Mesura de temperatures superficials amb termoparells

No existeix termoparell d'un tipusdissenyat per mesurar la temperatura superficial de cossos sòlids (termoparells superficials). L'abundància de dissenys de termoparells de superfície existents es deu principalment a la varietat de condicions de mesura i propietats de les superfícies les temperatures de les quals s'han de mesurar.

En la pràctica industrial, cal mesurar les temperatures de superfícies amb diferents formes geomètriques, cossos fixos i giratoris, cossos elèctricament conductors i aïllants, cossos amb alta i baixa conductivitat tèrmica, llisos i rugosos. Per tant, els termoparells de superfície adequats per al seu ús en algunes condicions no són adequats en altres.

Mesura de la temperatura d'una superfície metàl·lica mitjançant la soldadura d'un termopar

Molt sovint, per mesurar les temperatures de plaques metàl·liques primes escalfades o cossos sòlids, una unió de termoparell es solda directament o es solda a la superfície a prova.Aquest mètode de mesura de la temperatura només es pot considerar acceptable si es prenen certes precaucions.

L'intercanvi de calor entre la superfície de la placa i la bola de connexió dels termoparells es realitza principalment pel flux de calor que passa per la seva superfície de contacte, que forma part de la superfície de la unió i dels termoelèctrodes adjacents a la unió. Fins a cert punt, l'intercanvi de calor es produeix per radiació entre la placa i la part de la superfície d'unió del termoelèctrode que no hi està en contacte.

D'altra banda, la part de la superfície de la unió en contacte amb la placa i els termoelèctrodes del termoparell perden energia tèrmica a causa de la radiació als cossos més freds que envolten la placa i la transferència de calor convectiva als fluxos d'aire rentant la unió.

Així, la unió i els termoelèctrodes del termoparell adjacents dissipen una part important de l'energia tèrmica que es subministra contínuament a la unió a través de la superfície de contacte de la placa.

Com a resultat de l'equilibri, la temperatura de la unió i la part adjacent de la superfície de la placa resulta ser molt inferior a la temperatura de les parts de la placa allunyades de la unió (quan es mesuren altes temperatures de plaques primes, aquest error de mesura sistemàtica pot arribar a centenars de graus).

Aquest error es redueix reduint la quantitat de flux de calor dissipat pels elèctrodes d'unió i el termoparell, per a això és útil utilitzar termoelèctrodes fets amb els termoelèctrodes més prims possibles.

Els termoelèctrodes no s'han de treure immediatament de la placa, però és millor col·locar-los primer en contacte tèrmic amb la placa a una distància igual a almenys 50 diàmetres dels termoelèctrodes.

Cal tenir en compte que si la placa i la superfície dels termoelèctrodes no s'oxiden, es poden tancar per la placa i potència termoelèctrica mesurada. etc. v. termoparell correspondrà a la temperatura no de la unió del termopar, sinó a la temperatura del punt de contacte del termopar amb la superfície.

En aquest cas, s'ha de col·locar una fina capa d'aïllament elèctric, per exemple una fina làmina de mica, entre els termoelèctrodes i la placa. També es recomana cobrir tota la superfície de la unió i la zona del termoelèctrode amb una capa d'aïllament tèrmic, per exemple un recobriment refractari, per reduir les pèrdues per radiació i transferència de calor convectiva.

Observant aquestes precaucions, és possible assegurar-se que la temperatura superficial de les peces metàl·liques es mesura en pocs graus.

De vegades no és la connexió del termoparell la que es solda a la superfície de la placa metàl·lica, sinó els seus termoparells a certa distància els uns dels altres.

Aquest mètode de mesura de la temperatura d'una superfície metàl·lica només es pot considerar acceptable si hi ha confiança en la igualtat de temperatures de les plaques en els dos punts de soldadura dels termoelèctrodes. En cas contrari, l'energia termoelèctrica paràsita apareixerà al circuit del termoparell. d. S'ha desenvolupat a partir dels materials del termoelèctrode amb el material de la placa.

A continuació es mostra una descripció de termoparells com ara arc, pegat i baioneta.S'utilitzen per mesurar les temperatures de les superfícies de cossos estacionaris.

Termoparell amb llaç (cinta)

El termoparell del nas està equipat amb un element sensible fet en forma de tira feta de dos metalls o aliatges (per exemple, cromel i alumel) amb una longitud de 300 mm, una amplada de 10-15 mm, soldada o soldada en el front i enrotllat fins a un gruix de 0,1 a 0,2 mm...

Els extrems de la banda amb una junta al mig es fixen en aïllants als extrems d'un mànec de molla en forma d'arc perquè la banda estigui tensa en tot moment. Des dels seus extrems fins als terminals de l'aparell de mesura (milivoltímetre) hi ha cables fets amb els mateixos materials que les dues meitats de la cinta.

Per mesurar la temperatura d'una superfície convexa, el termoparell del feix es pressiona contra aquesta superfície des de la part central de manera que la superfície es cobreixi amb cinta, almenys per a seccions de 30 mm a banda i banda de la unió.

Termoparell de porc

Els termoelèctrodes que formen un termopar es solden als forats passants del disc de coure vermell. Per garantir la resistència mecànica de l'estructura, s'utilitzen termoelèctrodes amb un diàmetre de 2 a 3 mm. La superfície inferior del disc (el "pegat") s'emmotlla a la superfície per a la qual el termoparell està destinat a mesurar la temperatura.

La força termoelectromotriu del termoparell del pegat es forma com a resultat del tancament dels termoelèctrodes pel metall del pegat. En una bona soldadura, aquest tancament es produeix sobre tota la superfície dels segments de termoelèctrode encastats dins del pegat.Però el circuit elèctric amb la resistència més baixa està format principalment per la capa superficial superior del pegat, i la temperatura d'aquesta capa determina principalment la potència termoelèctrica. etc. v. termoparells.

Les equacions d'equilibri de calor del termoparell de pegat són similars a les que es van fer anteriorment per a la termoparell de tira, amb la diferència que, a més del flux de calor dissipat com a resultat de la transferència de calor convectiva i radiativa des de la superfície exterior del pegat, de gran És important tenir en compte la part del flux de calor dissipat aspirat pels pegats del termoelèctrode a causa de la seva conductivitat tèrmica.

Cal tenir en compte la següent circumstància. Els termoelèctrodes estan fets de diferents metalls o aliatges amb diferents valors del coeficient de conductivitat tèrmica. Així, per exemple, el termoparell de platí-rodi del tipus PP es caracteritza per un coeficient de conductivitat tèrmica que és la meitat del del segon termoparell: el platí.

Si els diàmetres dels termoelèctrodes són els mateixos, aleshores la diferència en els valors dels coeficients de conductivitat tèrmica dels termoelèctrodes conduirà al fet que es formi una diferència de temperatura als llocs de contacte elèctric dels termoelèctrodes amb el pegat, que provocarà l'aparició d'energia termoelèctrica parasitària al circuit del termoparell. etc. amb

Termoparell de pin

Els termoparells d'aquest tipus s'utilitzen principalment per mesurar les temperatures superficials de metalls i aliatges relativament tous. Per a un termoparell de baioneta, s'utilitzen termoelèctrodes fets d'aliatges prou durs, per exemple cromel i alumel amb un diàmetre de 3-5 mm.

Un dels termoelèctrodes de termoparell està fixat al capçal, i el segon es pot moure sobre el seu eix i, en estat de no funcionament, el seu extrem és estirat per una molla sota l'extrem del primer termoelèctrode. Els extrems dels dos termoelèctrodes són punxeguts.

Quan un termoparell es porta a un objecte de mida considerable, la superfície de l'objecte toca primer la punta del termoelèctrode mòbil. Amb una pressió addicional al cap, el termoelèctrode hi entra fins que la punta del termoelèctrode es troba amb la superfície de l'objecte. Ambdós punts perforen llavors la pel·lícula d'òxid superficial a la superfície de l'objecte i aquest metall tanca el circuit elèctric del termopar.

Amb una bona esmolada dels extrems dels termoelèctrodes, el termoparell dóna resultats fiables per mesurar les temperatures de les superfícies de metalls no fèrrics amb una pel·lícula d'òxid suau i fàcilment perforada.

L'ús d'un termoparell de baioneta amb puntes romes porta al fet que les superfícies de contacte dels dos termoelèctrodes amb l'objecte es fan relativament grans, com a resultat de la qual cosa les superfícies dels objectes es refreden als llocs on els extrems dels termoparells es toquen i el termopar proporciona lectures de temperatura clarament subestimades. Tanmateix, ja després de 20 a 30 segons, la calor que prové de les zones circumdants de l'objecte escalfa la secció refredada i, amb ella, els extrems dels termoelèctrodes.

Així, un termoparell de baioneta amb extrems roms en el moment del contacte dóna lectures subestimades de la temperatura de l'objecte, després de les quals, en unes poques desenes de segons, les seves lectures augmenten, aproximant-se asimptòticament a un valor estable.Aquest valor estable difereix més del valor real de la temperatura superficial de l'objecte, com més gran és la superfície de contacte dels extrems roms dels termoelèctrodes amb l'objecte.

Calibratge de termoparells superficials

La temperatura estacionària del termoparell superficial és inferior a la temperatura mesurada de la superfície amb la qual el termoparell està en contacte. Aquesta diferència de temperatura es pot explicar en gran mesura a causa del calibratge del termoparell de superfície en condicions de transferència de calor des de la seva superfície exterior, aproximant-se a les condicions de funcionament.

D'aquesta posició, es dedueix que la característica de calibratge de les superfícies del termoparell pot diferir significativament de la característica d'un termoparell format pels mateixos termoelèctrodes, però calibrat pel mètode de comparació amb un exemple, quan estan simultàniament immersos en un espai termostat.

Per tant, els termostats de superfície no es poden calibrar per immersió en termòstats (termòstats de calefacció de laboratori líquids per calibrar termostats). Cal aplicar-los una tècnica de calibratge diferent.

Els termoparells de superfície es calibren aplicant la pressió necessària a la superfície metàl·lica exterior del termòstat líquid de parets primes. El líquid escalfat dins del termòstat es barreja bé i la seva temperatura es mesura amb algun dispositiu de mostra.

La superfície exterior del termòstat està coberta amb una capa d'aïllament tèrmic. L'aïllament tèrmic no cobreix només una petita àrea de la superfície exterior, que és aproximadament la meitat de l'alçada del termòstat, sobre el qual s'aplica el termopar.

En aquest disseny, la temperatura de la superfície metàl·lica del termòstat per sota del termoparell superficial, amb un error que no superi unes dècimes de grau, es pot considerar igual a la temperatura del líquid del termòstat.