Thermo-elektrische omvormers (thermokoppels)

Hoe een thermokoppel werkt

Al in 1821 ontdekte Seebeck een naar hem genoemd fenomeen, dat erin bestaat dat e.Verschijnt in een gesloten circuit bestaande uit verschillende geleidende materialen. enz. (zogenaamde thermo-EMC) als de contactpunten van deze materialen op verschillende temperaturen worden gehouden.

In zijn eenvoudigste vorm, wanneer een elektrisch circuit uit twee verschillende geleiders bestaat, wordt het een thermokoppel of thermokoppel genoemd.

De essentie van het Seebeck-fenomeen ligt in het feit dat de energie van vrije elektronen, die een elektrische stroom in draden veroorzaken, anders is en anders verandert met de temperatuur. Daarom, als er een temperatuurverschil langs de draad is, zullen de elektronen aan het hete uiteinde hogere energieën en snelheden hebben in vergelijking met het koude uiteinde, waardoor een elektronenstroom van het hete uiteinde naar het koude uiteinde in de draad ontstaat. Als gevolg hiervan zullen zich aan beide uiteinden ladingen ophopen - negatief bij kou en positief bij warm.

Aangezien deze ladingen verschillend zijn voor verschillende draden, zal er een differentieel thermokoppel verschijnen wanneer er twee in een thermokoppel zijn aangesloten. enz. c) Om de verschijnselen die optreden in het thermokoppel te analyseren, is het handig om aan te nemen dat het thermokoppel erin is gegenereerd. enz. C. E is de som van twee contactelektromotorische krachten e, die optreden op de plaatsen van hun contact en een functie zijn van de temperatuur van deze contacten (fig. 1, a).

Rijst. 1. Schema van een twee- en driedraads thermo-elektrisch circuit, een schema voor het aansluiten van een elektrisch meetapparaat op de kruising en een thermo-elektrode met een thermokoppel.

De thermo-elektromotorische kracht die ontstaat in een circuit van twee verschillende geleiders is gelijk aan het verschil in de elektromotorische krachten aan hun uiteinden.

Uit deze definitie volgt dat bij gelijke temperaturen aan de uiteinden van het thermokoppel zijn thermo-elektrische vermogen. enz. s zal nul zijn. Hieruit kan een uiterst belangrijke conclusie worden getrokken, die het mogelijk maakt om een ​​thermokoppel als temperatuursensor te gebruiken.

De elektromotorische kracht van een thermokoppel zal niet veranderen door de introductie van een derde draad in zijn circuit als de temperaturen aan de uiteinden hetzelfde zijn.

Deze derde draad kan zowel in een van de knooppunten als in het gedeelte van een van de draden worden opgenomen (Fig. 1.6, c). Deze conclusie kan worden uitgebreid tot meerdere draden die in het thermokoppelcircuit worden geïntroduceerd, zolang de temperaturen aan hun uiteinden hetzelfde zijn.

Daarom kunnen een meetapparaat (ook bestaande uit draden) en verbindingsdraden die ernaartoe leiden in het thermokoppelcircuit worden opgenomen zonder dat het daardoor ontwikkelde thermo-elektrische vermogen verandert. e.c, alleen als de temperaturen van punten 1 en 2 of 3 en 4 (fig. 1, d en e) gelijk zijn. In dit geval kan de temperatuur van deze punten verschillen van de temperatuur van de terminals van het apparaat, maar de temperatuur van beide terminals moet hetzelfde zijn.

Als de weerstand van het thermokoppelcircuit ongewijzigd blijft, zal de stroom die er doorheen vloeit (en dus de uitlezing van het apparaat) alleen afhangen van het thermo-elektrische vermogen dat erdoor wordt ontwikkeld. d.van, dat wil zeggen, van de temperaturen van de werkende (warme) en vrije (koude) uiteinden.

Als de temperatuur van het vrije uiteinde van het thermokoppel constant wordt gehouden, hangt de meterstand alleen af ​​van de temperatuur van het werkende uiteinde van het thermokoppel. Zo'n apparaat geeft direct de temperatuur van het werkknooppunt van het thermokoppel aan.

Daarom bestaat een thermo-elektrische pyrometer uit een thermokoppel (thermo-elektroden), een gelijkstroommeter en aansluitdraden.

Uit het bovenstaande kunnen de volgende conclusies worden getrokken.

1. De fabricagemethode van het werkende uiteinde van het thermokoppel (lassen, solderen, draaien, enz.) heeft geen invloed op het thermo-elektrische vermogen dat erdoor wordt ontwikkeld. enz. met, als alleen de afmetingen van het werkuiteinde zodanig zijn dat de temperatuur op alle punten hetzelfde is.

2. Omdat de door het apparaat gemeten parameter niet thermo-elektrisch is. met en de stroom van het thermokoppelcircuit, is het noodzakelijk dat de weerstand van het bedrijfscircuit ongewijzigd blijft en gelijk is aan de waarde tijdens de kalibratie.Maar aangezien het praktisch onmogelijk is om dit te doen, aangezien de weerstand van de thermo-elektroden en verbindingsdraden verandert met de temperatuur, doet zich een van de belangrijkste fouten van de methode voor: de fout van de mismatch tussen de weerstand van het circuit en zijn weerstand tijdens kalibratie.

Om deze fout te verminderen, worden apparaten voor thermische metingen gemaakt met een hoge weerstand (50-100 Ohm voor ruwe metingen, 200-500 Ohm voor nauwkeurigere metingen) en met een elektrische coëfficiënt bij lage temperatuur, zodat de totale weerstand van het circuit (en daarom varieert de relatie tussen stroom en - e.d.s.) tot een minimum bij schommelingen in de omgevingstemperatuur.

3. Thermo-elektrische pyrometers worden altijd gekalibreerd bij een goed gedefinieerde temperatuur van het vrije uiteinde van het thermokoppel - bij 0 ° C. Gewoonlijk verschilt deze temperatuur van de kalibratietemperatuur tijdens bedrijf, waardoor de tweede hoofdfout van de methode optreedt : de fout in de temperatuur van het vrije thermokoppeluiteinde.

Aangezien deze fout tientallen graden kan bedragen, is het noodzakelijk om de meetwaarden van het apparaat op de juiste manier te corrigeren. Deze correctie kan worden berekend als de temperatuur van de stijgleidingen bekend is.

Aangezien de temperatuur van het vrije uiteinde van het thermokoppel tijdens kalibratie gelijk is aan 0 ° C, en tijdens bedrijf meestal boven 0 ° C (de vrije uiteinden bevinden zich meestal in de kamer, ze bevinden zich vaak in de buurt van de oven waarvan de temperatuur wordt gemeten ), geeft de pyrometer een onderschatting t.o.v. de werkelijk gemeten temperatuur, de indicatie en waarde van deze laatste moet worden verhoogd met de correctiewaarde.

Dit gebeurt meestal grafisch. Dit komt door het feit dat er meestal geen evenredigheid is tussen de thermoharders.enz. pp. en temperatuur. Als de relatie daartussen proportioneel is, is de kalibratiecurve een rechte lijn en in dit geval is de correctie voor de temperatuur van het vrije uiteinde van het thermokoppel direct gelijk aan de temperatuur.

Ontwerp en soorten thermokoppels

De volgende eisen zijn van toepassing op de materialen van de thermo-elektroden:

1) hoge thermo-elektriciteit. enz. v. en dicht bij de proportionele aard van de temperatuurverandering;

2) hittebestendigheid (niet-oxidatie bij hoge temperaturen);

3) constantheid van fysische eigenschappen in de tijd binnen de gemeten temperaturen;

4) hoge elektrische geleidbaarheid;

5) weerstandscoëfficiënt bij lage temperatuur;

6) de mogelijkheid van productie in grote hoeveelheden met constante fysische eigenschappen.

De International Electrotechnical Commission (IEC) heeft enkele standaardtypen thermokoppels gedefinieerd (standaard IEC 584-1). Elementen hebben indices R, S, B, K, J, E, T volgens het gemeten temperatuurbereik.

In de industrie worden thermokoppels gebruikt om hoge temperaturen te meten, tot 600 - 1000 - 1500˚C. Een industrieel thermokoppel bestaat uit twee vuurvaste metalen of legeringen. De hete las (gemarkeerd met de letter «G») wordt geplaatst op de plaats waar de temperatuur wordt gemeten en de koude las («X») bevindt zich in het gebied waar het meetapparaat zich bevindt.

De volgende standaard thermokoppels zijn momenteel in gebruik.

Platina-rhodium-platina thermokoppel. Deze thermokoppels kunnen worden gebruikt voor het meten van temperaturen tot 1300 °C voor langdurig gebruik en tot 1600 °C voor kortdurend gebruik, mits ze worden gebruikt in een oxiderende atmosfeer.Bij gemiddelde temperaturen is het platina-rhodium-platina thermokoppel zeer betrouwbaar en stabiel gebleken, daarom wordt het als voorbeeld gebruikt in het bereik van 630-1064°C.

Chroom-alumel thermokoppel. Deze thermokoppels zijn ontworpen om temperaturen te meten voor langdurig gebruik tot 1000 °C en voor kortdurend gebruik tot 1300 °C. Ze werken betrouwbaar binnen deze limieten in een oxiderende atmosfeer (als er geen corrosieve gassen zijn), want wanneer verwarmd op het oppervlak van de elektroden, een dunne beschermende oxidefilm die voorkomt dat zuurstof het metaal binnendringt.

Chromel-Copel Thermokoppel… Deze thermokoppels kunnen langdurig temperaturen meten tot 600°C en kortstondig tot 800°C. Ze werken met succes in zowel oxiderende als reducerende atmosferen, evenals in vacuüm.

IJzeren Copel thermokoppel... De meetlimieten zijn hetzelfde als voor chromel-copel thermokoppels, de bedrijfsomstandigheden zijn hetzelfde. Het geeft minder warmte. enz. versus vergeleken met het XK-thermokoppel: 30,9 mV bij 500 ° C, maar de afhankelijkheid van temperatuur is dichter bij proportioneel. Een belangrijk nadeel van het LC-thermokoppel is de corrosie van de ijzerelektrode.

Koper-koper thermokoppel... Omdat koper in een oxiderende atmosfeer al bij 350 ° C intensief begint te oxideren, is het toepassingsgebied van deze thermokoppels 350 ° C voor lange tijd en 500 ° C voor korte tijd. In vacuüm kunnen deze thermokoppels worden gebruikt tot 600 °C.

Thermo-e afhankelijkheidscurven. enz. van temperatuur voor de meest voorkomende thermokoppels. 1 — chromel-klootzak; 2 — ijzeren klootzak; 3 — koperbastaard; 4 — TGBC-350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromel-alumel; 7-platina-rhodium-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR-30/6.

De weerstand van de thermo-elektroden van standaard thermokoppels gemaakt van onedele metalen is 0,13-0,18 ohm per 1 m lengte (beide uiteinden), voor platina-rhodium-platina thermokoppels 1,5-1,6 ohm per 1 m. Toelaatbare thermo-elektrische vermogensafwijkingen. enz. van kalibratie voor niet-edele thermokoppels zijn ± 1%, voor platina-rhodium-platina ± 0,3-0,35%.

Het standaard thermokoppel is een staaf met een diameter van 21-29 mm en een lengte van 500-3000 mm. Op de bovenkant van de beschermbuis wordt een gestempelde of gegoten (meestal aluminium) kop geplaatst met een carbolieten of bakelieten plaat, waarin twee paar draden worden geperst met schroefklemmen die paarsgewijs zijn verbonden. De thermo-elektrode is bevestigd aan de ene terminal en aan de andere is een verbindingsdraad aangesloten die naar het meetapparaat leidt. Soms zitten de aansluitdraden in een flexibele beschermslang. Als het nodig is om het gat waarin het thermokoppel wordt geïnstalleerd af te dichten, is dit laatste voorzien van een schroefdraadfitting. Voor badkuipen worden ook thermokoppels gemaakt met een elleboogvorm.

Wetten van thermokoppels

Interne temperatuurwet: De aanwezigheid van een temperatuurgradiënt in een homogene geleider leidt niet tot het verschijnen van een elektrische stroom (er treedt geen extra EMF op).

De wet van tussenliggende geleiders: laat twee homogene geleiders van metaal A en B een thermo-elektrisch circuit vormen met contacten bij temperaturen T1 (hete las) en T2 (koude las). In de breuk van draad A wordt een draad van metaal X opgenomen en worden twee nieuwe contacten gevormd. «Als de temperatuur van draad X over de hele lengte hetzelfde is, zal de resulterende EMF van het thermokoppel niet veranderen (er ontstaat geen EMF door extra knooppunten).»