Termoelektrické měniče (termočlánky)
Jak funguje termočlánek
Již v roce 1821 objevil Seebeck po něm pojmenovaný jev, který spočívá v tom, že e. Vystupuje v uzavřeném okruhu sestávajícím z různých vodivých materiálů. atd. (tzv. termo-EMC), pokud jsou kontaktní místa těchto materiálů udržována na různých teplotách.
Ve své nejjednodušší formě, kdy se elektrický obvod skládá ze dvou různých vodičů, se nazývá termočlánek nebo termočlánek.
Podstata Seebeckova jevu spočívá v tom, že energie volných elektronů, které způsobují výskyt elektrického proudu ve vodičích, je různá a mění se různě s teplotou. Pokud je tedy podél drátu teplotní rozdíl, elektrony na jeho horkém konci budou mít vyšší energie a rychlosti ve srovnání se studeným koncem, což způsobí tok elektronů od horkého konce ke studenému konci drátu. V důsledku toho se náboje budou hromadit na obou koncích – negativní na studeném a kladné na horkém.
Protože tyto náboje jsou různé pro různé dráty, pak když jsou dva z nich zapojeny do termočlánku, objeví se diferenciální termočlánek. atd. c. Pro analýzu jevů vyskytujících se v termočlánku je vhodné předpokládat, že termočlánek v něm generuje. atd. c. E je součet dvou kontaktních elektromotorických sil e, vyskytujících se v místech jejich kontaktu a jsou funkcí teploty těchto kontaktů (obr. 1, a).
Rýže. 1. Schéma dvou- a třívodičového termoelektrického obvodu, schéma připojení elektrického měřicího zařízení na přechod a termoelektrody s termočlánkem.
Termoelektromotorická síla vznikající v obvodu dvou různých vodičů je rovna rozdílu elektromotorických sil na jejich koncích.
Z této definice vyplývá, že při stejných teplotách na koncích termočlánku je jeho termoelektrický výkon. atd. s bude nula. Z toho lze vyvodit mimořádně důležitý závěr, který umožňuje použít termočlánek jako teplotní senzor.
Elektromotorická síla termočlánku se nezmění zavedením třetího drátu do jeho obvodu, pokud jsou teploty na jeho koncích stejné.
Tento třetí vodič může být zahrnut jak v jednom z přechodů, tak v úseku jednoho z vodičů (obr. 1.6, c). Tento závěr lze rozšířit na několik vodičů zavedených do obvodu termočlánku, pokud jsou teploty na jejich koncích stejné.
Proto lze do obvodu termočlánku zařadit měřicí zařízení (také sestávající z vodičů) a k němu vedoucí propojovací vodiče, aniž by došlo ke změně jím vyvinutého termoelektrického výkonu. E.c, pouze pokud jsou teploty bodů 1 a 2 nebo 3 a 4 (obr. 1, d a e) stejné. V tomto případě se teplota těchto bodů může lišit od teploty svorek zařízení, ale teplota obou svorek musí být stejná.
Zůstane-li odpor obvodu termočlánku nezměněn, bude jím protékající proud (a tedy i čtení přístroje) záviset pouze na jím vyvinutém termoelektrickém výkonu. d. z, tedy z teplot pracovního (horkého) a volného (studeného) konce.
Také, pokud je teplota volného konce termočlánku udržována konstantní, bude údaj měřiče záviset pouze na teplotě pracovního konce termočlánku. Takové zařízení bude přímo indikovat teplotu pracovního přechodu termočlánku.
Proto se termoelektrický pyrometr skládá z termočlánku (termoelektrod), měřiče stejnosměrného proudu a propojovacích vodičů.
Z výše uvedeného lze vyvodit následující závěry.
1. Způsob výroby pracovního konce termočlánku (svařování, pájení, kroucení atd.) neovlivňuje jím vyvíjený termoelektrický výkon. atd. s, pokud jsou pouze rozměry pracovního konce takové, že teplota ve všech jeho bodech je stejná.
2. Protože parametr měřený zařízením není termoelektrický. s proudem v obvodu termočlánku je nutné, aby odpor pracovního obvodu zůstal nezměněn a roven jeho hodnotě při kalibraci.Ale protože je to prakticky nemožné, protože odpor termoelektrod a spojovacích vodičů se mění s teplotou, vzniká jedna z hlavních chyb metody: chyba nesouladu mezi odporem obvodu a jeho odporem během kalibrace.
Pro snížení této chyby jsou zařízení pro tepelná měření vyráběna s vysokým odporem (50-100 Ohm pro hrubé měření, 200-500 Ohm pro přesnější měření) a s nízkoteplotním elektrickým koeficientem, takže celkový odpor obvodu (a , proto se vztah mezi proudem a — e. d. s.) mění na minimum s kolísáním okolní teploty.
3. Termoelektrické pyrometry jsou vždy kalibrovány při přesně definované teplotě volného konce termočlánku — při 0 °C. Obvykle se tato teplota liší od kalibrační teploty v provozu, v důsledku čehož dochází k druhé hlavní chybě metody. : chyba v teplotě volného konce termočlánku.
Protože tato chyba může dosahovat až desítek stupňů, je nutné provést patřičnou korekci odečtů přístroje. Tuto korekci lze vypočítat, pokud je známa teplota stoupaček.
Vzhledem k tomu, že teplota volného konce termočlánku je při kalibraci rovna 0 °C a za provozu je obvykle nad 0 °C (volné konce jsou obvykle v místnosti, často se nacházejí v blízkosti pece, jejíž teplota se měří ), pyrometr udává podhodnocení oproti skutečné naměřené teplotě, indikaci a její hodnotu je nutné zvýšit o korekční hodnotu.
To se obvykle provádí graficky. To je způsobeno tím, že mezi termosety obvykle neexistuje proporcionalita.atd. p. a teplotu. Pokud je vztah mezi nimi úměrný, pak je kalibrační křivka přímka a v tomto případě bude korekce na teplotu volného konce termočlánku přímo rovna jeho teplotě.
Konstrukce a typy termočlánků
Pro termoelektrodové materiály platí následující požadavky:
1) vysoká termoelektřina. atd. v. a blízké proporcionální povaze jeho změny od teploty;
2) tepelná odolnost (neoxidace při vysokých teplotách);
3) stálost fyzikálních vlastností v čase v rámci měřených teplot;
4) vysoká elektrická vodivost;
5) nízkoteplotní koeficient odporu;
6) možnost výroby ve velkém množství s konstantními fyzikálními vlastnostmi.
Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) definovala některé standardní typy termočlánků (norma IEC 584-1). Prvky mají indexy R, S, B, K, J, E, T podle rozsahu měřených teplot.
V průmyslu se termočlánky používají k měření vysokých teplot, až do 600 — 1000 — 1500˚C. Průmyslový termočlánek se skládá ze dvou žáruvzdorných kovů nebo slitin. Horký spoj (označený písmenem «G») je umístěn v místě měření teploty a studený spoj («X») je umístěn v místě, kde je umístěno měřící zařízení.
V současné době se používají následující standardní termočlánky.
Platina-rhodium-platinový termočlánek. Tyto termočlánky lze použít k měření teplot až 1300 °C pro dlouhodobé použití a až 1600 °C pro krátkodobé použití za předpokladu, že jsou používány v oxidační atmosféře.Při středních teplotách se termočlánek platina-rhodium-platina osvědčil jako velmi spolehlivý a stabilní, proto se používá jako příklad v rozsahu 630-1064 °C.
Chrom-alumelový termočlánek. Tyto termočlánky jsou určeny pro měření teplot pro dlouhodobé použití do 1000 ° C a pro krátkodobé použití do 1300 ° C. V těchto mezích spolehlivě fungují v oxidační atmosféře (pokud nejsou žádné korozivní plyny), protože při vyhřívaný na povrchu elektrod, tenký ochranný oxidový film, který zabraňuje pronikání kyslíku do kovu.
Termočlánek Chromel-Copel… Tyto termočlánky mohou měřit teploty až 600°C po dlouhou dobu a až 800°C krátkodobě. Úspěšně fungují jak v oxidační a redukční atmosféře, tak i ve vakuu.
Termočlánek Iron Copel... Meze měření jsou stejné jako u termočlánků chromel-copel, provozní podmínky jsou stejné. Dává méně tepla. atd. oproti termočlánku XK: 30,9 mV při 500 °C, ale jeho závislost na teplotě je blíže proporcionální. Významnou nevýhodou LC termočlánku je koroze jeho železné elektrody.
Měď-měď termočlánek... Protože měď v oxidační atmosféře začíná intenzivně oxidovat již při 350°C, rozsah použití těchto termočlánků je 350°C dlouhodobě a 500°C krátkodobě. Ve vakuu lze tyto termočlánky používat až do 600 °C.
Křivky závislosti termo-e. atd. teploty pro nejběžnější termočlánky. 1 — chromel-bastard; 2 — železný bastard; 3 — měděný bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromel-alumel; 7-platina-rhodium-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.
Odpor termoelektrod standardních termočlánků z obecných kovů je 0,13-0,18 ohmů na 1 m délky (oba konce), u termočlánků platina-rhodium-platina 1,5-1,6 ohmů na 1 m. Přípustné odchylky termoelektrického výkonu. atd. z kalibrace pro neušlechtilé termočlánky jsou ± 1 %, pro platina-rhodium-platina ± 0,3-0,35 %.
Standardní termočlánek je tyč o průměru 21-29 mm a délce 500-3000 mm. Na vrchní straně ochranné trubky je umístěna lisovaná nebo litá (zpravidla hliníková) hlavice s karbolitovou nebo bakelitovou destičkou, do které jsou vtlačeny dva páry drátů se šroubovacími svorkami spojenými do párů. Na jednu svorku je připojena termoelektroda a na druhou je připojen propojovací vodič, který vede k měřicímu zařízení. Někdy jsou připojovací vodiče uzavřeny v ohebné ochranné hadici. Pokud je nutné utěsnit otvor, ve kterém je termočlánek instalován, je tento opatřen závitovým šroubením. Pro vany se termočlánky vyrábí i s loketním tvarem.
Zákony termočlánků
Vnitřní teplotní zákon: Přítomnost teplotního gradientu v homogenním vodiči nevede ke vzniku elektrického proudu (nedochází k žádné další EMF).
Zákon mezivodičů: Nechť dva homogenní vodiče kovů A a B tvoří termoelektrický obvod s kontakty při teplotách T1 (horký spoj) a T2 (studený spoj). Drát z kovu X je zahrnut do přetržení drátu A a jsou vytvořeny dva nové kontakty. «Pokud je teplota drátu X stejná po celé jeho délce, pak se výsledné EMF termočlánku nezmění (žádné EMF nevzniká z dalších spojů).»