Termoelektrické meniče (termočlánky)

Ako funguje termočlánok

Už v roku 1821 objavil Seebeck po ňom pomenovaný jav, ktorý spočíva v tom, že e. Vystupuje v uzavretom okruhu pozostávajúcom z rôznych vodivých materiálov. atď. (tzv. termo-EMC), ak sú kontaktné body týchto materiálov udržiavané pri rôznych teplotách.

V najjednoduchšej forme, keď elektrický obvod pozostáva z dvoch rôznych vodičov, sa nazýva termočlánok alebo termočlánok.

Podstata Seebeckovho javu spočíva v tom, že energia voľných elektrónov, ktoré spôsobujú výskyt elektrického prúdu v drôtoch, je odlišná a mení sa rôzne s teplotou. Preto, ak existuje teplotný rozdiel pozdĺž drôtu, elektróny na jeho horúcom konci budú mať vyššie energie a rýchlosti v porovnaní so studeným koncom, čo spôsobí tok elektrónov z horúceho konca na studený koniec drôtu. Výsledkom je, že náboje sa budú hromadiť na oboch koncoch – záporné na studenom a kladné na horúcom.

Pretože tieto náboje sú rôzne pre rôzne drôty, potom keď sú dva z nich spojené v termočlánku, objaví sa diferenciálny termočlánok. atď. c) Na analýzu javov vyskytujúcich sa v termočlánku je vhodné predpokladať, že termočlánok v ňom generuje. atď. c) E je súčet dvoch kontaktných elektromotorických síl e, ktoré sa vyskytujú v miestach ich kontaktu a sú funkciou teploty týchto kontaktov (obr. 1, a).

Ryža. 1. Schéma dvoj- a trojvodičového termoelektrického obvodu, schéma zapojenia elektrického meracieho prístroja do križovatky a termoelektródy s termočlánkom.

Termoelektromotorická sila vznikajúca v obvode dvoch rôznych vodičov sa rovná rozdielu elektromotorických síl na ich koncoch.

Z tejto definície vyplýva, že pri rovnakých teplotách na koncoch termočlánku je jeho termoelektrický výkon. atď. s bude nula. Z toho možno vyvodiť mimoriadne dôležitý záver, ktorý umožňuje použiť termočlánok ako snímač teploty.

Elektromotorická sila termočlánku sa nezmení zavedením tretieho vodiča do jeho obvodu, ak sú teploty na jeho koncoch rovnaké.

Tento tretí drôt môže byť zahrnutý ako v jednom z križovatiek, tak aj v úseku jedného z drôtov (obr. 1.6, c). Tento záver možno rozšíriť na niekoľko drôtov zavedených do obvodu termočlánku, pokiaľ sú teploty na ich koncoch rovnaké.

Preto môže byť do obvodu termočlánku zahrnuté meracie zariadenie (tiež pozostávajúce z drôtov) a k nemu vedúce prepojovacie vodiče bez toho, aby došlo k zmene ním vyvinutého termoelektrického výkonu. e.c, len ak sú teploty v bodoch 1 a 2 alebo 3 a 4 (obr. 1, d a e) rovnaké. V tomto prípade sa teplota týchto bodov môže líšiť od teploty svoriek zariadenia, ale teplota oboch svoriek musí byť rovnaká.

Ak odpor obvodu termočlánku zostane nezmenený, prúd, ktorý ním preteká (a teda aj čítanie zariadenia), bude závisieť iba od ním vyvinutého termoelektrického výkonu. d) od, teda od teplôt pracovného (horúceho) a voľného (studeného) konca.

Taktiež, ak je teplota voľného konca termočlánku udržiavaná konštantná, údaj merača bude závisieť iba od teploty pracovného konca termočlánku. Takéto zariadenie bude priamo indikovať teplotu pracovného spojenia termočlánku.

Preto sa termoelektrický pyrometer skladá z termočlánku (termoelektród), merača jednosmerného prúdu a spojovacích vodičov.

Z vyššie uvedeného možno vyvodiť nasledujúce závery.

1. Spôsob výroby pracovného konca termočlánku (zváranie, spájkovanie, krútenie atď.) neovplyvňuje ním vyvíjaný termoelektrický výkon. atď. s, ak sú len rozmery pracovného konca také, že teplota vo všetkých jeho bodoch je rovnaká.

2. Pretože parameter meraný prístrojom nie je termoelektrický. s prúdom obvodu termočlánku je potrebné, aby odpor pracovného obvodu zostal nezmenený a rovný jeho hodnote počas kalibrácie.Ale keďže je to prakticky nemožné, pretože odpor termoelektród a spojovacích vodičov sa mení s teplotou, vzniká jedna z hlavných chýb metódy: chyba nesúladu medzi odporom obvodu a jeho odporom počas kalibrácie.

Na zníženie tejto chyby sa zariadenia na tepelné merania vyrábajú s vysokým odporom (50-100 Ohm pre hrubé merania, 200-500 Ohm pre presnejšie merania) a s nízkoteplotným elektrickým koeficientom, takže celkový odpor obvodu (a , preto sa vzťah medzi prúdom a — e. d. s.) mení na minimum s kolísaním teploty okolia.

3. Termoelektrické pyrometre sa vždy kalibrujú pri presne definovanej teplote voľného konca termočlánku — pri 0 °C. Zvyčajne sa táto teplota líši od kalibračnej teploty v prevádzke, v dôsledku čoho nastáva druhá hlavná chyba metódy. : chyba v teplote voľného konca termočlánku.

Keďže táto chyba môže dosahovať desiatky stupňov, je potrebné vykonať príslušnú korekciu údajov prístroja. Túto korekciu je možné vypočítať, ak je známa teplota stúpačiek.

Keďže teplota voľného konca termočlánku sa počas kalibrácie rovná 0 ° C a pri prevádzke je zvyčajne nad 0 ° C (voľné konce sú zvyčajne v miestnosti, často sa nachádzajú v blízkosti pece, ktorej teplota sa meria ), pyrometer udáva podhodnotenie v porovnaní so skutočnou nameranou teplotou, údaj a jej hodnotu treba zvýšiť o korekčnú hodnotu.

Zvyčajne sa to robí graficky. Je to spôsobené tým, že medzi termosetmi zvyčajne neexistuje žiadna proporcionalita.atď. pp a teplotu. Ak je vzťah medzi nimi úmerný, potom je kalibračná krivka priamka a v tomto prípade bude korekcia na teplotu voľného konca termočlánku priamo rovná jeho teplote.

Dizajn a typy termočlánkov

Nasledujúce požiadavky platia pre termoelektródové materiály:

1) vysoká termoelektrina. atď. v. a blízko k úmernej povahe jeho zmeny od teploty;

2) tepelná odolnosť (neoxidácia pri vysokých teplotách);

3) stálosť fyzikálnych vlastností v čase v rámci nameraných teplôt;

4) vysoká elektrická vodivosť;

5) nízkoteplotný koeficient odporu;

6) možnosť výroby vo veľkých množstvách s konštantnými fyzikálnymi vlastnosťami.

Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) definovala niektoré štandardné typy termočlánkov (norma IEC 584-1). Prvky majú indexy R, S, B, K, J, E, T podľa rozsahu meraných teplôt.

V priemysle sa termočlánky používajú na meranie vysokých teplôt, až do 600 – 1000 – 1500˚C. Priemyselný termočlánok pozostáva z dvoch žiaruvzdorných kovov alebo zliatin. Horúca spojka (označená písmenom «G») je umiestnená v mieste, kde sa meria teplota, a studená spojka («X») je umiestnená v oblasti, kde sa nachádza meracie zariadenie.

V súčasnosti sa používajú nasledujúce štandardné termočlánky.

Platina-ródium-platinový termočlánok. Tieto termočlánky je možné použiť na meranie teplôt až do 1300 °C pre dlhodobé použitie a až do 1600 °C pre krátkodobé použitie za predpokladu, že sa používajú v oxidačnej atmosfére.Pri stredných teplotách sa platino-ródium-platinový termočlánok ukázal ako veľmi spoľahlivý a stabilný, preto sa používa ako príklad v rozsahu 630-1064 °C.

Chróm-alumelový termočlánok. Tieto termočlánky sú určené na meranie teplôt pre dlhodobé použitie do 1000 ° C a pre krátkodobé použitie do 1300 ° C. V rámci týchto limitov spoľahlivo fungujú v oxidačnej atmosfére (ak nie sú žiadne korozívne plyny), pretože pri vyhrievaný na povrchu elektród, tenký ochranný oxidový film, ktorý zabraňuje prenikaniu kyslíka do kovu.

Termočlánok Chromel-Copel… Tieto termočlánky dokážu merať teploty až do 600°C po dlhú dobu a až do 800°C krátkodobo. Úspešne fungujú v oxidačných aj redukčných atmosférach, ako aj vo vákuu.

Termočlánok Iron Copel... Limity merania sú rovnaké ako pre termočlánky chromel-copel, prevádzkové podmienky sú rovnaké. Dáva menej tepla. atď. v porovnaní s termočlánkom XK: 30,9 mV pri 500 ° C, ale jeho závislosť od teploty je bližšia proporcionálne. Významnou nevýhodou LC termočlánku je korózia jeho železnej elektródy.

Meď-medený termočlánok... Keďže meď v oxidačnej atmosfére začína intenzívne oxidovať už pri 350°C, rozsah použitia týchto termočlánkov je 350°C dlhodobo a 500°C krátkodobo. Vo vákuu je možné tieto termočlánky použiť až do 600 °C.

Termo-e krivky závislosti. atď. teploty pre najbežnejšie termočlánky. 1 — chromel-bastard; 2 — železný bastard; 3 — medený bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromel-alumel; 7-platina-rhodium-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Odpor termoelektród štandardných termočlánkov z obecných kovov je 0,13-0,18 ohmov na 1 m dĺžky (oba konce), u platinovo-ródiovo-platinových termočlánkov 1,5-1,6 ohmov na 1 m Prípustné odchýlky termoelektrického výkonu. atď. z kalibrácie pre neušľachtilé termočlánky sú ± 1 %, pre platina-ródium-platina ± 0,3-0,35 %.

Štandardný termočlánok je tyč s priemerom 21-29 mm a dĺžkou 500-3000 mm. Na vrchu ochrannej trubice je umiestnená lisovaná alebo odliata (zvyčajne hliníková) hlava s karbolitovou alebo bakelitovou doskou, do ktorej sú vtlačené dva páry drôtov so skrutkovými svorkami spojenými v pároch. Na jednu svorku je pripojená termoelektróda a na druhú je pripojený spojovací vodič, ktorý vedie k meraciemu zariadeniu. Niekedy sú spojovacie vodiče uzavreté v ohybnej ochrannej hadici. Ak je potrebné utesniť otvor, v ktorom je termočlánok inštalovaný, je tento vybavený závitovou armatúrou. Pre vane sa vyrábajú termočlánky aj v tvare kolena.

Zákony termočlánkov

Zákon o vnútornej teplote: Prítomnosť teplotného gradientu v homogénnom vodiči nevedie k vzniku elektrického prúdu (nedochádza k žiadnemu dodatočnému EMF).

Zákon medzivodičov: Nech dva homogénne vodiče kovov A a B vytvoria termoelektrický obvod s kontaktmi pri teplotách T1 (horúci spoj) a T2 (studený spoj). Drôt z kovu X je zahrnutý do pretrhnutia drôtu A a sú vytvorené dva nové kontakty. «Ak je teplota drôtu X rovnaká po celej jeho dĺžke, potom sa výsledné EMF termočlánku nezmení (žiadne EMF nevzniká z dodatočných spojov).»