Измерване на повърхностните температури с термодвойки

Не съществува термодвойка от един типпредназначени за измерване на повърхностната температура на твърдите тела (повърхностни термодвойки). Изобилието от съществуващи конструкции на повърхностни термодвойки се дължи преди всичко на разнообразието от условия на измерване и свойства на повърхности, чиито температури трябва да бъдат измерени.

В индустриалната практика се налага измерване на температурите на повърхности с различни геометрични форми, неподвижни и въртящи се тела, електропроводими тела и изолатори, тела с висока и ниска топлопроводимост, гладки и грапави. Следователно повърхностните термодвойки, подходящи за използване в някои условия, са неподходящи в други.

Измерване на температурата на метална повърхност чрез заваряване на термодвойка

Доста често, за да се измерват температурите на нагрятите тънки метални плочи или масивни тела, кръстовището на термодвойка се запоява директно или се заварява към изпитваната повърхност. Този метод за измерване на температурата може да се счита за приемлив само ако се вземат някои предпазни мерки.

Топлообменът между повърхността на плочата и топката за свързване на термодвойките се осъществява главно от топлинния поток, преминаващ през контактната им повърхност, която е част от повърхността на кръстовището и термоелектроди в съседство с кръстовището. До известна степен топлообменът се осъществява чрез излъчване между плочата и частта от повърхността на кръстовището с термоелектроди, която не контактува с нея.

От друга страна, частта от повърхността на кръстовището в контакт с плочата и термоелектродите с термодвойка губят топлинна енергия поради излъчване към по -студени тела, заобикалящи плочата и конвективен топлопренос към въздушните потоци, измиващи кръстовището.

По този начин кръстовището и съседните термоелектроди с термодвойка разсейват значителна част от топлинната енергия, която непрекъснато се подава към кръстовището през контактната повърхност с плочата.

В резултат на равновесието температурата на кръстовището и прилежащата част от повърхността на плочата се оказва много по -ниска от температурата на частите на плочата, отдалечени от кръстовището (при измерване на високи температури на тънки плочи, това систематично измерване грешката може да достигне стотици градуси).

Тази грешка се намалява чрез намаляване на количеството топлинен поток, разсейван от електродите на свързване и термодвойка.За тази цел е полезно да се използват термодвойки, направени от възможно най -тънки термоелектроди.

Самите термоелектроди не трябва да се отстраняват незабавно от плочата, но е по -добре първо да се поставят в термичен контакт с плочата на разстояние, равно на поне 50 диаметъра на термоелектродите.

Трябва да се има предвид, че ако плочата и повърхността на термоелектродите не са окислени, те могат да бъдат затворени от плочата и измерена термоелектрическа мощност. и т.н. с. термодвойка ще съответства на температурата не на кръстовището на термодвойката, а на температурата на точката на контакт на термодвойката с повърхността.

В този случай между термоелектродите и плочата трябва да се постави тънък слой електрическа изолация, например тънка плоча от слюда. Препоръчително е също така да се покрие цялата повърхност на кръстовището и зоната на термоелектродите със слой топлоизолация, например огнеупорно покритие, за да се намалят загубите поради радиация и конвективен топлопренос.

Като се спазват тези предпазни мерки, е възможно да се гарантира, че повърхностната температура на металните части се измерва в рамките на няколко градуса.

Понякога не връзката на термодвойката е заварена към повърхността на металната плоча, а нейните термодвойки на известно разстояние един от друг.

Този метод за измерване на температурата на метална повърхност може да се счита за приемлив само ако има увереност в равенството на температурите на плочите в двете точки на заваряване на термоелектроди. В противен случай в схемата на термодвойката ще се появи паразитна термоелектрическа мощност. d. s, разработен от материалите на термоелектроди с материала на плочата.

По -долу е дадено описание на термодвойки като лък, пластир и щик. Те се използват за измерване на температурите на повърхностите на неподвижни тела.

Термодвойка с лък (лента)

Носовата термодвойка е оборудвана с чувствителен елемент, изработен под формата на лента, изработена от два метала или сплави (например хромел и алумел) с дължина 300 мм, широчина 10 — 15 мм, споена или заварена в челото и валцувана до дебелина 0,1 — 0,2 мм …

Краищата на лентата със съединение в средата са фиксирани върху изолатори в краищата на пружинна дръжка с форма на лък, така че лентата да е опъната през цялото време. От краищата му до клемите на измервателното устройство (миливолтметър) има проводници, изработени от същите материали като двете половини на лентата.

За да се измери температурата на изпъкнала повърхност, термодвойката на лъча се притиска към тази повърхност от средната част, така че повърхността да е покрита с лента, поне на участъци от 30 mm от двете страни на кръстовището.

Прасчо термодвойка

Термоелектродите, образуващи термодвойка, са запоени в проходните отвори на червено-медния диск. За да се осигури механичната якост на конструкцията, се използват термоелектроди с диаметър 2 — 3 мм. Долната повърхност на диска («пластир») е оформена в повърхността, за която термодвойката е предназначена да измерва температурата.

Термоелектромоторната сила на пластирната термодвойка се образува в резултат на затварянето на термоелектродите от метала на пластира. При добро запояване това затваряне се случва по цялата повърхност на сегментите на термоелектрода, вдлъбнати вътре в пластира. Но електрическата верига с най -ниско съпротивление се формира главно от горния повърхностен слой на пластира и температурата на този слой определя основно термоелектрическата мощност. и т.н. с. термодвойки.

Уравненията на топлинния баланс на термодвойката с пластир са подобни на това, което беше направено по -горе за лентовата термодвойка, с разликата, че в допълнение към топлинния поток, разсейван в резултат на конвективен и лъчист топлопренос от външната повърхност на пластира, от голямо значение е да се вземе предвид частта от разсейвания топлинен поток, изсмукан от петна от термоелектроди поради тяхната топлопроводимост.

Необходимо е да се вземе предвид следното обстоятелство. Термоелектродите са изработени от различни метали или сплави с различни стойности на коефициента на топлопроводимост. Така, например, платино -родиевата термодвойка термодвойка от типа PP се характеризира с коефициент на топлопроводимост, който е наполовина този на втората термодвойка — платина.

Ако диаметрите на термоелектродите са еднакви, тогава разликата в стойностите на коефициентите на топлопроводимост на термоелектродите ще доведе до факта, че се образува температурна разлика в местата на електрически контакт на термоелектродите с пластира, което ще доведе до появата на паразитна термоелектрическа енергия във веригата на термодвойката. и т.н. с.

Щифтова термодвойка

Термодвойките от този тип се използват предимно за измерване на повърхностните температури на относително меки метали и сплави. За байонетна термодвойка се използват термоелектроди, изработени от достатъчно твърди сплави, например хромел и алумел с диаметър 3-5 мм.

Един от термоелектродите с термодвойка е фиксиран неподвижно върху главата, а вторият може да се движи по оста си, а в неработещо състояние краят му се издърпва от пружина под края на първия термоелектрод. Краищата на двата термоелектрода са заострени.

Когато термодвойка се донесе до обект със значителни размери, повърхността на обекта първо докосва върха на подвижния термоелектрод. При допълнителен натиск върху главата, термоелектродът влиза в нея, докато върхът на термоелектрода не срещне повърхността на обекта. След това и двете точки пробиват повърхностния оксиден филм върху повърхността на обекта и този метал затваря електрическата верига на термодвойката.

С добро заточване на краищата на термоелектродите, термодвойката дава надеждни резултати за измерване на температурите на повърхностите на цветни метали с мек, лесно пробит оксиден филм.

Използването на байонетна термодвойка с тъпи върхове води до факта, че контактните повърхности на двата термоелектрода с обекта стават относително големи, в резултат на което повърхностите на обектите се охлаждат на местата, където краищата на термодвойките се допират а термодвойката дава ясно подценени показания за температура. Въпреки това, вече след 20 — 30 секунди, топлината, идваща от околните зони на обекта, загрява охладената секция, а с нея и краищата на термоелектродите.

По този начин една байонетна термодвойка с тъпи краища в момента на допир дава подценени показания за температурата на обекта, след което в рамките на няколко десетки секунди нейните показания нарастват, като асимптотично се доближават до стабилна стойност. Тази стабилна стойност се различава повече от действителната стойност на температурата на повърхността на обекта, колкото по -голяма е контактната повърхност на тъпите краища на термоелектродите с обекта.

Калибриране на повърхностни термодвойки

Стационарната температура на повърхностната термодвойка е по -ниска от измерената температура на повърхността, с която термодвойката е в контакт. Тази температурна разлика може да бъде взета предвид до голяма степен поради калибрирането на повърхностната термодвойка при условия на топлопреминаване от външната й повърхност, приближавайки се към работните условия.

От тази позиция следва, че характеристиката на калибриране на повърхностите на термодвойките може да се различава значително от характеристиката на термодвойка, образувана от едни и същи термоелектроди, но калибрирана чрез метода за сравнение с примерен, когато те са едновременно потопени в термостатирано пространство.

Следователно повърхностните термодвойки не могат да бъдат калибрирани чрез потапяне в термостати (течни лабораторни термостати за отопление за калибриране на термодвойки). Към тях трябва да се приложи различна техника на калибриране.

Повърхностните термодвойки се калибрират, като се прилагат с необходимото налягане към външната метална повърхност на тънкостенния течен термостат. Нагрятата течност вътре в термостата се смесва добре и температурата му се измерва с някакво примерно устройство.

Външната повърхност на термостата е покрита със слой топлоизолация. Топлоизолацията не покрива само малка площ от външната повърхност, която е приблизително половината от височината на термостата, върху която е приложена термодвойката.

При този дизайн температурата на металната повърхност на термостата под повърхностната термодвойка с грешка, която не надвишава няколко десети от градуса, може да се счита за равна на температурата на течността в термостата.