Термоелектрически преобразуватели (термодвойки)

Как работи термодвойката

Още през 1821 г. Зеебек открива явление, кръстено на него, което се състои в това, че д. Появява се в затворена верига, състояща се от различни проводящи материали. и т.н. с. (т.нар. термо-ЕРС), ако контактните точки на тези материали се поддържат при различни температури.

В най -простата си форма, когато електрическа верига се състои от два различни проводника, тя се нарича термоелемент, или термодвойка.

Същността на явлението Зеебек се крие във факта, че енергията на свободните електрони, които причиняват появата на електрически ток в проводниците, е различна и се променя по различен начин с температурата. Следователно, ако има разлика в температурата по протежение на проводника, електроните в неговия горещ край ще имат по -високи енергии и скорости в сравнение със студения, което ще предизвика електронен поток от горещия край към студения край в проводника. В резултат на това таксите ще се натрупват в двата края — отрицателни на студено и положителни на горещ.

Тъй като тези заряди са различни за различните проводници, тогава когато два от тях са свързани в термоелемент, ще се появи диференциален термоелемент. и т.н. с. За да се анализират явленията, възникващи в термоелемента, е удобно да се предположи, че генерираният в него термоелемент. и т.н. с. E е сумата от две контактни електромоторни сили e, възникващи в местата на техния контакт и са функция от температурата на тези контакти (фиг. 1, а).

Ориз. 1. Схема на термоелектрическа верига от два и три проводника, диаграма за свързване на електрическо измервателно устройство към кръстовището и термоелектрод с термодвойка.

Термоелектромоторната сила, възникваща във верига от два различни проводника, е равна на разликата в електромоторните сили в техните краища.

От това определение следва, че при равни температури в краищата на термоелемента, неговата термоелектрическа мощност. и т.н. с. ще бъде нула. От това може да се направи изключително важен извод, който прави възможно използването на термодвойка като сензор за измерване на температурата.

Електромоторната сила на термодвойка няма да се промени от въвеждането на трети проводник в неговата верига, ако температурите в краищата му са еднакви.

Този трети проводник може да бъде включен както в едно от кръстовищата, така и в разреза на един от проводниците (фиг. 1.6, в). Това заключение може да се разшири до няколко проводника, въведени във веригата на термодвойката, стига температурите в краищата им да са еднакви.

Следователно, измервателно устройство (състоящо се също от проводници) и свързващи проводници, водещи до него, могат да бъдат включени във веригата на термодвойката, без да причиняват промяна в развитата от него термоелектрическа мощност. д. в, само ако температурите на точки 1 и 2 или 3 и 4 (фиг. 1, г и д) са равни. В този случай температурата на тези точки може да се различава от температурата на клемите на устройството, но температурата на двата терминала трябва да е еднаква.

Ако съпротивлението на веригата на термодвойката остане непроменено, токът, преминаващ през нея (и следователно отчитането на устройството), ще зависи само от развитата от него термоелектрическа мощност. г. от, тоест от температурите на работния (горещ) и свободния (студен) край.

Освен това, ако температурата на свободния край на термодвойката се поддържа постоянна, показанията на уреда ще зависят само от температурата на работния край на термодвойката. Такова устройство ще показва директно температурата на работното съединение на термодвойката.

Поради това, Термоелектрически пирометър се състои от термодвойка (термоелектроди), електромер с постоянен ток и свързващи проводници.

От горното могат да се направят следните изводи.

1. Методът за производство на работния край на термодвойката (заваряване, запояване, усукване и т.н.) не влияе на развитата от него термоелектрическа мощност. и т.н. с, ако само размерите на работния край са такива, че температурата във всичките му точки е еднаква.

2. Тъй като параметърът, измерен от устройството, не е термоелектричен. с и тока на веригата на термодвойката, е необходимо съпротивлението на веригата при работа да остане непроменено и равно на стойността му по време на калибрирането. Но тъй като е практически невъзможно да се направи това, тъй като съпротивлението на термоелектродите и свързващите проводници се променя с температурата, възниква една от основните грешки на метода: грешката от несъответствието между съпротивлението на веригата и нейното съпротивление по време на калибрирането.

За да се намали тази грешка, устройствата за термични измервания се правят с високо съпротивление (50-100 Ohm за груби измервания, 200-500 Ohm за по-точни измервания) и с нисък температурен електрически коефициент, така че общото съпротивление на веригата (и , следователно, връзката между ток и — е. д. с.) варира до минимум с колебания в температурата на околната среда.

3. Термоелектрическите пирометри винаги се калибрират при добре определена температура на свободния край на термодвойката — при 0 ° C. Обикновено тази температура се различава от температурата на калибриране при работа, в резултат на това възниква втората основна грешка на метода: грешката в температурата на свободния край на термодвойката.

Тъй като тази грешка може да достигне десетки градуси, е необходимо да се направи подходяща корекция на показанията на устройството. Тази корекция може да се изчисли, ако температурата на щранговете е известна.

Тъй като температурата на свободния край на термодвойката при калибриране е равна на 0 ° C, а при работа тя обикновено е над 0 ° C (свободните краища обикновено са в стаята, те често са разположени близо до фурната, чиято температура се измерва), пирометърът дава подценена спрямо действителната измерена температура, индикацията и стойността на последната трябва да се увеличат с корекционната стойност.

Това обикновено се прави графично. Това се дължи на факта, че обикновено няма пропорционалност между термоетата. и т.н. с. и температура. Ако връзката между тях е пропорционална, тогава калибрационната крива е права линия и в този случай корекцията за температурата на свободния край на термодвойката ще бъде равна директно на нейната температура.

Проектиране и видове термодвойки

Към материалите за термоелектроди се налагат следните изисквания:

1) висока термоелектричество. и т.н. с. и близо до пропорционалния характер на промяната му от температурата;

2) топлоустойчивост (неокисляемост при високи температури);

3) неизменност на физическите свойства във времето в рамките на измерените температури;

4) висока електропроводимост;

5) нискотемпературен коефициент на съпротивление;

6) възможността за производство в големи количества с постоянни физични свойства.

Международната електротехническа комисия (IEC) е определила някои стандартни видове термодвойки (стандарт IEC 584-1). Елементите имат индекси R, S, B, K, J, E, T в съответствие с обхвата на измерените температури.

В промишлеността термодвойките се използват за измерване на високи температури, до 600 — 1000 — 1500˚С. Промишлена термодвойка се състои от два огнеупорни метала или сплави. Горещото кръстовище (маркирано с буквата «G») се поставя на мястото, където се измерва температурата, а студеното съединение («X») се намира в зоната, където се намира измервателното устройство.

Понастоящем се използват следните стандартни термодвойки.

Платина-родий-платина термодвойка. Тези термодвойки могат да се използват за измерване на температури до 1300 ° C за продължителна употреба и до 1600 ° C за краткосрочна употреба, при условие че се използват в окисляваща атмосфера. При средни температури термодвойката платина-родий-платина се е утвърдила като много надеждна и стабилна, поради което се използва като примерна в диапазона от 630-1064 ° C.

Хром-алумелова термодвойка. Тези термодвойки са предназначени за измерване на температури за продължителна употреба до 1000 ° C и за краткотрайна употреба до 1300 ° C. Те работят надеждно в тези граници в окислителна атмосфера (ако няма корозивни газове), тъй като при нагряване върху повърхността на електродите се образува тънък защитен оксиден филм, който предотвратява проникването на кислород в метала.

Термодвойка Chromel-Copel… Тези термодвойки могат да измерват температури до 600 ° C за дълго време и до 800 ° C за кратко време. Те работят успешно както в окисляваща, така и в редуцираща атмосфера, както и във вакуум.

Термодвойка Iron Copel… Границите на измерване са същите като при термодвойките хромел-копел, условията на работа са същите. Той дава по -малко термо. и т.н. с. в сравнение с термодвойката XK: 30,9 mV при 500 ° C, но зависимостта му от температурата е по -близо до пропорционална. Значителен недостатък на LC термодвойката е корозията на нейния железен електрод.

Медно-копелова термодвойка… Тъй като медта в окисляваща атмосфера започва интензивно да се окислява вече при 350 ° C, обхватът на приложение на тези термодвойки е 350 ° C за дълго време и 500 ° C за кратко време. Във вакуум тези термодвойки могат да се използват до 600 ° C.

Криви на зависимост на термо-е. и т.н. с. на температурата за най -често срещаните термодвойки. 1 — хромел -копел; 2 — желязо -копел; 3 — медно -копел; 4 — ТГБЦ -350М; 5 — TGKT -360M; 6 — хромел -алумел; 7-платина-родий-платина; 8 —ТМСВ-340М; 9 — PR -30/6.

Съпротивлението на термоелектродите на стандартните термодвойки, изработени от неблагородни метали, е 0,13-0,18 ома на 1 м дължина (двата края), за термодвойки платина-родий-платина 1,5-1,6 ома на 1 м. Допустими отклонения на термоелектрическата мощност. и т.н. с. от калибрирането за неблагородни термодвойки са ± 1%, за платина-родий-платина ± 0,3-0,35%.

Стандартната термодвойка е пръчка с диаметър 21-29 мм и дължина 500-3000 мм. На горната част на защитната тръба се поставя щампована или отлита (обикновено от алуминий) глава с карболитна или бакелитова плоча, в която се притискат два чифта проводници с винтови скоби, свързани по двойки. Термоелектродът е прикрепен към единия извод, а към другия е свързан свързващ проводник, който води към измервателното устройство. Понякога свързващите проводници са затворени в гъвкав защитен маркуч. Ако е необходимо да се запечата дупката, в която е монтирана термодвойката, последната е снабдена с фитинг с резба. За вани термодвойките също са изработени с лакътна форма.

Закони за термодвойките

Вътрешен температурен закон: Наличието на температурен градиент в хомогенен проводник не води до появата на електрически ток (не възниква допълнителна ЕМП).

Законът за междинните проводници: Нека два хомогенни проводника от метали А и В образуват термоелектрическа верига с контакти с температури T1 (горещо съединение) и T2 (студено съединение). В разкъсването на проводник А е включен проводник от метал X и се образуват два нови контакта. «Ако температурата на проводника X е една и съща по цялата му дължина, тогава получената ЕДС на термодвойката няма да се промени (не възниква ЕМП от допълнителни кръстовища).»