Medición de temperaturas superficiales con termopares

No existe termopar de un tipodiseñado para medir la temperatura superficial de cuerpos sólidos (termopares de superficie). La abundancia de diseños de termopares de superficie existentes se debe principalmente a la variedad de condiciones de medición y propiedades de las superficies cuyas temperaturas se van a medir.

En la práctica industrial, es necesario medir las temperaturas de superficies con diferentes formas geométricas, cuerpos fijos y giratorios, cuerpos eléctricamente conductores y aislantes, cuerpos con alta y baja conductividad térmica, lisos y rugosos. Por lo tanto, los termopares de superficie adecuados para usar en algunas condiciones no lo son en otras.

Medición de la temperatura de una superficie metálica soldando un termopar

Muy a menudo, para medir las temperaturas de placas de metal delgadas calentadas o cuerpos sólidos, se suelda directamente o suelda una unión de termopar a la superficie bajo prueba.Este método de medición de temperatura solo puede considerarse aceptable si se toman ciertas precauciones.

El intercambio de calor entre la superficie de la placa y la bola de conexión de los termopares se realiza principalmente por el flujo de calor que pasa a través de su superficie de contacto, que es parte de la superficie de la unión y los termoelectrodos adyacentes a la unión. Hasta cierto punto, el intercambio de calor se produce por radiación entre la placa y la parte de la superficie de unión del termoelectrodo que no está en contacto con ella.

Por otro lado, la parte de la superficie de unión en contacto con la placa y los termoelectrodos del termopar pierden energía térmica por radiación a los cuerpos más fríos que rodean la placa y transferencia de calor por convección a los flujos de aire que lavan la unión.

Por lo tanto, la unión y los termoelectrodos del termopar adyacente disipan una parte significativa de la energía térmica que se suministra continuamente a la unión a través de la superficie de contacto de la placa.

Como resultado del equilibrio, la temperatura de la unión y la parte adyacente de la superficie de la placa resulta ser mucho más baja que la temperatura de las partes de la placa alejadas de la unión (cuando se miden altas temperaturas de placas delgadas, este error de medición sistemático puede alcanzar cientos de grados).

Este error se reduce al reducir la cantidad de flujo de calor disipado por los electrodos de unión y el termopar Para este propósito, es útil usar termopares hechos con los termoelectrodos más delgados posibles.

Los termoelectrodos en sí no deben retirarse inmediatamente de la placa, pero es mejor colocarlos primero en contacto térmico con la placa a una distancia igual a por lo menos 50 diámetros de los termoelectrodos.

Debe tenerse en cuenta que si la placa y la superficie de los termoelectrodos no están oxidados, pueden ser cerrados por la placa y potencia termoeléctrica medida. etc. termopar corresponderá a la temperatura no de la unión del termopar sino a la temperatura del punto de contacto del termopar con la superficie.

En este caso, se debe colocar una fina capa de aislamiento eléctrico, por ejemplo una fina lámina de mica, entre los termoelectrodos y la placa. También se recomienda cubrir toda la superficie de la unión y el área del termoelectrodo con una capa de aislamiento térmico, por ejemplo un revestimiento refractario, para reducir las pérdidas por radiación y transferencia de calor por convección.

Al observar estas precauciones, es posible garantizar que la temperatura de la superficie de las piezas metálicas se mida dentro de unos pocos grados.

A veces, no es la conexión del termopar la que está soldada a la superficie de la placa de metal, sino sus termopares a cierta distancia entre sí.

Este método de medir la temperatura de una superficie metálica puede considerarse aceptable solo si se tiene confianza en la igualdad de las temperaturas de las placas en los dos puntos de soldadura de los termoelectrodos. De lo contrario, aparecerá energía termoeléctrica parásita en el circuito del termopar. d. Se desarrolla a partir de los materiales del termoelectrodo con el material de la placa.

A continuación se muestra una descripción de los termopares, como arco, parche y bayoneta.Se utilizan para medir las temperaturas de las superficies de cuerpos estacionarios.

Termopar con lazo (cinta)

El termopar de punta está equipado con un elemento sensible realizado en forma de tira de dos metales o aleaciones (por ejemplo, cromo y alumel) con una longitud de 300 mm, un ancho de 10 - 15 mm, soldado o soldado en el frente y enrollado a un espesor de 0,1 - 0,2 mm...

Los extremos de la banda con una junta en el medio se fijan en aisladores en los extremos de un mango de resorte en forma de arco para que la banda esté tensa en todo momento. Desde sus extremos hasta los terminales del dispositivo de medición (milivoltímetro) hay cables hechos de los mismos materiales que las dos mitades de la cinta.

Para medir la temperatura de una superficie convexa, el termopar de haz se presiona contra esa superficie desde la parte central para que la superficie se cubra con cinta, al menos en secciones de 30 mm a cada lado de la unión.

Termopar de cerdo

Los termoelectrodos que forman un termopar se sueldan en los orificios pasantes del disco de cobre rojo. Para garantizar la resistencia mecánica de la estructura, se utilizan termoelectrodos con un diámetro de 2 a 3 mm. La superficie inferior del disco (el "parche") está moldeada en la superficie para la cual el termopar debe medir la temperatura.

La fuerza termoelectromotriz del termopar de parche se forma como resultado del cierre de los termoelectrodos por el metal del parche. En una buena soldadura, este cierre se produce sobre toda la superficie de los segmentos del termoelectrodo empotrados en el interior del parche.Pero el circuito eléctrico con la resistencia más baja está formado principalmente por la capa superficial superior del parche, y la temperatura de esta capa determina principalmente la potencia termoeléctrica. etc. v. termopares.

Las ecuaciones de balance de calor del termopar de parche son similares a las que se hicieron anteriormente para el termopar de tira, con la diferencia de que además del flujo de calor disipado como resultado de la transferencia de calor por convección y radiación desde la superficie exterior del parche, de gran La importancia es tener en cuenta la parte del flujo de calor disipado absorbido por los parches de termoelectrodos debido a su conductividad térmica.

Es necesario tener en cuenta la siguiente circunstancia. Los termoelectrodos están hechos de diferentes metales o aleaciones con diferentes valores del coeficiente de conductividad térmica. Así, por ejemplo, el termopar termopar de platino-rodio del tipo PP se caracteriza por un coeficiente de conductividad térmica que es la mitad que el del segundo termopar - platino.

Si los diámetros de los termoelectrodos son los mismos, entonces la diferencia en los valores de los coeficientes de conductividad térmica de los termoelectrodos conducirá al hecho de que se forma una diferencia de temperatura en los lugares de contacto eléctrico de los termoelectrodos con el Parche, lo que conducirá a la aparición de energía termoeléctrica parásita en el circuito del termopar. etc. con

Termopar de clavija

Los termopares de este tipo se utilizan principalmente para medir las temperaturas superficiales de aleaciones y metales relativamente blandos. Para un termopar de bayoneta, se utilizan termoelectrodos hechos de aleaciones suficientemente duras, por ejemplo cromel y alumel con un diámetro de 3-5 mm.

Uno de los termoelectrodos del termopar está fijado de manera fija en la cabeza, y el segundo puede moverse sobre su eje, y en el estado de inactividad, un resorte tira de su extremo debajo del extremo del primer termoelectrodo. Los extremos de los dos termoelectrodos son puntiagudos.

Cuando un termopar se acerca a un objeto de tamaño considerable, la superficie del objeto toca primero la punta del termoelectrodo móvil. Con presión adicional en la cabeza, el termoelectrodo ingresa hasta que la punta del termoelectrodo se encuentra con la superficie del objeto. Ambos puntos perforan entonces la película de óxido superficial sobre la superficie del objeto y este metal cierra el circuito eléctrico del termopar.

Con un buen afilado de los extremos de los termoelectrodos, el termopar brinda resultados confiables para medir las temperaturas de las superficies de metales no ferrosos con una película de óxido suave y fácil de perforar.

El uso de un termopar de bayoneta con puntas romas conduce al hecho de que las superficies de contacto de los dos termoelectrodos con el objeto se vuelven relativamente grandes, como resultado de lo cual las superficies de los objetos se enfrían en los lugares donde los extremos de los termopares se tocan y el termopar da lecturas de temperatura claramente subestimadas. Sin embargo, ya después de 20 a 30 segundos, el calor proveniente de las áreas circundantes del objeto calienta la sección enfriada y, con ella, los extremos de los termoelectrodos.

Así, un termopar de bayoneta con extremos romos en el momento del contacto da lecturas subestimadas de la temperatura del objeto, después de lo cual, en unas pocas decenas de segundos, sus lecturas aumentan, acercándose asintóticamente a un valor estable.Este valor estable difiere más del valor real de la temperatura superficial del objeto, cuanto mayor es la superficie de contacto de los extremos romos de los termoelectrodos con el objeto.

Calibración de termopares de superficie

La temperatura estacionaria del termopar de superficie es menor que la temperatura medida de la superficie con la que el termopar está en contacto. Esta diferencia de temperatura puede explicarse en gran medida debido a la calibración del termopar de superficie en condiciones de transferencia de calor desde su superficie exterior, acercándose a las condiciones de funcionamiento.

De esta posición se deduce que la característica de calibración de las superficies de los termopares puede diferir significativamente de la característica de un termopar formado por los mismos termoelectrodos, pero calibrados por el método de comparación con un ejemplo, cuando se sumergen simultáneamente en un espacio termostatizado.

Por lo tanto, los termopares de superficie no se pueden calibrar por inmersión en termostatos (termostatos de calentamiento de laboratorio líquido para calibrar termopares). Se les debe aplicar una técnica de calibración diferente.

Los termopares de superficie se calibran aplicando la presión requerida a la superficie metálica exterior del termostato líquido de paredes delgadas. El líquido calentado dentro del termostato se mezcla bien y su temperatura se mide con algún dispositivo de muestra.

La superficie exterior del termostato está cubierta con una capa de aislamiento térmico. El aislamiento térmico no cubre solo una pequeña área de la superficie exterior, que es aproximadamente la mitad de la altura del termostato, sobre la que se aplica el termopar.

En este diseño, la temperatura de la superficie metálica del termostato debajo de la superficie del termopar, con un error que no exceda algunas décimas de grado, puede considerarse igual a la temperatura del líquido en el termostato.