Термоелектрически преобразуватели (термодвойки)
22 май 2012 г. от 10:00 ч
Принципът на работа на термодвойката
През далечната 1821 г. Зеебек открива феномен, наречен на негово име, който се състои в това, че. че в затворена верига, състояща се от различни проводящи материали, се появява e. д.с. (така наречената термична едс), ако контактните точки на тези материали се поддържат при различни температури.
В най-простата си форма, когато една електрическа верига се състои от два различни проводника, тя се нарича термодвойка или термодвойка.
Същността на феномена Зеебек се състои в това, че енергията на свободните електрони, които причиняват възникването на електрически ток в проводниците, е различна и се променя по различен начин с температурата. Следователно, ако има температурна разлика по дължината на проводника, електроните в горещия му край ще имат по-високи енергии и скорости в сравнение със студения, което ще предизвика електронен поток в проводника от горещия край към студения. В резултат на това в двата края ще се натрупат заряди - отрицателни в студения и положителен в горещия.
Тъй като тези заряди са различни за различните проводници, когато два от тях са свързани в термоелемент, ще се появи разлика в термо-е. д.с. За анализа на явленията, протичащи в термоелемента, е удобно да се счита, че термо-е. д.с. E е сумата от две контактни електродвижещи сили e, възникващи в точките на техния контакт и представляващи функция от температурата на тези контакти (фиг. 1а).
Фиг. 1. Схема на термоелектрическа верига от два и три проводника, схема за свързване на електроизмервателно устройство към преход и термоелектрод на термодвойка.
Термоелектродвижещата сила, възникваща във верига от два различни проводника, е равна на разликата в електродвижещите сили в техните краища.
От това определение следва, чекогато температурите са равни в краищата на термоелемента, неговата термо-е. д.с. ще бъде равно на нула. От това може да се направи изключително важен извод, който прави възможно използването на термодвойка като сензор за измерване на температура.
Електродвижещата сила на термодвойката няма да се промени от въвеждането на трети проводник в нейната верига, ако температурите в нейните краища са еднакви.
Този трети проводник може да бъде включен както в един от кръстовищата, така и в участъка на един от проводниците (фиг. 1.6, c). Това заключение може да се разшири до няколко проводника, въведени във веригата на термодвойката, стига температурите в техните краища да са еднакви.
Следователно, измервателно устройство (също състоящо се от проводници) и свързващи проводници, водещи до него, могат да бъдат включени във веригата на термодвойката, без да причиняват промяна в термо-е, разработена от него. d.s, ако само температурите на точки 1 и 2 или 3 и 4 (фиг. 1, d и e) са равни. В този случай температурата на тези точки може да се различава от температурата на клемите на устройството, но температурата и на двете клеми трябва да е еднаква.
Ако съпротивлението на веригата на термодвойката остане непроменено, токът, преминаващ в него (и следователно, показанието на устройството) ще зависи само от термо-е, разработено от него. d.s., т.е. от температурите на работния (горещ) и свободния (студен) му край.
Освен това, ако температурата на свободния край на термодвойката се поддържа постоянна, показанията на инструмента ще зависят само от температурата на работния край на термодвойката. Такова устройство директно ще покаже температурата на работното съединение на термодвойката.
По този начин термоелектрическият пирометър се състои от термодвойка (термоелектроди), устройство за измерване на постоянен ток и свързващи проводници.
От горното могат да се направят следните изводи.
- начинпроизводството на работния край на термодвойката (заваряване, запояване, усукване и т.н.) не влияе на термо-е, развито от него. d.s., ако само размерите на работния край са такива, че температурата във всички негови точки е една и съща.
- Тъй като параметърът, измерен от уреда, не е термо-е. s и тока на веригата на термодвойката, е необходимо съпротивлението на веригата при работа да остане непроменено и равно на стойността си по време на калибриране. Но тъй като това е практически невъзможно да се приложи, тъй като съпротивлението на термоелектродите и свързващите проводници се променя с температурата, възниква една от основните грешки на метода: грешка от несъответствие между съпротивлението на веригата и нейното съпротивление по време на калибриране. За да се намали тази грешка, инструментите за термични измервания са направени с високо съпротивление (50-100 ома за груби измервания, 200-500 ома за по-точни) и с нисък температурен електрически коефициент, така че общото съпротивление на веригата (и, следователно, връзката между тока и топлинната ЕДС) се променя до минимална степен с колебанията на околната температура.
- Термоелектрическите пирометри винаги се калибрират при точно определена температура на свободния край на термодвойката - при 0°C. Обикновено при работа тази температура се различава от температурата на калибриране, в резултат на което възниква втората основна грешка на метода: грешката в температурата на свободния край на термодвойката.
Тъй като тази грешка може да достигне десетки градуси, е необходимо да се направи подходяща корекция в показанията на инструмента. Тази корекция може да се изчисли, ако температурата на щранга е известна.
Тъй като температурата на свободния край на термодвойката с градуирането е 0°C, а при работа обикновено е над 0°C (свободните краища обикновено са встая, често те се намират близо до пещта, чиято температура се измерва), тогава пирометърът дава занижени показания спрямо действително измерената температура и стойността на последната трябва да се увеличи с размера на корекцията.
Това обикновено се прави графично. Това се дължи на факта, че обикновено няма пропорционалност между термо-е. д.с. и температура. Ако зависимостта между тях е пропорционална, то калибровъчната крива е права линия и в този случай корекцията за температурата на свободния край на термодвойката ще бъде пряко равна на нейната температура.
Конструкция и видове термодвойки
Към материалите за термоелектроди се налагат следните изисквания:
- висока топлинна e. д.с. и близък до пропорционален характер на изменението му с температурата;
- топлоустойчивост (неокисляване при високи температури);
- неизменност на физичните свойства във времето в рамките на измерените температури;
- висока електропроводимост;
- нисък температурен коефициент на съпротивление;
- възможност за производство в големи количества с непроменени физически свойства.
В момента се използват следните стандартни термодвойки.
Хромел-алумелова термодвойка. Тези термодвойки са предназначени за непрекъснато измерване на температура до1000 °С и краткотрайни - до 1300 °С. Те работят надеждно в тези граници в окислителна атмосфера (ако няма агресивни газове), тъй като при нагряване върху повърхността на електродите се образува тънък защитен филм от оксиди, предотвратявайки проникването на кислород в метала.
Термодвойка Chromel-Kopel. Тези термодвойки ви позволяват да измервате температури до 600°C за дълго време и до 800°C за кратко време. Те работят успешно както в окислителна и редуцираща атмосфера, така и във вакуум.
Термодвойка Iron Copel. Границите на измерване са същите като при хромел-копелните термодвойки, условията на работа са същите. Дава по-малко термо-е. д.с. в сравнение с термодвойката XK: 30,9 mV при 500 °C, но зависимостта му от температурата е по-близка до пропорционалната. Съществен недостатък на LCD термодвойката е корозията на нейния електрод от желязо.
Медно-копелна термодвойка. Тъй като медта в окислителна атмосфера започва да се окислява интензивно още при 350°C, границите на приложимост на тези термодвойки са 350°C за дълго време и 500°C за кратко време. Във вакуум тези термодвойки могат да се използват до 600 °C.
Криви на термо-е зависимост. д.с. на температурата за най-често срещаните термодвойки. 1 - хромел-копел; 2 - желязо-копел; 3 - меден копел; 4 - ТГБЦ-350М; 5 - TGKT-360M; 6 - хромел-алумел; 7 - платина-родий-платина; 8 — ТМСВ-340М; 9 - PR-30/6.
Съпротивлението на термоелектродите на стандартните термодвойки от неблагородни метали е 0,13 - 0,18 ома на 1 m дължина (в двете посоки), за термодвойки платина-родий-платина 1,5-1,6 ома на 1 m. д.с. от калибрирането за нескъпоценни термодвойки са ± 1%, за платина-родий-платина ± 0,3-0,35%.
Стандартната термодвойка представлявапръчка с диаметър 21-29 mm и дължина 500-3000 mm. Върху горната част на защитната тръба се поставя щампована или лята (обикновено алуминиева) глава с карболитна или бакелитна плоча, в която се притискат два чифта проводници с винтови скоби, свързани по двойки; в едната клема се закрепва термоелектрод, към другата се закрепва свързващ проводник, водещ към измервателното устройство. Понякога свързващите проводници са затворени в гъвкав защитен маркуч. Ако е необходимо, уплътнете отвора, в който е монтирана термодвойката, като последната се доставя с резбован фитинг. Термодвойки за вани също са коляновидни.