzavreté platňou a meraný termoelektrický výkon. atď. v. termočlánok bude zodpovedať teplote nie prechodu termočlánku, ale teplote bodu kontaktu termočlánku s povrchom.

V tomto prípade by sa medzi termoelektródy a platňu mala umiestniť tenká vrstva elektrickej izolácie, napríklad tenká vrstva sľudy. Odporúča sa tiež pokryť celý povrch spoja a oblasť termoelektródy vrstvou tepelnej izolácie, napríklad žiaruvzdorným náterom, aby sa znížili straty sálaním a prenosom tepla konvekciou.

Dodržiavaním týchto opatrení je možné zabezpečiť, aby sa povrchová teplota kovových častí merala v rozmedzí niekoľkých stupňov.

Niekedy to nie je spojenie termočlánku, ktoré je privarené k povrchu kovovej dosky, ale jeho termočlánky v určitej vzdialenosti od seba.

Tento spôsob merania teploty kovového povrchu možno považovať za prijateľný iba vtedy, ak existuje dôvera v rovnosť teplôt dosiek v dvoch bodoch zvárania termoelektród. V opačnom prípade sa v obvode termočlánku objaví parazitná termoelektrická energia. d. je vyvinutý z termoelektródových materiálov s doskovým materiálom.

Nižšie je uvedený popis termočlánkov, ako je luk, záplata a bajonet.Používajú sa na meranie teplôt povrchov stacionárnych telies.

Termočlánok s lukom (stužka)

Nosový termočlánok je vybavený citlivým prvkom vyrobeným vo forme pásika vyrobeného z dvoch kovov alebo zliatin (napríklad chróm a alumel) s dĺžkou 300 mm, šírkou 10 - 15 mm, spájkované alebo zvárané v čelo a vyvalcované na hrúbku 0,1 — 0,2mm...

Konce pásika s kĺbom v strede sú upevnené na izolátoroch na koncoch mašličkovej pružinovej rukoväte tak, aby pás bol neustále napnutý. Od jej koncov po svorky meracieho prístroja (milivoltmetra) vedú vodiče z rovnakých materiálov ako dve polovice pásky.

Na meranie teploty konvexného povrchu sa termočlánok lúča pritlačí na tento povrch zo strednej časti tak, aby bol povrch pokrytý páskou, aspoň na 30 mm úsekoch na každej strane spoja.

Prasací termočlánok

Termoelektródy tvoriace termočlánok sú prispájkované do priechodných otvorov červeno-medeného kotúča. Na zabezpečenie mechanickej pevnosti konštrukcie sa používajú termoelektródy s priemerom 2 — 3 mm. Spodný povrch disku ("náplasť") je vylisovaný do povrchu, pre ktorý je termočlánok určený na meranie teploty.

Termoelektromotorická sila náplasťového termočlánku je vytvorená ako výsledok uzavretia termoelektród kovom náplasti. Pri dobrom spájkovaní sa toto uzatvorenie vyskytuje po celom povrchu segmentov termoelektródy zapustených vo vnútri záplaty.Ale elektrický obvod s najnižším odporom je tvorený hlavne hornou povrchovou vrstvou náplasti a teplota tejto vrstvy určuje hlavne termoelektrický výkon. atď. v. termočlánky.

Rovnice tepelnej bilancie náplasti termočlánku sú podobné tým, ktoré boli urobené vyššie pre pásový termočlánok, s tým rozdielom, že okrem tepelného toku rozptýleného v dôsledku konvekčného a sálavého prenosu tepla z vonkajšieho povrchu náplasti je veľká dôležité je vziať do úvahy časť rozptýleného tepelného toku nasávaného termoelektródovými doštičkami v dôsledku ich tepelnej vodivosti.

Je potrebné vziať do úvahy nasledujúcu okolnosť. Termoelektródy sú vyrobené z rôznych kovov alebo zliatin s rôznymi hodnotami koeficientu tepelnej vodivosti. Tak napríklad platino-ródiový termočlánok typu PP sa vyznačuje polovičným koeficientom tepelnej vodivosti v porovnaní s druhým termočlánkom - platinou.

Ak sú priemery termoelektród rovnaké, potom rozdiel v hodnotách koeficientov tepelnej vodivosti termoelektród povedie k tomu, že v miestach elektrického kontaktu termoelektród s náplasť, čo povedie k výskytu parazitnej termoelektrickej energie v obvode termočlánku. atď. s

Kolíkový termočlánok

Termočlánky tohto typu sa používajú predovšetkým na meranie povrchových teplôt relatívne mäkkých kovov a zliatin. Pre bajonetový termočlánok sa používajú termoelektródy vyrobené z dostatočne tvrdých zliatin, napríklad chromel a alumel s priemerom 3-5 mm.

Jedna z termoelektród termočlánku je upevnená na hlave a druhá sa môže pohybovať okolo svojej osi a v nefunkčnom stave je jej koniec ťahaný pružinou pod koncom prvej termoelektródy. Konce dvoch termoelektród sú špicaté.

Keď sa termočlánok privedie k predmetu značnej veľkosti, povrch predmetu sa najskôr dotkne hrotu pohyblivej termoelektródy. S dodatočným tlakom na hlavu do nej termoelektróda vstupuje, až kým sa hrot termoelektródy nedotkne povrchu predmetu. Oba body potom prepichnú povrchový oxidový film na povrchu predmetu a tento kov uzavrie elektrický obvod termočlánku.

Pri dobrom zaostrení koncov termoelektród dáva termočlánok spoľahlivé výsledky pri meraní teplôt povrchov neželezných kovov s mäkkým, ľahko prepichnuteľným oxidovým filmom.

Použitie bajonetového termočlánku s tupými hrotmi vedie k tomu, že styčné plochy dvoch termoelektród s predmetom sa pomerne zväčšia, v dôsledku čoho sa povrchy predmetov ochladzujú v miestach, kde sa konce termočlánkov dotýkajú, resp. termočlánok poskytuje jasne podhodnotené hodnoty teploty. Avšak už po 20 — 30 sekundách teplo prichádzajúce z okolitých oblastí objektu ohrieva chladenú časť a s ňou aj konce termoelektród.

Bajonetový termočlánok s tupými koncami teda v okamihu kontaktu poskytuje podhodnotené údaje o teplote objektu, po ktorých sa v priebehu niekoľkých desiatok sekúnd jeho hodnoty zvýšia a asymptoticky sa približujú k stabilnej hodnote.Táto stabilná hodnota sa viac líši od skutočnej hodnoty povrchovej teploty predmetu, čím väčšia je kontaktná plocha tupých koncov termoelektród s predmetom.

Kalibrácia povrchových termočlánkov

Stacionárna teplota povrchového termočlánku je nižšia ako nameraná teplota povrchu, s ktorým je termočlánok v kontakte. Tento teplotný rozdiel môže byť do značnej miery spôsobený kalibráciou povrchového termočlánku za podmienok prenosu tepla z jeho vonkajšieho povrchu, ktoré sa približujú prevádzkovým podmienkam.

Z tejto pozície vyplýva, že kalibračná charakteristika povrchov termočlánkov sa môže výrazne líšiť od charakteristiky termočlánku tvoreného rovnakými termoelektródami, ale kalibrovanými metódou porovnania s príkladom, keď sú súčasne ponorené do termostatovaného priestoru.

Povrchové termočlánky preto nie je možné kalibrovať ponorením do termostatov (kvapalné laboratórne ohrievacie termostaty na kalibráciu termočlánkov). Musí sa na ne použiť iná technika kalibrácie.

Povrchové termočlánky sa kalibrujú pôsobením požadovaného tlaku na vonkajší kovový povrch tenkostenného kvapalinového termostatu. Ohriata kvapalina vo vnútri termostatu sa dobre premieša a jej teplota sa meria nejakým vzorkovým zariadením.

Vonkajší povrch termostatu je pokrytý vrstvou tepelnej izolácie. Tepelná izolácia nepokrýva len malú plochu vonkajšieho povrchu, čo je približne polovica výšky termostatu, na ktorom je termočlánok aplikovaný.

V tomto prevedení možno teplotu kovového povrchu termostatu pod povrchovým termočlánkom s chybou nepresahujúcou niekoľko desatín stupňa považovať za rovnú teplote kvapaliny v termostate.