Hőelem

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. október 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Hőelem (termoelektromos átalakító) - különböző anyagokból készült vezetőpár formájában lévő eszköz, amely az egyik végén kapcsolódik és egy olyan eszköz részét képezi, amely a termoelektromos hatást használja a méréshez [1] . Az iparban, a tudományos kutatásban, az orvostudományban és az automatizálási rendszerekben használják, főként hőmérsékletmérésre és -szabályozásra.

Azon zónák hőmérséklet-különbségének mérésére, amelyek egyike sem tartalmaz másodlagos átalakítót (termo-EMF mérő), célszerű differenciális hőelemet használni: két azonos hőelem, amelyek elektromosan kapcsolódnak egymáshoz. Mindegyik méri a hőmérséklet-különbséget a működési csomópontja és a feltételes csomópont között, amelyet a szekunder konverter kivezetéseihez csatlakoztatott hőelemek végei alkotnak. Általában a szekunder konverter méri az EMF különbségüket, így két hőelem segítségével a feszültségmérési eredményekből meg lehet mérni a hőmérséklet-különbséget a működési csomópontjaik között. A módszer nem pontos, ha a szekunder konverterben nincs biztosítva a hőelemek statikus karakterisztikájának linearizálása, mivel bizonyos mértékig minden hőelem rendelkezik nemlineáris statikus konverziós karakterisztikával [2] .

Hogyan működik

A működési elv a Seebeck-effektuson , vagy más szóval a termoelektromos effektuson alapul. A csatlakoztatott vezetékek között érintkezési potenciálkülönbség van ; ha a gyűrűben összekapcsolt vezetők csatlakozásai azonos hőmérsékletűek, akkor az ilyen potenciálkülönbségek összege nulla. Ha a különböző vezetők csatlakozásai különböző hőmérsékletűek, a köztük lévő potenciálkülönbség a hőmérséklet-különbségtől függ. Ebben a függőségben az arányossági együtthatót termo-EMF együtthatónak nevezzük. Különböző fémek esetében a termo-EMF együttható eltérő, és ennek megfelelően a különböző vezetők végei között fellépő potenciálkülönbség eltérő lesz. A nullától eltérő termo-EMF együtthatójú fémek csomópontját egy hőmérsékletű közegbe helyezve feszültséget kapunk az eltérő hőmérsékleten lévő ellentétes érintkezők között , amely arányos a hőmérséklet-különbséggel:

Csatlakozási módok

A hőelem mérőátalakítókhoz való csatlakoztatásának két leggyakoribb módja van: egyszerű és differenciális. Az első esetben a mérőátalakító közvetlenül két termoelektródához van csatlakoztatva. A második esetben két különböző termo-EMF együtthatójú vezetéket használnak, mindkét végén forrasztva, és a mérőátalakítót az egyik vezető résébe helyezik. Mindenesetre speciális hőelem kábeleket és vezetékeket használnak a hőelemek csatlakoztatásához .

A hosszabbító vagy kiegyenlítő vezetékek a hőelemek távoli csatlakoztatására szolgálnak. A hosszabbítóhuzalok ugyanabból az anyagból készülnek, mint a termoelektródák, de eltérő átmérőjük lehet. A kompenzációs huzalokat főként nemesfém hőelemekkel használják, és eltérő összetételűek, mint a termoelektródák. A hőelemekre vonatkozó huzalkövetelményeket az IEC 60584-3 határozza meg.

A következő alapvető ajánlások javítják a hőelemes érzékelőt tartalmazó mérőrendszer [3] pontosságát :

— Nagyon vékony vezetékes miniatűr hőelemet csak nagyobb átmérőjű hosszabbító vezetékekkel szabad csatlakoztatni;

- Ha lehetséges, kerülje a hőelem vezetékének mechanikai feszültségét és rezgését;

- Ha hosszú hosszabbító vezetékeket használ, az interferencia elkerülése érdekében csatlakoztassa a vezeték árnyékolóját a voltmérő képernyőjéhez, és óvatosan csavarja meg a vezetékeket;

— Ha lehetséges, kerülje az éles hőmérséklet-gradienseket a hőelem hossza mentén;

- A védőburkolat anyaga nem szennyezheti a hőelem elektródáit a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban, és megbízható védelmet kell nyújtania a hőelem vezetékének káros körülmények között végzett munka során;

— Használjon hosszabbító vezetékeket a működési tartományukon belül és minimális hőmérsékleti gradienssel;

- A hőmérsékletmérés további vezérléséhez és diagnosztikájához speciális, négy termoelektródával ellátott hőelemeket használnak, amelyek lehetővé teszik az áramköri ellenállás további mérését a hőelemek integritásának és megbízhatóságának ellenőrzésére.

Hőelemek alkalmazásai

Különböző típusú tárgyak és közegek hőmérsékletének mérésére, valamint egy hőmérséklet-érzékelőre az automatizált vezérlőrendszerekben. A volfrám - rénium ötvözetből készült hőelemek a legmagasabb hőmérsékletű érintkezési hőmérséklet-érzékelők [4] . Az ilyen hőelemeket a kohászatban használják az olvadt fémek hőmérsékletének mérésére.

Lángszabályozásra és gázszennyeződés elleni védelemre gázkazánokban és egyéb gázkészülékekben (pl. háztartási gáztűzhely). A hőelem árama, amelyet az égő lángja melegít, egy elektromágnes segítségével tartja nyitva a gázszelepet. Lángkimaradás esetén a hőelem árama csökken, az elektromágneses áram lecsökken, a szelep egy rugó segítségével elzárja a gázellátást.

Az 1920-as és 1930-as években hőelemeket használtak egyszerű rádióvevők és más gyengeáramú eszközök táplálására. A modern gyengeáramú készülékek (telefonok, kamerák stb.) akkumulátorainak nyílt tűzzel történő újratöltésére teljesen lehetséges a hőgenerátorok használata.

Sugárzás vevő

Történelmileg a hőelemek jelentik az egyik legkorábbi termoelektromos sugárzásérzékelőt [5] . Az 1830-as évek elejére nyúlnak vissza utalások ezek ilyen használatára [6] . Az első fotodetektorok egyetlen huzalpárt (réz- vas , bizmut-antimon) használtak, a forró csomópont egy megfeketedett aranylemezzel érintkezett. A későbbi tervekben félvezetőket kezdtek használni .

A hőelemek elektromosan bekapcsolhatók, így hőcsövet képezhetnek . A forró csomópontok vagy a vételi terület kerülete mentén, vagy egyenletesen helyezkednek el a felületen. Az első esetben az egyes hőelemek ugyanabban a síkban, a másodikban párhuzamosak egymással [7] .

A hőelemek előnyei

Hátrányok

A hőelemek típusai

A hőelemekre vonatkozó műszaki követelményeket a GOST 6616-94 határozza meg. A termoelektromos hőmérők szabványtáblázatai - névleges statikus konverziós jellemzők (NCX), tűrésosztályok és mérési tartományok az IEC 60584-1.2 szabványban és a GOST R 8.585-2001-ben találhatók.

Az IEC 60584-1 szabvány nem tartalmazza a nem nemesfém hőelemek termoelektródáinak pontos ötvözet-összetételét. A kromel-copel hőelemek THC és volfrám-rénium hőelemeinek névleges statikus jellemzőit csak a GOST R 8.585-2001 határozza meg. Az IEC szabvány nem tartalmaz hőelem adatokat. Emiatt az ezekből a fémpárokból származó import hőelemek jellemzői jelentősen eltérhetnek a hazaiaktól, például az importált L típusú és a hazai TXK típusú hőelemek nem cserélhetők fel. Ugyanakkor az importált berendezéseket általában nem a hazai szabványnak tervezték.

Az IEC 60584 jelenleg felülvizsgálat alatt áll. A szabványba tervezik az A-1 típusú volfrám-rénium hőelemeket, amelyek névleges statikus jellemzői megfelelnek az orosz szabványnak, és a C típusút az ASTM szabvány szerint [8] .

2008-ban az IEC két új típusú hőelemet vezetett be: arany-platina és platina-palládium. Az új IEC 62460 szabvány szabvány táblázatokat határoz meg ezekhez a tiszta fém hőelemekhez. Hasonló orosz szabvány még nincs.

Hőelemek összehasonlítása

Az alábbi táblázat több különböző típusú hőelem tulajdonságait írja le [9] . A pontossági oszlopokon belül a T a forró csomópont hőmérsékletét jelenti Celsius-fokban. Például egy ±0,0025×T pontosságú hőelem ±2,5°C pontosságú lenne 1000°C-on.

Típusú

hőelemek

IEC (IEC)

Anyag

pozitív

elektróda

Anyag

negatív

elektróda

Pace.

együttható,

µV/°C

Pace.

tartomány, °C

(hosszú)

Pace.

tartomány, °C

(röviden)

Pontossági osztály 1 (°C) 2. pontossági osztály (°C) IEC (IEC)

Színkódolás

K Chromel

Cr-Ni

Alumel

Ni-Al

40…41 0-tól +1100-ig −180 és +1300 között ±1,5 -40 °C és 375 °C között
±0,004 × T 375 °C és 1000 °C között 		±2,5 -40 °C-ról 333 °C-ra
±0,0075 × T 333 °C-ról 1200 °C-ra 		Zöld-fehér
J Vas

Fe

Constantan

Cu-Ni

55.2 0 és +700 között -180 és +800 között ±1,5 -40°C és 375°C között
±0,004 × T 375°C és 750°C között 		±2,5 -40 °C-ról 333 °C
-ra ±0,T 333 °C-ról 750 °C-ra 		Fekete-fehér
N Nichrosil

Ni-Cr-Si

Nisil

Ni-Si-Mg

26 0-tól +1100-ig -270 és +1300 között ±1,5 -40 °C és 375 °C között
±0,004 × T 375 °C és 1000 °C között 		±2,5 -40 °C-ról 333 °C-ra
±0,0075 × T 333 °C-ról 1200 °C-ra 		Lila-fehér
R Platina ródium

Pt-Rh (13% Rh)

Platina

Pt

5.3 0-tól +1600-ig −50 és +1700 között ±1,0 0 °C-tól 1100 °C-ig
±[1 + 0,003 × (T - 1100)] 1100 °C-tól 1600 °C-ig 		±1,5 0°C és 600°C között
±0,0025 × T 600°C és 1600°C között 		narancs-fehér
S Platina ródium

Pt-Rh (10% Rh)

Platina

Pt

5.4 0-tól 1600-ig −50-től +1750-ig ±1,0 0 °C-tól 1100 °C-ig
±[1 + 0,003 × (T - 1100)] 1100 °C-tól 1600 °C-ig 		±1,5 0°C és 600°C között
±0,0025 × T 600°C és 1600°C között 		narancs-fehér
B Platina ródium

Pt-Rh (30% Rh)

Platina ródium

Pt-Rh (6% Rh)

+200-tól +1700-ig 0-tól +1820-ig ±0,0025 × T 600 °C és 1700 °C között Hiányzó
T Réz

Cu

Constantan

Cu-Ni

38 −185 és +300 között -250 és +400 között ±0,5 -40 °C és 125 °C között
±0,004 × T 125 °C és 350 °C között 		±1,0 -40°C és 133°C között
±0,0075 × T 133°C és 350°C között 		barna-fehér
E Chromel

Cr-Ni

Constantan

Cu-Ni

68 0 és +800 között -40 és +900 között ±1,5 -40 °C és 375 °C között
±0,004 × T 375 °C és 800 °C között 		±2,5 -40 °C-ról 333 °C-ra
±0,0075 × T 333 °C-ról 900 °C-ra 		Lila-fehér

Jegyzetek

  1. ↑ IEC. Hőelemek – 1. rész: Az EMF specifikációi és tűrései, 2.2. szakasz  (eng.)  : szabvány. - 2013. Archiválva : 2021. október 15.
  2. ↑ ITS-90 T/C Polynomials-T30-Z (198. oldal) . Letöltve: 2019. november 19. Az eredetiből archiválva : 2021. május 18.
  3. ↑ A hőelem-hiba forrásai . Letöltve: 2009. december 23. Az eredetiből archiválva : 2009. december 23..
  4. ↑ Volfrám-rénium hőelemek használatában szerzett tapasztalat . Letöltve: 2013. március 20. Az eredetiből archiválva : 2014. február 13..
  5. ↑ Kies, 1985 , p. 75.
  6. ↑ Melloni, 1833 .
  7. ↑ Grunin, 2015 , p. 65.
  8. ↑ IEC 60584 revízió . Letöltve: 2009. december 23. Az eredetiből archiválva : 2009. december 23..
  9. ↑ GOST R 8.585-2001. Hőelemek. Névleges statikus átalakítási jellemzők . Letöltve: 2013. június 19. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 30..

Lásd még

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák