Termoelektriska omvandlare (termoelement)

Hur ett termoelement fungerar

Redan 1821 upptäckte Seebeck ett efter honom uppkallat fenomen, som består i att e. Uppträder i en sluten krets bestående av olika ledande material. etc. (så kallad termo-EMC) om kontaktpunkterna för dessa material hålls vid olika temperaturer.

I sin enklaste form, när en elektrisk krets består av två olika ledare, kallas det ett termoelement, eller termoelement.

Kärnan i Seebeck-fenomenet ligger i det faktum att energin hos fria elektroner, som orsakar uppkomsten av en elektrisk ström i ledningar, är annorlunda och förändras annorlunda med temperaturen. Därför, om det finns en temperaturskillnad längs tråden, kommer elektronerna vid dess heta ände att ha högre energier och hastigheter jämfört med den kalla änden, vilket orsakar ett elektronflöde från den heta änden till den kalla änden i tråden. Som ett resultat kommer laddningar att ackumuleras i båda ändarna - negativa på kallt och positivt på varmt.

Eftersom dessa laddningar är olika för olika ledningar, kommer ett differentiellt termoelement att visas när två av dem är anslutna i ett termoelement. etc. c. För att analysera de fenomen som uppstår i termoelementet är det lämpligt att anta att termoelementet som genereras i det. etc. c. E är summan av två elektromotoriska kontaktkrafter e, som uppträder vid kontaktställena och är en funktion av temperaturen hos dessa kontakter (fig. 1, a).

Ris. 1. Diagram över en två- och tretråds termoelektrisk krets, ett diagram för anslutning av en elektrisk mätanordning till korsningen och en termoelektrod med ett termoelement.

Den termoelektromotoriska kraften som uppstår i en krets av två olika ledare är lika med skillnaden i de elektromotoriska krafterna vid deras ändar.

Av denna definition följer att vid lika temperaturer i ändarna av termoelementet, dess termoelektriska effekt. etc. s kommer att vara noll. En extremt viktig slutsats kan dras av detta, som gör det möjligt att använda ett termoelement som temperatursensor.

Den elektromotoriska kraften hos ett termoelement kommer inte att förändras genom införandet av en tredje tråd i dess krets om temperaturerna i dess ändar är desamma.

Denna tredje tråd kan ingå både i en av kopplingarna och i sektionen av en av trådarna (Fig. 1.6, c). Denna slutsats kan utvidgas till flera ledningar som införs i termoelementkretsen, så länge som temperaturerna i deras ändar är desamma.

Därför kan en mätanordning (också bestående av ledningar) och anslutningstrådar som leder till den inkluderas i termoelementkretsen utan att orsaka en förändring i den termoelektriska effekten som utvecklas av den. e.c, endast om temperaturerna i punkterna 1 och 2 eller 3 och 4 (fig. 1, d och e) är lika. I det här fallet kan temperaturen på dessa punkter skilja sig från temperaturen på enhetens terminaler, men temperaturen på båda terminalerna måste vara densamma.

Om termoelementkretsens resistans förblir oförändrad, kommer strömmen som flyter genom den (och därför avläsningen av enheten) endast att bero på den termoelektriska kraften som utvecklas av den. d. från, det vill säga från temperaturerna för de arbetande (varma) och fria (kalla) ändarna.

Dessutom, om temperaturen på den fria änden av termoelementet hålls konstant, kommer mätaravläsningen att bero endast på temperaturen på termoelementets arbetsände. En sådan anordning kommer direkt att indikera temperaturen på termoelementets arbetsövergång.

Därför består en termoelektrisk pyrometer av ett termoelement (termoelektroder), en likströmsmätare och anslutningsledningar.

Följande slutsatser kan dras av ovanstående.

1. Metoden för att tillverka termoelementets arbetsände (svetsning, lödning, vridning, etc.) påverkar inte den termoelektriska kraften som utvecklas av den. etc. med, om bara dimensionerna på arbetsänden är sådana att temperaturen vid alla dess punkter är densamma.

2. Eftersom parametern som mäts av enheten inte är termoelektrisk. med och termoelementkretsströmmen är det nödvändigt att driftkretsens resistans förblir oförändrad och lika med dess värde under kalibreringen.Men eftersom det är praktiskt taget omöjligt att göra detta, eftersom motståndet hos termoelektroderna och anslutningstrådarna ändras med temperaturen, uppstår ett av metodens huvudfel: felet i oöverensstämmelse mellan kretsens motstånd och dess motstånd under kalibrering.

För att minska detta fel görs enheter för termiska mätningar med högt motstånd (50-100 Ohm för grova mätningar, 200-500 Ohm för mer exakta mätningar) och med en elektrisk koefficient vid låg temperatur, så att kretsens totala motstånd (och , därför varierar förhållandet mellan ström och — e. d. s.) till ett minimum med fluktuationer i omgivningstemperaturen.

3. Termoelektriska pyrometrar kalibreras alltid vid en väldefinierad temperatur på termoelementets fria ände — vid 0 ° C. Vanligtvis skiljer sig denna temperatur från kalibreringstemperaturen under drift, vilket resulterar i att det andra huvudfelet i metoden uppstår : felet i temperaturen på den fria termoelementänden.

Eftersom detta fel kan nå tiotals grader är det nödvändigt att göra en lämplig korrigering av enhetens avläsningar. Denna korrigering kan beräknas om temperaturen på stigarna är känd.

Eftersom temperaturen på den fria änden av termoelementet under kalibrering är lika med 0 ° C, och i drift är den vanligtvis över 0 ° C (de fria ändarna är vanligtvis i rummet, de är ofta placerade nära ugnen vars temperatur mäts ), ger pyrometern en underskattning jämfört med den faktiska uppmätta temperaturen, indikeringen och värdet för den senare måste ökas med korrigeringsvärdet.

Detta görs vanligtvis grafiskt. Detta beror på att det vanligtvis inte finns någon proportionalitet mellan härdplasterna.etc. pp. och temperatur. Om förhållandet mellan dem är proportionellt är kalibreringskurvan en rät linje och i detta fall kommer korrigeringen för temperaturen på termoelementets fria ände att vara direkt lika med dess temperatur.

Design och typer av termoelement

Följande krav gäller för termoelektrodmaterialen:

1) hög termoelektricitet. etc. v. och nära proportionell karaktär av dess förändring från temperatur;

2) värmebeständighet (icke-oxidation vid höga temperaturer);

3) beständighet hos fysikaliska egenskaper över tid inom de uppmätta temperaturerna;

4) hög elektrisk ledningsförmåga;

5) motståndskoefficient vid låg temperatur;

6) möjligheten att producera i stora kvantiteter med konstanta fysikaliska egenskaper.

International Electrotechnical Commission (IEC) har definierat några standardtyper av termoelement (standard IEC 584-1). Grundämnen har index R, S, B, K, J, E, T enligt det uppmätta temperaturintervallet.

Inom industrin används termoelement för att mäta höga temperaturer, upp till 600 — 1000 — 1500˚C. Ett industriellt termoelement består av två eldfasta metaller eller legeringar. Den varma korsningen (markerad med bokstaven «G») placeras på den plats där temperaturen mäts, och den kalla korsningen («X») är placerad i området där mätanordningen är placerad.

Följande standardtermoelement används för närvarande.

Platina-rodium-platina termoelement. Dessa termoelement kan användas för att mäta temperaturer upp till 1300 °C för långvarig användning och upp till 1600 °C för kortvarig användning, förutsatt att de används i en oxiderande atmosfär.Vid medeltemperaturer har platina-rodium-platina-termoelementet visat sig vara mycket pålitligt och stabilt, varför det används som ett exempel i intervallet 630-1064 ° C.

Krom-alumel termoelement. Dessa termoelement är designade för att mäta temperaturer för långvarig användning upp till 1000 ° C och för kortvarig användning upp till 1300 ° C. De fungerar tillförlitligt inom dessa gränser i en oxiderande atmosfär (om det inte finns några frätande gaser), eftersom när uppvärmd på ytan av elektroderna, en tunn skyddande oxidfilm som hindrar syre från att tränga in i metallen.

Chromel-Copel termoelement... Dessa termoelement kan mäta temperaturer upp till 600°C under lång tid och upp till 800°C under en kort tid. De fungerar framgångsrikt i både oxiderande och reducerande atmosfärer, såväl som i vakuum.

Iron Copel termoelement... Mätgränserna är desamma som för chromel-copel termoelement, driftförhållandena är desamma. Det ger mindre termo. etc. jämfört med XK-termoelementet: 30,9 mV vid 500 ° C, men dess beroende av temperaturen är närmare proportionell. En betydande nackdel med LC-termoelementet är korrosionen av dess järnelektrod.

Koppar-koppar termoelement... Eftersom koppar i en oxiderande atmosfär börjar intensivt oxidera redan vid 350 ° C, är tillämpningsområdet för dessa termoelement 350 ° C under lång tid och 500 ° C under en kort tid. I vakuum kan dessa termoelement användas upp till 600 °C.

Termo-e beroendekurvor. etc. temperatur för de vanligaste termoelementen. 1 — chromel-bastard; 2 — järn-bastard; 3 — koppar-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — krom-alumel; 7-platina-rodium-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Motståndet hos termoelektroderna i standardtermoelement gjorda av basmetaller är 0,13-0,18 ohm per 1 m längd (båda ändar), för platina-rodium-platina-termoelement 1,5-1,6 ohm per 1 m. Tillåtna termoelektriska effektavvikelser. etc. från kalibrering för icke-ädla termoelement är ± 1%, för platina-rodium-platina ± 0,3-0,35%.

Standardtermoelementet är en stång med en diameter på 21-29 mm och en längd på 500-3000 mm. På toppen av skyddsröret placeras ett stämplat eller gjutet (vanligtvis aluminium) huvud med en karbolit- eller bakelitplatta, i vilken två par trådar pressas in med skruvklämmor kopplade i par. Termoelektroden är ansluten till en terminal, och till den andra är ansluten en anslutningsledning som leder till mätanordningen. Ibland är anslutningstrådarna inneslutna i en flexibel skyddsslang. Om det är nödvändigt att täta hålet i vilket termoelementet är installerat, är det senare försett med en gängad beslag. För badkar är termoelement också gjorda med en armbågsform.

Termoelementens lagar

Intern temperaturlag: Närvaron av en temperaturgradient i en homogen ledare leder inte till uppkomsten av en elektrisk ström (ingen ytterligare EMF inträffar).

Mellanledarnas lag: Låt två homogena ledare av metallerna A och B bilda en termoelektrisk krets med kontakter vid temperaturerna T1 (varmövergång) och T2 (kallövergång). En tråd av metall X ingår i brottet på tråd A och två nya kontakter bildas. «Om temperaturen på tråd X är densamma över hela sin längd, kommer termoelementets resulterande EMF inte att förändras (ingen EMF uppstår från ytterligare korsningar).»