Θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς (θερμοζεύγη)

Πώς λειτουργεί ένα θερμοστοιχείο

Ήδη το 1821, ο Seebeck ανακάλυψε ένα φαινόμενο που πήρε το όνομά του, το οποίο συνίσταται στο ότι ε. Εμφανίζεται σε ένα κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από διαφορετικά αγώγιμα υλικά. και τα λοιπά. (το λεγόμενο thermo-EMC) εάν τα σημεία επαφής αυτών των υλικών διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Στην απλούστερη μορφή του, όταν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από δύο διαφορετικούς αγωγούς, ονομάζεται θερμοστοιχείο ή θερμοστοιχείο.

Η ουσία του φαινομένου Seebeck έγκειται στο γεγονός ότι η ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων, που προκαλούν την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος στα καλώδια, είναι διαφορετική και μεταβάλλεται διαφορετικά με τη θερμοκρασία. Επομένως, εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας κατά μήκος του σύρματος, τα ηλεκτρόνια στο θερμό άκρο του θα έχουν υψηλότερες ενέργειες και ταχύτητες σε σύγκριση με το ψυχρό άκρο, προκαλώντας μια ροή ηλεκτρονίων από το θερμό άκρο στο κρύο άκρο του σύρματος. Ως αποτέλεσμα, τα φορτία θα συσσωρεύονται και στα δύο άκρα — αρνητικά στο κρύο και θετικά στο ζεστό.

Δεδομένου ότι αυτές οι χρεώσεις είναι διαφορετικές για διαφορετικά καλώδια, τότε όταν δύο από αυτά συνδέονται σε ένα θερμοστοιχείο, θα εμφανιστεί ένα διαφορικό θερμοστοιχείο. και τα λοιπά. γ. Για να αναλύσουμε τα φαινόμενα που συμβαίνουν στο θερμοστοιχείο, είναι βολικό να υποθέσουμε ότι το θερμοστοιχείο δημιουργείται σε αυτό. και τα λοιπά. γ. E είναι το άθροισμα δύο ηλεκτροκινητικών δυνάμεων επαφής e, που εμφανίζονται στα σημεία επαφής τους και είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας αυτών των επαφών (Εικ. 1, α).

Ρύζι. 1. Διάγραμμα θερμοηλεκτρικού κυκλώματος δύο και τριών συρμάτων, διάγραμμα σύνδεσης ηλεκτρικής συσκευής μέτρησης στη διασταύρωση και θερμοηλεκτροδίου με θερμοστοιχείο.

Η θερμοηλεκτρική δύναμη που προκύπτει σε ένα κύκλωμα δύο διαφορετικών αγωγών είναι ίση με τη διαφορά των ηλεκτροκινητικών δυνάμεων στα άκρα τους.

Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει ότι σε ίσες θερμοκρασίες στα άκρα του θερμοστοιχείου, η θερμοηλεκτρική του ισχύς. και τα λοιπά. s θα είναι μηδέν. Ένα εξαιρετικά σημαντικό συμπέρασμα μπορεί να εξαχθεί από αυτό, το οποίο καθιστά δυνατή τη χρήση ενός θερμοστοιχείου ως αισθητήρα θερμοκρασίας.

Η ηλεκτροκινητική δύναμη ενός θερμοστοιχείου δεν θα αλλάξει με την εισαγωγή ενός τρίτου καλωδίου στο κύκλωμά του εάν οι θερμοκρασίες στα άκρα του είναι ίδιες.

Αυτό το τρίτο καλώδιο μπορεί να συμπεριληφθεί τόσο σε μία από τις διασταυρώσεις όσο και στο τμήμα ενός από τα σύρματα (Εικ. 1.6, γ). Αυτό το συμπέρασμα μπορεί να επεκταθεί σε πολλά καλώδια που εισάγονται στο κύκλωμα του θερμοστοιχείου, εφόσον οι θερμοκρασίες στα άκρα τους είναι οι ίδιες.

Επομένως, μια συσκευή μέτρησης (αποτελούμενη επίσης από καλώδια) και καλώδια σύνδεσης που οδηγούν σε αυτήν μπορεί να συμπεριληφθεί στο κύκλωμα θερμοστοιχείου χωρίς να προκαλείται αλλαγή στη θερμοηλεκτρική ισχύ που αναπτύσσεται από αυτό. μι.γ, μόνο αν οι θερμοκρασίες των σημείων 1 και 2 ή 3 και 4 (Εικ. 1, δ και ε) είναι ίσες. Σε αυτήν την περίπτωση, η θερμοκρασία αυτών των σημείων μπορεί να διαφέρει από τη θερμοκρασία των ακροδεκτών της συσκευής, αλλά η θερμοκρασία και των δύο ακροδεκτών πρέπει να είναι η ίδια.

Εάν η αντίσταση του κυκλώματος θερμοστοιχείου παραμείνει αμετάβλητη, το ρεύμα που διαρρέει από αυτό (και επομένως η ένδειξη της συσκευής) θα εξαρτηθεί μόνο από τη θερμοηλεκτρική ισχύ που αναπτύσσεται από αυτό. δ. από, δηλαδή, από τις θερμοκρασίες των εργασιακών (ζεστό) και ελεύθερων (κρύων) άκρων.

Επίσης, εάν η θερμοκρασία του ελεύθερου άκρου του θερμοστοιχείου διατηρείται σταθερή, η ένδειξη του μετρητή θα εξαρτηθεί μόνο από τη θερμοκρασία του άκρου εργασίας του θερμοστοιχείου. Μια τέτοια συσκευή θα υποδεικνύει απευθείας τη θερμοκρασία της ένωσης εργασίας του θερμοστοιχείου.

Επομένως, ένα θερμοηλεκτρικό πυρόμετρο αποτελείται από ένα θερμοστοιχείο (θερμοηλεκτρόδια), έναν μετρητή συνεχούς ρεύματος και καλώδια σύνδεσης.

Από τα παραπάνω μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα.

1. Η μέθοδος κατασκευής του άκρου εργασίας του θερμοστοιχείου (συγκόλληση, συγκόλληση, συστροφή κ.λπ.) δεν επηρεάζει τη θερμοηλεκτρική ισχύ που αναπτύσσεται από αυτό. και τα λοιπά. με, αν μόνο οι διαστάσεις του άκρου εργασίας είναι τέτοιες ώστε η θερμοκρασία σε όλα τα σημεία του να είναι ίδια.

2. Επειδή η παράμετρος που μετράει η συσκευή δεν είναι θερμοηλεκτρική. με και το ρεύμα του κυκλώματος θερμοστοιχείου, είναι απαραίτητο η αντίσταση του κυκλώματος λειτουργίας να παραμένει αμετάβλητη και ίση με την τιμή της κατά τη βαθμονόμηση.Αλλά επειδή είναι πρακτικά αδύνατο να γίνει αυτό, καθώς η αντίσταση των θερμοηλεκτροδίων και των καλωδίων σύνδεσης αλλάζει με τη θερμοκρασία, προκύπτει ένα από τα κύρια σφάλματα της μεθόδου: το σφάλμα της ασυμφωνίας μεταξύ της αντίστασης του κυκλώματος και της αντίστασής του κατά τη βαθμονόμηση.

Για να μειωθεί αυτό το σφάλμα, οι συσκευές για θερμικές μετρήσεις κατασκευάζονται με υψηλή αντίσταση (50-100 Ohm για πρόχειρες μετρήσεις, 200-500 Ohm για πιο ακριβείς μετρήσεις) και με ηλεκτρικό συντελεστή χαμηλής θερμοκρασίας, έτσι ώστε η συνολική αντίσταση του κυκλώματος (και , επομένως, η σχέση μεταξύ ρεύματος και — e. d. s.) ποικίλλει στο ελάχιστο με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

3. Τα θερμοηλεκτρικά πυρόμετρα βαθμονομούνται πάντα σε μια καλά καθορισμένη θερμοκρασία του ελεύθερου άκρου του θερμοστοιχείου — στους 0 ° C. Συνήθως αυτή η θερμοκρασία διαφέρει από τη θερμοκρασία βαθμονόμησης κατά τη λειτουργία, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται το δεύτερο κύριο σφάλμα της μεθόδου : το σφάλμα στη θερμοκρασία του ελεύθερου άκρου θερμοστοιχείου.

Δεδομένου ότι αυτό το σφάλμα μπορεί να φτάσει δεκάδες βαθμούς, είναι απαραίτητο να γίνει μια κατάλληλη διόρθωση των ενδείξεων της συσκευής. Αυτή η διόρθωση μπορεί να υπολογιστεί εάν είναι γνωστή η θερμοκρασία των ανυψωτικών.

Δεδομένου ότι η θερμοκρασία του ελεύθερου άκρου του θερμοστοιχείου κατά τη βαθμονόμηση είναι ίση με 0 ° C και κατά τη λειτουργία είναι συνήθως πάνω από 0 ° C (τα ελεύθερα άκρα βρίσκονται συνήθως στο δωμάτιο, συχνά βρίσκονται κοντά στον φούρνο του οποίου η θερμοκρασία μετράται ), το πυρόμετρο δίνει μια υποεκτίμηση σε σύγκριση με την πραγματική μετρούμενη θερμοκρασία, η ένδειξη και η τιμή της τελευταίας πρέπει να αυξηθούν κατά τη διορθωτική τιμή.

Αυτό γίνεται συνήθως γραφικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι συνήθως δεν υπάρχει αναλογία μεταξύ των θερμοσκληρυνόμενων.και τα λοιπά. σελ. και θερμοκρασία. Εάν η μεταξύ τους σχέση είναι αναλογική, τότε η καμπύλη βαθμονόμησης είναι ευθεία γραμμή και στην περίπτωση αυτή η διόρθωση για τη θερμοκρασία του ελεύθερου άκρου του θερμοστοιχείου θα είναι άμεσα ίση με τη θερμοκρασία του.

Σχεδιασμός και τύποι θερμοστοιχείων

Για τα υλικά θερμοηλεκτροδίων ισχύουν οι ακόλουθες απαιτήσεις:

1) υψηλή θερμοηλεκτρική ενέργεια. και τα λοιπά. v. και κοντά στην αναλογική φύση της μεταβολής του από τη θερμοκρασία.

2) αντοχή στη θερμότητα (μη οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες).

3) σταθερότητα των φυσικών ιδιοτήτων σε βάθος χρόνου εντός των μετρούμενων θερμοκρασιών.

4) υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

5) συντελεστής αντίστασης χαμηλής θερμοκρασίας.

6) η δυνατότητα παραγωγής σε μεγάλες ποσότητες με σταθερές φυσικές ιδιότητες.

Η Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC) έχει ορίσει ορισμένους τυπικούς τύπους θερμοστοιχείων (πρότυπο IEC 584-1). Τα στοιχεία έχουν δείκτες R, S, B, K, J, E, T σύμφωνα με το εύρος των θερμοκρασιών που μετρήθηκαν.

Στη βιομηχανία, τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση υψηλών θερμοκρασιών, έως 600 — 1000 — 1500˚C. Ένα βιομηχανικό θερμοστοιχείο αποτελείται από δύο πυρίμαχα μέταλλα ή κράματα. Η θερμή διασταύρωση (σημειωμένη με το γράμμα «G») τοποθετείται στο μέρος όπου μετράται η θερμοκρασία και η ψυχρή διασταύρωση («Χ») βρίσκεται στην περιοχή όπου βρίσκεται η συσκευή μέτρησης.

Τα ακόλουθα τυπικά θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή.

Θερμοστοιχείο πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα. Αυτά τα θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση θερμοκρασιών έως 1300 °C για μακροχρόνια χρήση και έως 1600 °C για βραχυπρόθεσμη χρήση, υπό την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιούνται σε οξειδωτική ατμόσφαιρα.Σε μεσαίες θερμοκρασίες, το θερμοστοιχείο πλατίνας-ρόδιου-πλατίνας έχει αποδειχθεί πολύ αξιόπιστο και σταθερό, γι' αυτό και χρησιμοποιείται ως παράδειγμα στην περιοχή 630-1064 °C.

Θερμοστοιχείο χρωμίου-αλουμέλ. Αυτά τα θερμοστοιχεία έχουν σχεδιαστεί για να μετρούν θερμοκρασίες για μακροχρόνια χρήση έως 1000 ° C και για βραχυπρόθεσμη χρήση έως 1300 ° C. Λειτουργούν αξιόπιστα εντός αυτών των ορίων σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα (εάν δεν υπάρχουν διαβρωτικά αέρια), γιατί όταν θερμαίνεται στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων, ένα λεπτό προστατευτικό φιλμ οξειδίου που εμποδίζει το οξυγόνο να διεισδύσει στο μέταλλο.

Θερμοστοιχείο Chromel-Copel… Αυτά τα θερμοστοιχεία μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες έως 600°C για μεγάλο χρονικό διάστημα και έως 800°C για μικρό χρονικό διάστημα. Λειτουργούν με επιτυχία τόσο σε οξειδωτικές και αναγωγικές ατμόσφαιρες, όσο και στο κενό.

Θερμοστοιχείο Iron Copel... Τα όρια μέτρησης είναι τα ίδια με τα θερμοστοιχεία chromel-copel, οι συνθήκες λειτουργίας είναι ίδιες. Δίνει λιγότερο θερμό. και τα λοιπά. σε σύγκριση με το θερμοστοιχείο XK: 30,9 mV στους 500 ° C, αλλά η εξάρτησή του από τη θερμοκρασία είναι πιο κοντά στην αναλογική. Ένα σημαντικό μειονέκτημα του θερμοστοιχείου LC είναι η διάβρωση του ηλεκτροδίου σιδήρου του.

Θερμοστοιχείο χαλκού-χαλκού... Δεδομένου ότι ο χαλκός σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα αρχίζει να οξειδώνεται έντονα ήδη στους 350 ° C, το εύρος εφαρμογής αυτών των θερμοστοιχείων είναι 350 ° C για μεγάλο χρονικό διάστημα και 500 ° C για μικρό χρονικό διάστημα. Σε κενό, αυτά τα θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν έως και 600 °C.

Καμπύλες θερμικής εξάρτησης. και τα λοιπά. θερμοκρασίας για τα πιο κοινά θερμοστοιχεία. 1 — chromel-bastard; 2 — σιδερένιο κάθαρμα. 3 — χαλκό-κάθαρμα· 4 — TTBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromel-alumel. 7-πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Η αντίσταση των θερμοηλεκτροδίων των τυπικών θερμοζευγών από βασικά μέταλλα είναι 0,13-0,18 ohms ανά 1 m μήκους (και τα δύο άκρα), για θερμοστοιχεία πλατίνας-ρόδιου-πλατίνας 1,5-1,6 ohms ανά 1 m. Επιτρεπόμενη θερμοηλεκτρική ισχύς. και τα λοιπά. από τη βαθμονόμηση για μη ευγενή θερμοστοιχεία είναι ± 1%, για πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα ± 0,3-0,35%.

Το τυπικό θερμοστοιχείο είναι μια ράβδος με διάμετρο 21-29 mm και μήκος 500-3000 mm. Στο επάνω μέρος του προστατευτικού σωλήνα τοποθετείται μια σταμπωτή ή χυτή (συνήθως αλουμινίου) κεφαλή με πλάκα καρβολίτη ή βακελίτη, μέσα στην οποία πιέζονται δύο ζεύγη συρμάτων με βιδωτούς σφιγκτήρες συνδεδεμένους ανά ζεύγη. Το θερμοηλεκτρόδιο είναι προσαρτημένο σε έναν ακροδέκτη και στο άλλο συνδέεται ένα καλώδιο σύνδεσης που οδηγεί στη συσκευή μέτρησης. Μερικές φορές τα καλώδια σύνδεσης περικλείονται σε έναν εύκαμπτο προστατευτικό σωλήνα. Εάν είναι απαραίτητο να σφραγιστεί η οπή στην οποία είναι εγκατεστημένο το θερμοστοιχείο, το τελευταίο είναι εφοδιασμένο με ένα εξάρτημα με σπείρωμα. Για τις μπανιέρες, τα θερμοστοιχεία κατασκευάζονται επίσης με σχήμα αγκώνα.

Νόμοι των θερμοζευγών

Νόμος εσωτερικής θερμοκρασίας: Η παρουσία βαθμίδας θερμοκρασίας σε έναν ομοιογενή αγωγό δεν οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος (δεν εμφανίζεται επιπλέον EMF).

Ο νόμος των ενδιάμεσων αγωγών: Έστω δύο ομοιογενείς αγωγοί μετάλλων Α και Β να σχηματίσουν ένα θερμοηλεκτρικό κύκλωμα με επαφές σε θερμοκρασίες Τ1 (θερμή διασταύρωση) και Τ2 (ψυχρή διασταύρωση). Στη ρήξη του σύρματος Α περιλαμβάνεται σύρμα από μέταλλο Χ και σχηματίζονται δύο νέες επαφές. «Αν η θερμοκρασία του σύρματος Χ είναι ίδια σε όλο το μήκος του, τότε το προκύπτον EMF του θερμοστοιχείου δεν θα αλλάξει (δεν προκύπτει EMF από πρόσθετες διασταυρώσεις).»