Termoelektriske omformere (termoelementer)

Hvordan et termoelement fungerer

Allerede i 1821 oppdaget Seebeck et fenomen oppkalt etter ham, som består i at e. Dukker opp i en lukket krets bestående av forskjellige ledende materialer. etc. (såkalt termo-EMC) dersom kontaktpunktene til disse materialene holdes ved forskjellige temperaturer.

I sin enkleste form, når en elektrisk krets består av to forskjellige ledere, kalles det et termoelement, eller termoelement.

Essensen av Seebeck-fenomenet ligger i det faktum at energien til frie elektroner, som forårsaker utseendet til en elektrisk strøm i ledninger, er annerledes og endres annerledes med temperaturen. Derfor, hvis det er en temperaturforskjell langs ledningen, vil elektronene i dens varme ende ha høyere energier og hastigheter sammenlignet med den kalde enden, noe som forårsaker en elektronstrøm fra den varme enden til den kalde enden i ledningen. Som et resultat vil ladninger akkumuleres i begge ender - negative på kalde og positive på varme.

Siden disse ladningene er forskjellige for forskjellige ledninger, vil et differensielt termoelement vises når to av dem er koblet sammen i et termoelement. etc. c. For å analysere fenomenene som oppstår i termoelementet, er det praktisk å anta at termoelementet generert i det. etc. c. E er summen av to elektromotoriske kontaktkrefter e, som oppstår ved kontaktstedene og er en funksjon av temperaturen til disse kontaktene (fig. 1, a).

Ris. 1. Diagram over en to- og tretråds termoelektrisk krets, et diagram for tilkobling av en elektrisk måleenhet til krysset og en termoelektrode med et termoelement.

Den termoelektromotoriske kraften som oppstår i en krets med to forskjellige ledere er lik forskjellen i de elektromotoriske kreftene i endene deres.

Fra denne definisjonen følger det at ved like temperaturer ved endene av termoelementet, dets termoelektriske kraft. etc. s vil være null. En ekstremt viktig konklusjon kan trekkes av dette, som gjør det mulig å bruke et termoelement som temperatursensor.

Den elektromotoriske kraften til et termoelement vil ikke bli endret ved innføring av en tredje ledning i kretsen hvis temperaturene i endene er de samme.

Denne tredje ledningen kan inkluderes både i et av knutepunktene og i seksjonen av en av ledningene (fig. 1.6, c). Denne konklusjonen kan utvides til flere ledninger introdusert i termoelementkretsen, så lenge temperaturene i endene deres er de samme.

Derfor kan en måleenhet (også bestående av ledninger) og tilkoblingsledninger som fører til den inkluderes i termoelementkretsen uten å forårsake en endring i den termoelektriske kraften utviklet av den. e.c, bare hvis temperaturene i punktene 1 og 2 eller 3 og 4 (fig. 1, d og e) er like. I dette tilfellet kan temperaturen på disse punktene avvike fra temperaturen på terminalene på enheten, men temperaturen på begge terminalene må være den samme.

Hvis motstanden til termoelementkretsen forblir uendret, vil strømmen som strømmer gjennom den (og derfor avlesningen av enheten) bare avhenge av den termoelektriske kraften utviklet av den. d. fra, det vil si fra temperaturene til de arbeidende (varme) og frie (kalde) ender.

Dessuten, hvis temperaturen på den frie enden av termoelementet holdes konstant, vil måleravlesningen kun avhenge av temperaturen til termoelementets arbeidsende. En slik enhet vil direkte indikere temperaturen på arbeidskrysset til termoelementet.

Derfor består et termoelektrisk pyrometer av et termoelement (termoelektroder), en likestrømsmåler og tilkoblingsledninger.

Følgende konklusjoner kan trekkes fra ovenstående.

1. Fremgangsmåten for å produsere arbeidsenden av termoelementet (sveising, lodding, vridning, etc.) påvirker ikke den termoelektriske kraften utviklet av den. etc. med, hvis bare dimensjonene til arbeidsenden er slik at temperaturen på alle punktene er den samme.

2. Fordi parameteren målt av enheten ikke er termoelektrisk. med og termoelementkretsstrømmen, er det nødvendig at driftskretsens motstand forblir uendret og lik verdien under kalibrering.Men siden det er praktisk talt umulig å gjøre dette, siden motstanden til termoelektrodene og tilkoblingsledningene endres med temperaturen, oppstår en av hovedfeilene i metoden: feilen i misforholdet mellom motstanden til kretsen og dens motstand under kalibrering.

For å redusere denne feilen er enheter for termiske målinger laget med høy motstand (50-100 Ohm for grove målinger, 200-500 Ohm for mer nøyaktige målinger) og med en elektrisk koeffisient ved lav temperatur, slik at den totale motstanden til kretsen (og , derfor varierer forholdet mellom strøm og — e. d. s.) til et minimum med svingninger i omgivelsestemperaturen.

3. Termoelektriske pyrometre er alltid kalibrert ved en veldefinert temperatur på den frie enden av termoelementet - ved 0 ° C. Vanligvis skiller denne temperaturen seg fra kalibreringstemperaturen i drift, som et resultat av at den andre hovedfeilen i metoden oppstår : feilen i temperaturen til den frie termoelementenden.

Siden denne feilen kan nå titalls grader, er det nødvendig å foreta en passende korreksjon av avlesningene til enheten. Denne korreksjonen kan beregnes hvis temperaturen på stigerørene er kjent.

Siden temperaturen på den frie enden av termoelementet under kalibrering er lik 0 ° C, og i drift er den vanligvis over 0 ° C (de frie endene er vanligvis i rommet, de er ofte plassert i nærheten av ovnen hvis temperatur måles ), gir pyrometeret en undervurdering sammenlignet med den faktisk målte temperaturen, indikasjonen og verdien av sistnevnte må økes med korreksjonsverdien.

Dette gjøres vanligvis grafisk. Dette kommer av at det vanligvis ikke er proporsjonalitet mellom termohærdene.etc. pp. og temperatur. Hvis forholdet mellom dem er proporsjonalt, er kalibreringskurven en rett linje, og i dette tilfellet vil korreksjonen for temperaturen til den frie enden av termoelementet være direkte lik dens temperatur.

Design og typer termoelementer

Følgende krav gjelder for termoelektrodematerialene:

1) høy termoelektrisitet. etc. v. og nær proporsjonal natur av dens endring fra temperatur;

2) varmebestandighet (ikke-oksidasjon ved høye temperaturer);

3) konstans av fysiske egenskaper over tid innenfor de målte temperaturene;

4) høy elektrisk ledningsevne;

5) motstandskoeffisient ved lav temperatur;

6) muligheten for produksjon i store mengder med konstante fysiske egenskaper.

Den internasjonale elektrotekniske kommisjonen (IEC) har definert noen standardtyper termoelementer (standard IEC 584-1). Elementer har indekser R, S, B, K, J, E, T i henhold til temperaturområdet som måles.

I industrien brukes termoelementer for å måle høye temperaturer, opptil 600 — 1000 — 1500˚C. Et industrielt termoelement består av to ildfaste metaller eller legeringer. Varmekrysset (merket med bokstaven «G») plasseres på stedet hvor temperaturen måles, og kaldtkrysset («X») er plassert i området hvor måleapparatet er plassert.

Følgende standard termoelementer er for tiden i bruk.

Platina-rhodium-platina termoelement. Disse termoelementene kan brukes til å måle temperaturer opp til 1300 °C for langvarig bruk og opptil 1600 °C for kortvarig bruk, forutsatt at de brukes i en oksiderende atmosfære.Ved middels temperatur har platina-rhodium-platina-termoelementet vist seg å være veldig pålitelig og stabilt, og det er derfor det brukes som et eksempel i området 630-1064 ° C.

Krom-alumel termoelement. Disse termoelementene er designet for å måle temperaturer for langvarig bruk opp til 1000 ° C og for kortvarig bruk opp til 1300 ° C. De fungerer pålitelig innenfor disse grensene i en oksiderende atmosfære (hvis det ikke er etsende gasser), fordi når oppvarmet på overflaten av elektrodene, en tynn beskyttende oksidfilm som hindrer oksygen i å trenge inn i metallet.

Chromel-Copel termoelement... Disse termoelementene kan måle temperaturer opp til 600°C i lang tid og opp til 800°C i kort tid. De fungerer med suksess i både oksiderende og reduserende atmosfærer, så vel som i vakuum.

Iron Copel termoelement... Målegrensene er de samme som for chromel-copel termoelementer, driftsforholdene er de samme. Det gir mindre termo. etc. sammenlignet med XK-termoelementet: 30,9 mV ved 500 ° C, men avhengigheten av temperaturen er nærmere proporsjonal. En betydelig ulempe med LC-termoelementet er korrosjonen av jernelektroden.

Kobber-kobber termoelement... Siden kobber i en oksiderende atmosfære begynner å intensivt oksidere allerede ved 350 ° C, er bruksområdet for disse termoelementene 350 ° C i lang tid og 500 ° C i kort tid. I vakuum kan disse termoelementene brukes opp til 600 °C.

Termo-e avhengighetskurver. etc. temperatur for de vanligste termoelementene. 1 - krom-bastard; 2 — jern-bastard; 3 - kobber-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - krom-alumel; 7-platina-rhodium-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Motstanden til termoelektrodene til standard termoelementer laget av uedle metaller er 0,13-0,18 ohm per 1 m lengde (begge ender), for platina-rhodium-platina termoelementer 1,5-1,6 ohm per 1 m. Tillatte termoelektriske effektavvik. etc. fra kalibrering for ikke-edle termoelementer er ± 1 %, for platina-rhodium-platina ± 0,3-0,35 %.

Standard termoelementet er en stang med en diameter på 21-29 mm og en lengde på 500-3000 mm. På toppen av beskyttelsesrøret er det plassert et stemplet eller støpt (vanligvis aluminium) hode med en karbolitt- eller bakelittplate, inn i hvilken to par ledninger presses med skrueklemmer koblet i par. Termoelektroden er festet til den ene terminalen, og til den andre er koblet en tilkoblingsledning som fører til måleenheten. Noen ganger er tilkoblingsledningene innelukket i en fleksibel beskyttelsesslange. Hvis det er nødvendig å forsegle hullet der termoelementet er installert, er sistnevnte utstyrt med en gjenget beslag. For badekar er termoelementer også laget med albueform.

Termoelementers lover

Intern temperaturlov: Tilstedeværelsen av en temperaturgradient i en homogen leder fører ikke til utseendet av en elektrisk strøm (ingen ekstra EMF forekommer).

Loven om mellomledere: La to homogene ledere av metallene A og B danne en termoelektrisk krets med kontakter ved temperaturene T1 (varm kobling) og T2 (kald kobling). En ledning av metall X er inkludert i bruddet av ledning A og to nye kontakter dannes. «Hvis temperaturen på ledningen X er den samme over hele lengden, vil den resulterende EMF-en til termoelementet ikke endres (ingen EMF oppstår fra flere kryss).»