Clasificación de instrumentos de medición de temperatura.
Los termómetros fabricados actualmente en base al principio de acción incluyen principalmente termómetros de expansión, termómetros de presión, termómetros de resistencia, termómetros de termopar y pirómetros de radiación. Se fabrican utilizando el principio de que las propiedades de expansión, presión, resistencia, potencial termoeléctrico y radiación de los objetos cambian con la temperatura, respectivamente. La medición de temperatura se puede dividir en instrumentos de medición de temperatura por contacto (termómetro de expansión, termómetro de presión, termómetro de resistencia y pirómetro de termopar) e instrumentos de medición de temperatura sin contacto (como el pirómetro de radiación).
La característica del método de medición de temperatura por contacto es que el elemento de medición de temperatura está en contacto directo con el objeto a medir, y hay suficiente intercambio de calor entre los dos, alcanzando eventualmente el equilibrio térmico. En este momento, el valor del parámetro físico del elemento sensor de temperatura representa el valor de temperatura del objeto medido. La ventaja de este método de medición de temperatura es que es intuitivo y confiable. La desventaja es que el elemento sensor de temperatura afecta la distribución del campo de temperatura medido y un contacto deficiente provocará errores de medición. Además, las temperaturas excesivas y los medios corrosivos afectarán negativamente el rendimiento y la vida útil del elemento sensor de temperatura.
La característica del método de medición de temperatura sin contacto es que el elemento sensor de temperatura no entra en contacto con el objeto a medir, sino que intercambia calor a través de la radiación, por lo que puede evitar las deficiencias del método. método de medición de temperatura de contacto y el límite superior de medición de temperatura es alto. Además, el método de medición de temperatura sin contacto tiene una pequeña inercia térmica, que puede alcanzar una milésima de segundo, lo que facilita la medición de la temperatura de objetos en movimiento y temperaturas que cambian rápidamente. Debido a la influencia de la emisividad del objeto, la distancia entre el objeto medido y el instrumento, el humo, el vapor de agua y otros medios, este método de medición de temperatura generalmente tiene un gran error de medición de temperatura. Los termómetros de mercurio tienen muchas ventajas: estructura simple, fácil de usar, alta precisión, bajo precio y el mercurio no entra en contacto con el vidrio, es fácil obtener mercurio de alta pureza y el rango de temperatura del líquido es relativamente grande (-38 ~ +356,66 ℃). Además, por debajo de 200°C, la expansión volumétrica del mercurio está relacionada casi linealmente con la temperatura. El rango de medición de temperatura de los termómetros de mercurio es generalmente de -30~+600 ℃. Debido a que el punto de ebullición del mercurio bajo presión normal es 356,966°C, el límite superior de un termómetro de mercurio sin presión sólo puede alcanzar los 300°C. Si se llena nitrógeno presurizado y se utiliza un tubo de vidrio con una pequeña deformación térmica, el límite superior de medición puede alcanzar más de 600°C. Recientemente, nuestro país ha desarrollado con éxito un termómetro de mercurio de alta temperatura que puede medir 1200°C. La desventaja es que la temperatura de medición no es lo suficientemente alta y los resultados de la medición no se pueden transmitir ni registrar a largas distancias.
Un termómetro de mercurio normalmente consta de una bombilla de vidrio llena de líquido, un tubo capilar, una escala y una carcasa de vidrio, como se muestra en la siguiente figura. Los termómetros fabricados a partir de las propiedades termoeléctricas de los termopares se denominan latómetros de termopar. La siguiente imagen es el diagrama de composición más simple de un termómetro de termopar. El termopar de la imagen es un elemento sensor de temperatura, que se fabrica soldando (o torciendo) un extremo de los conductores A y B de dos materiales diferentes. Ambos extremos del conductor sin soldar están conectados al instrumento de visualización a través de cables de conexión para formar un sistema de medición de temperatura. Al medir la temperatura, el extremo de soldadura del termopar está en contacto con el objeto que se mide. Las características termoeléctricas del termopar se utilizan para convertir la temperatura del objeto que se mide en una señal eléctrica correspondiente y transmitirla al instrumento de visualización.
Los termómetros de termopar son actualmente los termómetros más utilizados en la industria y también son los termómetros más utilizados en la producción de tratamientos térmicos. La medición de temperatura por termopar tiene las siguientes características:
l Precisión de medición de alta temperatura. Dado que es fácil lograr un buen contacto térmico entre el termopar y el objeto que se mide, puede reflejar verdaderamente la temperatura del objeto que se mide.
lEstructura sencilla. Un termopar está disponible cuando se conectan dos conductores diferentes en un extremo para aislamiento y protección mecánica. Se puede observar que el termopar tiene una estructura simple y es fácil de montar y mantener.
Amplio rango de medición de temperatura. El rango de medición de temperatura de los termopares ordinarios es de 100 ~ 1600 ℃. Generalmente, la temperatura del tratamiento térmico de los materiales metálicos está dentro de este rango, por lo que puede cumplir con los requisitos de medición de temperatura del tratamiento térmico. Los termopares fabricados con materiales especiales también pueden medir temperaturas tan bajas como 2K (-271°C) o tan altas como 2800°C.
l La respuesta dinámica es más rápida. Los termopares se pueden convertir en contactos pequeños, por lo que tienen una capacidad calorífica pequeña y una respuesta dinámica rápida.
l Las señales se pueden transmitir de forma remota para facilitar la detección centralizada y el control automático.
Existen muchas clases y tipos de termopares, entre los cuales los termopares comunes son los más utilizados.
En la medición de temperatura real, los termopares con solo dos electrodos calientes son raros. Un termopar ordinario suele constar de cuatro partes: electrodo caliente, tubo aislante, funda protectora y caja de conexiones. Como se muestra a continuación.
(1) Electrodo térmico
El electrodo caliente es el núcleo del termopar. El electrodo caliente de un termopar ordinario generalmente se transforma en alambre y se suelda un extremo. El diámetro del termoelectrodo de alambre está determinado principalmente por el precio del material, la resistencia mecánica, el uso de termopares y el rango de medición de temperatura. El extremo caliente de un termopar generalmente se conecta mediante soldadura. Las formas de uniones de soldadura incluyen soldadura por puntos, soldadura a tope, soldadura por puntos por torsión, etc. Para reducir los errores de transferencia de calor, el tamaño de la unión soldada debe ser lo más pequeño posible, generalmente no más del doble del diámetro del electrodo caliente.
(2) Tubo aislante
El tubo aislante también se llama aislante. Tiene un orificio pasante en el electrodo caliente y se utiliza para aislar los dos electrodos y el electrodo aislado. la funda protectora de metal, de lo contrario causará errores de medición debido a la pérdida de fuerza electromotriz térmica debido a un cortocircuito. Los tubos aislantes suelen estar fabricados con materiales aislantes resistentes a altas temperaturas, como cerámica, alúmina, óxido de magnesio, etc. La sección transversal es circular u ovalada, con un solo orificio, dos orificios o cuatro orificios.
(3) Tubo protector
El electrodo caliente cubierto con un tubo aislante se instala en un tubo protector con un extremo cerrado. La función del tubo protector es prevenir o reducir la erosión directa del electrodo caliente por diversos gases y sustancias nocivas y la erosión directa de llamas de alta temperatura o flujo de aire para evitar el contacto directo entre el medio conductor y el electrodo caliente; Además, también tiene la función de fijar y soportar el electrodo caliente. Por lo tanto, el tubo de protección del termopar juega un papel importante para extender la vida útil del electrodo caliente y garantizar la precisión de la medición.
(4) Caja de conexiones
La caja de conexiones es donde se conecta el extremo frío del termopar al cable de conexión (cable de compensación). Está fabricado en aleación de aluminio. En la caja de conexiones, los extremos fríos de los termopares se atornillan previamente a los terminales. Al realizar el cableado, introduzca el cable de conexión desde el orificio de salida en la caja de conexiones, abra la caja de conexiones, use tornillos para fijar los cables a los dos terminales marcados con signos positivos y negativos y luego cierre la caja de conexiones. Para evitar que entren gases nocivos en el tubo de protección del termopar, el orificio de salida y la tapa de la caja de conexiones suelen estar sellados con juntas y arandelas. Según el grado de sellado, las cajas de conexiones se dividen en tipo ordinario, tipo sellado (o tipo a prueba de salpicaduras), tipo impermeable, tipo a prueba de explosiones y tipo a prueba de explosiones.
Existen diferentes tipos de termómetros de termopar y se pueden seleccionar diferentes tipos para diferentes ocasiones para cumplir con los requisitos de uso. Un pirómetro de radiación es un instrumento que utiliza el fenómeno de radiación térmica de un objeto para medir la temperatura de un objeto. La diferencia más obvia entre este tipo de termómetro y las resistencias térmicas, termopares y termómetros de expansión es que el pirómetro de radiación no entra en contacto directo con el objeto que se mide al medir la temperatura y es un instrumento de medición de temperatura sin contacto. Las características principales del pirómetro de radiación son las siguientes:
(1) La medición de temperatura no destruirá el campo de temperatura del medio que se mide y es de especial importancia para medir la temperatura de campos de temperatura pequeños.
(2) Teóricamente, el límite superior de medición de temperatura del instrumento es ilimitado. Sin embargo, los termómetros de contacto no pueden medir altas temperaturas debido a las limitaciones del material del elemento sensor de temperatura o del tubo protector.
(3) Debido a que se trata de radiación térmica, no hay problema de equilibrio térmico entre el elemento sensor de temperatura y el objeto que se mide, por lo que la velocidad de transferencia de calor es rápida y la inercia térmica es pequeña.
(4) La señal de salida puede ser muy grande, por lo que la sensibilidad del instrumento es alta.
(5) Debido a que no entra en contacto con el objeto que se mide, el pirómetro de radiación es adecuado para medir la temperatura de medios altamente corrosivos y objetos en movimiento.
(6) Debido a que es un instrumento sin contacto, los factores que afectan los resultados de la medición son relativamente complejos. Por tanto, el error de medición de los pirómetros de radiación industriales generales es mayor que el error de medición de los termómetros de contacto.
Los pirómetros de radiación se utilizan a menudo para medir la temperatura de hornos de baño de sal de alta temperatura, hornos de nitruración iónica y piezas de trabajo de calentamiento por inducción en la producción de tratamientos térmicos. En la actualidad, existen cuatro tipos comunes de tales instrumentos: pirómetro de radiación total, pirómetro óptico, pirómetro fotoeléctrico y pirómetro colorimétrico fotoeléctrico.
Los pirómetros de radiación se diseñan y fabrican basándose en la relación funcional entre la energía radiada de un objeto y su temperatura dentro de todo el rango de longitud de onda. Se utiliza un sensor de temperatura de radiación como instrumento primario y un potenciómetro electrónico como instrumento secundario. Es un sensor de temperatura de enfoque de lente con una carcasa de aleación de aluminio y una lente objetivo en el frente. El diafragma de compensación de la termopila está instalado en la carcasa y hay una placa de cambio en el diafragma de campo cerca de la termopila. La función de la placa móvil es ajustar la energía de radiación irradiada sobre la termopila para que el producto tenga un valor de índice uniforme.
El sensor de temperatura de radiación enfoca la energía de radiación del objeto medido en el elemento sensible al calor a través de una lente, y el elemento sensible al calor convierte la energía de radiación en parámetros eléctricos.
El instrumento secundario mide el potencial termoeléctrico y muestra el valor de temperatura según la relación conocida entre el potencial termoeléctrico y la temperatura del objeto. Este valor de temperatura debe corregirse con el coeficiente del sistema negro de radiación total del objeto, o se inserta directamente un termopar de platino-rodio 10-platino en el horno de baño de sal de alta temperatura para medir la temperatura y luego se compara con la temperatura mostrada por el instrumento para calibrar la medición del pirómetro.
La siguiente figura es un diagrama físico de un pirómetro de radiación.