Convertidors termoelèctrics (termoparells)

Com funciona un termoparell

Ja l'any 1821, Seebeck va descobrir un fenomen que porta el seu nom, que consisteix en el fet que e. Apareix en un circuit tancat format per diferents materials conductors. etc. (anomenada termo-EMC) si els punts de contacte d'aquests materials es mantenen a temperatures diferents.

En la seva forma més simple, quan un circuit elèctric consta de dos conductors diferents, s'anomena termoparell o termoparell.

L'essència del fenomen Seebeck rau en el fet que l'energia dels electrons lliures, que provoquen l'aparició d'un corrent elèctric als cables, és diferent i canvia de manera diferent amb la temperatura. Per tant, si hi ha una diferència de temperatura al llarg del cable, els electrons del seu extrem calent tindran energies i velocitats més altes en comparació amb l'extrem fred, provocant un flux d'electrons de l'extrem calent a l'extrem fred del cable. Com a resultat, les càrregues s'acumularan als dos extrems: negatives en fred i positives en calent.

Com que aquestes càrregues són diferents per a diferents cables, quan dos d'ells estan connectats en un termoparell, apareixerà un termoparell diferencial. etc. c) Per analitzar els fenòmens que ocorren en el termopar, és convenient suposar que el termopar generat en ell. etc. c.E és la suma de dues forces electromotrius de contacte e, que es produeixen als llocs del seu contacte i que són funció de la temperatura d'aquests contactes (Fig. 1, a).

Arròs. 1. Esquema d'un circuit termoelèctric de dos i tres fils, un esquema per connectar un aparell de mesura elèctrica a la unió i un termoelèctrode amb un termoparell.

La força termoelectromotriu que sorgeix en un circuit de dos conductors diferents és igual a la diferència de les forces electromotrius als seus extrems.

D'aquesta definició es dedueix que a temperatures iguals als extrems del termoparell, la seva potència termoelèctrica. etc. s serà zero. D'això se'n pot extreure una conclusió extremadament important, que permet utilitzar un termoparell com a sensor de temperatura.

La força electromotriu d'un termopar no es veurà modificada per la introducció d'un tercer cable al seu circuit si les temperatures als seus extrems són les mateixes.

Aquest tercer cable es pot incloure tant en una de les unions com en la secció d'un dels cables (Fig. 1.6, c). Aquesta conclusió es pot estendre a diversos cables introduïts al circuit del termopar, sempre que les temperatures als seus extrems siguin les mateixes.

Per tant, un dispositiu de mesura (també format per cables) i cables de connexió que hi condueixen es poden incloure en el circuit del termopar sense provocar un canvi en la potència termoelèctrica desenvolupada per aquest. e.c, només si les temperatures dels punts 1 i 2 o 3 i 4 (Fig. 1, d i e) són iguals. En aquest cas, la temperatura d'aquests punts pot diferir de la temperatura dels terminals del dispositiu, però la temperatura dels dos terminals ha de ser la mateixa.

Si la resistència del circuit de termoparell es manté sense canvis, el corrent que hi circula (i, per tant, la lectura del dispositiu) dependrà només de la potència termoelèctrica desenvolupada per aquest. d. de, és a dir, de les temperatures dels extrems de treball (calent) i lliure (fred).

A més, si la temperatura de l'extrem lliure del termopar es manté constant, la lectura del comptador només dependrà de la temperatura de l'extrem de treball del termopar. Aquest dispositiu indicarà directament la temperatura de la unió de treball del termopar.

Per tant, un piròmetre termoelèctric està format per un termoparell (termoelèctrodes), un mesurador de corrent continu i cables de connexió.

De l'anterior es poden extreure les conclusions següents.

1. El mètode de fabricació de l'extrem de treball del termopar (soldadura, soldadura, torsió, etc.) no afecta la potència termoelèctrica desenvolupada per aquest. etc. amb, si només les dimensions de l'extrem de treball són tals que la temperatura en tots els seus punts sigui la mateixa.

2. Perquè el paràmetre mesurat pel dispositiu no és termoelèctric. amb i el corrent del circuit del termopar, cal que la resistència del circuit de funcionament es mantingui inalterada i igual al seu valor durant el calibratge.Però com que és pràcticament impossible fer-ho, ja que la resistència dels termoelèctrodes i els cables de connexió canvia amb la temperatura, sorgeix un dels principals errors del mètode: l'error de desajust entre la resistència del circuit i la seva resistència durant el calibratge.

Per reduir aquest error, es fabriquen dispositius per a mesures tèrmiques amb alta resistència (50-100 Ohm per a mesures aproximades, 200-500 Ohm per a mesures més precises) i amb un coeficient elèctric de baixa temperatura, de manera que la resistència total del circuit (i , per tant, la relació entre el corrent i — e. d. s.) varia al mínim amb les fluctuacions de la temperatura ambient.

3. Els piròmetres termoelèctrics sempre es calibran a una temperatura ben definida de l'extrem lliure del termopar, a 0 ° C. Normalment aquesta temperatura difereix de la temperatura de calibratge en funcionament, com a resultat de la qual cosa es produeix el segon error principal del mètode : l'error en la temperatura de l'extrem lliure del termopar.

Com que aquest error pot arribar a desenes de graus, cal fer una correcció adequada de les lectures del dispositiu. Aquesta correcció es pot calcular si es coneix la temperatura de les rampes.

Atès que la temperatura de l'extrem lliure del termopar durant el calibratge és igual a 0 ° C, i en funcionament sol ser superior a 0 ° C (els extrems lliures solen estar a l'habitació, sovint es troben a prop del forn la temperatura del qual es mesura ), el piròmetre dóna una subestimació en comparació amb la temperatura mesurada real, la indicació i el valor d'aquesta última s'han d'augmentar amb el valor de correcció.

Això es fa normalment gràficament. Això es deu al fet que normalment no hi ha proporcionalitat entre els termoestables.etc. pp i temperatura. Si la relació entre ells és proporcional, aleshores la corba de calibratge és una línia recta i en aquest cas la correcció de la temperatura de l'extrem lliure del termopar serà directament igual a la seva temperatura.

Disseny i tipus de termoparells

Els requisits següents s'apliquen als materials dels termoelèctrodes:

1) alta termoelectricitat. etc. v. i proper a la naturalesa proporcional del seu canvi de temperatura;

2) resistència a la calor (no oxidació a altes temperatures);

3) constància de les propietats físiques al llarg del temps dins de les temperatures mesurades;

4) alta conductivitat elèctrica;

5) coeficient de resistència a baixa temperatura;

6) la possibilitat de producció en grans quantitats amb propietats físiques constants.

La Comissió Electrotècnica Internacional (IEC) ha definit alguns tipus estàndard de termoparells (estàndard IEC 584-1). Els elements tenen índexs R, S, B, K, J, E, T segons el rang de temperatures mesurats.

A la indústria, els termoparells s'utilitzen per mesurar altes temperatures, fins a 600 — 1000 — 1500˚C. Un termoparell industrial està format per dos metalls o aliatges refractaris. La unió calenta (marcada amb la lletra «G») es col·loca al lloc on es mesura la temperatura, i la unió freda («X») es troba a la zona on es troba l'aparell de mesura.

Actualment s'utilitzen els següents termoparells estàndard.

Termoparell platí-rodi-platí. Aquests termoparells es poden utilitzar per mesurar temperatures de fins a 1300 °C per a un ús a llarg termini i fins a 1600 °C per a un ús a curt termini, sempre que s'utilitzin en una atmosfera oxidant.A temperatures mitjanes, el termoparell platí-rodi-platí ha demostrat ser molt fiable i estable, per això s'utilitza com a exemple en el rang de 630-1064 ° C.

Termoparell crom-alumel. Aquests termoparells estan dissenyats per mesurar temperatures per a un ús a llarg termini fins a 1000 °C i per a un ús a curt termini fins a 1300 °C. Funcionen de manera fiable dins d'aquests límits en una atmosfera oxidant (si no hi ha gasos corrosius), perquè quan escalfat a la superfície dels elèctrodes, una fina pel·lícula d'òxid protectora que impedeix que l'oxigen penetri al metall.

Termoparell Chromel-Copel... Aquests termoparells poden mesurar temperatures de fins a 600 °C durant molt de temps i fins a 800 °C durant un curt període de temps. Funcionen amb èxit tant en atmosferes oxidants com reductores, així com al buit.

Termoparell Iron Copel... Els límits de mesura són els mateixos que per als termoparells cromel-copel, les condicions de funcionament són les mateixes. Dóna menys calor. etc. en comparació amb el termoparell XK: 30,9 mV a 500 °C, però la seva dependència de la temperatura és més propera a la proporcional. Un inconvenient important del termoparell LC és la corrosió del seu elèctrode de ferro.

Termoparell coure-coure... Com que el coure en una atmosfera oxidant comença a oxidar-se intensament ja a 350 ° C, el rang d'aplicació d'aquests termoparells és de 350 ° C durant molt de temps i de 500 ° C durant un curt període de temps. Al buit, aquests termoparells es poden utilitzar fins a 600 °C.

Corbes de dependència termo-e. etc. de temperatura per als termoparells més comuns. 1 — chromel-bastard; 2 — ferro-bastard; 3 — coure-bastard; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — cromel-alumel; 7-platí-rodi-platí; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

La resistència dels termoelèctrodes dels termoparells estàndard de metalls bàsics és de 0,13-0,18 ohms per 1 m de longitud (ambdós extrems), per als termoparells de platí-rodi-platí 1,5-1,6 ohms per 1 m. Desviacions de potència termoelèctrica permeses. etc. de calibratge per a termoparells no nobles són ± 1%, per platí-rodi-platí ± 0,3-0,35%.

El termoparell estàndard és una vareta amb un diàmetre de 21-29 mm i una longitud de 500-3000 mm. A la part superior del tub protector es col·loca un cap estampat o fos (generalment d'alumini) amb una placa de carbolita o baquelita, a la qual es pressionen dos parells de cables amb pinces de cargol connectades per parells. El termoelèctrode està connectat a un terminal i a l'altre es connecta un cable de connexió que condueix al dispositiu de mesura. De vegades, els cables de connexió estan tancats en una mànega protectora flexible. Si és necessari segellar el forat on s'instal·la el termopar, aquest últim disposa d'un racó roscat. Per a les banyeres, els termoparells també es fan amb forma de colze.

Lleis dels termoparells

Llei de temperatura interna: la presència d'un gradient de temperatura en un conductor homogeni no provoca l'aparició de corrent elèctric (no es produeix EMF addicional).

La llei dels conductors intermedis: Sigui dos conductors homogenis dels metalls A i B que formen un circuit termoelèctric amb contactes a temperatures T1 (unió calenta) i T2 (unió freda). Un cable de metall X s'inclou a la ruptura del fil A i es formen dos nous contactes. "Si la temperatura del cable X és la mateixa en tota la seva longitud, aleshores l'EMF resultant del termoparell no canviarà (no sorgeix cap EMF d'unions addicionals)."