Hőelektromos átalakítók (hőelemek)

Hogyan működik a hőelem

Seebeck már 1821-ben felfedezett egy róla elnevezett jelenséget, amely abban áll, hogy az e. különböző vezető anyagokból álló zárt áramkörben jelenik meg. stb. (ún. termo-EMC), ha ezen anyagok érintkezési pontjait eltérő hőmérsékleten tartják.

A legegyszerűbb formában, amikor egy elektromos áramkör két különböző vezetőből áll, hőelemnek vagy hőelemnek nevezik.

A Seebeck-jelenség lényege abban rejlik, hogy a szabad elektronok energiája, amelyek elektromos áram megjelenését idézik elő a vezetékekben, más és más módon változik a hőmérséklettel. Ezért, ha hőmérséklet-különbség van a vezeték mentén, a meleg végén lévő elektronok energiája és sebessége nagyobb lesz, mint a hideg végén, ami elektronáramlást okoz a vezeték meleg végétől a hideg végéhez. Ennek eredményeként a töltések mindkét végén felhalmozódnak – hidegen negatív, melegen pozitív.

Mivel ezek a töltések különbözőek a különböző vezetékeknél, ha kettőt egy hőelembe csatlakoztatunk, akkor egy differenciális hőelem jelenik meg. stb. c) A hőelemben előforduló jelenségek elemzéséhez célszerű azt feltételezni, hogy a hőelem keletkezik benne. stb. c) E az érintkezési helyükön fellépő két érintkező elektromotoros erő összege e, amelyek az érintkezők hőmérsékletének függvényei (1. ábra, a).

Rizs. 1. Két- és háromvezetékes termoelektromos áramkör rajza, elektromos mérőeszköz csatlakozási rajza és hőelemes termoelektróda.

A két különböző vezető áramkörében fellépő termoelektromotoros erő egyenlő a végeiknél fellépő elektromotoros erők különbségével.

Ebből a definícióból az következik, hogy a termoelem végein azonos hőmérsékleten a termoelektromos teljesítménye. stb. s nulla lesz. Ebből egy rendkívül fontos következtetés vonható le, amely lehetővé teszi a hőelem hőmérséklet-érzékelőként történő alkalmazását.

A hőelem elektromotoros erejét nem fogja megváltoztatni egy harmadik vezeték bevezetése az áramkörébe, ha a hőmérséklet a végein azonos.

Ez a harmadik vezeték beépíthető mind az egyik csomópontba, mind az egyik vezeték szakaszába (1.6. ábra, c). Ez a következtetés kiterjeszthető több, a hőelem áramkörbe bevezetett vezetékre, amennyiben a végük hőmérséklete azonos.

Ezért egy (szintén vezetékekből álló) mérőeszköz és a hozzá vezető csatlakozó vezetékek beépíthetők a hőelem áramkörébe anélkül, hogy az általa kifejlesztett termoelektromos teljesítmény megváltozna. e.c, csak akkor, ha az 1. és 2. vagy 3. és 4. pont hőmérséklete (1. ábra, d és e) egyenlő. Ebben az esetben ezeknek a pontoknak a hőmérséklete eltérhet a készülék kivezetéseinek hőmérsékletétől, de mindkét kivezetés hőmérsékletének azonosnak kell lennie.

Ha a hőelem áramkör ellenállása változatlan marad, akkor a rajta átfolyó áram (és így a készülék leolvasása) csak az általa kifejlesztett termoelektromos teljesítménytől függ. d) a munkavégzés (forró) és a szabad (hideg) végek hőmérsékletétől.

Továbbá, ha a hőelem szabad végének hőmérsékletét állandóan tartják, a mérőállás csak a hőelem munkavégének hőmérsékletétől függ. Egy ilyen eszköz közvetlenül jelzi a hőelem működési csomópontjának hőmérsékletét.

Ezért a termoelektromos pirométer hőelemből (termoelektródákból), egyenáram-mérőből és csatlakozó vezetékekből áll.

A fentiekből a következő következtetések vonhatók le.

1. A hőelem munkavégének gyártási módja (hegesztés, forrasztás, csavarás stb.) nem befolyásolja az általa kifejlesztett termoelektromos teljesítményt. stb. ha csak a munkavég méretei olyanok, hogy a hőmérséklet minden pontján azonos.

2. Mivel a készülék által mért paraméter nem termoelektromos. és a hőelem áramköri áramával, szükséges, hogy az üzemi áramkör ellenállása változatlan maradjon és megegyezzen az értékével a kalibrálás során.De mivel ezt gyakorlatilag lehetetlen megtenni, mivel a termoelektródák és a csatlakozó vezetékek ellenállása a hőmérséklettel változik, a módszer egyik fő hibája felmerül: az áramkör ellenállása és ellenállása közötti eltérés a kalibrálás során.

Ennek a hibának a csökkentése érdekében a hőmérő eszközöket nagy ellenállással (durva mérésekhez 50-100 ohm, pontosabb mérésekhez 200-500 ohm) és alacsony hőmérsékletű elektromos együtthatóval készítik, így az áramkör teljes ellenállása (és , ezért az áram és a — e. d. s.) közötti kapcsolat minimálisra változik a környezeti hőmérséklet ingadozásával.

3. A termoelektromos pirométereket mindig a termoelem szabad végének jól meghatározott hőmérsékletén kalibrálják – 0 °C-on. Általában ez a hőmérséklet eltér a működés közbeni kalibrálási hőmérséklettől, aminek következtében a módszer második fő hibája következik be. : a szabad hőelem vég hőmérsékletének hibája.

Mivel ez a hiba több tíz fokot is elérhet, szükséges a készülék leolvasásának megfelelő korrekciója. Ez a korrekció akkor számítható ki, ha a felszállók hőmérséklete ismert.

Mivel a hőelem szabad végének hőmérséklete a kalibrálás során 0 °C, működés közben pedig általában 0 °C felett van (a szabad végei általában a helyiségben vannak, gyakran a sütő közelében helyezkednek el, amelynek hőmérsékletét mérik ), a pirométer alulbecslést ad a ténylegesen mért hőmérséklethez képest, ez utóbbi jelzését és értékét a korrekciós értékkel növelni kell.

Ez általában grafikusan történik. Ez annak köszönhető, hogy általában nincs arányosság a hőre keményedők között.stb. pp. és hőmérséklet. Ha a köztük lévő kapcsolat arányos, akkor a kalibrációs görbe egy egyenes, és ebben az esetben a hőelem szabad végének hőmérsékletére vonatkozó korrekció közvetlenül megegyezik annak hőmérsékletével.

A hőelemek felépítése és típusai

A következő követelmények vonatkoznak a termoelektród anyagokra:

1) nagy termoelektromos. stb. v. és közel áll a hőmérséklettől való változásának arányos természetéhez;

2) hőállóság (nem oxidálódik magas hőmérsékleten);

3) a fizikai tulajdonságok állandósága az időben a mért hőmérsékleten belül;

4) nagy elektromos vezetőképesség;

5) alacsony hőmérsékletű ellenállási együttható;

6) állandó fizikai tulajdonságokkal rendelkező nagy mennyiségben történő előállítás lehetősége.

A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) meghatározott néhány szabványos hőelemtípust (IEC 584-1 szabvány). Az elemek R, S, B, K, J, E, T indexekkel rendelkeznek a mért hőmérsékleti tartománynak megfelelően.

Az iparban a hőelemeket magas hőmérséklet mérésére használják, 600-1000-1500˚C-ig. Egy ipari hőelem két tűzálló fémből vagy ötvözetből áll. A meleg csomópont ("G" betűvel jelölve) a hőmérséklet mérési helyén, a hideg csomópont ("X") pedig azon a helyen található, ahol a mérőeszköz található.

Jelenleg a következő szabványos hőelemek vannak használatban.

Platina-ródium-platina hőelem. Ezek a hőelemek 1300 °C-ig használhatók hosszú távú használat esetén, és 1600 °C-ig rövid távú használat esetén, feltéve, hogy oxidáló atmoszférában használják őket.Közepes hőmérsékleten a platina-ródium-platina hőelem nagyon megbízhatónak és stabilnak bizonyult, ezért példaként használják a 630-1064 °C tartományban.

Króm-alumínium hőelem. Ezeket a hőelemeket arra tervezték, hogy hosszú ideig 1000 ° C-ig és rövid ideig 1300 ° C-ig mérjék a hőmérsékletet. Ezeken a határokon belül megbízhatóan működnek oxidáló atmoszférában (ha nincsenek korrozív gázok), mert amikor az elektródák felületén felmelegítve egy vékony védő oxidfilm, amely megakadályozza az oxigén behatolását a fémbe.

Chromel-Copel hőelem… Ezek a hőelemek akár 600°C-os hőmérsékletet is képesek mérni hosszú ideig, és akár 800°C-ot is rövid ideig. Sikeresen működnek mind oxidáló, mind redukáló atmoszférában, valamint vákuumban.

Iron Copel hőelem... A mérési határok megegyeznek a chromel-copel hőelemekkel, a működési feltételek megegyeznek. Kevesebb hőt ad. stb. az XK hőelemhez képest: 30,9 mV 500 °C-on, de a hőmérséklettől való függése közelebb áll az arányoshoz. Az LC hőelem jelentős hátránya a vaselektródájának korróziója.

Réz-réz hőelem... Mivel a réz oxidáló atmoszférában már 350 °C-on elkezd intenzíven oxidálni, ezért ezeknek a hőelemeknek az alkalmazási tartománya hosszú ideig 350 °C, rövid ideig pedig 500 °C. Vákuumban ezek a hőelemek 600 °C-ig használhatók.

Thermo-e függőségi görbék. stb. hőmérsékletet a leggyakoribb hőelemeknél. 1 — króm-fattyú; 2 — vas-fattyú; 3 — réz-fattyú; 4 – TKBC -350M; 5 – TGKT-360M; 6 — króm-alumel; 7-platina-ródium-platina; 8 – TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

A nem nemesfémből készült szabványos hőelemek termoelektródáinak ellenállása 0,13-0,18 ohm 1 m hosszonként (mindkét végén), platina-ródium-platina hőelemeknél 1,5-1,6 ohm 1 m-enként Megengedett hőelektromos teljesítményeltérések. stb. a kalibrációból a nem nemes hőelemek esetében ± 1%, a platina-ródium-platina esetében ± 0,3-0,35%.

A szabványos hőelem egy 21-29 mm átmérőjű és 500-3000 mm hosszúságú rúd. A védőcső tetejére préselt vagy öntött (általában alumínium) karbolit vagy bakelit lemezes fej kerül, amelybe páronként összekötött csavaros bilincsekkel két pár vezetéket préselnek. Az egyik terminálhoz a termoelektródát, a másikhoz pedig a mérőeszközhöz vezető összekötő vezetéket csatlakozik. Néha a csatlakozó vezetékek rugalmas védőtömlőbe vannak zárva. Ha szükség van a lyuk tömítésére, amelybe a hőelem be van szerelve, az utóbbit menetes csatlakozóval látják el. A fürdőkádakhoz a hőelemek könyök alakúak is készülnek.

A hőelemek törvényei

Belső hőmérsékleti törvény: A hőmérsékleti gradiens jelenléte egy homogén vezetőben nem vezet elektromos áram megjelenéséhez (nem lép fel további EMF).

A közbenső vezetők törvénye: A és B fémből álló két homogén vezető alkot egy termoelektromos áramkört érintkezőkkel T1 (meleg csomópont) és T2 (hideg csatlakozás) hőmérsékleten. Az A vezeték szakadásában egy X fémhuzal szerepel, és két új érintkező képződik. "Ha az X vezeték hőmérséklete teljes hosszában azonos, akkor a hőelem eredő EMF-je nem változik (további csomópontokból nem keletkezik EMF)."