Termoelektrični pretvarači (termoparovi)

Kako radi termopar

Seebeck je već 1821. otkrio po njemu nazvanu pojavu koja se sastoji u tome da e. Pojavljuje se u zatvorenom krugu koji se sastoji od različitih vodljivih materijala. itd. (tzv. termo-EMC) ako se kontaktne točke ovih materijala održavaju na različitim temperaturama.

U svom najjednostavnijem obliku, kada se električni krug sastoji od dva različita vodiča, naziva se termoelement ili termoelement.

Bit Seebeckovog fenomena leži u činjenici da je energija slobodnih elektrona, koji uzrokuju pojavu električne struje u žicama, različita i različito se mijenja s temperaturom. Stoga, ako postoji temperaturna razlika duž žice, elektroni na njenom vrućem kraju će imati veće energije i brzine u usporedbi s hladnim krajem, uzrokujući tok elektrona od vrućeg kraja prema hladnom kraju žice. Kao rezultat toga, naboji će se akumulirati na oba kraja - negativni na hladnom i pozitivni na vrućem.

Budući da su ti naboji različiti za različite žice, onda kada su dvije od njih spojene u termoelement, pojavit će se diferencijalni termoelement. itd. c. Za analizu fenomena koji se događaju u termoelementu, prikladno je pretpostaviti da je termoelement nastao u njemu. itd. c. E je zbroj dviju kontaktnih elektromotornih sila e, koje se javljaju na mjestima njihovog kontakta i funkcija su temperature ovih kontakata (slika 1, a).

Riža. 1. Shema dvožilnog i trožilnog termoelektričnog kruga, shema za spajanje električnog mjernog uređaja na spoj i termoelektrodu s termoelementom.

Termoelektromotorna sila koja nastaje u krugu dva različita vodiča jednaka je razlici elektromotornih sila na njihovim krajevima.

Iz ove definicije proizlazi da pri jednakim temperaturama na krajevima termoelementa njegova termoelektrična snaga. itd. s će biti nula. Iz ovoga se može izvući izuzetno važan zaključak koji omogućuje korištenje termoelementa kao senzora temperature.

Elektromotorna sila termopara neće se promijeniti uvođenjem treće žice u njegov krug ako su temperature na njegovim krajevima iste.

Ova treća žica može biti uključena iu jednom od spojeva iu dijelu jedne od žica (slika 1.6, c). Ovaj se zaključak može proširiti na nekoliko žica uvedenih u krug termoelementa, sve dok su temperature na njihovim krajevima iste.

Stoga se mjerni uređaj (koji se također sastoji od žica) i spojne žice koje vode do njega mogu uključiti u krug termoelementa bez prouzročenja promjene u termoelektričnoj snazi ​​koju on razvija. e.c, samo ako su temperature točaka 1 i 2 ili 3 i 4 (sl. 1, d i e) jednake. U tom slučaju temperatura ovih točaka može se razlikovati od temperature terminala uređaja, ali temperatura oba terminala mora biti ista.

Ako otpor kruga termopara ostane nepromijenjen, struja koja teče kroz njega (a time i očitanje uređaja) ovisit će samo o termoelektričnoj snazi ​​koju razvija. d. od, odnosno od temperatura radnog (vrućeg) i slobodnog (hladnog) kraja.

Također, ako se temperatura slobodnog kraja termoelementa održava konstantnom, očitanje mjerača ovisit će samo o temperaturi radnog kraja termoelementa. Takav uređaj će izravno pokazati temperaturu radnog spoja termoelementa.

Dakle, termoelektrični pirometar sastoji se od termoelementa (termoelektroda), mjerača istosmjerne struje i spojnih žica.

Iz navedenog se mogu izvući sljedeći zaključci.

1. Metoda proizvodnje radnog kraja termoelementa (zavarivanje, lemljenje, uvijanje itd.) ne utječe na termoelektričnu snagu koju on razvija. itd. s, samo ako su dimenzije radnog kraja takve da je temperatura na svim njegovim točkama ista.

2. Budući da parametar koji mjeri uređaj nije termoelektričan. s i strujom kruga termoelementa, potrebno je da otpor radnog kruga ostane nepromijenjen i jednak svojoj vrijednosti tijekom kalibracije.Ali budući da je to praktički nemoguće učiniti, budući da se otpor termoelektroda i spojnih žica mijenja s temperaturom, javlja se jedna od glavnih pogrešaka metode: pogreška neusklađenosti između otpora kruga i njegovog otpora tijekom kalibracije.

Da bi se smanjila ova pogreška, uređaji za toplinska mjerenja izrađuju se s visokim otporom (50-100 Ohm za gruba mjerenja, 200-500 Ohm za točnija mjerenja) i s niskim temperaturnim električnim koeficijentom, tako da ukupni otpor kruga (i , dakle, odnos između struje i — e. d. s.) varira do minimuma s fluktuacijama temperature okoline.

3. Termoelektrični pirometri uvijek se kalibriraju na dobro definiranoj temperaturi slobodnog kraja termoelementa - na 0 ° C. Obično se ta temperatura razlikuje od temperature kalibracije u radu, zbog čega se javlja druga glavna pogreška metode : pogreška u temperaturi slobodnog kraja termopara.

Budući da ova pogreška može doseći desetke stupnjeva, potrebno je izvršiti odgovarajuću korekciju očitanja uređaja. Ova se korekcija može izračunati ako je poznata temperatura uspona.

Budući da je temperatura slobodnog kraja termoelementa tijekom kalibracije jednaka 0 °C, au radu je obično iznad 0 °C (slobodni krajevi su obično u prostoriji, često se nalaze u blizini pećnice čija se temperatura mjeri ), pirometar daje podcijenjenu vrijednost u usporedbi sa stvarno izmjerenom temperaturom, indikacija i vrijednost potonje moraju se povećati za vrijednost korekcije.

To se obično radi grafički. To je zbog činjenice da obično nema proporcionalnosti između duroplasta.itd. pp. i temperatura. Ako je odnos između njih proporcionalan, tada je kalibracijska krivulja ravna linija iu tom slučaju će korekcija za temperaturu slobodnog kraja termoelementa biti izravno jednaka njegovoj temperaturi.

Izvedba i vrste termoparova

Za materijale termoelektroda vrijede sljedeći zahtjevi:

1) visoki termoelektricitet. itd. v. i blizu proporcionalne prirode njegove promjene od temperature;

2) otpornost na toplinu (neoksidacija na visokim temperaturama);

3) postojanost fizikalnih svojstava tijekom vremena unutar izmjerenih temperatura;

4) visoka električna vodljivost;

5) niskotemperaturni koeficijent otpora;

6) mogućnost proizvodnje u velikim količinama uz konstantna fizikalna svojstva.

Međunarodna elektrotehnička komisija (IEC) definirala je neke standardne vrste termoparova (standard IEC 584-1). Elementi imaju indekse R, S, B, K, J, E, T prema rasponu izmjerenih temperatura.

U industriji se termoparovi koriste za mjerenje visokih temperatura, do 600 — 1000 — 1500˚C. Industrijski termoelement sastoji se od dva vatrostalna metala ili legure. Topli spoj (označen slovom «G») se nalazi na mjestu gdje se mjeri temperatura, a hladni spoj («X») se nalazi u području gdje se nalazi mjerni uređaj.

Trenutno se koriste sljedeći standardni termoparovi.

Termopar platina-rodij-platina. Ovi se termoparovi mogu koristiti za mjerenje temperatura do 1300 °C za dugotrajnu upotrebu i do 1600 °C za kratkotrajnu upotrebu, pod uvjetom da se koriste u oksidirajućoj atmosferi.Na srednjim temperaturama platina-rodij-platina termopar se pokazao vrlo pouzdanim i stabilnim, zbog čega se koristi kao primjer u rasponu od 630-1064 °C.

Krom-alumel termopar. Ovi termoparovi su dizajnirani za mjerenje temperatura za dugotrajnu upotrebu do 1000 °C i za kratkotrajnu upotrebu do 1300 °C. Pouzdano rade unutar ovih granica u oksidirajućoj atmosferi (ako nema korozivnih plinova), jer kada zagrijan na površini elektroda, tanki zaštitni oksidni film koji sprječava prodiranje kisika u metal.

Chromel-Copel termoelement… Ovi termoparovi mogu mjeriti temperature do 600°C dugo vremena i do 800°C kratko vrijeme. Uspješno rade iu oksidacijskim i redukcijskim atmosferama, kao iu vakuumu.

Željezni Copel termoelement... Granice mjerenja su iste kao i za kromel-copel termoelemente, radni uvjeti su isti. Daje manje termo. itd. u usporedbi s XK termoelementom: 30,9 mV na 500 °C, ali je njegova ovisnost o temperaturi bliža proporcionalnoj. Značajan nedostatak LC termoelementa je korozija njegove željezne elektrode.

Termopar bakar-bakar... Budući da bakar u oksidirajućoj atmosferi počinje intenzivno oksidirati već na 350°C, područje primjene ovih termoparova je 350°C dugotrajno i 500°C kratkotrajno. U vakuumu se ovi termoparovi mogu koristiti do 600 °C.

Termo-e krivulje ovisnosti. itd. temperature za najčešće termoparove. 1 — kromel-kopile; 2 — željezno kopile; 3 — bakar-kopile; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — kromel-alumel; 7-platina-rodij-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Otpor termoelektroda standardnih termoparova od običnih metala je 0,13-0,18 ohma po 1 m duljine (oba kraja), za termoparove platina-rodij-platina 1,5-1,6 ohma po 1 m. Dopuštena odstupanja termoelektrične snage. itd. iz kalibracije za neplemenite termoparove su ± 1%, za platina-rodij-platina ± 0,3-0,35%.

Standardni termoelement je šipka promjera 21-29 mm i duljine 500-3000 mm. Na vrhu zaštitne cijevi postavlja se utisnuta ili lijevana (najčešće aluminijska) glava s karbolitnom ili bakelitnom pločom u koju su utisnuta dva para žica s vijčanim stezaljkama spojenim u paru. Na jedan terminal je pričvršćena termoelektroda, a na drugi spojna žica koja vodi do mjernog uređaja. Ponekad su spojne žice zatvorene u savitljivom zaštitnom crijevu. Ako je potrebno zabrtviti rupu u koju je ugrađen termoelement, potonji je opremljen navojnim priključkom. Za kade se termoparovi izrađuju i s koljenastim oblikom.

Zakoni termoparova

Zakon unutarnje temperature: Prisutnost temperaturnog gradijenta u homogenom vodiču ne dovodi do pojave električne struje (ne javlja se dodatni EMF).

Zakon međuvodiča: Neka dva homogena vodiča od metala A i B tvore termoelektrični krug s kontaktima na temperaturama T1 (vrući spoj) i T2 (hladni spoj). Žica od metala X uključena je u prekid žice A i formiraju se dva nova kontakta. «Ako je temperatura žice X ista cijelom njezinom duljinom, tada se rezultirajući EMF termoelementa neće promijeniti (nikakav EMF ne nastaje iz dodatnih spojeva).»