Termoelektrični pretvorniki (termoelementi)
Kako deluje termočlen
Že leta 1821 je Seebeck odkril pojav, poimenovan po njem, ki sestoji iz dejstva, da se e pojavi v zaprtem krogu, sestavljenem iz različnih prevodnih materialov. itd. (tako imenovani termo-EMC), če se kontaktne točke teh materialov vzdržujejo pri različnih temperaturah.
V najpreprostejši obliki, ko je električni tokokrog sestavljen iz dveh različnih vodnikov, se imenuje termočlen ali termočlen.
Bistvo Seebeckovega pojava je v tem, da je energija prostih elektronov, ki povzročajo nastanek električnega toka v žicah, različna in se različno spreminja s temperaturo. Če je vzdolž žice temperaturna razlika, bodo imeli elektroni na njenem vročem koncu višjo energijo in hitrost v primerjavi s hladnim koncem, kar povzroči pretok elektronov od vročega konca do hladnega konca žice. Posledično se bodo naboji kopičili na obeh koncih - negativni na hladnem in pozitivni na vročem.
Ker so ti naboji različni za različne žice, se bo, ko sta dva povezana v termočlen, pojavil diferencialni termočlen. itd. c) Za analizo pojavov, ki se pojavljajo v termočlenu, je priročno domnevati, da je termočlen ustvarjen v njem. itd. c E je vsota dveh kontaktnih elektromotornih sil e, ki se pojavljajo na mestih njihovega stika in so funkcija temperature teh kontaktov (slika 1, a).
riž. 1. Diagram dvo- in trižilnega termoelektričnega vezja, diagram za priključitev električne merilne naprave na stičišče in termoelektrode s termočlenom.
Termoelektromotorna sila, ki nastane v krogu dveh različnih prevodnikov, je enaka razliki elektromotornih sil na njunih koncih.
Iz te definicije sledi, da je pri enakih temperaturah na koncih termočlena njegova termoelektrična moč. itd. s bo nič. Iz tega lahko potegnemo izjemno pomemben zaključek, ki omogoča uporabo termočlena kot temperaturnega tipala.
Elektromotorna sila termočlena se ne bo spremenila z uvedbo tretje žice v njegov tokokrog, če so temperature na njegovih koncih enake.
Ta tretja žica je lahko vključena v eno od stičišč in v odsek ene od žic (slika 1.6, c). Ta sklep se lahko razširi na več žic, vpeljanih v vezje termočlena, če so temperature na njihovih koncih enake.
Zato je mogoče merilno napravo (prav tako sestavljeno iz žic) in povezovalne žice, ki vodijo do nje, vključiti v vezje termočlena, ne da bi povzročili spremembo termoelektrične moči, ki jo razvije. e.c, le če sta temperaturi točk 1 in 2 ali 3 in 4 (sl. 1, d in e) enaki. V tem primeru se lahko temperatura teh točk razlikuje od temperature sponk naprave, vendar mora biti temperatura obeh sponk enaka.
Če ostane upor vezja termočlena nespremenjen, bo tok, ki teče skozi njega (in s tem odčitek naprave), odvisen samo od termoelektrične moči, ki jo razvije. d., to je od temperature delovnega (vročega) in prostega (hladnega) konca.
Poleg tega, če je temperatura prostega konca termočlena konstantna, bo odčitek števca odvisen le od temperature delovnega konca termočlena. Takšna naprava bo neposredno pokazala temperaturo delovnega stičišča termoelementa.
Zato je termoelektrični pirometer sestavljen iz termočlena (termoelektrode), merilnika enosmernega toka in povezovalnih žic.
Iz zgoraj navedenega je mogoče potegniti naslednje zaključke.
1. Metoda izdelave delovnega konca termočlena (varjenje, spajkanje, zvijanje itd.) Ne vpliva na termoelektrično moč, ki jo razvije. itd. s, če so le mere obdelovalnega konca takšne, da je temperatura na vseh njegovih točkah enaka.
2. Ker parameter, ki ga meri naprava, ni termoelektričen. in tok tokokroga termočlena, je potrebno, da ostane upor delovnega tokokroga nespremenjen in enak njegovi vrednosti med kalibracijo.Ker pa je to praktično nemogoče storiti, saj se upor termoelektrod in povezovalnih žic spreminja s temperaturo, se pojavi ena glavnih napak metode: napaka neusklajenosti med uporom vezja in njegovim uporom med kalibracijo.
Da bi zmanjšali to napako, so naprave za toplotne meritve izdelane z visoko upornostjo (50-100 Ohm za grobe meritve, 200-500 Ohm za natančnejše meritve) in z nizkim temperaturnim električnim koeficientom, tako da je celotna upornost vezja (in , zato se razmerje med tokom in — e. d. s.) spreminja na minimum z nihanji temperature okolja.
3. Termoelektrični pirometri so vedno kalibrirani pri točno določeni temperaturi prostega konca termočlena - pri 0 ° C. Običajno se ta temperatura razlikuje od kalibracijske temperature med delovanjem, zaradi česar pride do druge glavne napake metode : napaka v temperaturi prostega konca termočlena.
Ker lahko ta napaka doseže več deset stopinj, je treba ustrezno popraviti odčitke naprave. Ta popravek je mogoče izračunati, če je znana temperatura dvižnih vodov.
Ker je temperatura prostega konca termoelementa med kalibracijo enaka 0 ° C, med delovanjem pa je običajno nad 0 ° C (prosti konci so običajno v prostoru, pogosto se nahajajo v bližini pečice, katere temperatura se meri ), pirometer daje podcenjeno vrednost v primerjavi z dejansko izmerjeno temperaturo, je treba prikaz in vrednost slednje povečati za korekcijsko vrednost.
To se običajno naredi grafično. To je posledica dejstva, da med duroplasti običajno ni sorazmernosti.itd. pp. in temperatura. Če je razmerje med njima sorazmerno, potem je umeritvena krivulja ravna črta in v tem primeru bo popravek za temperaturo prostega konca termoelementa neposredno enak njegovi temperaturi.
Zasnova in vrste termočlenov
Za materiale termoelektrod veljajo naslednje zahteve:
1) visoka termoelektričnost. itd. v. in blizu sorazmernosti njegove spremembe glede na temperaturo;
2) toplotna odpornost (neoksidacija pri visokih temperaturah);
3) stalnost fizikalnih lastnosti skozi čas znotraj izmerjenih temperatur;
4) visoka električna prevodnost;
5) nizkotemperaturni koeficient odpornosti;
6) možnost proizvodnje v velikih količinah s stalnimi fizikalnimi lastnostmi.
Mednarodna elektrotehnična komisija (IEC) je opredelila nekaj standardnih tipov termočlenov (standard IEC 584-1). Elementi imajo indekse R, S, B, K, J, E, T glede na območje izmerjenih temperatur.
V industriji se termočleni uporabljajo za merjenje visokih temperatur, do 600 — 1000 — 1500˚C. Industrijski termočlen je sestavljen iz dveh ognjevzdržnih kovin ali zlitin. Vroči spoj (označen s črko «G») se nahaja na mestu, kjer se meri temperatura, hladni spoj («X») pa v območju, kjer se nahaja merilna naprava.
Trenutno so v uporabi naslednji standardni termočleni.
Termočlen platina-rodij-platina. Ti termočleni se lahko uporabljajo za merjenje temperatur do 1300 °C za dolgotrajno uporabo in do 1600 °C za kratkotrajno uporabo, če se uporabljajo v oksidativni atmosferi.Pri srednjih temperaturah se je termoelement platina-rodij-platina izkazal za zelo zanesljivega in stabilnega, zato se uporablja kot primer v območju 630-1064 °C.
Krom-alumel termoelement. Ti termoelementi so zasnovani za merjenje temperatur za dolgotrajno uporabo do 1000 °C in za kratkotrajno uporabo do 1300 °C. V teh mejah zanesljivo delujejo v oksidativni atmosferi (če ni jedkih plinov), ker ko segreta na površini elektrod, tanek zaščitni oksidni film, ki preprečuje prodiranje kisika v kovino.
Termočlen Chromel-Copel… Ti termoelementi lahko dolgo časa merijo temperature do 600°C in kratkotrajno do 800°C. Uspešno delujejo tako v oksidacijskih kot redukcijskih atmosferah ter v vakuumu.
Iron Copel termočlen... Merilne meje so enake kot pri kromel-copel termoelementih, enaki so tudi pogoji delovanja. Daje manj toplote. itd. v primerjavi s termočlenom XK: 30,9 mV pri 500 °C, vendar je njegova odvisnost od temperature bližje sorazmerni. Pomembna pomanjkljivost LC termočlena je korozija njegove železne elektrode.
Baker-baker termoelement... Ker baker v oksidativni atmosferi začne intenzivno oksidirati že pri 350 °C, je področje uporabe teh termoelementov 350 °C za daljši čas in 500 °C za kratek čas. V vakuumu se ti termočleni lahko uporabljajo do 600 °C.
Krivulje odvisnosti od termo-e. itd. temperature za najpogostejše termočlene. 1 - kromel-baraba; 2 - železna baraba; 3 - baker-bastard; 4 - TGBC -350M; 5 - TGKT-360M; 6 - kromel-alumel; 7-platina-rodij-platina; 8 - TMSV-340M; 9 — PR -30/6.
Odpornost termoelektrod standardnih termoelementov iz navadnih kovin je 0,13-0,18 ohmov na 1 m dolžine (oba konca), za termoelemente platina-rodij-platina 1,5-1,6 ohmov na 1 m Dovoljena odstopanja termoelektrične moči. itd. iz kalibracije za nežlahtne termoelemente so ± 1 %, za platina-rodij-platina ± 0,3-0,35 %.
Standardni termočlen je palica s premerom 21-29 mm in dolžino 500-3000 mm. Na vrhu zaščitne cevi je nameščena štancana ali lita (običajno aluminijasta) glava s karbolitno ali bakelitno ploščo, v katero sta z vijačnimi sponkami, povezanimi v parih, vtisnjena dva para žic. Na eno sponko je pritrjena termoelektroda, na drugo pa povezovalna žica, ki vodi do merilne naprave. Včasih so priključne žice zaprte v gibki zaščitni cevi. Če je potrebno zatesniti luknjo, v katero je nameščen termočlen, je slednji opremljen z navojnim priključkom. Za kopalne kadi so termoelementi izdelani tudi s kolenčasto obliko.
Zakoni termočlenov
Notranji temperaturni zakon: Prisotnost temperaturnega gradienta v homogenem prevodniku ne vodi do pojava električnega toka (ne pride do dodatnega EMF).
Zakon vmesnih prevodnikov: Naj dva homogena vodnika iz kovin A in B tvorita termoelektrično vezje s kontakti pri temperaturah T1 (vroč spoj) in T2 (hladen spoj). Žica iz kovine X je vključena v pretrganje žice A in nastaneta dva nova kontakta. "Če je temperatura žice X enaka po vsej njeni dolžini, se posledični EMF termočlena ne bo spremenil (z dodatnimi spoji ne nastane EMF)."