Pomiar temperatury powierzchni za pomocą termopar

Nie istnieje termopara jednego typuprzeznaczone do pomiaru temperatury powierzchni ciał stałych (termopary powierzchniowe). Mnogość istniejących projektów termopar powierzchniowych wynika przede wszystkim z różnorodności warunków pomiaru i właściwości powierzchni, których temperatury mają być mierzone.

W praktyce przemysłowej niezbędny jest pomiar temperatury powierzchni o różnych kształtach geometrycznych, ciał stałych i obrotowych, ciał przewodzących i izolatorów, ciał o dużej i małej przewodności cieplnej, gładkich i chropowatych. Dlatego termopary powierzchniowe nadające się do użytku w pewnych warunkach są nieodpowiednie w innych.

Pomiar temperatury powierzchni metalowej za pomocą termopary spawalniczej

Dość często, aby zmierzyć temperaturę rozgrzanych cienkich metalowych płytek lub ciał stałych, złącze termopary jest bezpośrednio lutowane lub spawane do badanej powierzchni.Ta metoda pomiaru temperatury może być uznana za dopuszczalną tylko wtedy, gdy zostaną podjęte pewne środki ostrożności.

Wymiana ciepła między powierzchnią płytki a kulą łączącą termoelementów odbywa się głównie poprzez przepływ ciepła przechodzący przez ich powierzchnię styku, która jest częścią powierzchni złącza i termoelektrod sąsiadujących ze złączem. Do pewnego stopnia wymiana ciepła zachodzi przez promieniowanie między płytą a częścią powierzchni złącza termoelektrody, która nie styka się z nią.

Z drugiej strony część powierzchni złącza stykająca się z płytą i termoelektrodami termopary traci energię cieplną w wyniku promieniowania do zimniejszych ciał otaczających płytkę oraz konwekcyjnego przekazywania ciepła do strumieni powietrza omywających złącze.

W ten sposób złącze i sąsiednie termoelektrody termoparowe rozpraszają znaczną część energii cieplnej, która jest stale dostarczana do złącza przez powierzchnię styku płyty.

W wyniku równowagi temperatura złącza i przylegającej części powierzchni płytki okazuje się być znacznie niższa niż temperatura części płytki oddalonych od złącza (przy pomiarach wysokich temperatur cienkich płytek, ten systematyczny błąd pomiaru może sięgać setek stopni).

Błąd ten zmniejsza się poprzez zmniejszenie ilości strumienia ciepła rozpraszanego przez elektrody łączące i termoparę.Do tego celu przydatne są termopary wykonane z jak najcieńszych termoelektrod.

Samych termoelektrod nie należy od razu wyjmować z płytki, ale lepiej najpierw umieścić je w kontakcie termicznym z płytą w odległości równej co najmniej 50 średnicom termoelektrod.

Należy pamiętać, że jeśli płyta i powierzchnia termoelektrod nie są utlenione, można je zamknąć płytą i zmierzona moc termoelektryczna. itp. v. termopara będzie odpowiadać temperaturze nie złącza termopary, ale temperaturze punktu styku termopary z powierzchnią.

W takim przypadku między termoelektrodami a płytką należy umieścić cienką warstwę izolacji elektrycznej, na przykład cienką warstwę miki. Zaleca się również pokrycie całej powierzchni złącza oraz obszaru termoelektrody warstwą izolacji termicznej, np.

Przestrzegając tych środków ostrożności, można zapewnić, że temperatura powierzchni części metalowych jest mierzona z dokładnością do kilku stopni.

Czasami to nie połączenie termopary jest przyspawane do powierzchni metalowej płytki, ale jej termopary w pewnej odległości od siebie.

Tę metodę pomiaru temperatury powierzchni metalowej można uznać za akceptowalną tylko wtedy, gdy istnieje pewność co do równości temperatur płyt w dwóch punktach spawania termoelektrod. W przeciwnym razie w obwodzie termopary pojawi się pasożytnicza energia termoelektryczna. D. s opracowane z materiałów termoelektrodowych z materiałem płyty.

Poniżej znajduje się opis termopar, takich jak łuk, łata i bagnet.Służą do pomiaru temperatury powierzchni ciał nieruchomych.

Termopara z kokardką (wstążka)

Termoelement nosowy wyposażony jest w element czuły wykonany w postaci paska wykonanego z dwóch metali lub stopów (np. czoło i walcowane na grubość 0,1 — 0,2 mm...

Końce taśmy ze złączem pośrodku są zamocowane na izolatorach na końcach pałąkowatego uchwytu sprężynowego, dzięki czemu taśma jest cały czas napięta. Od jej końców do zacisków urządzenia pomiarowego (miliwoltomierza) biegną druty wykonane z tych samych materiałów co dwie połówki taśmy.

Aby zmierzyć temperaturę powierzchni wypukłej, termoparę wiązkową dociska się do tej powierzchni od środkowej części, tak aby powierzchnia była pokryta taśmą, co najmniej na odcinkach o długości 30 mm z każdej strony złącza.

Termopara świni

Termoelektrody tworzące termoparę są wlutowane w otwory przelotowe krążka czerwono-miedzianego. Aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną konstrukcji, stosuje się termoelektrody o średnicy 2–3 mm. Dolna powierzchnia dysku („łatka”) jest wtopiona w powierzchnię, dla której termopara ma mierzyć temperaturę.

Siła termoelektromotoryczna termopary plastra powstaje w wyniku zamknięcia termoelektrod przez metal plastra. W dobrym lutowaniu zamknięcie to występuje na całej powierzchni segmentów termoelektrody zagłębionych wewnątrz plastra.Ale obwód elektryczny o najniższej rezystancji jest tworzony głównie przez górną warstwę powierzchniową plastra, a temperatura tej warstwy decyduje głównie o mocy termoelektrycznej. itp. v. termopary.

Równania bilansu cieplnego termopary plastra są podobne do tego, co zrobiono powyżej dla termopary paskowej, z tą różnicą, że oprócz strumienia ciepła wydzielanego w wyniku konwekcyjnego i radiacyjnego przenoszenia ciepła z zewnętrznej powierzchni plastra, ważne jest uwzględnienie części rozproszonego strumienia ciepła zasysanego przez plastry termoelektrod ze względu na ich przewodność cieplną.

Należy wziąć pod uwagę następującą okoliczność. Termoelektrody są wykonane z różnych metali lub stopów o różnych wartościach współczynnika przewodności cieplnej. I tak np. termoelement platynowo-rodowy typu PP charakteryzuje się o połowę mniejszym współczynnikiem przewodności cieplnej drugiego termoelementu – platynowego.

Jeżeli średnice termoelektrod są takie same, to różnica wartości współczynników przewodnictwa cieplnego termoelektrod doprowadzi do tego, że w miejscach styku elektrycznego termoelektrod z łata, która doprowadzi do pojawienia się pasożytniczej energii termoelektrycznej w obwodzie termopary. itp. z

Szpilka termopary

Termopary tego typu są używane przede wszystkim do pomiaru temperatury powierzchni stosunkowo miękkich metali i stopów. W przypadku termopary bagnetowej stosuje się termoelektrody wykonane z wystarczająco twardych stopów, na przykład chromel i alumel o średnicy 3-5 mm.

Jedna z termoelektrod termopary jest zamocowana nieruchomo na głowicy, a druga może poruszać się wokół własnej osi, aw stanie spoczynku jej koniec jest ciągnięty przez sprężynę pod koniec pierwszej termoelektrody. Końce dwóch termoelektrod są spiczaste.

Kiedy termopara jest zbliżana do przedmiotu o znacznych rozmiarach, powierzchnia przedmiotu najpierw dotyka końcówki ruchomej termoelektrody. Przy dodatkowym nacisku na głowicę termoelektroda wchodzi do niej, aż końcówka termoelektrody zetknie się z powierzchnią przedmiotu. Następnie oba punkty przebijają warstwę tlenku powierzchni na powierzchni przedmiotu, a ten metal zamyka obwód elektryczny termopary.

Dzięki dobremu zaostrzeniu końców termoelektrod termopara daje wiarygodne wyniki pomiaru temperatury powierzchni metali nieżelaznych za pomocą miękkiej, łatwej do przebicia warstwy tlenku.

Zastosowanie termopary bagnetowej z tępymi końcówkami powoduje, że powierzchnie styku dwóch termoelektrod z obiektem stają się stosunkowo duże, w wyniku czego powierzchnie przedmiotów stygną w miejscach styku końców termopar i termopara podaje wyraźnie zaniżone odczyty temperatury. Jednak już po 20 — 30 sekundach ciepło pochodzące z otoczenia obiektu nagrzewa schłodzony odcinek, a wraz z nim końce termoelektrod.

Tak więc termopara bagnetowa z tępymi końcami w momencie zetknięcia daje zaniżone odczyty temperatury obiektu, po czym w ciągu kilkudziesięciu sekund jej odczyty rosną, asymptotycznie zbliżając się do wartości stabilnej.Ta stabilna wartość tym bardziej różni się od rzeczywistej wartości temperatury powierzchni przedmiotu, im większa jest powierzchnia styku tępych końców termoelektrod z przedmiotem.

Kalibracja termopar powierzchniowych

Stacjonarna temperatura termopary powierzchniowej jest niższa niż zmierzona temperatura powierzchni, z którą styka się termopara. Tę różnicę temperatur można w dużej mierze wytłumaczyć kalibracją termopary powierzchniowej w warunkach wymiany ciepła z jej powierzchni zewnętrznej, zbliżonych do warunków pracy.

Z tego stanowiska wynika, że ​​charakterystyka kalibracyjna powierzchni termopary może znacznie różnić się od charakterystyki termopary utworzonej z tych samych termoelektrod, ale kalibrowanej metodą porównawczą z przykładem, gdy są one jednocześnie zanurzone w termostatowanej przestrzeni.

Dlatego termopary powierzchniowe nie mogą być kalibrowane przez zanurzenie w termostatach (termostaty laboratoryjne do ogrzewania cieczy do kalibracji termopar). Należy zastosować do nich inną technikę kalibracji.

Termopary powierzchniowe są kalibrowane poprzez przyłożenie wymaganego ciśnienia do zewnętrznej metalowej powierzchni cienkościennego termostatu cieczowego. Podgrzana ciecz wewnątrz termostatu jest dobrze wymieszana, a jej temperatura jest mierzona za pomocą jakiegoś przykładowego urządzenia.

Zewnętrzna powierzchnia termostatu pokryta jest warstwą izolacji termicznej. Izolacja termiczna obejmuje nie tylko niewielki obszar powierzchni zewnętrznej, który stanowi mniej więcej połowę wysokości termostatu, na który nałożona jest termopara.

W tej konstrukcji temperaturę metalowej powierzchni termostatu poniżej termopary powierzchniowej, z błędem nie przekraczającym kilku dziesiątych stopnia, można uznać za równą temperaturze cieczy w termostacie.