Termoelektriskie pārveidotāji (termopāri)

Kā darbojas termopāris

Jau 1821. gadā Zēbeks atklāja viņa vārdā nosauktu fenomenu, kas sastāv no tā, ka e. Parādās slēgtā ķēdē, kas sastāv no dažādiem vadošiem materiāliem. utt. (tā sauktais termo-EMC), ja šo materiālu saskares punkti tiek uzturēti dažādās temperatūrās.

Vienkāršākajā formā, kad elektriskā ķēde sastāv no diviem dažādiem vadītājiem, to sauc par termopāri vai termopāri.

Zēbeka fenomena būtība slēpjas apstāklī, ka brīvo elektronu enerģija, kas izraisa elektriskās strāvas parādīšanos vados, ir dažāda un mainās atkarībā no temperatūras. Tāpēc, ja gar stiepli ir temperatūras starpība, elektroniem tā karstajā galā būs lielāka enerģija un ātrums, salīdzinot ar auksto galu, izraisot elektronu plūsmu no stieples karstā gala uz auksto galu. Rezultātā lādiņi uzkrāsies abos galos — negatīvi aukstā un pozitīvi karstā.

Tā kā šie lādiņi dažādiem vadiem ir atšķirīgi, tad, kad divi no tiem ir savienoti termopārā, parādīsies diferenciālais termopāris. utt. c) Lai analizētu termopārā notiekošās parādības, ir ērti pieņemt, ka termopāris ģenerējas tajā. utt. c) E ir divu kontaktu elektromotora spēku e summa, kas rodas to saskares vietās un ir šo kontaktu temperatūras funkcija (1. att., a).

Rīsi. 1. Divu un trīs vadu termoelektriskās shēmas shēma, shēma elektriskās mērierīces pievienošanai krustojumam un termoelektrods ar termopāri.

Termoelektromotīves spēks, kas rodas divu dažādu vadītāju ķēdē, ir vienāds ar elektromotora spēku starpību to galos.

No šīs definīcijas izriet, ka vienādās temperatūrās termopāra galos tā termoelektriskā jauda. utt. s būs nulle. No tā var izdarīt ārkārtīgi svarīgu secinājumu, kas ļauj izmantot termopāri kā temperatūras sensoru.

Termopāra elektromotora spēks netiks mainīts, ieviešot trešo vadu tā ķēdē, ja temperatūra tā galos ir vienāda.

Šo trešo vadu var iekļaut gan vienā no krustojumiem, gan viena vadu sekcijā (1.6. att., c). Šo secinājumu var attiecināt uz vairākiem termopāra ķēdē ievadītiem vadiem, ja vien temperatūra to galos ir vienāda.

Tāpēc termopāra ķēdē var iekļaut mērierīci (arī kas sastāv no vadiem) un pie tās vedošos savienojošos vadus, neizraisot tās izstrādātās termoelektriskās jaudas izmaiņas. e.c, tikai tad, ja 1. un 2. vai 3. un 4. punkta temperatūras (1. att., d un e) ir vienādas. Šajā gadījumā šo punktu temperatūra var atšķirties no ierīces spaiļu temperatūras, taču abu spaiļu temperatūrai jābūt vienādai.

Ja termopāra ķēdes pretestība paliek nemainīga, caur to plūstošā strāva (un līdz ar to arī ierīces rādījums) būs atkarīga tikai no tās izstrādātās termoelektriskās jaudas. d) no, tas ir, no darba (karsto) un brīvo (auksto) galu temperatūras.

Tāpat, ja termopāra brīvā gala temperatūra tiek uzturēta nemainīga, skaitītāja rādījums būs atkarīgs tikai no termopāra darba gala temperatūras. Šāda ierīce tieši norādīs termopāra darba savienojuma temperatūru.

Tāpēc termoelektriskais pirometrs sastāv no termopāra (termoelektrodiem), līdzstrāvas skaitītāja un savienojošajiem vadiem.

No iepriekš minētā var izdarīt šādus secinājumus.

1. Termopāra darba gala izgatavošanas metode (metināšana, lodēšana, vīšana utt.) neietekmē tā izstrādāto termoelektrisko jaudu. utt. ar, ja tikai darba gala izmēri ir tādi, ka temperatūra visos tā punktos ir vienāda.

2. Jo ierīces mērītais parametrs nav termoelektrisks. ar un termopāra ķēdes strāvu, ir nepieciešams, lai darbības ķēdes pretestība kalibrēšanas laikā paliktu nemainīga un vienāda ar tās vērtību.Bet, tā kā to praktiski nav iespējams izdarīt, jo termoelektrodu un savienojošo vadu pretestība mainās atkarībā no temperatūras, rodas viena no galvenajām metodes kļūdām: ķēdes pretestības un tās pretestības neatbilstības kļūda kalibrēšanas laikā.

Lai samazinātu šo kļūdu, ierīces termiskajiem mērījumiem tiek izgatavotas ar augstu pretestību (50-100 omi aptuveniem mērījumiem, 200-500 omi precīzākiem mērījumiem) un ar zemas temperatūras elektrisko koeficientu, lai ķēdes kopējā pretestība (un , tāpēc attiecības starp strāvu un — e. d. s.) mainās līdz minimumam, mainoties apkārtējās vides temperatūras svārstībām.

3. Termoelektriskos pirometrus vienmēr kalibrē precīzi noteiktā termopāra brīvā gala temperatūrā — pie 0 ° C. Parasti šī temperatūra atšķiras no kalibrēšanas temperatūras darbības laikā, kā rezultātā rodas otrā galvenā metodes kļūda. : kļūda brīvā termopāra gala temperatūrā.

Tā kā šī kļūda var sasniegt desmitiem grādu, ir jāveic atbilstoša ierīces rādījumu korekcija. Šo korekciju var aprēķināt, ja ir zināma stāvvadu temperatūra.

Tā kā termopāra brīvā gala temperatūra kalibrēšanas laikā ir vienāda ar 0 ° C, un ekspluatācijas laikā tā parasti ir virs 0 ° C (brīvie gali parasti atrodas telpā, tie bieži atrodas pie krāsns, kuras temperatūra tiek mērīta ), pirometrs sniedz par zemu novērtējumu salīdzinājumā ar faktisko izmērīto temperatūru, pēdējās rādījums un vērtība jāpalielina par korekcijas vērtību.

Parasti tas tiek darīts grafiski. Tas ir saistīts ar faktu, ka starp termoreaktīvajiem parasti nav proporcionalitātes.utt. lpp un temperatūru. Ja attiecība starp tām ir proporcionāla, tad kalibrēšanas līkne ir taisna līnija un šajā gadījumā termopāra brīvā gala temperatūras korekcija būs tieši vienāda ar tā temperatūru.

Termopāru dizains un veidi

Uz termoelektrodu materiāliem attiecas šādas prasības:

1) augsta termoelektrība. utt. v. un tuvu tās izmaiņu proporcionālajam raksturam no temperatūras;

2) karstumizturība (neoksidēšanās augstā temperatūrā);

3) fizikālo īpašību noturība laika gaitā izmērīto temperatūru robežās;

4) augsta elektrovadītspēja;

5) zemas temperatūras pretestības koeficients;

6) iespēja ražot lielos daudzumos ar nemainīgām fizikālajām īpašībām.

Starptautiskā elektrotehnikas komisija (IEC) ir definējusi dažus termopāru standarta tipus (standarts IEC 584-1). Elementiem ir indeksi R, S, B, K, J, E, T atbilstoši izmērīto temperatūru diapazonam.

Rūpniecībā termopāri tiek izmantoti augstas temperatūras mērīšanai līdz 600 — 1000 — 1500˚C. Rūpnieciskais termopāris sastāv no diviem ugunsizturīgiem metāliem vai sakausējumiem. Karstais savienojums (apzīmēts ar burtu «G») tiek novietots temperatūras mērīšanas vietā, bet aukstais savienojums («X») atrodas vietā, kur atrodas mērierīce.

Pašlaik tiek izmantoti šādi standarta termopāri.

Platīna-rodija-platīna termopāris. Šos termopārus var izmantot temperatūras mērīšanai līdz 1300 °C ilgstošai lietošanai un līdz 1600 °C īslaicīgai lietošanai, ja tos izmanto oksidējošā atmosfērā.Vidējā temperatūrā platīna-rodija-platīna termopāris ir izrādījies ļoti uzticams un stabils, tāpēc to izmanto kā piemēru diapazonā no 630-1064 ° C.

Hroma-alumela termopāris. Šie termopāri ir paredzēti temperatūras mērīšanai ilgstošai lietošanai līdz 1000 ° C un īslaicīgai lietošanai līdz 1300 ° C. Tie darbojas droši šajās robežās oksidējošā atmosfērā (ja nav kodīgu gāzu), jo, kad uzkarsēta uz elektrodu virsmas, plānas aizsargājošas oksīda plēves, kas neļauj skābeklim iekļūt metālā.

Chromel-Copel termopāris… Šie termopāri var ilgstoši mērīt temperatūru līdz 600°C un īsu laiku līdz 800°C. Tie veiksmīgi darbojas gan oksidējošā, gan reducējošā atmosfērā, kā arī vakuumā.

Dzelzs Copel termopāris... Mērījumu robežas ir tādas pašas kā hroma-copel termopāriem, darbības apstākļi tādi paši. Tas dod mazāk siltuma. utt. salīdzinot ar termopāri XK: 30,9 mV pie 500 ° C, bet tā atkarība no temperatūras ir tuvāk proporcionālai. Būtisks LC termopāra trūkums ir tā dzelzs elektroda korozija.

Vara-vara termopāris... Tā kā varš oksidējošā atmosfērā sāk intensīvi oksidēties jau pie 350°C, tad šo termopāru pielietojuma diapazons ir 350°C uz ilgu laiku un 500°C uz īsu brīdi. Vakuumā šos termopārus var izmantot līdz 600 °C.

Termo-e atkarības līknes. utt. temperatūra visbiežāk sastopamajiem termopāriem. 1 — hromel-bastards; 2 — dzelzs-bastards; 3 — vara-bastards; 4 — TKBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — hromel-alumelis; 7-platīns-rodijs-platīns; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

No parastajiem metāliem izgatavoto standarta termopāru termoelektrodu pretestība ir 0,13-0,18 omi uz 1 m garumu (abos galos), platīna-rodija-platīna termopāriem 1,5-1,6 omi uz 1 m Pieļaujamās termoelektriskās jaudas novirzes. utt. no kalibrēšanas necēlajiem termopāriem ir ± 1%, platīna-rodija-platīna gadījumā ± 0,3-0,35%.

Standarta termopāris ir stienis ar diametru 21-29 mm un garumu 500-3000 mm. Aizsargcaurules augšpusē novietota štancēta vai atlieta (parasti alumīnija) galva ar karbolīta vai bakelīta plāksni, kurā ar pa pāriem savienotiem skrūvju skavām tiek iespiesti divi vadu pāri. Termoelektrods ir pievienots vienai spailei, bet otrai ir savienots savienojošais vads, kas ved uz mērierīci. Dažreiz savienojošie vadi ir ievietoti elastīgā aizsargšļūtenē. Ja ir nepieciešams noslēgt caurumu, kurā ir uzstādīts termopāris, pēdējais ir aprīkots ar vītņotu veidgabalu. Vannām termopāri tiek izgatavoti arī ar elkoņa formu.

Termopāru likumi

Iekšējās temperatūras likums: temperatūras gradienta klātbūtne viendabīgā vadītājā neizraisa elektriskās strāvas parādīšanos (papildu EML nenotiek).

Starpvadītāju likums: Ļaujiet diviem viendabīgiem metālu A un B vadītājiem izveidot termoelektrisko ķēdi ar kontaktiem temperatūrā T1 (karstais savienojums) un T2 (aukstais savienojums). Vada A plīsumā ir iekļauta metāla X stieple un tiek izveidoti divi jauni kontakti. "Ja stieples X temperatūra visā garumā ir vienāda, tad termopāra EMF nemainīsies (no papildu krustojumiem EML nerodas)."