Convertoare termoelectrice (termocupluri)
Cum funcționează un termocuplu
Deja în 1821, Seebeck a descoperit un fenomen numit după el, care constă în faptul că e. Apare într-un circuit închis format din diferite materiale conductoare. etc. (așa-numita termo-EMC) dacă punctele de contact ale acestor materiale sunt menținute la temperaturi diferite.
În forma sa cea mai simplă, atunci când un circuit electric este format din doi conductori diferiți, se numește termocuplu sau termocuplu.
Esența fenomenului Seebeck constă în faptul că energia electronilor liberi, care provoacă apariția unui curent electric în fire, este diferită și se modifică diferit cu temperatura. Prin urmare, dacă există o diferență de temperatură de-a lungul firului, electronii de la capătul fierbinte vor avea energii și viteze mai mari în comparație cu capătul rece, provocând un flux de electroni de la capătul fierbinte la capătul rece al firului. Ca rezultat, sarcinile se vor acumula la ambele capete - negative la rece și pozitive la cald.
Deoarece aceste încărcări sunt diferite pentru fire diferite, atunci când două dintre ele sunt conectate într-un termocuplu, va apărea un termocuplu diferențial. etc. c. Pentru a analiza fenomenele care au loc în termocuplu, este convenabil să presupunem că termocuplul a generat în acesta. etc. c. E este suma a două forțe electromotoare de contact e, care apar la locurile contactului lor și sunt în funcție de temperatura acestor contacte (Fig. 1, a).
Orez. 1. Schema unui circuit termoelectric cu două și trei fire, o diagramă pentru conectarea unui dispozitiv electric de măsurare la joncțiune și a unui termoelectrod cu un termocuplu.
Forța termoelectromotoare care apare într-un circuit cu doi conductori diferiți este egală cu diferența de forțe electromotoare la capetele lor.
Din această definiție rezultă că la temperaturi egale la capetele termocuplului, puterea termoelectrică a acestuia. etc. s va fi zero. Din aceasta se poate trage o concluzie extrem de importantă, care face posibilă utilizarea unui termocuplu ca senzor de temperatură.
Forța electromotoare a unui termocuplu nu va fi modificată prin introducerea unui al treilea fir în circuitul său dacă temperaturile la capetele sale sunt aceleași.
Acest al treilea fir poate fi inclus atât într-una dintre joncțiuni, cât și în secțiunea unuia dintre fire (Fig. 1.6, c). Această concluzie poate fi extinsă la mai multe fire introduse în circuitul termocuplului, atâta timp cât temperaturile la capetele acestora sunt aceleași.
Prin urmare, un dispozitiv de măsurare (constituit și din fire) și firele de conectare care conduc la acesta pot fi incluse în circuitul termocuplului fără a provoca o modificare a puterii termoelectrice dezvoltate de acesta. e.c, numai dacă temperaturile punctelor 1 și 2 sau 3 și 4 (Fig. 1, d și e) sunt egale. În acest caz, temperatura acestor puncte poate diferi de temperatura terminalelor dispozitivului, dar temperatura ambelor terminale trebuie să fie aceeași.
Dacă rezistența circuitului termocuplului rămâne neschimbată, curentul care circulă prin acesta (și, prin urmare, citirea dispozitivului) va depinde numai de puterea termoelectrică dezvoltată de acesta. d. de la, adica de la temperaturile capetelor de lucru (cald) si liber (rece).
De asemenea, dacă temperatura capătului liber al termocuplului este menținută constantă, citirea contorului va depinde doar de temperatura capătului de lucru al termocuplului. Un astfel de dispozitiv va indica direct temperatura joncțiunii de lucru a termocuplului.
Prin urmare, un pirometru termoelectric este format dintr-un termocuplu (termoelectrozi), un contor de curent continuu și fire de conectare.
Din cele de mai sus se pot trage următoarele concluzii.
1. Metoda de fabricare a capătului de lucru al termocuplului (sudare, lipire, răsucire etc.) nu afectează puterea termoelectrică dezvoltată de acesta. etc. cu, dacă numai dimensiunile capătului de lucru sunt astfel încât temperatura în toate punctele sale să fie aceeași.
2. Pentru că parametrul măsurat de aparat nu este termoelectric. cu și curentul circuitului termocuplului, este necesar ca rezistența circuitului de funcționare să rămână neschimbată și egală cu valoarea acesteia în timpul calibrării.Dar, deoarece este practic imposibil de făcut acest lucru, deoarece rezistența termoelectrodului și a firelor de conectare se modifică odată cu temperatura, apare una dintre principalele erori ale metodei: eroarea nepotrivirii dintre rezistența circuitului și rezistența acestuia în timpul calibrării.
Pentru a reduce această eroare, aparatele de măsurători termice sunt realizate cu rezistență mare (50-100 Ohm pentru măsurători grosiere, 200-500 Ohm pentru măsurători mai precise) și cu un coeficient electric de temperatură scăzută, astfel încât rezistența totală a circuitului (și , prin urmare, relația dintre curent și — e. d. s.) variază la minim cu fluctuațiile temperaturii ambiante.
3. Pirometrele termoelectrice sunt întotdeauna calibrate la o temperatură bine definită a capătului liber al termocuplului - la 0 ° C. De obicei, această temperatură diferă de temperatura de calibrare în funcțiune, ca urmare a căreia apare a doua eroare principală a metodei : eroarea temperaturii capătului liber al termocuplului.
Deoarece această eroare poate ajunge la zeci de grade, este necesar să se efectueze o corecție adecvată a citirilor dispozitivului. Această corecție poate fi calculată dacă se cunoaște temperatura ascensoarelor.
Deoarece temperatura capătului liber al termocuplului în timpul calibrării este egală cu 0 ° C, iar în funcționare este de obicei peste 0 ° C (capetele libere sunt de obicei în cameră, acestea sunt adesea situate în apropierea cuptorului a cărui temperatură este măsurată ), pirometrul dă o subestimare față de temperatura efectivă măsurată, indicația și valoarea acesteia din urmă trebuie mărită cu valoarea de corecție.
Acest lucru se face de obicei grafic. Acest lucru se datorează faptului că de obicei nu există proporționalitate între termoduri.etc. pp. și temperatura. Dacă relația dintre ele este proporțională, atunci curba de calibrare este o linie dreaptă și în acest caz corecția pentru temperatura capătului liber al termocuplului va fi direct egală cu temperatura acestuia.
Design și tipuri de termocupluri
Următoarele cerințe se aplică materialelor termoelectrodului:
1) termoelectricitate ridicată. etc. v. și aproape de natura proporțională a schimbării sale față de temperatură;
2) rezistență la căldură (neoxidare la temperaturi ridicate);
3) constanța proprietăților fizice în timp în cadrul temperaturilor măsurate;
4) conductivitate electrică ridicată;
5) coeficient de rezistență la temperatură scăzută;
6) posibilitatea producerii în cantități mari cu proprietăți fizice constante.
Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) a definit unele tipuri standard de termocupluri (standard IEC 584-1). Elementele au indici R, S, B, K, J, E, T în funcție de intervalul de temperaturi măsurat.
În industrie, termocuplurile sunt folosite pentru a măsura temperaturi ridicate, până la 600 — 1000 — 1500˚C. Un termocuplu industrial este format din două metale sau aliaje refractare. Joncțiunea fierbinte (marcată cu litera «G») este plasată în locul unde se măsoară temperatura, iar joncțiunea rece («X») este amplasată în zona în care se află dispozitivul de măsurare.
În prezent sunt utilizate următoarele termocupluri standard.
Termocuplu platină-rodiu-platină. Aceste termocupluri pot fi folosite pentru a măsura temperaturi de până la 1300 °C pentru utilizare pe termen lung și până la 1600 °C pentru utilizare pe termen scurt, cu condiția să fie utilizate într-o atmosferă oxidantă.La temperaturi medii, termocuplul platină-rodiu-platină s-a dovedit a fi foarte fiabil și stabil, motiv pentru care este folosit ca exemplu în intervalul 630-1064 ° C.
Termocuplu crom-alumel. Aceste termocupluri sunt concepute pentru a măsura temperaturi pentru utilizare pe termen lung până la 1000 ° C și pentru utilizare pe termen scurt până la 1300 ° C. Ele funcționează fiabil în aceste limite într-o atmosferă oxidantă (dacă nu există gaze corozive), deoarece atunci când încălzit pe suprafața electrozilor, o peliculă subțire de oxid de protecție care împiedică pătrunderea oxigenului în metal.
Termocuplu Chromel-Copel... Aceste termocupluri pot măsura temperaturi de până la 600°C pentru o perioadă lungă de timp și până la 800°C pentru o perioadă scurtă de timp. Ele funcționează cu succes atât în atmosferă oxidantă și reducătoare, cât și în vid.
Termocuplu Iron Copel... Limitele de măsurare sunt aceleași ca pentru termocuplurile chromel-copel, condițiile de funcționare sunt aceleași. Oferă mai puțin termo. etc. comparativ cu termocuplul XK: 30,9 mV la 500 ° C, dar dependența sa de temperatură este mai aproape de proporțională. Un dezavantaj semnificativ al termocuplului LC este coroziunea electrodului său de fier.
Termocuplu cupru-cupru... Deoarece cuprul într-o atmosferă oxidantă începe să se oxideze intens deja la 350 ° C, domeniul de aplicare al acestor termocupluri este de 350 ° C pentru o perioadă lungă de timp și 500 ° C pentru o perioadă scurtă de timp. În vid, aceste termocupluri pot fi folosite până la 600 °C.
Curbe de dependență termo-e. etc. de temperatură pentru cele mai comune termocupluri. 1 — cromel-bastard; 2 — fier-bastard; 3 — cupru-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — cromel-alumel; 7-platină-rodiu-platină; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.
Rezistența termoelectrodurilor termocuplurilor standard din metale de bază este de 0,13-0,18 ohmi la 1 m lungime (ambele capete), pentru termocuplurile platină-rodiu-platină 1,5-1,6 ohmi la 1 m. Abaterile de putere termoelectrică admisibile. etc. de la calibrare pentru termocuplurile nenobile sunt ± 1%, pentru platină-rodiu-platină ± 0,3-0,35%.
Termocuplul standard este o tijă cu un diametru de 21-29 mm și o lungime de 500-3000 mm. Pe partea superioară a tubului de protecție este plasat un cap ștanțat sau turnat (de obicei din aluminiu) cu o placă de carbolit sau bachelit, în care sunt presate două perechi de fire cu cleme cu șurub conectate în perechi. Termoelectrodul este atașat la un terminal, iar la celălalt este conectat un fir de legătură care duce la dispozitivul de măsurare. Uneori, firele de conectare sunt închise într-un furtun de protecție flexibil. Dacă este necesară etanșarea orificiului în care este instalat termocuplul, acesta din urmă este prevăzut cu un fiting filetat. Pentru căzi, termocuplurile sunt realizate și în formă de cot.
Legile termocuplurilor
Legea temperaturii interne: Prezența unui gradient de temperatură într-un conductor omogen nu duce la apariția unui curent electric (nu apare FEM suplimentar).
Legea conductoarelor intermediare: Fie doi conductori omogene de metale A și B să formeze un circuit termoelectric cu contacte la temperaturile T1 (joncțiune fierbinte) și T2 (joncțiune rece). Un fir de metal X este inclus în ruperea firului A și se formează două contacte noi. „Dacă temperatura firului X este aceeași pe toată lungimea sa, atunci EMF rezultat al termocuplului nu se va modifica (nicio EMF nu apare din joncțiuni suplimentare).”