Termoelektrilised muundurid (termopaarid)

Kuidas termopaar töötab

Juba 1821. aastal avastas Seebeck endanimelise nähtuse, mis seisneb selles, et erinevatest juhtivatest materjalidest koosnevas suletud vooluringis esineb e. jne. (nn termo-EMC), kui nende materjalide kokkupuutepunkte hoitakse erinevatel temperatuuridel.

Kõige lihtsamal kujul, kui elektriahel koosneb kahest erinevast juhist, nimetatakse seda termopaariks või termopaariks.

Seebecki fenomeni olemus seisneb selles, et vabade elektronide energia, mis põhjustab juhtmetesse elektrivoolu tekkimist, on erinev ja muutub temperatuuriga erinevalt. Seega, kui piki traati on temperatuuride erinevus, on selle kuumas otsas elektronidel suurem energia ja kiirus võrreldes külma otsaga, põhjustades elektronide voolu juhtme kuumast otsast külma otsa. Selle tulemusena kogunevad laengud mõlemas otsas – külmal negatiivsed ja kuumal positiivsed.

Kuna need laengud on erinevate juhtmete puhul erinevad, siis kahe termopaari ühendamisel tekib diferentsiaaltermopaar. jne. c) Termopaaris esinevate nähtuste analüüsimiseks on mugav eeldada, et termopaar tekkis selles. jne. c) E on kahe kontakti elektromotoorjõu e summa, mis ilmnevad nende kokkupuutekohtades ja on nende kontaktide temperatuuri funktsioon (joonis 1, a).

Riis. 1. Kahe- ja kolmejuhtmelise termoelektriahela skeem, skeem elektrilise mõõteseadme ühendamiseks ristmikuga ja termoelektroodiga termopaariga.

Kahe erineva juhi ahelas tekkiv termoelektromootor on võrdne nende otstes tekkivate elektromotoorjõudude erinevusega.

Sellest määratlusest järeldub, et võrdsetel temperatuuridel termopaari otstes on selle termoelektriline võimsus. jne. s on null. Sellest saab teha äärmiselt olulise järelduse, mis võimaldab termopaari kasutada temperatuuriandurina.

Termopaari elektromotoorjõudu ei muuda kolmanda juhtme lisamine selle ahelasse, kui temperatuurid selle otstes on samad.

Seda kolmandat juhet saab lisada nii ühte ühenduskohta kui ka ühe juhtme sektsiooni (joonis 1.6, c). Seda järeldust saab laiendada mitmele termopaari ahelasse sisestatud juhtmele, kui temperatuurid nende otstes on samad.

Seetõttu saab termopaari ahelasse kaasata mõõteseadme (mis koosneb ka juhtmetest) ja selle juurde viivad ühendusjuhtmed, ilma et see põhjustaks muutust selle poolt arendatavas termoelektrilises võimsuses. e.c, ainult siis, kui punktide 1 ja 2 või 3 ja 4 temperatuurid (joonis 1, d ja e) on võrdsed. Sel juhul võib nende punktide temperatuur erineda seadme klemmide temperatuurist, kuid mõlema klemmi temperatuur peab olema sama.

Kui termopaari ahela takistus jääb muutumatuks, sõltub seda läbiv vool (ja seega ka seadme näit) ainult selle poolt arendatavast termoelektrilisest võimsusest. d) töötavate (kuumade) ja vabade (külmade) otste temperatuuridest.

Samuti, kui termopaari vaba otsa temperatuur hoitakse konstantsena, sõltub arvesti näit ainult termopaari tööotsa temperatuurist. Selline seade näitab otseselt termopaari tööristmiku temperatuuri.

Seetõttu koosneb termoelektriline püromeeter termopaarist (termoelektroodidest), alalisvoolumõõtjast ja ühendusjuhtmetest.

Eeltoodust võib teha järgmised järeldused.

1. Termopaari tööotsa valmistamise meetod (keevitamine, jootmine, keeramine jne) ei mõjuta selle poolt arendatavat termoelektrilist võimsust. jne. kui ainult tööotsa mõõtmed on sellised, et temperatuur kõigis selle punktides on sama.

2. Kuna seadme poolt mõõdetud parameeter ei ole termoelektriline. ja termopaari vooluahela vooluga, on vajalik, et tööahela takistus jääks kalibreerimise ajal muutumatuks ja võrduks selle väärtusega.Kuid kuna seda on praktiliselt võimatu teha, kuna termoelektroodide ja ühendusjuhtmete takistus muutub temperatuuriga, ilmneb meetodi üks peamisi vigu: vooluahela takistuse ja selle takistuse mittevastavuse viga kalibreerimise ajal.

Selle vea vähendamiseks valmistatakse soojusmõõtmise seadmed suure takistusega (50-100 oomi jämedate mõõtmiste jaoks, 200-500 oomi täpsemate mõõtmiste jaoks) ja madala temperatuuriga elektrikoefitsiendiga, nii et vooluahela kogutakistus (ja , seetõttu varieerub suhe voolu ja — e. d. s.) vahel minimaalselt koos ümbritseva õhu temperatuuri kõikumisega.

3. Termoelektrilised püromeetrid kalibreeritakse alati termopaari vaba otsa täpselt määratletud temperatuuril — 0 ° C. Tavaliselt erineb see temperatuur töötamise kalibreerimistemperatuurist, mille tulemusena ilmneb meetodi teine ​​põhiviga. : termopaari vaba otsa temperatuuri viga.

Kuna see viga võib ulatuda kümnete kraadideni, tuleb seadme näitudes teha asjakohane korrektsioon. Seda korrektsiooni saab arvutada, kui tõusutorude temperatuur on teada.

Kuna termopaari vaba otsa temperatuur on kalibreerimise ajal võrdne 0 ° C ja töötamise ajal on see tavaliselt üle 0 ° C (vabad otsad on tavaliselt ruumis, asuvad need sageli ahju lähedal, mille temperatuuri mõõdetakse ), annab püromeeter tegeliku mõõdetud temperatuuriga võrreldes alahinnangu, viimase näitu ja väärtust tuleb parandusväärtuse võrra suurendada.

Tavaliselt tehakse seda graafiliselt. See on tingitud asjaolust, et tavaliselt ei ole termoreaktiivsete vahel proportsionaalsust.jne. lk ja temperatuur. Kui nendevaheline suhe on proportsionaalne, siis on kalibreerimiskõver sirgjoon ja sel juhul on termopaari vaba otsa temperatuuri korrektsioon otseselt võrdne selle temperatuuriga.

Termopaaride disain ja tüübid

Termoelektroodi materjalidele kehtivad järgmised nõuded:

1) kõrge termoelektrilisus. jne. v. ja lähedane selle temperatuuri muutuse proportsionaalsele olemusele;

2) kuumakindlus (mitteoksüdeerumine kõrgel temperatuuril);

3) füüsikaliste omaduste püsivus ajas mõõdetud temperatuuride piires;

4) kõrge elektrijuhtivus;

5) madaltemperatuuri takistustegur;

6) pidevate füüsikaliste omadustega suures koguses tootmise võimalus.

Rahvusvaheline elektrotehnikakomisjon (IEC) on määratlenud mõned termopaaride standardtüübid (standard IEC 584-1). Elementidel on indeksid R, S, B, K, J, E, T vastavalt mõõdetud temperatuurivahemikule.

Tööstuses kasutatakse termopaare kõrgete temperatuuride, kuni 600–1000–1500˚C, mõõtmiseks. Tööstuslik termopaar koosneb kahest tulekindlast metallist või sulamist. Kuum ristmik (tähistatud tähega «G») asetatakse temperatuuri mõõtmise kohta ja külmliitmik («X») asub mõõteseadme asukohas.

Praegu on kasutusel järgmised standardsed termopaarid.

Plaatina-roodium-plaatina termopaar. Neid termopaare saab kasutada temperatuuri mõõtmiseks kuni 1300 °C pikaajalisel kasutamisel ja kuni 1600 °C lühiajalisel kasutamisel eeldusel, et neid kasutatakse oksüdeerivas atmosfääris.Keskmise temperatuuri juures on plaatina-roodium-plaatina termopaar osutunud väga töökindlaks ja stabiilseks, mistõttu kasutatakse seda näitena vahemikus 630-1064 °C.

Kroomialumiinium termopaar. Need termopaarid on ette nähtud temperatuuri mõõtmiseks pikaajaliseks kasutamiseks kuni 1000 ° C ja lühiajaliseks kasutamiseks kuni 1300 ° C. Nad töötavad nendes piirides usaldusväärselt oksüdeerivas atmosfääris (kui puuduvad söövitavad gaasid), sest kui soojendatakse elektroodide pinnale, õhuke kaitsev oksiidkile, mis ei lase hapnikul läbi metalli tungida.

Chromel-Copeli termopaar… Need termopaarid suudavad mõõta temperatuuri kuni 600°C pikka aega ja kuni 800°C lühiajaliselt. Need töötavad edukalt nii oksüdeerivas ja redutseerivas atmosfääris kui ka vaakumis.

Iron Copel termopaar... Mõõtmispiirid on samad, mis kromel-copel termopaaridel, töötingimused on samad. See annab vähem soojust. jne. vs võrreldes XK termopaariga: 30,9 mV temperatuuril 500 ° C, kuid selle sõltuvus temperatuurist on proportsionaalsem. LC termopaari oluline puudus on selle raudelektroodi korrosioon.

Vask-vask termopaar... Kuna oksüdeerivas atmosfääris hakkab vask intensiivselt oksüdeeruma juba 350°C juures, siis on nende termopaaride kasutusala pikaks ajaks 350°C ja lühiajaliselt 500°C. Vaakumis saab neid termopaare kasutada kuni 600 °C.

Termo-e sõltuvuskõverad. jne. kõige tavalisemate termopaaride temperatuurist. 1 — kroom-värdjas; 2 — raud-värdjas; 3 — vask-värdjas; 4 — TKBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — kromel-alumel; 7-plaatina-roodium-plaatina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Mitteväärismetallist valmistatud standardsete termopaaride termoelektroodide takistus on 0,13-0,18 oomi 1 m pikkuse kohta (mõlemad otsad), plaatina-roodium-plaatina termopaaridel 1,5-1,6 oomi 1 m kohta Lubatud termoelektrilise võimsuse kõrvalekalded. jne. kalibreerimisest mitteüllaste termopaaride puhul on ± 1%, plaatina-roodium-plaatina puhul ± 0,3-0,35%.

Standardne termopaar on varras läbimõõduga 21-29 mm ja pikkusega 500-3000 mm. Kaitsetoru ülaosale asetatakse stantsitud või valatud (tavaliselt alumiiniumist) karboliidi- või bakeliitplaadiga pea, millesse surutakse paarikaupa ühendatud kruviklambritega kaks paari juhtmeid. Ühe klemmi külge on kinnitatud termoelektrood ja teise külge on ühendatud ühendusjuhe, mis viib mõõteseadmesse. Mõnikord on ühendusjuhtmed suletud painduva kaitsevoolikuga. Kui on vaja tihendada auk, kuhu termopaar on paigaldatud, on viimane varustatud keermestatud liitmikuga. Vannide jaoks valmistatakse termopaare ka küünarnuki kujuga.

Termopaaride seadused

Sisetemperatuuri seadus: temperatuurigradiendi olemasolu homogeenses juhis ei too kaasa elektrivoolu ilmnemist (täiendavat EMF-i ei esine).

Vahejuhtide seadus: Laske kahel metallide A ja B homogeensel juhil moodustada termoelektrilise vooluringi kontaktidega temperatuuridel T1 (kuum ristmik) ja T2 (külmühendus). Traadi A purunemisel on kaasas metallist X traat ja moodustub kaks uut kontakti. «Kui traadi X temperatuur on kogu pikkuses sama, siis tekkiv termopaari EMF ei muutu (täiendavatest ristmikest EMF-i ei teki).»