Termoelektriske omformere (termoelementer)

Sådan fungerer et termoelement

Allerede i 1821 opdagede Seebeck et efter ham opkaldt fænomen, som består i, at e. optræder i et lukket kredsløb bestående af forskellige ledende materialer. etc. (såkaldt termo-EMC), hvis disse materialers kontaktpunkter holdes ved forskellige temperaturer.

I sin enkleste form, når et elektrisk kredsløb består af to forskellige ledere, kaldes det et termoelement eller termoelement.

Essensen af ​​Seebeck-fænomenet ligger i, at energien af ​​frie elektroner, som forårsager udseendet af en elektrisk strøm i ledninger, er anderledes og ændrer sig forskelligt med temperaturen. Derfor, hvis der er en temperaturforskel langs ledningen, vil elektronerne i dens varme ende have højere energier og hastigheder sammenlignet med den kolde ende, hvilket forårsager en elektronstrøm fra den varme ende til den kolde ende i ledningen. Som et resultat vil ladninger akkumulere i begge ender - negative ved kolde og positive ved varme.

Da disse ladninger er forskellige for forskellige ledninger, vil et differentielt termoelement vises, når to af dem er forbundet i et termoelement. etc. c. For at analysere de fænomener, der forekommer i termoelementet, er det praktisk at antage, at termoelementet genereret i det. etc. c. E er summen af ​​to kontaktelektromotoriske kræfter e, der forekommer ved deres kontaktsteder og er en funktion af temperaturen af ​​disse kontakter (fig. 1, a).

Ris. 1. Diagram over et to- og treleder termoelektrisk kredsløb, et diagram til tilslutning af en elektrisk måleanordning til krydset og en termoelektrode med et termoelement.

Den termoelektromotoriske kraft, der opstår i et kredsløb af to forskellige ledere, er lig med forskellen i de elektromotoriske kræfter ved deres ender.

Af denne definition følger det, at ved lige temperaturer i enderne af termoelementet, dets termoelektriske effekt. etc. s vil være nul. Der kan drages en yderst vigtig konklusion, som gør det muligt at anvende et termoelement som temperaturføler.

Den elektromotoriske kraft af et termoelement vil ikke blive ændret ved indførelsen af ​​en tredje ledning i dets kredsløb, hvis temperaturerne i dets ender er de samme.

Denne tredje ledning kan indgå både i en af ​​samlingerne og i sektionen af ​​en af ​​ledningerne (fig. 1.6, c). Denne konklusion kan udvides til flere ledninger, der indføres i termoelementkredsløbet, så længe temperaturerne i deres ender er de samme.

Derfor kan en måleanordning (også bestående af ledninger) og forbindelsesledninger, der fører til den, inkluderes i termoelementkredsløbet uden at forårsage en ændring i den termoelektriske effekt udviklet af den. e.c, kun hvis temperaturerne i punkt 1 og 2 eller 3 og 4 (fig. 1, d og e) er ens. I dette tilfælde kan temperaturen på disse punkter afvige fra temperaturen på enhedens terminaler, men temperaturen på begge terminaler skal være den samme.

Hvis modstanden af ​​termoelementkredsløbet forbliver uændret, vil strømmen, der strømmer gennem det (og derfor aflæsningen af ​​enheden) kun afhænge af den termoelektriske effekt udviklet af den. d. fra, det vil sige fra temperaturerne af de arbejdende (varme) og frie (kolde) ender.

Hvis temperaturen i den frie ende af termoelementet holdes konstant, vil måleraflæsningen kun afhænge af temperaturen af ​​termoelementets arbejdsende. En sådan enhed vil direkte indikere temperaturen på termoelementets arbejdsforbindelse.

Derfor består et termoelektrisk pyrometer af et termoelement (termoelektroder), en jævnstrømsmåler og forbindelsesledninger.

Følgende konklusioner kan drages af ovenstående.

1. Metoden til fremstilling af termoelementets arbejdsende (svejsning, lodning, vridning osv.) påvirker ikke den termoelektriske effekt udviklet af den. etc. med, hvis kun dimensionerne af arbejdsenden er således, at temperaturen på alle dens punkter er den samme.

2. Fordi parameteren målt af enheden ikke er termoelektrisk. med og termoelementkredsløbsstrømmen er det nødvendigt, at driftskredsløbsmodstanden forbliver uændret og lig med dens værdi under kalibrering.Men da det praktisk talt er umuligt at gøre dette, da modstanden af ​​termoelektroderne og forbindelsesledningerne ændres med temperaturen, opstår en af ​​metodens hovedfejl: fejlen i misforholdet mellem modstanden af ​​kredsløbet og dets modstand under kalibrering.

For at reducere denne fejl er enheder til termiske målinger lavet med høj modstand (50-100 Ohm for grove målinger, 200-500 Ohm for mere nøjagtige målinger) og med en lav temperatur elektrisk koefficient, således at den samlede modstand af kredsløbet (og , derfor varierer forholdet mellem strøm og — e. d. s.) til et minimum med udsving i omgivelsestemperaturen.

3. Termoelektriske pyrometre kalibreres altid ved en veldefineret temperatur af termoelementets frie ende - ved 0 ° C. Normalt adskiller denne temperatur sig fra kalibreringstemperaturen under drift, som et resultat af hvilken metodens anden hovedfejl opstår : fejlen i temperaturen i den frie termoelementende.

Da denne fejl kan nå titusvis af grader, er det nødvendigt at foretage en passende korrektion af enhedens aflæsninger. Denne korrektion kan beregnes, hvis temperaturen på stigrørene er kendt.

Da temperaturen på den frie ende af termoelementet under kalibrering er lig med 0 ° C, og i drift er den normalt over 0 ° C (de frie ender er normalt i rummet, de er ofte placeret i nærheden af ​​ovnen, hvis temperatur måles ), giver pyrometeret en undervurdering i forhold til den faktisk målte temperatur, indikationen og værdien af ​​sidstnævnte skal øges med korrektionsværdien.

Dette gøres normalt grafisk. Det skyldes, at der normalt ikke er proportionalitet mellem termohærderne.etc. pp. og temperatur. Hvis forholdet mellem dem er proportionalt, så er kalibreringskurven en lige linje, og i dette tilfælde vil korrektionen for temperaturen på den frie ende af termoelementet være direkte lig med dens temperatur.

Design og typer af termoelementer

Følgende krav gælder for termoelektrodematerialerne:

1) høj termoelektricitet. etc. v. og tæt på den proportionelle karakter af dens ændring fra temperatur;

2) varmebestandighed (ikke-oxidation ved høje temperaturer);

3) konstante fysiske egenskaber over tid inden for de målte temperaturer;

4) høj elektrisk ledningsevne;

5) lav temperatur modstandskoefficient;

6) muligheden for produktion i store mængder med konstante fysiske egenskaber.

Den Internationale Elektrotekniske Kommission (IEC) har defineret nogle standardtyper af termoelementer (standard IEC 584-1). Grundstoffer har indeks R, S, B, K, J, E, T i henhold til det målte temperaturområde.

I industrien bruges termoelementer til at måle høje temperaturer, op til 600 — 1000 — 1500˚C. Et industrielt termoelement består af to ildfaste metaller eller legeringer. Det varme kryds (markeret med bogstavet «G») placeres på det sted, hvor temperaturen måles, og det kolde kryds («X») er placeret i det område, hvor måleapparatet er placeret.

Følgende standard termoelementer er i brug i øjeblikket.

Platin-rhodium-platin termoelement. Disse termoelementer kan bruges til at måle temperaturer op til 1300 °C ved langvarig brug og op til 1600 °C ved kortvarig brug, forudsat at de bruges i en oxiderende atmosfære.Ved medium temperaturer har platin-rhodium-platin termoelementet vist sig at være meget pålideligt og stabilt, hvorfor det bruges som et eksempel i området 630-1064 ° C.

Krom-alumel termoelement. Disse termoelementer er designet til at måle temperaturer til langvarig brug op til 1000 ° C og til kortvarig brug op til 1300 ° C. De arbejder pålideligt inden for disse grænser i en oxiderende atmosfære (hvis der ikke er ætsende gasser), for når opvarmet på overfladen af ​​elektroderne, en tynd beskyttende oxidfilm, der forhindrer ilt i at trænge ind i metallet.

Chromel-Copel termoelement... Disse termoelementer kan måle temperaturer op til 600°C i lang tid og op til 800°C i kort tid. De arbejder med succes i både oxiderende og reducerende atmosfærer, såvel som i vakuum.

Jern Copel termoelement... Målegrænserne er de samme som for chromel-copel termoelementer, driftsbetingelserne er de samme. Det giver mindre termo. etc. sammenlignet med XK termoelementet: 30,9 mV ved 500 ° C, men dens afhængighed af temperaturen er tættere på proportional. En væsentlig ulempe ved LC-termoelementet er korrosionen af ​​dets jernelektrode.

Kobber-kobber termoelement... Da kobber i en oxiderende atmosfære begynder at oxidere intensivt allerede ved 350 ° C, er anvendelsesområdet for disse termoelementer 350 ° C i lang tid og 500 ° C i kort tid. I vakuum kan disse termoelementer bruges op til 600 °C.

Termo-e afhængighedskurver. etc. temperatur for de mest almindelige termoelementer. 1 - krom-bastard; 2 — jern-bastard; 3 - kobber-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - krom-alumel; 7-platin-rhodium-platin; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Modstanden af ​​termoelektroderne af standard termoelementer lavet af uædle metaller er 0,13-0,18 ohm pr. 1 m længde (begge ender), for platin-rhodium-platin termoelementer 1,5-1,6 ohm pr. 1 m. Tilladte termoelektriske effektafvigelser. etc. fra kalibrering for ikke-ædle termoelementer er ± 1%, for platin-rhodium-platin ± 0,3-0,35%.

Standard termoelementet er en stang med en diameter på 21-29 mm og en længde på 500-3000 mm. På toppen af ​​beskyttelsesrøret anbringes et udstanset eller støbt (normalt aluminium) hoved med en karbolit- eller bakelitplade, hvori to par ledninger presses med skruetvinger forbundet i par. Termoelektroden er fastgjort til den ene terminal, og til den anden er forbundet en forbindelsesledning, der fører til måleapparatet. Nogle gange er forbindelsesledningerne indesluttet i en fleksibel beskyttelsesslange. Hvis det er nødvendigt at forsegle hullet, hvori termoelementet er installeret, er sidstnævnte forsynet med en gevindbeslag. Til badekar er termoelementer også lavet med albueform.

Termoelementers love

Intern temperaturlov: Tilstedeværelsen af ​​en temperaturgradient i en homogen leder fører ikke til udseendet af en elektrisk strøm (ingen yderligere EMF forekommer).

Mellemlederloven: Lad to homogene ledere af metallerne A og B danne et termoelektrisk kredsløb med kontakter ved temperaturerne T1 (hot junction) og T2 (cold junction). En ledning af metal X er inkluderet i brud på ledning A, og der dannes to nye kontakter. "Hvis temperaturen på ledning X er den samme i hele dens længde, vil termoelementets resulterende EMF ikke ændre sig (ingen EMF opstår fra yderligere kryds)."