מהו צמד תרמי: עקרון עבודה ויישומיו

בשנת 1821 גילה פיזיקאי כלומר 'תומאס סיבק' שכאשר שני חוטי מתכת שונים נקשרו בשני קצותיו של צומת אחד במעגל כאשר הטמפרטורה מוחלת על הצומת, תהיה זרימת זרם דרך המעגל המכונה שדה אלקטרומגנטי (EMF). האנרגיה המופקת על ידי המעגל נקראת אפקט Seebeck. תוך שימוש בהשפעתו של תומאס סיבק כקו המנחה, שיתפו פעולה שני הפיזיקאים האיטלקיים, לאופולדו נובילי ומקדוניו מלוני, לתכנון סוללה תרמו-חשמלית בשנת 1826, המכונה מכפיל תרמי. גַלוָנוֹמֶטֶר כמו גם תרמופיל לחישוב הקרינה. על מאמציו, כמה אנשים זיהו את נובילי כמגלה הצמד התרמי.

מהו צמד תרמי?

ניתן להגדיר את הצמד התרמי כסוג של טמפרטורה חיישן המשמש למדידת הטמפרטורה בנקודה ספציפית אחת בצורה של EMF או זרם חשמלי. חיישן זה כולל שני חוטי מתכת שונים המחוברים יחד בצומת אחד. ניתן למדוד את הטמפרטורה בצומת זה, ושינוי הטמפרטורה של חוט המתכת מגרה את המתחים.

צמד תרמי

כמות ה- EMF שנוצרת במכשיר היא זעירה מאוד (מילי וולט), ולכן יש להשתמש במכשירים רגישים מאוד לחישוב ה- e.m.f המיוצר במעגל. המכשירים הנפוצים המשמשים לחישוב ה- e.m.f הם פוטנציומטר איזון מתח וגלוונומטר רגיל. משני אלה, פוטנציומטר איזון מנוצל פיזית או מכנית.

עקרון עבודה של צמד תרמי

ה עקרון צמד תרמי תלוי בעיקר בשלוש ההשפעות כלומר Seebeck, Peltier, and Thompson.

ראה אפקט הוויק

סוג זה של השפעה מתרחש בקרב שתי מתכות שונות. כאשר החום מציע לכל אחד מחוטי המתכת, אז זרימת האלקטרונים מספקת מחוט מתכת חם לחוט מתכת קר. לכן, זרם ישר מגרה את המעגל.

אפקט פלטייה

אפקט Peltier זה מנוגד לאפקט Seebeck. השפעה זו קובעת כי ניתן ליצור את הבדל הטמפרטורה בין שני מוליכים שונים על ידי יישום השונות הפוטנציאלית ביניהם.

אפקט תומפסון

השפעה זו קובעת שכששתי מתכות שונות נפרדות יחד, ואם הן יוצרות שני מפרקים, המתח גורם לאורך המוליך הכולל בשל שיפוע הטמפרטורה. זו מילה פיזית המדגימה את השינוי בקצב ובכיוון הטמפרטורה במיקום מדויק.

בניית צמד תרמי

בניית המכשיר מוצגת להלן. הוא כולל שני חוטי מתכת שונים ומחוברים יחד בקצה הצומת. הצומת חושב כסיום המדידה. קצה הצומת מסווג לשלושה סוגים כלומר צומת לא מקורקע, מקורקע וחשוף.

בניית צמד תרמי

צומת לא-מוקף

בצומת מסוג זה, המוליכים מופרדים לחלוטין מהכיסוי המגן. היישומים של צומת זה כוללים בעיקר עבודות יישום בלחץ גבוה. היתרון העיקרי בשימוש בפונקציה זו הוא הפחתת אפקט השדה המגנטי התועה.

צומת מקורקע

בצומת מסוג זה, חוטי המתכת, כמו גם כיסוי ההגנה, מחוברים זה לזה. פונקציה זו משמשת למדידת הטמפרטורה באטמוספרה החומצית והיא מספקת עמידות לרעש.

צומת חשופה

הצומת החשוף ישים באזורים בהם נדרשת תגובה מהירה. סוג זה של צומת משמש למדידת טמפרטורת הגז. המתכת המשמשת לייצור חיישן הטמפרטורה תלויה בעצם בטווח החישוב של הטמפרטורה.

באופן כללי, צמד תרמי מתוכנן עם שני חוטי מתכת שונים, כלומר ברזל וקבוע, אשר גורם לגילוי הגילוי על ידי חיבור בצומת אחד הנקרא צומת חם. זה מורכב משני צמתים, צומת אחד מחובר באמצעות מד מתח או משדר כאשר הצומת הקר והצומת השני קשורים לתהליך המכונה צומת חם.

איך עובד צמד תרמי?

ה תרשים צמד תרמי מוצג בתמונה למטה. ניתן לבנות מעגל זה בשתי מתכות שונות, והן מחוברות יחד על ידי יצירת שני צמתים. שתי המתכות מוקפות בחיבור באמצעות ריתוך.

בתרשים שלעיל, הצמתים מסומנים על ידי P & Q, והטמפרטורות מסומנות על ידי T1, & T2. כאשר הטמפרטורה של הצומת שונה זו מזו, אז הכוח האלקטרומגנטי נוצר במעגל.

מעגל צמד תרמי

אם הממוזג בקצה הצומת הופך לשווה ערך, אז המקביל, כמו גם כוח אלקטרומגנטי הפוך, מייצר במעגל, ואין זרם זרם דרכו. באופן דומה, הטמפרטורה בקצה הצומת נעשית לא מאוזנת, ואז הווריאציה הפוטנציאלית גורמת במעגל זה.

גודל הכוח האלקטרומגנטי המושרה במעגל מסתמך על סוגי החומרים המשמשים לייצור צמד תרמי. כל זרימת הזרם בכל המעגל מחושבת על ידי כלי המדידה.

הכוח האלקטרומגנטי המושרה במעגל מחושב על ידי המשוואה הבאה

E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2

כאשר ∆Ө הוא הפרש הטמפרטורה בין קצה צומת הצמד התרמי החם, כמו גם קצה צומת הצמד התרמי, a & b הם קבועים

סוגי צמד תרמי

לפני שנלך עם דיון על סוגי צמד תרמי, יש לקחת בחשבון שיש להגן על צמד תרמי במקרה מגן כדי לבודד אותו מהטמפרטורות האטמוספריות. כיסוי זה ימזער משמעותית את השפעת הקורוזיה על המכשיר.

אז, ישנם סוגים רבים של צמדים תרמיים. תן לנו להסתכל מפורט על אלה.

הקלד K - זה מכונה גם סוג ניקל-כרום / ניקל-אלום של צמד תרמי. זהו הסוג הנפוץ ביותר. יש לו את התכונות של אמינות משופרת, דיוק וזול ויכול לפעול לטווחי טמפרטורה מורחבים.

סוג K

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -454F עד 2300F (-270⁰C עד 1260⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג K זה רמת דיוק של

תקן +/- 2.2C או +/- 0.75% והמגבלות המיוחדות הן +/- 1.1C או 0.4%

הקלד J - זה שילוב של ברזל / קונסטנטאן. זהו גם הסוג הנפוץ ביותר של צמד תרמי. יש לו את התכונות של אמינות משופרת, דיוק, וזול. ניתן להפעיל מכשיר זה רק לטווחי טמפרטורה נמוכים יותר ובעל אורך חיים קצר כאשר הוא מופעל בטמפרטורות גבוהות.

סוג J

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -346F עד 1400F (-210⁰C עד 760⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג J זה רמת דיוק של

תקן +/- 2.2C או +/- 0.75% והמגבלות המיוחדות הן +/- 1.1C או 0.4%

הקלד T - זה שילוב של נחושת / קונסטנטאן. הצמד התרמי מסוג T מחזיק ביציבות מוגברת והוא מיושם בדרך כלל ליישומי טמפרטורה פחותים כמו מקפיאים בטמפרטורה נמוכה במיוחד וקריוגנים.

סוג T

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -454F עד 700F (-270⁰C עד 370⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

תקן +/- 1.0C או +/- 0.75% והמגבלות המיוחדות הן +/- 0.5C או 0.4%

הקלד E - זה שילוב של ניקל-כרום / קונסטנטאן. יש לו יכולת איתות גדולה יותר ודיוק משופר בהשוואה לזו של צמדים תרמיים מסוג K ו- J כאשר הם מופעלים על 1000F.

סוג E

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -454F עד 1600F (-270⁰C עד 870⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

תקן +/- 1.7C או +/- 0.5% והמגבלות המיוחדות הן +/- 1.0C או 0.4%

הקלד N - זה נחשב כצינור תרמי Nicrosil או Nisil. רמות הטמפרטורה והדיוק מסוג N דומות לסוג K. אך סוג זה יקר יותר מסוג K.

סוג N

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -454F עד 2300F (-270⁰C עד 392⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

תקן +/- 2.2C או +/- 0.75% והמגבלות המיוחדות הן +/- 1.1C או 0.4%

סוג S - זה נחשב פלטינה / רודיום או צמד תרמי של 10% / פלטינה. צמד תרמי מסוג S מיושם במיוחד ליישומי טווח טמפרטורה גבוה כמו בארגוני ביוטק ובתי מרקחת. הוא משמש אפילו ליישומי טווח טמפרטורות נמוכים יותר בשל הדיוק המוגבר והיציבות שלו.

סוג S

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -58F עד 2700F (-50⁰C עד 1480⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

תקן +/- 1.5C או +/- 0.25% והמגבלות המיוחדות הן +/- 0.6C או 0.1%

הקלד R - זה נחשב לפלטינום / רודיום או צמד תרמי של 13% / פלטינה. צמד תרמי מסוג S מיושם במיוחד עבור יישומים בטווח גבוה. סוג זה כלול בכמות גבוהה יותר של רודיום מאשר סוג S שהופכת את המכשיר ליקר יותר. התכונות והביצועים של סוג R ו- S כמעט דומים. הוא משמש אפילו ליישומי טווח טמפרטורות נמוכים יותר בשל הדיוק המוגבר והיציבות שלו.

סוג R

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - -58F עד 2700F (-50⁰C עד 1480⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 200⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

תקן +/- 1.5C או +/- 0.25% והמגבלות המיוחדות הן +/- 0.6C או 0.1%

סוג B - זה נחשב כ- 30% מרדיום פלטינום או כ- 60% מצמד התרמי פלטינום רודיום. זה נעשה שימוש נרחב בטווח הגבוה יותר של יישומי טמפרטורה. מבין כל הסוגים המפורטים לעיל, סוג B הוא בעל מגבלת הטמפרטורה הגבוהה ביותר. ברמות הטמפרטורה המוגברות, הצמד התרמי מסוג B יחזיק ביציבות ובדיוק מוגברים.

סוג B

טווחי הטמפרטורה הם:

חוט כיתה תרמי - 32F עד 3100F (0⁰C עד 1700⁰ג)

חוט הארכה (0⁰C עד 100⁰ג)

לסוג T זה רמת דיוק של

סטנדרטי +/- 0.5%

הסוגים S, R ו- B נחשבים לזוגי תרמית מתכתיים אצילים. אלה נבחרים מכיוון שהם יכולים לתפקד גם בטווחי טמפרטורה גבוהה המספקים דיוק רב ואורך חיים ארוך. אבל בהשוואה לסוגי מתכת בסיסית, אלה יקרים יותר.

בעת בחירת צמד תרמי, יש לקחת בחשבון גורמים רבים המתאימים ליישומים שלהם.

• בדוק מהם טווחי הטמפרטורה הנמוכים והגבוהים הדרושים ליישום שלך?
• באיזה תקציב של הצמד התרמי להשתמש?
• באיזה אחוז דיוק יש להשתמש?
• באילו תנאים אטמוספריים מפעיל את הצמד התרמי כמו גז אינרטי או מתחמצן
• מהי רמת התגובה המצופה מה שאומר שבמהירות המכשיר צריך להגיב לשינויי הטמפרטורה?
• מהי תקופת החיים הנדרשת?
• בדקו לפני הפעולה שהמכשיר טובל במים או לא ובאיזו רמת עומק?
• האם השימוש בצמד התרמי יהיה לסירוגין או רציף?
• האם הצמד התרמי יהיה נתון לפיתול או כיפוף לאורך כל חיי המכשיר?

איך אתה יודע אם יש לך צמד תרמי רע?

על מנת לדעת האם צמד תרמי עובד בצורה מושלמת, יש לבצע בדיקת המכשיר. לפני שהולכים עם החלפת המכשיר, צריך לבדוק שהוא אכן מתפקד או לא. לשם כך מספיקים מודד וידע בסיסי באלקטרוניקה. ישנן שלוש גישות בעיקר לבדיקת הצמד התרמי באמצעות מולטימטר ואלה מוסברות להלן:

מבחן התנגדות

כדי לבצע בדיקה זו, יש להציב את המכשיר בקו מכשירי גז והציוד הנדרש הוא קליפ מולטימטר דיגיטלי ותנין.

נוהל - חבר את מהדקי התנין לחלקים במולטימטר. צרף את הקליפסים בשני קצוות הצמד התרמי שבו קצה אחד יקופל לתוך שסתום הגז. כעת, הפעל את המולטימטר וציין את אפשרויות הקריאה. אם המולטימטר מציג אוהם בסדר קטן, אז הצמד התרמי במצב עבודה מושלם. אחרת, כאשר הקריאה היא 40 אוהם ומעלה, אז היא לא במצב טוב.

מבחן מעגל פתוח

כאן, הציוד המשמש הוא קליפים של תנין, מצית ומולטימטר דיגיטלי. כאן, במקום למדוד את ההתנגדות, מתח מחשב. עכשיו, עם החום הקל יותר, הקצה האחד של הצמד התרמי. כאשר המולטימטר מציג מתח בטווח של 25-30 mV, הוא פועל כראוי. אחרת, כאשר המתח קרוב ל 20mV, יש להחליף את המכשיר.

מבחן מעגלים סגורים

כאן, הציוד המשמש הוא קליפים של תנין, מתאם של צמד תרמי ומולטימטר דיגיטלי. כאן, המתאם ממוקם בתוך שסתום הגז ואז הצמד התרמי ממוקם בקצה אחד של המתאם. עכשיו, הפעל את המולטימטר. כאשר הקריאה היא בטווח של 12-15 mV, המכשיר במצב תקין. אחרת, כאשר קריאת המתח יורדת מתחת ל- 12mV, זה מצביע על התקן פגום.

לכן, באמצעות שיטות הבדיקה שלעיל, ניתן לגלות האם צמד תרמי פועל כראוי או לא.

מה ההבדל בין תרמוסטט לצמד תרמי?

ההבדלים בין תרמוסטט לצמד תרמי הם:

יתרונות חסרונות

היתרונות של צמדים תרמיים כוללים את הדברים הבאים.

• הדיוק גבוה
• זה חזק וניתן להשתמש בו בסביבות כמו רטט קשה כמו גם רטט גבוה.
• התגובה התרמית מהירה
• טווח הפעולה של הטמפרטורה רחב.
• טווח טמפרטורות פעולה רחב
• העלות נמוכה ועקבית ביותר

החסרונות של צמדים תרמיים כוללים את הדברים הבאים.

• אי ליניאריות
• יציבות פחותה
• מתח נמוך
• יש להפנות
• הכי פחות רגישות
• הכיול מחדש של הצמד התרמי קשה

יישומים

חלק מה יישומים של צמדים תרמיים כלול את הבאים.

• אלה משמשים כחיישני הטמפרטורה בתרמוסטטים במשרדים, בתים, משרדים ועסקים.
• אלה משמשים בתעשיות לניטור טמפרטורות של מתכות בברזל, אלומיניום ומתכת.
• אלה משמשים בתעשיית המזון ליישומים קריוגניים וטמפרטורה נמוכה. צמדים תרמיים משמשים כמשאבת חום לביצוע קירור תרמו-אלקטרי.
• אלה משמשים לבדיקת הטמפרטורה במפעלים הכימיים, במפעלי נפט.
• אלה משמשים במכונות גז לאיתור להבת הטיס.

מה ההבדל בין RTD לבין צמד תרמי?

הדבר החשוב ביותר השני שיש לקחת בחשבון במקרה של הצמד התרמי הוא כיצד הוא שונה ממכשיר ה- RTD. אז הטבלה מסבירה את ההבדלים בין RTD לבין צמד תרמי.

מהו תוחלת החיים?

ה אורך החיים של הצמד התרמי מבוסס על היישום כאשר הוא מנוצל. לכן, אי אפשר לחזות באופן ספציפי את תקופת החיים של הצמד התרמי. כאשר המכשיר מתוחזק כראוי, המכשיר יהיה בעל אורך חיים ארוך. ואילו לאחר שימוש מתמשך, הם עלולים להיפגע בגלל אפקט ההזדקנות.

וגם, בגלל זה, ביצועי הפלט יורדו והאותות יהיו בעלי יעילות ירודה. גם מחירו של הצמד התרמי אינו גבוה. לכן, מומלץ יותר לשנות את צמד התרמי כל 2-3 שנים. זו התשובה ל מה אורך החיים של צמד תרמי ?

לפיכך, זה הכל על סקירה כללית של הצמד התרמי. מהמידע לעיל לבסוף, אנו יכולים להסיק כי המדידה של פלט צמד תרמי ניתן לחשב באמצעות שיטות כמו מולטימטר, פוטנציומטר ומגבר על ידי התקני פלט. המטרה העיקרית של הצמד התרמי היא לבנות מדידות טמפרטורה עקביות וישירות בכמה יישומים שונים.