Przetwornice termoelektryczne (termopary)
Jak działa termopara
Już w 1821 roku Seebeck odkrył zjawisko nazwane jego imieniem, które polega na tym, że e. Pojawia się w obwodzie zamkniętym składającym się z różnych materiałów przewodzących. itp. (tzw. termo-EMC), jeżeli punkty styku tych materiałów są utrzymywane w różnych temperaturach.
W najprostszej postaci, gdy obwód elektryczny składa się z dwóch różnych przewodników, nazywa się to termoparą lub termoparą.
Istota zjawiska Seebecka polega na tym, że energia swobodnych elektronów, które powodują pojawienie się prądu elektrycznego w przewodach, jest różna i różnie zmienia się wraz z temperaturą. Dlatego, jeśli wzdłuż drutu występuje różnica temperatur, elektrony na jego gorącym końcu będą miały wyższe energie i prędkości w porównaniu z zimnym końcem, powodując przepływ elektronów z gorącego końca do zimnego końca drutu. W rezultacie ładunki gromadzą się na obu końcach — ujemne na zimnym i dodatnie na gorącym.
Ponieważ ładunki te są różne dla różnych przewodów, to gdy dwa z nich są połączone w termoparę, pojawi się termopara różnicowa. itp. c. Aby przeanalizować zjawiska zachodzące w termoparze, wygodnie jest przyjąć, że termopara w niej się wytwarza. itp. c. E jest sumą dwóch stykowych sił elektromotorycznych e, występujących w miejscach ich styku i są funkcją temperatury tych styków (ryc. 1, a).
Ryż. 1. Schemat dwu- i trójprzewodowego obwodu termoelektrycznego, schemat podłączenia elektrycznego urządzenia pomiarowego do złącza oraz termoelektrody z termoparą.
Siła termoelektromotoryczna powstająca w obwodzie dwóch różnych przewodników jest równa różnicy sił elektromotorycznych na ich końcach.
Z tej definicji wynika, że przy równych temperaturach na końcach termopary, jej moc termoelektryczna. itp. s będzie zerem. Można z tego wyciągnąć niezwykle ważny wniosek, który umożliwia wykorzystanie termopary jako czujnika temperatury.
Siła elektromotoryczna termopary nie ulegnie zmianie po wprowadzeniu trzeciego przewodu do jej obwodu, jeśli temperatury na jej końcach są takie same.
Ten trzeci drut może być zawarty zarówno w jednym ze złączy, jak iw odcinku jednego z drutów (ryc. 1.6, c). Wniosek ten można rozszerzyć na kilka drutów wprowadzonych do obwodu termopary, o ile temperatury na ich końcach są takie same.
Dlatego urządzenie pomiarowe (również składające się z przewodów) i prowadzące do niego przewody łączące można włączyć w obwód termopary bez powodowania zmiany wytwarzanej przez nią mocy termoelektrycznej. mi.c, tylko jeśli temperatury punktów 1 i 2 lub 3 i 4 (rys. 1, d i e) są sobie równe. W takim przypadku temperatura tych punktów może różnić się od temperatury zacisków urządzenia, ale temperatura obu zacisków musi być taka sama.
Jeśli rezystancja obwodu termopary pozostanie niezmieniona, przepływający przez nią prąd (a tym samym odczyt urządzenia) będzie zależał tylko od wytwarzanej przez nią mocy termoelektrycznej. d. z, to znaczy z temperatur końców roboczych (gorących) i swobodnych (zimnych).
Ponadto, jeśli temperatura swobodnego końca termopary jest utrzymywana na stałym poziomie, odczyt miernika będzie zależał tylko od temperatury roboczego końca termopary. Takie urządzenie bezpośrednio wskaże temperaturę złącza roboczego termopary.
Dlatego pirometr termoelektryczny składa się z termopary (termoelektrod), miernika prądu stałego i przewodów łączących.
Z powyższego można wyciągnąć następujące wnioski.
1. Sposób wykonania końcówki roboczej termopary (spawanie, lutowanie, skręcanie itp.) nie wpływa na wytwarzaną przez nią moc termoelektryczną. itp. z, jeżeli tylko wymiary końcówki roboczej są takie, że temperatura we wszystkich jej punktach jest taka sama.
2. Ponieważ parametr mierzony przez urządzenie nie jest termoelektryczny. z prądem obwodu termopary, konieczne jest, aby podczas kalibracji rezystancja obwodu roboczego pozostała niezmieniona i równa swojej wartości.Ale ponieważ jest to praktycznie niemożliwe, ponieważ rezystancja termoelektrod i przewodów łączących zmienia się wraz z temperaturą, powstaje jeden z głównych błędów metody: błąd niedopasowania rezystancji obwodu i jego rezystancji podczas kalibracji.
Aby zmniejszyć ten błąd, wykonuje się urządzenia do pomiarów termicznych o wysokiej rezystancji (50-100 omów dla pomiarów zgrubnych, 200-500 omów dla dokładniejszych pomiarów) i o niskim temperaturowym współczynniku elektrycznym, dzięki czemu całkowita rezystancja obwodu (i , dlatego związek między prądem a — e. d. s.) zmienia się do minimum wraz z wahaniami temperatury otoczenia.
3. Pirometry termoelektryczne kalibruje się zawsze w ściśle określonej temperaturze swobodnego końca termopary — 0°C. Zazwyczaj temperatura ta różni się od temperatury kalibracji podczas eksploatacji, w wyniku czego pojawia się drugi główny błąd metody : błąd temperatury wolnego końca termopary.
Ponieważ błąd ten może sięgać kilkudziesięciu stopni, konieczne jest dokonanie odpowiedniej korekty wskazań urządzenia. Tę poprawkę można obliczyć, jeśli znana jest temperatura pionów.
Ponieważ temperatura wolnego końca termopary podczas kalibracji jest równa 0°C, a podczas pracy zwykle powyżej 0°C (wolne końce znajdują się zwykle w pomieszczeniu, często znajdują się w pobliżu pieca, którego temperaturę mierzy się ), pirometr daje niedoszacowanie w stosunku do faktycznie zmierzonej temperatury, to wskazanie i wartość tej ostatniej należy powiększyć o wartość korekty.
Zwykle odbywa się to graficznie. Wynika to z faktu, że zwykle nie ma proporcjonalności między termoutwardzalnymi.itp. pp i temperatura. Jeżeli zależność między nimi jest proporcjonalna, to krzywa kalibracji jest linią prostą iw tym przypadku poprawka na temperaturę wolnego końca termopary będzie wprost równa jej temperaturze.
Budowa i rodzaje termopar
Następujące wymagania mają zastosowanie do materiałów termoelektrod:
1) wysoka termoelektryczność. itp. v. i zbliżony do proporcjonalnego charakteru jego zmiany od temperatury;
2) odporność na ciepło (nieutlenianie w wysokich temperaturach);
3) stałość właściwości fizycznych w czasie w zakresie mierzonych temperatur;
4) wysoka przewodność elektryczna;
5) niskotemperaturowy współczynnik oporu;
6) możliwość produkcji w dużych ilościach o stałych właściwościach fizycznych.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) zdefiniowała kilka standardowych typów termopar (norma IEC 584-1). Elementy posiadają indeksy R, S, B, K, J, E, T zgodnie z zakresem mierzonych temperatur.
W przemyśle termopary są wykorzystywane do pomiaru wysokich temperatur, do 600 — 1000 — 1500˚C. Przemysłowa termopara składa się z dwóch ogniotrwałych metali lub stopów. Spoina ciepła (oznaczona literą „G”) umieszczana jest w miejscu pomiaru temperatury, a spoina zimna („X”) w miejscu, w którym znajduje się urządzenie pomiarowe.
Obecnie w użyciu są następujące standardowe termopary.
Termopara platynowo-rodowo-platynowa. Te termopary mogą być używane do pomiaru temperatur do 1300 °C przy długotrwałym użytkowaniu i do 1600 °C przy krótkotrwałym użytkowaniu, pod warunkiem, że są używane w atmosferze utleniającej.W średnich temperaturach termopara platynowo-rodowo-platynowa okazała się bardzo niezawodna i stabilna, dlatego jest stosowana jako przykład w zakresie 630-1064°C.
Termopara chromowo-alumelowa. Termopary te przeznaczone są do pomiaru temperatur przy długotrwałym użytkowaniu do 1000°C i krótkotrwałym do 1300°C. Działają niezawodnie w tych granicach w atmosferze utleniającej (o ile nie występują gazy korozyjne), ponieważ gdy podgrzewana na powierzchni elektrod cienka ochronna warstwa tlenku, która zapobiega przenikaniu tlenu do metalu.
Termopara Chromel-Copel… Te termopary mogą mierzyć temperatury do 600°C przez długi czas i do 800°C przez krótki czas. Z powodzeniem pracują zarówno w atmosferach utleniających, jak i redukujących, a także w próżni.
Termopara Iron Copel... Granice pomiarowe są takie same jak dla termopar chromel-copel, warunki pracy są takie same. Daje mniej ciepła. itp. vs. w porównaniu do termopary XK: 30,9 mV przy 500°C, ale jej zależność od temperatury jest bliższa proporcjonalności. Istotną wadą termopary LC jest korozja jej żelaznej elektrody.
Termopara miedź-miedź... Ponieważ miedź w atmosferze utleniającej zaczyna intensywnie utleniać się już w temperaturze 350 ° C, zakres zastosowania tych termopar wynosi 350 ° C przez długi czas i 500 ° C przez krótki czas. W próżni te termopary mogą być używane do 600 °C.
Krzywe zależności termoelektrycznej. itp. temperatury dla najpopularniejszych termopar. 1 — chromel-bękart; 2 — żelazny drań; 3 — miedziany drań; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromo-alumel; 7-platyno-rod-platyna; 8 — TMSV-340M; 9 — PR-30/6.
Rezystancja termoelektrod standardowych termopar wykonanych z metali nieszlachetnych wynosi 0,13-0,18 omów na 1 m długości (oba końce), dla termopar platynowo-rodowo-platynowych 1,5-1,6 omów na 1 m. Dopuszczalne odchylenia mocy termoelektrycznej. itp. od kalibracji dla termopar nieszlachetnych wynoszą ± 1%, dla platyny-rodu-platyny ± 0,3-0,35%.
Standardowa termopara to pręt o średnicy 21-29 mm i długości 500-3000 mm. Na wierzchu tuby ochronnej umieszczana jest wytłoczona lub odlewana (najczęściej aluminiowa) głowica z karbolitową lub bakelitową płytką, w którą wciskane są połączone parami zaciski śrubowe dwie pary drutów. Termoelektroda jest podłączona do jednego zacisku, a do drugiego podłączony jest przewód łączący, który prowadzi do urządzenia pomiarowego. Czasami przewody łączące są zamknięte w elastycznym wężu ochronnym. W przypadku konieczności uszczelnienia otworu, w którym montowana jest termopara, jest ona wyposażana w złączkę gwintowaną. Do wanien termopary są również wykonywane w kształcie łokcia.
Prawa termopar
Prawo temperatury wewnętrznej: Obecność gradientu temperatury w jednorodnym przewodniku nie prowadzi do pojawienia się prądu elektrycznego (nie występuje dodatkowe pole elektromagnetyczne).
Prawo przewodników pośrednich: Niech dwa jednorodne przewodniki z metali A i B utworzą obwód termoelektryczny ze stykami o temperaturach T1 (spoina gorąca) i T2 (spoina zimna). Drut z metalu X jest zawarty w zerwaniu drutu A i powstają dwa nowe styki. „Jeżeli temperatura drutu X jest taka sama na całej jego długości, to wynikowa siła elektromotoryczna termopary nie ulegnie zmianie (nie powstaje żadna siła elektromagnetyczna z dodatkowych złączy).”