יש הרבה מכשירים ומנגנונים המאפשרים לך למדוד טמפרטורה. חלקם משמשים בחיי היומיום, חלקם - למחקרים פיזיקליים שונים, בתהליכי ייצור ותעשיות אחרות.
מכשיר אחד כזה הוא צמד תרמי. נשקול את עקרון הפעולה ואת התוכנית של מכשיר זה בסעיפים הבאים.
הבסיס הפיזי של פעולת הצמד התרמי
עקרון העבודה של צמד תרמי מבוסס על תהליכים פיזיקליים רגילים. בפעם הראשונה, ההשפעה עליה עובד מכשיר זה נחקרה על ידי המדען הגרמני תומס סיבק.
מהות התופעה עליה נשען עקרון הפעולה של צמד תרמי הוא כדלקמן. במעגל חשמלי סגור, המורכב משני מוליכים מסוגים שונים, כאשר נחשפים לטמפרטורת סביבה מסוימת, נוצר חשמל.
הזרימה החשמלית המתקבלת וטמפרטורת הסביבה הפועלת על המוליכים נמצאים בקשר ליניארי. כלומר, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך גדל הזרם החשמלי שמפיק הצמד התרמי. עלזהו עקרון הפעולה של הצמד התרמי ומדחום ההתנגדות.
במקרה זה, מגע תרמי אחד ממוקם בנקודה שבה יש צורך למדוד את הטמפרטורה, זה נקרא "חם". המגע השני, במילים אחרות - "קר", - בכיוון ההפוך. השימוש בצמדים תרמיים למדידה מותר רק כאשר טמפרטורת האוויר בחדר נמוכה יותר מאשר במקום המדידה.
זהו תרשים קצר של פעולתו של צמד תרמי, עקרון הפעולה. סוגי הצמדים התרמיים יידונו בסעיף הבא.
סוגי צמדים תרמיים
בכל תעשייה שבה יש צורך במדידות טמפרטורה, הצמד התרמי הוא היישום העיקרי. ההתקן ועיקרון הפעולה של סוגים שונים של יחידה זו מפורטים להלן.
צמדי תרמו-אלומיניום שלכרומל
מעגלים תרמיים אלו משמשים ברוב המקרים לייצור חיישנים ובדיקות שונות המאפשרים לשלוט בטמפרטורה בייצור תעשייתי.
התכונות הייחודיות שלהם כוללות מחיר נמוך למדי ומגוון עצום של טמפרטורות נמדדות. הם מאפשרים לך לקבוע את הטמפרטורה בין -200 ל-+13000 מעלות צלזיוס.
לא כדאי להשתמש בצמדים תרמיים עם סגסוגות דומות בחנויות ובמתקנים עם תכולת גופרית גבוהה באוויר, שכן יסוד כימי זה משפיע לרעה הן על כרום והן אלומיניום, וגורם לתקלות במכשיר.
צמדים תרמיים של Chromel-Kopel
עקרון הפעולה של צמד תרמי, שקבוצת המגע שלו מורכבת מסגסוגות אלו, זהה.אבל מכשירים אלה פועלים בעיקר במדיום נוזלי או גזי, בעל תכונות ניטרליות, לא אגרסיביות. מדד הטמפרטורה העליון אינו עולה על +8000 מעלות צלזיוס.
נעשה שימוש בצמד תרמי דומה, שהעיקרון שלו מאפשר להשתמש בו כדי לקבוע את מידת החימום של כל משטחים, למשל, כדי לקבוע את הטמפרטורה של תנורים פתוחים או מבנים דומים אחרים.
צמדים תרמו-קונסטנטן של ברזל
שילוב זה של מגעים בצמד תרמי אינו נפוץ כמו הראשון מבין הזנים הנחשבים. עקרון הפעולה של צמד תרמי זהה, אבל שילוב זה הראה את עצמו היטב באווירה נדירה. הרמה המקסימלית של הטמפרטורה הנמדדת לא תעלה על +12500 מעלות צלזיוס.
עם זאת, אם הטמפרטורה מתחילה לעלות מעל +7000 מעלות, קיימת סכנה להפרות של דיוק המדידה עקב שינויים בתכונות הפיזיקליות והכימיות של הברזל. ישנם אפילו מקרים של קורוזיה של מגע הברזל של הצמד התרמי בנוכחות אדי מים באוויר הסביבה.
צמדים תרמיים פלטינורודיום-פלטינה
הצמד התרמי היקר ביותר לייצור. עקרון הפעולה זהה, אך הוא שונה ממקבילותיו בקריאות טמפרטורה יציבות ואמינות מאוד. יש רגישות מופחתת.
היישום העיקרי של מכשירים אלה הוא מדידת טמפרטורות גבוהות.
צמדי טונגסטן-רניום
משמש גם למדידת טמפרטורות גבוהות במיוחד.המגבלה המקסימלית שניתן לתקן באמצעות תוכנית זו מגיעה ל-25 אלף מעלות צלזיוס.
היישום שלהם מחייב עמידה בתנאים מסוימים. לפיכך, בתהליך מדידת הטמפרטורה יש צורך לסלק לחלוטין את האטמוספרה שמסביב, אשר משפיעה לרעה על המגעים כתוצאה מתהליך החמצון.
לשם כך, צמדים תרמיים של טונגסטן-רניום ממוקמים בדרך כלל במארזי הגנה מלאים בגז אינרטי כדי להגן על היסודות שלהם.
לעיל, נשקלו כל צמד תרמי קיים, מכשיר, עקרון הפעולה שלו, בהתאם לסגסוגות המשמשות. עכשיו שקול כמה מאפייני עיצוב.
עיצובי צמד תרמי
ישנם שני סוגים עיקריים של עיצובים של צמד תרמי.
- עם שכבת בידוד. עיצוב זה של הצמד התרמי מספק לבידוד שכבת העבודה של המכשיר מזרם חשמלי. סידור זה מאפשר להשתמש בצמד התרמי בתהליך מבלי לבודד את הקלט מהאדמה.
-
ללא שימוש בשכבת בידוד. צמדים תרמיים כאלה יכולים להיות מחוברים רק למעגלי מדידה שלכניסות שלהם אין מגע עם האדמה. אם תנאי זה לא מתקיים, המכשיר יפתח שני מעגלים סגורים עצמאיים, וכתוצאה מכך קריאות צמד תרמי לא חוקיות.
צמד תרמי מטייל והיישום שלו
יש נפרדסוג של מכשיר זה, הנקרא "ריצה". כעת נשקול את עקרון הפעולה של צמד תרמי פועל ביתר פירוט.
עיצוב זה משמש בעיקר לזיהוי הטמפרטורה של בילט פלדה במהלך העיבוד שלו במכונות חריטה, כרסום ומכונות דומות אחרות.
יש לציין שבמקרה זה ניתן להשתמש גם בצמד תרמי קונבנציונלי, אולם אם תהליך הייצור דורש דיוק טמפרטורות גבוה, קשה להעריך יתר על המידה את הצמד התרמי הפועל.
בעת יישום שיטה זו, רכיבי המגע שלו מולחמים בחומר העבודה מראש. לאחר מכן, במהלך עיבוד החסר, המגעים הללו חשופים כל הזמן לפעולת חותך או כלי עבודה אחר של המכונה, וכתוצאה מכך נראה שהצומת (שהיא המרכיב העיקרי בעת ביצוע קריאות טמפרטורה) "פועלת " לאורך אנשי הקשר.
אפקט זה נמצא בשימוש נרחב בתעשיית עיבוד המתכת.
תכונות טכנולוגיות של עיצובי צמד תרמי
בעת ייצור מעגל תרמי עובד, מולחמים שני מגעי מתכת, אשר, כידוע, עשויים מחומרים שונים. הצומת נקרא צומת.
יש לציין שאין צורך לבצע חיבור זה באמצעות הלחמה. כל שעליך לעשות הוא לסובב שני מגעים יחד. אבל לשיטת ייצור כזו לא תהיה רמת אמינות מספקת, והיא עשויה גם לתת שגיאות בעת ביצוע קריאות טמפרטורה.
אם אתה צריך למדוד גבוהטמפרטורות, הלחמת מתכות מוחלפת בריתוך שלהם. זאת בשל העובדה שברוב המקרים ההלחמה המשמשת בחיבור היא בעלת נקודת התכה נמוכה ומתפרקת בעת חריגה ממנה.
מעגלים מרותכים יכולים לעמוד בטווח טמפרטורות רחב יותר. אבל לשיטת החיבור הזו יש גם חסרונות. המבנה הפנימי של המתכת בעת חשיפה לטמפרטורות גבוהות במהלך תהליך הריתוך עשוי להשתנות, מה שישפיע על איכות הנתונים המתקבלים.
בנוסף, יש לנטר את מצב המגעים של הצמד התרמי במהלך פעולתם. אז אפשר לשנות את המאפיינים של מתכות במעגל בגלל ההשפעה של סביבה אגרסיבית. עלול להתרחש חמצון או דיפוזיה של חומרים. במצב כזה, יש להחליף את מעגל הפעולה של הצמד התרמי.
סוגי צמתים תרמיים
התעשייה המודרנית מייצרת מספר עיצובים המשמשים בייצור של צמדים תרמיים:
- צומת פתוחה;
- עם צומת מבודד;
- עם צומת מקורקע.
תכונה של צמדים תרמיים עם צומת פתוח היא עמידות ירודה להשפעות חיצוניות.
ניתן להשתמש בשני סוגי העיצוב הבאים בעת מדידת טמפרטורות בסביבות אגרסיביות שיש להן השפעה הרסנית על צמד אנשי הקשר.
בנוסף, התעשייה שולטת כעת בתוכניות לייצור של צמדים תרמיים באמצעות טכנולוגיות מוליכים למחצה.
שגיאת מדידה
נכונות קריאות הטמפרטורה המתקבלות באמצעות צמד תרמי תלויה בחומר של קבוצת המגע, כמו גם בגורמים חיצוניים. האחרונים כוללים לחץ, רקע קרינה או סיבות אחרות שיכולות להשפיע על הפרמטרים הפיזיקליים-כימיים של המתכות שמהן נוצרים המגעים.
שגיאת מדידה מורכבת מהרכיבים הבאים:
- שגיאה אקראית הנגרמת מתהליך הייצור של הצמד התרמי;
- שגיאה הנגרמת מהפרה של משטר הטמפרטורה של איש הקשר ה"קר";
- שגיאה הנגרמת מהפרעה חיצונית;
- שגיאה של ציוד בקרה.
היתרונות של שימוש בצמדים תרמיים
היתרונות של שימוש במכשירי בקרת טמפרטורה אלה, ללא קשר ליישום, כוללים:
- מגוון גדול של מחוונים שניתן להקליט באמצעות צמד תרמי;
- הצומת של הצמד התרמי, המעורב ישירות בביצוע קריאות, יכול להיות ממוקם במגע ישיר עם נקודת המדידה;
- צמדים תרמיים קלים לייצור, עמידים ועמידים לאורך זמן.
חסרונות של מדידת טמפרטורה עם צמד תרמי
החסרונות של שימוש בצמד תרמי כוללים:
- הצורך בניטור מתמיד של הטמפרטורה של המגע ה"קר" של הצמד התרמי. זהו מאפיין ייחודיתכונת עיצוב של מכשירי מדידה, המבוססים על צמד תרמי. עקרון הפעולה של תכנית זו מצמצם את היקף היישום שלה. ניתן להשתמש בהם רק אם טמפרטורת הסביבה נמוכה מהטמפרטורה בנקודת המדידה.
- הפרה של המבנה הפנימי של מתכות המשמשות לייצור צמדים תרמיים. העובדה היא שכתוצאה מחשיפה לסביבה החיצונית, המגעים מאבדים מאחידותם, מה שגורם לשגיאות במחווני הטמפרטורה המתקבלים.
- במהלך תהליך המדידה, קבוצת המגע של הצמד התרמי נחשפת בדרך כלל להשפעה השלילית של הסביבה, הגורמת להפרעות בתהליך. זה שוב מצריך איטום של המגעים, מה שגורם לעלויות תחזוקה נוספות עבור חיישנים כאלה.
- קיים סיכון לחשיפה לגלים אלקטרומגנטיים על צמד תרמי, שעיצובו מספק קבוצת מגע ארוכה. זה עשוי להשפיע גם על תוצאות המדידה.
- במקרים מסוימים קיימת הפרה של הקשר הליניארי בין הזרם החשמלי המתרחש בצמד התרמי לבין הטמפרטורה באתר המדידה. מצב זה דורש כיול של ציוד בקרה.
מסקנה
למרות חסרונותיה, שיטת מדידת הטמפרטורה באמצעות צמדים תרמיים, שהומצאה ונבדקה לראשונה במאה ה-19, מצאה את יישומו הרחב בכל ענפי התעשייה המודרנית.
בנוסף, יש יישומים שבהם השימוש בצמדים תרמייםזו הדרך היחידה לקבל נתוני טמפרטורה. ואחרי שקראת את החומר הזה, הבנת לגמרי את העקרונות הבסיסיים של עבודתם.
