Termoelektrik dönüştürücüler (termokupllar)

termokupl nasıl çalışır

Zaten 1821'de Seebeck, e'nin farklı iletken malzemelerden oluşan kapalı bir devrede ortaya çıkması gerçeğinden oluşan, kendi adını taşıyan bir fenomen keşfetti. vesaire. (termo-EMC olarak adlandırılır), bu malzemelerin temas noktaları farklı sıcaklıklarda tutulursa.

En basit haliyle, bir elektrik devresi iki farklı iletkenden oluştuğunda buna termokupl veya termokupl denir.

Seebeck fenomeninin özü, tellerde elektrik akımı görünümüne neden olan serbest elektronların enerjisinin farklı olması ve sıcaklıkla farklı şekilde değişmesi gerçeğinde yatmaktadır. Bu nedenle, tel boyunca bir sıcaklık farkı varsa, sıcak uçtaki elektronlar soğuk uca göre daha yüksek enerjilere ve hızlara sahip olacak ve bu da telin sıcak ucundan soğuk ucuna bir elektron akışına neden olacaktır. Sonuç olarak, yükler her iki uçta da birikecektir - soğukta negatif ve sıcakta pozitif.

Bu yükler farklı teller için farklı olduğundan, ikisi bir termokuplda bağlandığında, diferansiyel bir termokupl görünecektir. vesaire. c. Termokuplda meydana gelen olayları analiz etmek için, termokuplun içinde üretildiğini varsaymak uygundur. vesaire. c. E, temas yerlerinde meydana gelen ve bu temasların sıcaklığının bir fonksiyonu olan iki temas elektromotor kuvveti e'nin toplamıdır (Şekil 1, a).

Pirinç. 1. İki ve üç telli bir termoelektrik devrenin şeması, bir elektrik ölçüm cihazını bağlantı noktasına bağlamak için bir şema ve bir termokupllu bir termoelektrot.

İki farklı iletkenden oluşan bir devrede ortaya çıkan termoelektromotor kuvvet, uçlarındaki elektromotor kuvvetlerin farkına eşittir.

Bu tanımdan, termokuplun uçlarındaki eşit sıcaklıklarda termoelektrik gücünün olduğu sonucu çıkar. vesaire. s sıfır olacaktır. Bundan, bir termokuplun sıcaklık sensörü olarak kullanılmasını mümkün kılan son derece önemli bir sonuç çıkarılabilir.

Bir termokuplun elektromotor kuvveti, uçlarındaki sıcaklıklar aynı ise, devresine üçüncü bir telin girmesiyle değişmeyecektir.

Bu üçüncü tel, hem bağlantılardan birine hem de tellerden birinin bölümüne dahil edilebilir (Şekil 1.6, c). Bu sonuç, uçlarındaki sıcaklıklar aynı olduğu sürece termokupl devresine sokulan birkaç kabloya genişletilebilir.

Bu nedenle, bir ölçüm cihazı (tellerden de oluşur) ve ona giden bağlantı telleri, geliştirdiği termoelektrik güçte bir değişikliğe neden olmadan termokupl devresine dahil edilebilir. e.c, yalnızca 1 ve 2 veya 3 ve 4 noktalarının (Şekil 1, d ve e) sıcaklıkları eşitse. Bu durumda bu noktaların sıcaklığı cihazın terminallerinin sıcaklığından farklı olabilir ancak her iki terminalin sıcaklığının aynı olması gerekir.

Termokupl devresinin direnci değişmeden kalırsa, içinden geçen akım (ve dolayısıyla cihazın okuması) yalnızca geliştirdiği termoelektrik güce bağlı olacaktır. d., yani çalışma (sıcak) ve serbest (soğuk) uçların sıcaklıklarından.

Ayrıca, termokuplun serbest ucunun sıcaklığı sabit tutulursa, sayaç okuması yalnızca termokuplun çalışan ucunun sıcaklığına bağlı olacaktır. Böyle bir cihaz, termokuplun çalışma bağlantısının sıcaklığını doğrudan gösterecektir.

Bu nedenle, bir termoelektrik pirometre bir termokupl (termoelektrotlar), bir doğru akım ölçer ve bağlantı tellerinden oluşur.

Yukarıdakilerden aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir.

1. Termokuplun çalışma ucunun üretim yöntemi (kaynaklama, lehimleme, bükme vb.), geliştirdiği termoelektrik gücü etkilemez. vesaire. ancak çalışma ucunun boyutları, tüm noktalarındaki sıcaklık aynı olacak şekilde ise.

2. Cihazın ölçtüğü parametre termoelektrik olmadığı için. ile ve termokupl devre akımı, çalışma devresi direncinin kalibrasyon sırasında değişmeden ve değerine eşit kalması gerekir.Ancak bunu yapmak pratik olarak imkansız olduğundan, termoelektrotların ve bağlantı tellerinin direnci sıcaklıkla değiştiğinden, yöntemin ana hatalarından biri ortaya çıkar: kalibrasyon sırasında devrenin direnci ile direnci arasındaki uyumsuzluk hatası.

Bu hatayı azaltmak için, termal ölçüm cihazları yüksek dirençli (kaba ölçümler için 50-100 Ohm, daha doğru ölçümler için 200-500 Ohm) ve düşük sıcaklık elektrik katsayısı ile yapılır, böylece devrenin toplam direnci (ve , bu nedenle, akım ve - e. d. s.) arasındaki ilişki, ortam sıcaklığındaki dalgalanmalarla minimum düzeyde değişir.

3. Termoelektrik pirometreler her zaman termokuplun serbest ucunun iyi tanımlanmış bir sıcaklığında - 0 ° C'de kalibre edilir. Genellikle bu sıcaklık, yöntemin ikinci ana hatasının meydana gelmesinin bir sonucu olarak çalışma sırasındaki kalibrasyon sıcaklığından farklıdır. : serbest termokupl ucunun sıcaklığındaki hata.

Bu hata onlarca dereceye varabildiği için cihazın okumalarına uygun bir düzeltme yapılması gerekmektedir. Yükselticilerin sıcaklığı biliniyorsa bu düzeltme hesaplanabilir.

Kalibrasyon sırasında termokuplun serbest ucunun sıcaklığı 0 ° C'ye eşit olduğundan ve çalışma sırasında genellikle 0 ° C'nin üzerinde olduğundan (serbest uçlar genellikle odadadır, genellikle sıcaklığı ölçülen fırının yanında bulunurlar. ), pirometre gerçek ölçülen sıcaklığa kıyasla daha düşük bir tahmin verir, ikincisinin göstergesi ve değeri düzeltme değeri kadar artırılmalıdır.

Bu genellikle grafiksel olarak yapılır. Bunun nedeni genellikle termosetler arasında orantısızlık olmasıdır.vesaire. ve sıcaklık. Aralarındaki ilişki orantılıysa, kalibrasyon eğrisi düz bir çizgidir ve bu durumda termokuplun serbest ucunun sıcaklığı için düzeltme doğrudan sıcaklığına eşit olacaktır.

Termokuplların tasarımı ve çeşitleri

Termoelektrot malzemeleri için aşağıdaki gereksinimler geçerlidir:

1) yüksek termoelektrik. vesaire. v. ve sıcaklıktan değişiminin orantılı doğasına yakın;

2) ısı direnci (yüksek sıcaklıklarda oksitlenmeme);

3) ölçülen sıcaklıklar dahilinde fiziksel özelliklerin zaman içindeki sabitliği;

4) yüksek elektriksel iletkenlik;

5) düşük sıcaklık direnci katsayısı;

6) sabit fiziksel özelliklerle büyük miktarlarda üretim imkanı.

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) bazı standart termokupl türleri tanımlamıştır (standart IEC 584-1). Elementlerin ölçülen sıcaklık aralığına göre R, S, B, K, J, E, T indeksleri vardır.

Endüstride termokupllar 600 — 1000 — 1500˚C'ye kadar olan yüksek sıcaklıkları ölçmek için kullanılır. Endüstriyel bir termokupl, iki refrakter metal veya alaşımdan oluşur. Sıcak bağlantı noktası ("G" harfi ile işaretlenmiştir) sıcaklığın ölçüldüğü yere, soğuk bağlantı noktası ("X") ise ölçüm cihazının bulunduğu alana yerleştirilmiştir.

Aşağıdaki standart termokupllar şu anda kullanımdadır.

Platin-rodyum-platin termokupl. Bu termokupllar, oksitleyici bir atmosferde kullanılmaları koşuluyla, uzun süreli kullanım için 1300 °C'ye kadar ve kısa süreli kullanım için 1600 °C'ye kadar sıcaklıkları ölçmek için kullanılabilir.Orta sıcaklıklarda, platin-rodyum-platin termokuplun çok güvenilir ve kararlı olduğu kanıtlanmıştır, bu nedenle 630-1064 °C aralığında örnek olarak kullanılmaktadır.

Krom-alümel termokupl. Bu termokupllar, 1000°C'ye kadar uzun süreli kullanım ve 1300°C'ye kadar kısa süreli kullanım için sıcaklık ölçmek üzere tasarlanmıştır. Oksitleyici bir atmosferde (aşındırıcı gazlar yoksa) bu sınırlar içinde güvenilir şekilde çalışırlar, çünkü ne zaman elektrotların yüzeyinde ısıtılan, oksijenin metale nüfuz etmesini önleyen ince bir koruyucu oksit film.

Chromel-Copel Termokupl… Bu termokupllar 600°C'ye kadar uzun süreli, 800°C'ye kadar kısa süreli sıcaklık ölçebilmektedir. Vakumda olduğu kadar hem oksitleyici hem de indirgeyici atmosferlerde başarılı bir şekilde çalışırlar.

Demir Kopel termokupl... Ölçüm limitleri kromel-kopel termokupllarla aynıdır, çalışma koşulları aynıdır. Daha az ısı verir. vesaire. XK termokupl ile karşılaştırıldığında: 500 ° C'de 30,9 mV, ancak sıcaklığa bağımlılığı orantılıya daha yakın. LC termokuplunun önemli bir dezavantajı, demir elektrotunun korozyonudur.

Bakır-bakır termokupl... Oksitleyici bir atmosferdeki bakır zaten 350 °C'de yoğun bir şekilde oksitlenmeye başladığından, bu termokuplların uygulama aralığı uzun süre 350 °C, kısa süre için 500 °C'dir. Vakumda, bu termokupllar 600 °C'ye kadar kullanılabilir.

Thermo-e bağımlılık eğrileri. vesaire. En yaygın termokupllar için sıcaklık. 1 — kromel piç; 2 — demir piç; 3 — bakır piç; 4 — TGBC-350M; 5 — TGKT-360M; 6 — kromel-alümel; 7-platin-rodyum-platin; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Baz metallerden yapılmış standart termokuplların termoelektrotlarının direnci 1 m uzunluk başına 0,13-0,18 ohm'dur (her iki uç), platin-rodyum-platin termokupllar için 1 m'de 1,5-1,6 ohm İzin verilen termoelektrik güç sapmaları. vesaire. asil olmayan termokupllar için kalibrasyondan ± %1, platin-rodyum-platin için ± %0,3-0,35'tir.

Standart termokupl, 21-29 mm çapında ve 500-3000 mm uzunluğunda bir çubuktur. Koruyucu borunun üstüne, içine çiftler halinde bağlanmış vidalı kelepçelerle iki çift telin bastırıldığı bir karbolit veya bakalit plakalı damgalı veya döküm (genellikle alüminyum) bir kafa yerleştirilir. Termo elektrot bir terminale takılır ve diğerine ölçüm cihazına giden bir bağlantı kablosu bağlanır. Bazen bağlantı kabloları esnek bir koruyucu hortum içine alınır. Termokuplun takıldığı deliğin kapatılması gerekiyorsa, termokupl dişli bir bağlantı ile sağlanır. Küvetler için termokupllar ayrıca dirsek şeklinde yapılır.

termokupl kanunları

İç sıcaklık yasası: Homojen bir iletkende bir sıcaklık gradyanının varlığı, bir elektrik akımının görünmesine yol açmaz (ek EMF oluşmaz).

Ara iletkenler yasası: A ve B metallerinden oluşan iki homojen iletkenin, T1 (sıcak bağlantı) ve T2 (soğuk bağlantı) sıcaklıklarında kontakları olan bir termoelektrik devre oluşturmasına izin verin. A telinin kopmasına bir X metali teli dahil edilir ve iki yeni kontak oluşur. "X telinin sıcaklığı tüm uzunluğu boyunca aynıysa, termokuplun ortaya çıkan EMF'si değişmeyecektir (ek bağlantı noktalarından EMF oluşmaz).»