Měření povrchových teplot termočlánky

Neexistuje termočlánek jednoho typuurčený k měření povrchové teploty pevných těles (povrchové termočlánky). Množství existujících konstrukcí povrchových termočlánků je způsobeno především rozmanitostí podmínek měření a vlastnostmi povrchů, jejichž teploty mají být měřeny.

V průmyslové praxi je nutné měřit teploty povrchů s různými geometrickými tvary, pevných a rotačních těles, elektricky vodivých těles a izolantů, těles s vysokou a nízkou tepelnou vodivostí, hladkých a drsných. Proto povrchové termočlánky vhodné pro použití v některých podmínkách jsou nevhodné v jiných.

Měření teploty kovového povrchu svařováním termočlánku

Poměrně často je pro měření teplot zahřátých tenkých kovových desek nebo pevných těles termočlánkový přechod přímo připájen nebo přivařen k testovanému povrchu.Tento způsob měření teploty lze považovat za přijatelný pouze tehdy, jsou-li přijata určitá opatření.

Výměna tepla mezi povrchem desky a spojovací koulí termočlánků se uskutečňuje především tepelným tokem procházejícím jejich kontaktní plochou, která je součástí povrchu přechodu a termoelektrod přiléhajících ke spoji. Do určité míry dochází k výměně tepla sáláním mezi deskou a částí povrchu termoelektrodového přechodu, která s ní není v kontaktu.

Na druhé straně část povrchu přechodu, která je v kontaktu s deskou a termoelektrodami termočlánku, ztrácí tepelnou energii v důsledku sálání do chladnějších těles obklopujících desku a konvekčního přenosu tepla do proudů vzduchu omývajících přechod.

Tudíž spojení a přilehlé termoelektrody termočlánku rozptýlí významnou část tepelné energie, která je kontinuálně přiváděna do spojení přes kontaktní povrch desky.

V důsledku rovnováhy se teplota přechodu a přilehlé části povrchu desky ukáže být mnohem nižší než teplota částí desky vzdálených od spojení (při měření vysokých teplot tenkých desek, tato systematická chyba měření může dosáhnout stovek stupňů).

Tato chyba je redukována snížením množství tepelného toku rozptýleného přechodovými elektrodami a termočlánkem.Pro tento účel je užitečné použít termočlánky vyrobené z co nejtenčích termoelektrod.

Samotné termoelektrody by se neměly z desky ihned odstraňovat, ale je lepší je nejprve umístit do tepelného kontaktu s deskou ve vzdálenosti rovné alespoň 50 průměrům termoelektrod.

Je třeba mít na paměti, že pokud deska a povrch termoelektrod nejsou zoxidované, mohou být deskou uzavřeny a měřený termoelektrický výkon. atd. v. termočlánek bude odpovídat teplotě nikoli přechodu termočlánku, ale teplotě bodu kontaktu termočlánku s povrchem.

V tomto případě by měla být mezi termoelektrody a desku umístěna tenká vrstva elektrické izolace, například tenký plát slídy. Doporučuje se také pokrýt celý povrch křižovatky a oblast termoelektrody vrstvou tepelné izolace, například žáruvzdorným nátěrem, aby se snížily ztráty sáláním a přenosem tepla konvekcí.

Dodržováním těchto opatření je možné zajistit, že povrchová teplota kovových částí je měřena v rozmezí několika stupňů.

Někdy to není spojení termočlánku, které je přivařeno k povrchu kovové desky, ale jeho termočlánky v určité vzdálenosti od sebe.

Tento způsob měření teploty kovového povrchu lze považovat za přijatelný pouze tehdy, existuje-li důvěra v rovnost teplot desek ve dvou bodech svařování termoelektrod. Jinak se v obvodu termočlánku objeví parazitní termoelektrická energie. d. je vyvinut z termoelektrodových materiálů s deskovým materiálem.

Níže je uveden popis termočlánků, jako je luk, záplata a bajonet.Používají se k měření teplot povrchů stacionárních těles.

Termočlánek s lukem (stužka)

Nosní termočlánek je vybaven citlivým prvkem vyrobeným ve formě pásku ze dvou kovů nebo slitin (například chromel a alumel) o délce 300 mm, šířce 10 — 15 mm, pájených nebo svařovaných v čelo a vyválcované na tloušťku 0,1 — 0,2mm...

Konce pásku s kloubem uprostřed jsou upevněny na izolátorech na koncích mašličkového pružinového madla tak, aby pásek byl neustále napnutý. Od jeho konců ke svorkám měřicího zařízení (milivoltmetru) vedou vodiče ze stejných materiálů jako obě poloviny pásku.

Pro měření teploty konvexního povrchu se termočlánek paprsku přitlačí k tomuto povrchu ze střední části tak, aby byl povrch pokryt páskou, alespoň na 30 mm úsecích na každé straně spoje.

Prasečí termočlánek

Termoelektrody tvořící termočlánek jsou připájeny do průchozích otvorů kotouče z červené mědi. Pro zajištění mechanické pevnosti konstrukce se používají termoelektrody o průměru 2 — 3 mm. Spodní povrch disku ("záplata") je vytvarován do povrchu, pro který je termočlánek určen k měření teploty.

Termoelektromotorická síla náplastového termočlánku je vytvořena jako výsledek uzavření termoelektrod kovem náplasti. Při dobrém pájení se toto uzavření vyskytuje po celém povrchu termoelektrodových segmentů zapuštěných uvnitř záplaty.Ale elektrický obvod s nejnižším odporem je tvořen především horní povrchovou vrstvou náplasti a teplota této vrstvy určuje především termoelektrický výkon. atd. v. termočlánky.

Rovnice tepelné bilance termočlánku náplasti jsou podobné těm, které byly provedeny výše pro proužkový termočlánek, s tím rozdílem, že kromě tepelného toku rozptýleného v důsledku konvekčního a radiačního přenosu tepla z vnějšího povrchu náplasti je velký důležité je vzít v úvahu část rozptýleného tepelného toku nasávaného termoelektrodovými záplatami v důsledku jejich tepelné vodivosti.

Je třeba vzít v úvahu následující okolnost. Termoelektrody jsou vyrobeny z různých kovů nebo slitin s různými hodnotami koeficientu tepelné vodivosti. Tak např. platino-rhodiový termočlánek typu PP se vyznačuje součinitelem tepelné vodivosti, který je poloviční než u druhého termočlánku - platiny.

Pokud jsou průměry termoelektrod stejné, pak rozdíl v hodnotách koeficientů tepelné vodivosti termoelektrod povede k tomu, že v místech elektrického kontaktu termoelektrod se vytvoří teplotní rozdíl. patch, což povede k výskytu parazitní termoelektrické energie v obvodu termočlánku. atd. s

Kolíkový termočlánek

Termočlánky tohoto typu se primárně používají k měření povrchových teplot relativně měkkých kovů a slitin. Pro bajonetový termočlánek se používají termoelektrody z dostatečně tvrdých slitin, například chromel a alumel o průměru 3-5 mm.

Jedna z termočlánkových termoelektrod je upevněna pevně na hlavě a druhá se může pohybovat po své ose a v nepracovním stavu je její konec tažen pružinou pod koncem první termoelektrody. Konce dvou termoelektrod jsou špičaté.

Když je termočlánek přiveden k předmětu značné velikosti, povrch předmětu se nejprve dotkne hrotu pohyblivé termoelektrody. S dalším tlakem na hlavu do ní termoelektroda vstupuje, dokud se hrot termoelektrody nedotkne povrchu předmětu. Oba hroty pak prorazí povrchový oxidový film na povrchu předmětu a tento kov uzavře elektrický obvod termočlánku.

Při dobrém ostření konců termoelektrod poskytuje termočlánek spolehlivé výsledky pro měření teplot povrchů neželezných kovů s měkkým, snadno propíchnutelným oxidovým filmem.

Použití bajonetového termočlánku s tupými hroty vede k tomu, že se styčné plochy dvou termoelektrod s předmětem poměrně zvětší, v důsledku čehož se povrchy předmětů ochlazují v místech, kde se konce termočlánků dotýkají, resp. termočlánek dává jasně podhodnocené hodnoty teploty. Již po 20 — 30 sekundách však teplo přicházející z okolních oblastí předmětu ohřívá chlazenou sekci a s ní i konce termoelektrod.

Bajonetový termočlánek s tupými konci v okamžiku kontaktu tedy dává podhodnocené údaje o teplotě předmětu, načež se během několika desítek sekund jeho údaje zvyšují a asymptoticky se blíží stabilní hodnotě.Tato stabilní hodnota se liší více od skutečné hodnoty povrchové teploty předmětu, čím větší je kontaktní plocha tupých konců termoelektrod s předmětem.

Kalibrace povrchových termočlánků

Stacionární teplota povrchového termočlánku je nižší než naměřená teplota povrchu, se kterým je termočlánek v kontaktu. Tento teplotní rozdíl může být z velké části způsoben kalibrací povrchového termočlánku za podmínek přenosu tepla z jeho vnějšího povrchu, které se blíží provozním podmínkám.

Z této pozice vyplývá, že kalibrační charakteristika povrchů termočlánků se může výrazně lišit od charakteristiky termočlánku tvořeného stejnými termoelektrodami, ale kalibrovaného metodou srovnání s příkladem, kdy jsou současně ponořeny do termostatovaného prostoru.

Povrchové termočlánky proto nelze kalibrovat ponořením do termostatů (tekuté laboratorní ohřívací termostaty pro kalibraci termočlánků). Musí se na ně použít jiná technika kalibrace.

Povrchové termočlánky se kalibrují působením požadovaného tlaku na vnější kovový povrch tenkostěnného kapalinového termostatu. Ohřátá kapalina uvnitř termostatu se dobře promíchá a její teplota se měří nějakým vzorkovým zařízením.

Vnější povrch termostatu je pokryt vrstvou tepelné izolace. Tepelná izolace nepokrývá pouze malou plochu vnějšího povrchu, což je přibližně polovina výšky termostatu, na který je termočlánek aplikován.

V tomto provedení lze teplotu kovového povrchu termostatu pod povrchovým termočlánkem s chybou nepřesahující několik desetin stupně považovat za rovnou teplotě kapaliny v termostatu.