Μέτρηση επιφανειακών θερμοκρασιών με θερμοστοιχεία
Δεν υπάρχει θερμοστοιχείο ενός τύπουσχεδιασμένο για τη μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας στερεών σωμάτων (επιφανειακά θερμοστοιχεία). Η αφθονία των υπαρχόντων σχεδίων επιφανειακών θερμοστοιχείων οφείλεται κυρίως στην ποικιλία των συνθηκών μέτρησης και των ιδιοτήτων των επιφανειών των οποίων οι θερμοκρασίες πρόκειται να μετρηθούν.
Στη βιομηχανική πρακτική είναι απαραίτητη η μέτρηση των θερμοκρασιών επιφανειών με διαφορετικά γεωμετρικά σχήματα, σταθερών και περιστρεφόμενων σωμάτων, ηλεκτρικά αγώγιμων σωμάτων και μονωτών, σωμάτων με υψηλή και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, λεία και τραχιά. Επομένως, τα επιφανειακά θερμοστοιχεία που είναι κατάλληλα για χρήση σε ορισμένες συνθήκες είναι ακατάλληλα σε άλλες.
Μέτρηση της θερμοκρασίας μιας μεταλλικής επιφάνειας με συγκόλληση θερμοστοιχείου
Αρκετά συχνά, για τη μέτρηση των θερμοκρασιών θερμαινόμενων λεπτών μεταλλικών πλακών ή στερεών σωμάτων, μια διασταύρωση θερμοστοιχείου συγκολλάται απευθείας ή συγκολλάται στην υπό δοκιμή επιφάνεια.Αυτή η μέθοδος μέτρησης θερμοκρασίας μπορεί να θεωρηθεί αποδεκτή μόνο εάν ληφθούν ορισμένες προφυλάξεις.
Η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας της πλάκας και της σφαίρας σύνδεσης των θερμοζευγών πραγματοποιείται κυρίως από τη ροή θερμότητας που διέρχεται από την επιφάνεια επαφής τους, η οποία είναι μέρος της επιφάνειας της διασταύρωσης και τα θερμοηλεκτρόδια δίπλα στη διασταύρωση. Σε κάποιο βαθμό, η ανταλλαγή θερμότητας λαμβάνει χώρα με ακτινοβολία μεταξύ της πλάκας και του τμήματος της επιφάνειας σύνδεσης του θερμοηλεκτροδίου που δεν έρχεται σε επαφή με αυτήν.
Από την άλλη πλευρά, το τμήμα της επιφάνειας σύνδεσης που έρχεται σε επαφή με την πλάκα και τα θερμοηλεκτρόδια του θερμοστοιχείου χάνουν θερμική ενέργεια λόγω της ακτινοβολίας σε ψυχρότερα σώματα που περιβάλλουν την πλάκα και της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή στις ροές αέρα που πλένουν τη διασταύρωση.
Έτσι, η διασταύρωση και τα γειτονικά θερμοηλεκτρόδια του θερμοστοιχείου διαχέουν ένα σημαντικό μέρος της θερμικής ενέργειας που παρέχεται συνεχώς στη διασταύρωση μέσω της επιφάνειας επαφής της πλάκας.
Ως αποτέλεσμα της ισορροπίας, η θερμοκρασία της διασταύρωσης και του παρακείμενου τμήματος της επιφάνειας της πλάκας αποδεικνύεται πολύ χαμηλότερη από τη θερμοκρασία των τμημάτων της πλάκας που βρίσκονται μακριά από τη διασταύρωση (όταν μετράτε υψηλές θερμοκρασίες λεπτών πλακών, αυτό το συστηματικό σφάλμα μέτρησης μπορεί να φτάσει εκατοντάδες βαθμούς) .
Αυτό το σφάλμα μειώνεται μειώνοντας την ποσότητα της ροής θερμότητας που διαχέεται από τα ηλεκτρόδια σύνδεσης και το θερμοστοιχείο.Για το σκοπό αυτό, είναι χρήσιμο να χρησιμοποιείτε θερμοστοιχεία κατασκευασμένα από τα λεπτότερα δυνατά θερμοηλεκτρόδια.
Τα ίδια τα θερμοηλεκτρόδια δεν πρέπει να αφαιρούνται αμέσως από την πλάκα, αλλά είναι καλύτερα να τα τοποθετήσετε πρώτα σε θερμική επαφή με την πλάκα σε απόσταση ίση με τουλάχιστον 50 διαμέτρους των θερμοηλεκτροδίων.
Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι εάν η πλάκα και η επιφάνεια των θερμοηλεκτροδίων δεν οξειδωθούν, μπορούν να κλείσουν από την πλάκα και μετρημένη θερμοηλεκτρική ισχύς. και τα λοιπά. v. θερμοστοιχείο θα αντιστοιχεί στη θερμοκρασία όχι της ένωσης του θερμοστοιχείου αλλά στη θερμοκρασία του σημείου επαφής του θερμοστοιχείου με την επιφάνεια.
Σε αυτή την περίπτωση, ένα λεπτό στρώμα ηλεκτρικής μόνωσης, για παράδειγμα ένα λεπτό φύλλο μαρμαρυγίας, θα πρέπει να τοποθετηθεί μεταξύ των θερμοηλεκτροδίων και της πλάκας. Συνιστάται επίσης η κάλυψη ολόκληρης της επιφάνειας της διασταύρωσης και της περιοχής του θερμοηλεκτροδίου με ένα στρώμα θερμομόνωσης, για παράδειγμα πυρίμαχη επίστρωση, για μείωση των απωλειών λόγω ακτινοβολίας και μεταφοράς θερμότητας.
Τηρώντας αυτές τις προφυλάξεις, είναι δυνατό να διασφαλιστεί ότι η θερμοκρασία επιφάνειας των μεταλλικών μερών μετράται εντός λίγων βαθμών.
Μερικές φορές δεν είναι η σύνδεση του θερμοστοιχείου που συγκολλάται στην επιφάνεια της μεταλλικής πλάκας, αλλά τα θερμοστοιχεία του σε κάποια απόσταση μεταξύ τους.
Αυτή η μέθοδος μέτρησης της θερμοκρασίας μιας μεταλλικής επιφάνειας μπορεί να θεωρηθεί αποδεκτή μόνο εάν υπάρχει εμπιστοσύνη στην ισότητα των θερμοκρασιών των πλακών στα δύο σημεία συγκόλλησης των θερμοηλεκτροδίων. Διαφορετικά, θα εμφανιστεί παρασιτική θερμοηλεκτρική ισχύς στο κύκλωμα του θερμοστοιχείου. ρε. αναπτύχθηκε από τα υλικά θερμοηλεκτροδίων με το υλικό της πλάκας.
Παρακάτω είναι μια περιγραφή των θερμοστοιχείων όπως τόξο, μπάλωμα και ξιφολόγχη.Χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των θερμοκρασιών των επιφανειών των ακίνητων σωμάτων.
Θερμοστοιχείο με φιόγκο (κορδέλα)
Το θερμοστοιχείο μύτης είναι εξοπλισμένο με ένα ευαίσθητο στοιχείο κατασκευασμένο με τη μορφή λωρίδας από δύο μέταλλα ή κράματα (για παράδειγμα, χρώμιο και αλουμέλα) με μήκος 300 mm, πλάτος 10-15 mm, συγκολλημένη ή συγκολλημένη στο μέτωπο και τυλίγεται σε πάχος 0,1-0,2mm...
Τα άκρα της ταινίας με έναν σύνδεσμο στη μέση στερεώνονται σε μονωτήρες στα άκρα μιας ελατηριωτής λαβής σε σχήμα τόξου έτσι ώστε η ταινία να είναι τεντωμένη ανά πάσα στιγμή. Από τα άκρα του μέχρι τους ακροδέκτες της συσκευής μέτρησης (millivoltmeter) υπάρχουν σύρματα από τα ίδια υλικά με τα δύο μισά της ταινίας.
Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας μιας κυρτής επιφάνειας, το θερμοστοιχείο δέσμης πιέζεται πάνω σε αυτήν την επιφάνεια από το μεσαίο τμήμα έτσι ώστε η επιφάνεια να καλύπτεται με ταινία, τουλάχιστον για τμήματα 30 mm εκατέρωθεν της διασταύρωσης.
Θερμοστοιχείο χοίρου
Τα θερμοηλεκτρόδια που σχηματίζουν ένα θερμοστοιχείο συγκολλούνται στις διαμπερείς οπές του κόκκινου χάλκινου δίσκου. Για να εξασφαλιστεί η μηχανική αντοχή της κατασκευής, χρησιμοποιούνται θερμοηλεκτρόδια με διάμετρο 2 — 3 mm. Η κάτω επιφάνεια του δίσκου (το «μπάλωμα») χυτεύεται στην επιφάνεια για την οποία το θερμοστοιχείο προορίζεται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.
Η θερμοηλεκτρική δύναμη του θερμοστοιχείου εμπλάστρου σχηματίζεται ως αποτέλεσμα του κλεισίματος των θερμοηλεκτροδίων από το μέταλλο του επιθέματος. Σε καλή συγκόλληση, αυτό το κλείσιμο συμβαίνει σε ολόκληρη την επιφάνεια των τμημάτων του θερμοηλεκτροδίου που βρίσκονται σε εσοχή μέσα στο έμπλαστρο.Αλλά το ηλεκτρικό κύκλωμα με τη χαμηλότερη αντίσταση σχηματίζεται κυρίως από το ανώτερο επιφανειακό στρώμα του επιθέματος και η θερμοκρασία αυτού του στρώματος καθορίζει κυρίως τη θερμοηλεκτρική ισχύ. και τα λοιπά. v. θερμοστοιχεία.
Οι εξισώσεις ισορροπίας θερμότητας του θερμοστοιχείου μπαλώματος είναι παρόμοιες με αυτές που έγιναν παραπάνω για το θερμοστοιχείο λωρίδας, με τη διαφορά ότι εκτός από τη ροή θερμότητας που διαχέεται ως αποτέλεσμα της μεταφοράς θερμότητας συναγωγής και ακτινοβολίας από την εξωτερική επιφάνεια του επιθέματος, μεγάλη Σημασία έχει να ληφθεί υπόψη το μέρος της διαλυμένης ροής θερμότητας που αναρροφάται από τα μπαλώματα θερμοηλεκτροδίων λόγω της θερμικής αγωγιμότητάς τους.
Είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η ακόλουθη περίσταση. Τα θερμοηλεκτρόδια κατασκευάζονται από διαφορετικά μέταλλα ή κράματα με διαφορετικές τιμές του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Έτσι, για παράδειγμα, το θερμοστοιχείο πλατίνας-ρόδιου τύπου PP χαρακτηρίζεται από συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας που είναι ο μισός από αυτόν του δεύτερου θερμοστοιχείου - πλατίνα.
Εάν οι διάμετροι των θερμοηλεκτροδίων είναι ίδιες, τότε η διαφορά στις τιμές των συντελεστών θερμικής αγωγιμότητας των θερμοηλεκτροδίων θα οδηγήσει στο γεγονός ότι σχηματίζεται διαφορά θερμοκρασίας στα σημεία ηλεκτρικής επαφής των θερμοηλεκτροδίων με το έμπλαστρο, το οποίο θα οδηγήσει στην εμφάνιση παρασιτικής θερμοηλεκτρικής ενέργειας στο κύκλωμα του θερμοστοιχείου. και τα λοιπά. με
Καρφίτσα θερμοστοιχείο
Τα θερμοστοιχεία αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μέτρηση των επιφανειακών θερμοκρασιών σχετικά μαλακών μετάλλων και κραμάτων. Για ένα θερμοστοιχείο μπαγιονέτ, χρησιμοποιούνται θερμοηλεκτρόδια κατασκευασμένα από επαρκώς σκληρά κράματα, για παράδειγμα χρώμιο και αλουμέλα με διάμετρο 3-5 mm.
Ένα από τα θερμοηλεκτρόδια του θερμοστοιχείου είναι στερεωμένο σταθερά στην κεφαλή και το δεύτερο μπορεί να κινηθεί στον άξονά του και σε κατάσταση μη λειτουργίας, το άκρο του έλκεται από ένα ελατήριο κάτω από το άκρο του πρώτου θερμοηλεκτροδίου. Τα άκρα των δύο θερμοηλεκτροδίων είναι μυτερά.
Όταν ένα θερμοστοιχείο φέρεται σε ένα αντικείμενο σημαντικού μεγέθους, η επιφάνεια του αντικειμένου αγγίζει πρώτα την άκρη του κινητού θερμοηλεκτροδίου. Με πρόσθετη πίεση στην κεφαλή, το θερμοηλεκτρόδιο εισέρχεται σε αυτήν μέχρι η άκρη του θερμοηλεκτροδίου να συναντήσει την επιφάνεια του αντικειμένου. Στη συνέχεια, και τα δύο σημεία τρυπούν την επιφάνεια του φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια του αντικειμένου και αυτό το μέταλλο κλείνει το ηλεκτρικό κύκλωμα του θερμοστοιχείου.
Με καλό ακόνισμα των άκρων των θερμοηλεκτροδίων, το θερμοστοιχείο δίνει αξιόπιστα αποτελέσματα για τη μέτρηση των θερμοκρασιών των επιφανειών των μη σιδηρούχων μετάλλων με ένα μαλακό, εύκολα τρυπημένο φιλμ οξειδίου.
Η χρήση ενός θερμοστοιχείου μπαγιονέτ με αμβλεία άκρη οδηγεί στο γεγονός ότι οι επιφάνειες επαφής των δύο θερμοηλεκτροδίων με το αντικείμενο γίνονται σχετικά μεγάλες, με αποτέλεσμα οι επιφάνειες των αντικειμένων να ψύχονται στα σημεία όπου τα άκρα των θερμοζευγών εφάπτονται και το θερμοστοιχείο δίνει σαφώς υποτιμημένες ενδείξεις θερμοκρασίας. Ωστόσο, ήδη μετά από 20-30 δευτερόλεπτα, η θερμότητα που προέρχεται από τις γύρω περιοχές του αντικειμένου θερμαίνει το ψυχρό τμήμα και μαζί με αυτό τα άκρα των θερμοηλεκτροδίων.
Έτσι, ένα θερμοστοιχείο μπαγιονέτ με αμβλεία άκρα τη στιγμή της επαφής δίνει υποτιμημένες μετρήσεις της θερμοκρασίας του αντικειμένου, μετά από τις οποίες, μέσα σε λίγες δεκάδες δευτερόλεπτα, οι ενδείξεις του αυξάνονται, προσεγγίζοντας ασυμπτωτικά μια σταθερή τιμή.Αυτή η σταθερή τιμή διαφέρει περισσότερο από την πραγματική τιμή της θερμοκρασίας επιφάνειας του αντικειμένου, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια επαφής των αμβλέων άκρων των θερμοηλεκτροδίων με το αντικείμενο.
Βαθμονόμηση επιφανειακών θερμοστοιχείων
Η σταθερή θερμοκρασία του επιφανειακού θερμοστοιχείου είναι χαμηλότερη από τη μετρούμενη θερμοκρασία της επιφάνειας με την οποία έρχεται σε επαφή το θερμοστοιχείο. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη βαθμονόμηση του επιφανειακού θερμοστοιχείου υπό συνθήκες μεταφοράς θερμότητας από την εξωτερική του επιφάνεια, πλησιάζοντας τις συνθήκες λειτουργίας.
Από αυτή τη θέση, προκύπτει ότι το χαρακτηριστικό βαθμονόμησης των επιφανειών θερμοστοιχείου μπορεί να διαφέρει σημαντικά από το χαρακτηριστικό ενός θερμοστοιχείου που σχηματίζεται από τα ίδια θερμοηλεκτρόδια, αλλά βαθμονομείται με τη μέθοδο σύγκρισης με ένα παράδειγμα, όταν αυτά βυθίζονται ταυτόχρονα σε θερμοστοποιημένο χώρο.
Επομένως, τα επιφανειακά θερμοστοιχεία δεν μπορούν να βαθμονομηθούν με εμβάπτιση σε θερμοστάτες (υγροί εργαστηριακοί θερμοστάτες για τη βαθμονόμηση θερμοστοιχείων). Πρέπει να εφαρμοστεί διαφορετική τεχνική βαθμονόμησης σε αυτά.
Τα επιφανειακά θερμοστοιχεία βαθμονομούνται εφαρμόζοντας την απαιτούμενη πίεση στην εξωτερική μεταλλική επιφάνεια του υγρού θερμοστάτη με λεπτό τοίχωμα. Το θερμαινόμενο υγρό μέσα στον θερμοστάτη αναμειγνύεται καλά και η θερμοκρασία του μετράται με κάποια συσκευή δείγματος.
Η εξωτερική επιφάνεια του θερμοστάτη καλύπτεται με ένα στρώμα θερμομόνωσης. Η θερμομόνωση δεν καλύπτει μόνο μια μικρή περιοχή της εξωτερικής επιφάνειας, η οποία είναι περίπου το μισό από το ύψος του θερμοστάτη, στον οποίο εφαρμόζεται το θερμοστοιχείο.
Σε αυτό το σχέδιο, η θερμοκρασία της μεταλλικής επιφάνειας του θερμοστάτη κάτω από το επιφανειακό θερμοστοιχείο, με σφάλμα που δεν υπερβαίνει τα μερικά δέκατα του βαθμού, μπορεί να θεωρηθεί ίση με τη θερμοκρασία του υγρού στον θερμοστάτη.