Bộ chuyển đổi nhiệt điện (cặp nhiệt điện)

Cách hoạt động của cặp nhiệt điện

Ngay trong năm 1821, Seebeck đã phát hiện ra một hiện tượng mang tên ông, hiện tượng này nằm ở chỗ e. Xuất hiện trong một mạch kín bao gồm các vật liệu dẫn điện khác nhau. vân vân. (cái gọi là nhiệt EMC) nếu các điểm tiếp xúc của các vật liệu này được duy trì ở các nhiệt độ khác nhau.

Ở dạng đơn giản nhất, khi một mạch điện bao gồm hai dây dẫn khác nhau, nó được gọi là cặp nhiệt điện hoặc cặp nhiệt điện.

Bản chất của hiện tượng Seebeck nằm ở chỗ năng lượng của các electron tự do gây ra dòng điện trong dây dẫn là khác nhau và thay đổi khác nhau theo nhiệt độ. Do đó, nếu có sự chênh lệch nhiệt độ dọc theo dây dẫn, các electron ở đầu nóng của nó sẽ có năng lượng và vận tốc cao hơn so với đầu lạnh, gây ra dòng điện tử từ đầu nóng sang đầu lạnh trong dây. Kết quả là, các điện tích sẽ tích tụ ở cả hai đầu — âm khi lạnh và dương khi nóng.

Vì các điện tích này khác nhau đối với các dây khác nhau, nên khi hai trong số chúng được kết nối trong một cặp nhiệt điện, một cặp nhiệt điện vi sai sẽ xuất hiện. vân vân. c.Để phân tích các hiện tượng xảy ra trong cặp nhiệt điện, ta có thể thuận tiện giả sử rằng cặp nhiệt điện sinh ra trong nó. vân vân. c. E là tổng của hai lực điện động tiếp xúc e, xuất hiện tại các điểm tiếp xúc của chúng và là một hàm của nhiệt độ của các tiếp điểm này (Hình 1, a).

Cơm. 1. Sơ đồ mạch nhiệt điện hai dây và ba dây, sơ đồ nối thiết bị đo điện với mối nối và điện cực nhiệt với cặp nhiệt điện.

Suất điện động nhiệt điện xuất hiện trong đoạn mạch gồm hai dây dẫn khác nhau bằng hiệu các suất điện động ở hai đầu của chúng.

Từ định nghĩa này, suy ra rằng ở nhiệt độ bằng nhau ở hai đầu của cặp nhiệt điện, công suất nhiệt điện của nó. vân vân. s sẽ bằng không. Một kết luận cực kỳ quan trọng có thể được rút ra từ điều này, cho phép sử dụng cặp nhiệt điện làm cảm biến nhiệt độ.

Suất điện động của cặp nhiệt điện sẽ không bị thay đổi khi đưa dây thứ ba vào mạch của nó nếu nhiệt độ ở hai đầu của nó là như nhau.

Dây thứ ba này có thể được bao gồm cả ở một trong các điểm nối và trong phần của một trong các dây (Hình 1.6, c). Kết luận này có thể được mở rộng cho một số dây được đưa vào mạch cặp nhiệt điện, miễn là nhiệt độ ở hai đầu của chúng là như nhau.

Do đó, một thiết bị đo (cũng bao gồm dây dẫn) và các dây kết nối dẫn đến nó có thể được đưa vào mạch cặp nhiệt điện mà không gây ra sự thay đổi về công suất nhiệt điện do nó tạo ra. đ.c, chỉ khi nhiệt độ của điểm 1 và 2 hoặc 3 và 4 (Hình 1, d và e) bằng nhau. Trong trường hợp này, nhiệt độ của các điểm này có thể khác với nhiệt độ của các cực của thiết bị, nhưng nhiệt độ của cả hai cực phải giống nhau.

Nếu điện trở của mạch cặp nhiệt điện không thay đổi, thì dòng điện chạy qua nó (và do đó việc đọc thiết bị) sẽ chỉ phụ thuộc vào công suất nhiệt điện do nó tạo ra. d. từ, tức là từ nhiệt độ của đầu làm việc (nóng) và đầu tự do (lạnh).

Ngoài ra, nếu nhiệt độ của đầu tự do của cặp nhiệt điện được giữ không đổi, thì số đọc của đồng hồ sẽ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của đầu làm việc của cặp nhiệt điện. Một thiết bị như vậy sẽ trực tiếp chỉ ra nhiệt độ của mối nối làm việc của cặp nhiệt điện.

Do đó, một hỏa kế nhiệt điện bao gồm một cặp nhiệt điện (nhiệt điện cực), đồng hồ đo dòng điện một chiều và dây kết nối.

Các kết luận sau đây có thể được rút ra từ những điều trên.

1. Phương pháp sản xuất đầu làm việc của cặp nhiệt điện (hàn, hàn, xoắn, v.v.) không ảnh hưởng đến năng lượng nhiệt điện do nó tạo ra. vân vân. với, nếu chỉ có kích thước của đầu làm việc sao cho nhiệt độ tại tất cả các điểm của nó là như nhau.

2. Do thông số đo bằng thiết bị không phải nhiệt điện. với và dòng điện mạch cặp nhiệt điện, điều cần thiết là điện trở mạch vận hành không thay đổi và bằng với giá trị của nó trong quá trình hiệu chuẩn.Nhưng vì thực tế không thể làm được điều này, vì điện trở của các điện cực nhiệt và dây nối thay đổi theo nhiệt độ, nên một trong những lỗi chính của phương pháp phát sinh: lỗi không phù hợp giữa điện trở của mạch và điện trở của nó trong quá trình hiệu chuẩn.

Để giảm sai số này, các thiết bị đo nhiệt được chế tạo với điện trở cao (50-100 Ohm đối với phép đo thô, 200-500 Ohm đối với phép đo chính xác hơn) và hệ số điện nhiệt độ thấp, do đó tổng điện trở của mạch (và , do đó, mối quan hệ giữa dòng điện và — e. d. s.) thay đổi ở mức tối thiểu cùng với sự dao động của nhiệt độ môi trường.

3. Nhiệt kế nhiệt điện luôn được hiệu chuẩn ở nhiệt độ xác định rõ của đầu tự do của cặp nhiệt điện — ở 0 ° C. Thông thường, nhiệt độ này khác với nhiệt độ hiệu chuẩn khi vận hành, do đó xảy ra lỗi chính thứ hai của phương pháp : sai số về nhiệt độ của đầu cặp nhiệt điện tự do.

Vì lỗi này có thể lên tới hàng chục độ, nên cần phải thực hiện hiệu chỉnh thích hợp các số đọc của thiết bị. Việc hiệu chỉnh này có thể được tính toán nếu biết nhiệt độ của các ống đứng.

Do nhiệt độ của đầu tự do của cặp nhiệt điện trong quá trình hiệu chuẩn bằng 0 ° C và khi hoạt động thường trên 0 ° C (các đầu tự do thường ở trong phòng, chúng thường được đặt gần lò đo nhiệt độ ), hỏa kế đưa ra giá trị thấp hơn so với nhiệt độ đo được thực tế, chỉ báo và giá trị của giá trị sau phải được tăng lên bằng giá trị hiệu chỉnh.

Điều này thường được thực hiện bằng đồ họa. Điều này là do thực tế là thường không có sự tương xứng giữa các phích cắm.vân vân. pp.và nhiệt độ. Nếu mối quan hệ giữa chúng là tỷ lệ, thì đường hiệu chuẩn là một đường thẳng và trong trường hợp này, hiệu chỉnh nhiệt độ của đầu tự do của cặp nhiệt điện sẽ trực tiếp bằng với nhiệt độ của nó.

Thiết kế và các loại cặp nhiệt điện

Các yêu cầu sau áp dụng cho vật liệu điện cực:

1) nhiệt điện cao. vân vân. v. và gần với bản chất tỷ lệ của sự thay đổi của nó so với nhiệt độ;

2) khả năng chịu nhiệt (không bị oxy hóa ở nhiệt độ cao);

3) tính không đổi của các tính chất vật lý theo thời gian trong phạm vi nhiệt độ đo được;

4) độ dẫn điện cao;

5) hệ số kháng nhiệt độ thấp;

6) khả năng sản xuất với số lượng lớn với các đặc tính vật lý không đổi.

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) đã xác định một số loại cặp nhiệt điện tiêu chuẩn (tiêu chuẩn IEC 584-1). Các nguyên tố có chỉ số R, S, B, K, J, E, T theo dải nhiệt độ đo được.

Trong công nghiệp, cặp nhiệt điện được dùng để đo nhiệt độ cao, lên tới 600 — 1000 — 1500˚C. Một cặp nhiệt điện công nghiệp bao gồm hai kim loại hoặc hợp kim chịu lửa. Mối nối nóng (được đánh dấu bằng chữ «G») được đặt ở nơi đo nhiệt độ và mối nối lạnh («X») nằm ở khu vực đặt thiết bị đo.

Các cặp nhiệt điện tiêu chuẩn sau đây hiện đang được sử dụng.

Cặp nhiệt điện bạch kim-rhodium-bạch kim. Các cặp nhiệt điện này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ lên đến 1300 °C khi sử dụng lâu dài và lên đến 1600 °C khi sử dụng ngắn hạn, miễn là chúng được sử dụng trong môi trường oxy hóa.Ở nhiệt độ trung bình, cặp nhiệt điện bạch kim-rhodium-bạch kim đã được chứng minh là rất đáng tin cậy và ổn định, đó là lý do tại sao nó được sử dụng làm ví dụ trong khoảng 630-1064 ° C.

Cặp nhiệt điện Chrome-alum. Các cặp nhiệt điện này được thiết kế để đo nhiệt độ sử dụng lâu dài lên đến 1000 ° C và sử dụng ngắn hạn lên đến 1300 ° C. Chúng hoạt động đáng tin cậy trong các giới hạn này trong môi trường oxy hóa (nếu không có khí ăn mòn), bởi vì khi nung nóng trên bề mặt các điện cực một màng oxit mỏng bảo vệ, ngăn không cho oxi thấm qua kim loại.

Cặp nhiệt điện Chromel-Copel… Những cặp nhiệt điện này có thể đo nhiệt độ lên đến 600°C trong thời gian dài và lên đến 800°C trong thời gian ngắn. Chúng hoạt động thành công trong cả môi trường oxy hóa và khử, cũng như trong chân không.

Cặp nhiệt điện Iron Copel... Các giới hạn đo giống như đối với cặp nhiệt điện chromel-copel, các điều kiện vận hành là như nhau. Nó cung cấp ít nhiệt hơn. vân vân. so với cặp nhiệt điện XK: 30,9 mV ở 500 ° C, nhưng sự phụ thuộc của nó vào nhiệt độ gần tỷ lệ thuận hơn. Một nhược điểm đáng kể của cặp nhiệt điện LC là sự ăn mòn điện cực sắt của nó.

Cặp nhiệt điện đồng-đồng... Vì đồng trong môi trường oxy hóa bắt đầu bị oxy hóa mạnh ở 350 ° C nên phạm vi ứng dụng của các cặp nhiệt điện này là 350 ° C trong thời gian dài và 500 ° C trong thời gian ngắn. Trong chân không, các cặp nhiệt điện này có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên tới 600 °C.

Đường cong phụ thuộc nhiệt điện tử. vân vân. nhiệt độ cho các cặp nhiệt điện phổ biến nhất. 1 — chromel-khốn nạn; 2 — con khốn sắt; 3 — con khốn đồng; 4 — TGBC -350M; 5—TGKT-360M; 6 — crôm-nhôm; 7-bạch kim-rhodi-bạch kim; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Điện trở của các điện cực nhiệt của cặp nhiệt điện tiêu chuẩn làm bằng kim loại cơ bản là 0,13-0,18 ôm trên 1 m chiều dài (cả hai đầu), đối với cặp nhiệt điện bạch kim-rhodium-bạch kim là 1,5-1,6 ôm trên 1 m. vân vân. từ hiệu chuẩn đối với cặp nhiệt điện không cao cấp là ± 1%, đối với bạch kim-rhodium-bạch kim ± 0,3-0,35%.

Cặp nhiệt điện tiêu chuẩn là một thanh có đường kính 21-29 mm và chiều dài 500-3000 mm. Trên đỉnh của ống bảo vệ được đặt một đầu được dập hoặc đúc (thường là nhôm) với một tấm cacbolit hoặc bakelite, trong đó hai cặp dây được ép bằng kẹp vít được nối theo cặp. Điện cực nhiệt được gắn vào một đầu cuối và đầu kia được nối với một dây kết nối dẫn đến thiết bị đo. Đôi khi các dây kết nối được bọc trong một ống mềm bảo vệ. Nếu cần phải bịt kín lỗ mà cặp nhiệt điện được lắp đặt, thì lỗ sau được cung cấp một khớp nối có ren. Đối với bồn tắm, cặp nhiệt điện cũng được chế tạo với hình dạng khuỷu tay.

Định luật cặp nhiệt điện

Định luật nhiệt độ bên trong: Sự hiện diện của gradient nhiệt độ trong một dây dẫn đồng nhất không dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện (không xảy ra EMF bổ sung).

Định luật về chất dẫn điện trung gian: Cho hai chất dẫn điện đồng chất của kim loại A và B tạo thành một mạch nhiệt điện có các tiếp điểm ở nhiệt độ T1 (mối nóng) và T2 (mối lạnh). Một dây kim loại X được đưa vào trong dây A bị đứt và hai tiếp điểm mới được hình thành. «Nếu nhiệt độ của dây X là như nhau trong suốt chiều dài của nó, thì EMF thu được của cặp nhiệt điện sẽ không thay đổi (không có EMF nào phát sinh từ các mối nối bổ sung).»