Thermoelectric converter (thermocouples)

Paano gumagana ang isang thermocouple

Nasa 1821, natuklasan ni Seebeck ang isang kababalaghan na pinangalanan sa kanya, na binubuo sa katotohanan na e. Lumilitaw sa isang closed circuit na binubuo ng iba't ibang mga materyales sa pagsasagawa. atbp. (tinatawag na thermo-EMC) kung ang mga contact point ng mga materyales na ito ay pinananatili sa iba't ibang temperatura.

Sa pinakasimpleng anyo nito, kapag ang isang de-koryenteng circuit ay binubuo ng dalawang magkaibang konduktor, ito ay tinatawag na thermocouple, o thermocouple.

Ang kakanyahan ng kababalaghan ng Seebeck ay nakasalalay sa katotohanan na ang enerhiya ng mga libreng electron, na nagiging sanhi ng paglitaw ng isang electric current sa mga wire, ay naiiba at nagbabago nang iba sa temperatura. Samakatuwid, kung mayroong pagkakaiba sa temperatura sa kahabaan ng wire, ang mga electron sa mainit na dulo nito ay magkakaroon ng mas mataas na enerhiya at bilis kumpara sa malamig na dulo, na magdudulot ng daloy ng elektron mula sa mainit na dulo hanggang sa malamig na dulo sa wire. Bilang resulta, maiipon ang mga singil sa magkabilang dulo — negatibo sa malamig at positibo sa mainit.

Dahil ang mga singil na ito ay naiiba para sa iba't ibang mga wire, pagkatapos ay kapag ang dalawa sa kanila ay konektado sa isang thermocouple, isang differential thermocouple ay lilitaw. atbp. c. Upang pag-aralan ang mga phenomena na nagaganap sa thermocouple, ito ay maginhawa upang ipagpalagay na ang thermocouple ay nabuo sa loob nito. atbp. c. Ang E ay ang kabuuan ng dalawang contact electromotive forces e, na nagaganap sa mga lugar ng kanilang contact at isang function ng temperatura ng mga contact na ito (Fig. 1, a).

kanin. 1. Diagram ng two- at three-wire thermoelectric circuit, isang diagram para sa pagkonekta ng isang electrical measurement device sa junction at isang thermoelectrode na may thermocouple.

Ang thermoelectromotive force na nagmumula sa isang circuit ng dalawang magkaibang konduktor ay katumbas ng pagkakaiba sa mga electromotive na pwersa sa kanilang mga dulo.

Mula sa kahulugan na ito ay sumusunod na sa pantay na temperatura sa mga dulo ng thermocouple, ang thermoelectric na kapangyarihan nito. atbp. s ay magiging zero. Ang isang napakahalagang konklusyon ay maaaring makuha mula dito, na ginagawang posible na gumamit ng isang thermocouple bilang isang sensor ng temperatura.

Ang electromotive force ng isang thermocouple ay hindi mababago sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang ikatlong wire sa circuit nito kung ang mga temperatura sa mga dulo nito ay pareho.

Ang ikatlong wire na ito ay maaaring isama pareho sa isa sa mga junction at sa seksyon ng isa sa mga wire (Larawan 1.6, c). Ang konklusyon na ito ay maaaring pahabain sa ilang mga wire na ipinakilala sa thermocouple circuit, hangga't ang mga temperatura sa kanilang mga dulo ay pareho.

Samakatuwid, ang isang aparato sa pagsukat (binubuo din ng mga wire) at pagkonekta ng mga wire na humahantong dito ay maaaring isama sa thermocouple circuit nang hindi nagiging sanhi ng pagbabago sa thermoelectric na kapangyarihan na binuo nito. e.c, lamang kung ang mga temperatura ng mga punto 1 at 2 o 3 at 4 (Fig. 1, d at e) ay pantay. Sa kasong ito, ang temperatura ng mga puntong ito ay maaaring mag-iba mula sa temperatura ng mga terminal ng aparato, ngunit ang temperatura ng parehong mga terminal ay dapat na pareho.

Kung ang paglaban ng thermocouple circuit ay nananatiling hindi nagbabago, ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan nito (at samakatuwid ang pagbabasa ng aparato) ay nakasalalay lamang sa thermoelectric na kapangyarihan na binuo nito. d. mula sa, iyon ay, mula sa mga temperatura ng nagtatrabaho (mainit) at libre (malamig) na mga dulo.

Gayundin, kung ang temperatura ng libreng dulo ng thermocouple ay pinananatiling pare-pareho, ang pagbabasa ng metro ay depende lamang sa temperatura ng gumaganang dulo ng thermocouple. Ang ganitong aparato ay direktang ipahiwatig ang temperatura ng nagtatrabaho junction ng thermocouple.

Samakatuwid, ang isang thermoelectric pyrometer ay binubuo ng isang thermocouple (thermoelectrodes), isang direktang kasalukuyang metro at pagkonekta ng mga wire.

Ang mga sumusunod na konklusyon ay maaaring makuha mula sa itaas.

1. Ang paraan ng pagmamanupaktura ng gumaganang dulo ng thermocouple (welding, paghihinang, twisting, atbp.) Ay hindi nakakaapekto sa thermoelectric power na binuo nito. atbp. na may, kung ang mga sukat lamang ng nagtatrabaho dulo ay tulad na ang temperatura sa lahat ng mga punto nito ay pareho.

2. Dahil ang parameter na sinusukat ng device ay hindi thermoelectric. na may at ang thermocouple circuit kasalukuyang, kinakailangan na ang operating circuit resistance ay nananatiling hindi nagbabago at katumbas ng halaga nito sa panahon ng pagkakalibrate.Ngunit dahil halos imposibleng gawin ito, dahil ang paglaban ng mga thermoelectrodes at pagkonekta ng mga wire ay nagbabago sa temperatura, ang isa sa mga pangunahing pagkakamali ng pamamaraan ay lumitaw: ang error ng mismatch sa pagitan ng paglaban ng circuit at ang paglaban nito sa panahon ng pagkakalibrate.

Upang mabawasan ang error na ito, ang mga device para sa thermal measurements ay ginawa na may mataas na pagtutol (50-100 Ohm para sa magaspang na mga sukat, 200-500 Ohm para sa mas tumpak na mga sukat) at may mababang temperatura na electrical coefficient, upang ang kabuuang paglaban ng circuit (at , samakatuwid, ang ugnayan sa pagitan ng kasalukuyan at — e. d. s.) ay nag-iiba hanggang sa pinakamababa na may mga pagbabago sa temperatura ng kapaligiran.

3. Ang mga thermoelectric pyrometer ay palaging naka-calibrate sa isang mahusay na tinukoy na temperatura ng libreng dulo ng thermocouple - sa 0 ° C. Karaniwan ang temperatura na ito ay naiiba sa temperatura ng pagkakalibrate sa operasyon, bilang isang resulta kung saan ang pangalawang pangunahing error ng pamamaraan ay nangyayari. : ang error sa temperatura ng libreng thermocouple end.

Dahil ang error na ito ay maaaring umabot ng sampu-sampung degree, kinakailangan na gumawa ng naaangkop na pagwawasto ng mga pagbabasa ng device. Ang pagwawasto na ito ay maaaring kalkulahin kung ang temperatura ng mga risers ay kilala.

Dahil ang temperatura ng libreng dulo ng thermocouple sa panahon ng pagkakalibrate ay katumbas ng 0 ° C, at sa pagpapatakbo ito ay karaniwang nasa itaas ng 0 ° C (ang mga libreng dulo ay karaniwang nasa silid, madalas silang matatagpuan malapit sa oven na ang temperatura ay sinusukat. ), ang pyrometer ay nagbibigay ng maliit na halaga kumpara sa aktwal na sinusukat na temperatura, ang indikasyon at halaga ng huli ay dapat tumaas ng halaga ng pagwawasto.

Karaniwang ginagawa ito nang graphical. Ito ay dahil sa ang katunayan na karaniwang walang proporsyonalidad sa pagitan ng mga thermoset.atbp. pp. at temperatura. Kung ang relasyon sa pagitan ng mga ito ay proporsyonal, kung gayon ang curve ng pagkakalibrate ay isang tuwid na linya at sa kasong ito ang pagwawasto para sa temperatura ng libreng dulo ng thermocouple ay direktang katumbas ng temperatura nito.

Disenyo at mga uri ng thermocouple

Ang mga sumusunod na kinakailangan ay nalalapat sa mga materyal na thermoelectrode:

1) mataas na thermoelectricity. atbp. v. at malapit sa proporsyonal na katangian ng pagbabago nito mula sa temperatura;

2) init paglaban (non-oxidization sa mataas na temperatura);

3) pare-pareho ng mga pisikal na katangian sa paglipas ng panahon sa loob ng sinusukat na temperatura;

4) mataas na electrical conductivity;

5) mababang temperatura na koepisyent ng paglaban;

6) ang posibilidad ng produksyon sa malalaking dami na may pare-parehong pisikal na katangian.

Tinukoy ng International Electrotechnical Commission (IEC) ang ilang karaniwang uri ng thermocouples (standard IEC 584-1). Ang mga elemento ay may mga indeks ng R, S, B, K, J, E, T ayon sa hanay ng sinusukat na temperatura.

Sa industriya, ang mga thermocouple ay ginagamit upang sukatin ang mataas na temperatura, hanggang 600 — 1000 — 1500˚C. Ang isang pang-industriyang thermocouple ay binubuo ng dalawang matigas na metal o haluang metal. Ang hot junction (minarkahan ng letrang «G») ay inilalagay sa lugar kung saan sinusukat ang temperatura, at ang malamig na junction («X») ay matatagpuan sa lugar kung saan matatagpuan ang sukatan.

Ang mga sumusunod na karaniwang thermocouple ay kasalukuyang ginagamit.

Platinum-rhodium-platinum thermocouple. Ang mga thermocouple na ito ay maaaring gamitin upang sukatin ang mga temperatura hanggang 1300 °C para sa pangmatagalang paggamit at hanggang 1600 °C para sa panandaliang paggamit, basta't ginagamit ang mga ito sa isang kapaligirang nag-o-oxidize.Sa katamtamang temperatura, ang platinum-rhodium-platinum thermocouple ay napatunayang napaka maaasahan at matatag, kaya naman ito ay ginagamit bilang isang halimbawa sa hanay na 630-1064 ° C.

Chrome-alumel thermocouple. Ang mga thermocouples na ito ay idinisenyo upang sukatin ang mga temperatura para sa pangmatagalang paggamit hanggang sa 1000 ° C at para sa panandaliang paggamit hanggang sa 1300 ° C. Mapagkakatiwalaan silang gumagana sa loob ng mga limitasyong ito sa isang oxidizing na kapaligiran (kung walang mga kinakaing unti-unting gas), dahil kapag pinainit sa ibabaw ng mga electrodes, isang manipis na protective oxide film na pumipigil sa oxygen na tumagos sa metal.

Chromel-Copel Thermocouple... Ang mga thermocouple na ito ay maaaring sumukat ng temperatura hanggang 600°C sa mahabang panahon at hanggang 800°C sa maikling panahon. Matagumpay silang gumagana sa parehong oxidizing at pagbabawas ng mga atmospheres, pati na rin sa vacuum.

Iron Copel thermocouple... Ang mga limitasyon sa pagsukat ay kapareho ng para sa chromel-copel thermocouple, ang mga kondisyon ng pagpapatakbo ay pareho. Nagbibigay ito ng mas kaunting thermo. atbp. kumpara sa XK thermocouple: 30.9 mV sa 500 ° C, ngunit ang pagdepende nito sa temperatura ay mas malapit sa proporsyonal. Ang isang makabuluhang disbentaha ng LC thermocouple ay ang kaagnasan ng bakal na elektrod nito.

Copper-copper thermocouple... Dahil ang tanso sa isang oxidizing atmosphere ay nagsisimula nang masinsinang mag-oxidize na nasa 350 ° C, ang saklaw ng aplikasyon ng mga thermocouple na ito ay 350 ° C sa mahabang panahon at 500 ° C sa maikling panahon. Sa vacuum, ang mga thermocouple na ito ay maaaring gamitin hanggang sa 600 °C.

Thermo-e dependence curves. atbp. ng temperatura para sa pinakakaraniwang thermocouple. 1 - chromel-bastard; 2 - iron-bastard; 3 - tanso-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - chromel-alumel; 7-platinum-rhodium-platinum; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Ang paglaban ng mga thermoelectrodes ng mga karaniwang thermocouples na gawa sa mga base metal ay 0.13-0.18 ohms bawat 1 m ng haba (parehong dulo), para sa platinum-rhodium-platinum thermocouples na 1.5-1.6 ohms bawat 1 m. Pinapayagan ang thermoelectric power deviations. atbp. mula sa pagkakalibrate para sa mga hindi marangal na thermocouple ay ± 1%, para sa platinum-rhodium-platinum ± 0.3-0.35%.

Ang karaniwang thermocouple ay isang baras na may diameter na 21-29 mm at isang haba ng 500-3000 mm. Sa tuktok ng proteksiyon na tubo ay inilalagay ang isang naselyohang o cast (karaniwan ay aluminyo) na ulo na may isang carbolite o bakelite plate, kung saan ang dalawang pares ng mga wire ay pinindot na may mga screw clamp na konektado sa mga pares. Ang thermoelectrode ay nakakabit sa isang terminal, at sa isa pa ay konektado ang isang connecting wire na humahantong sa pagsukat na aparato. Minsan ang mga connecting wire ay nakapaloob sa isang flexible protective hose. Kung kinakailangan upang i-seal ang butas kung saan naka-install ang thermocouple, ang huli ay binibigyan ng isang sinulid na angkop. Para sa mga bathtub, ang mga thermocouple ay ginawa din na may hugis ng siko.

Mga batas ng thermocouple

Batas sa panloob na temperatura: Ang pagkakaroon ng gradient ng temperatura sa isang homogenous na konduktor ay hindi humahantong sa paglitaw ng isang electric current (walang karagdagang EMF ang nangyayari).

Ang batas ng mga intermediate conductor: Hayaang bumuo ng thermoelectric circuit ang dalawang homogenous na conductor ng mga metal A at B na may mga contact sa temperaturang T1 (hot junction) at T2 (cold junction). Ang isang wire ng metal X ay kasama sa pagkaputol ng wire A at dalawang bagong contact ay nabuo. "Kung ang temperatura ng wire X ay pareho sa buong haba nito, kung gayon ang resultang EMF ng thermocouple ay hindi magbabago (walang EMF na lumabas mula sa mga karagdagang junction).»