Thermoelektrische Wandler (Thermoelemente)
Wie ein Thermoelement funktioniert
Bereits 1821 entdeckte Seebeck ein nach ihm benanntes Phänomen, das darin besteht, dass E. in einem geschlossenen Stromkreis aus unterschiedlich leitenden Materialien auftritt. usw. (sog. Thermo-EMV), wenn die Kontaktstellen dieser Materialien auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden.
Wenn ein Stromkreis in seiner einfachsten Form aus zwei verschiedenen Leitern besteht, spricht man von einem Thermoelement oder Thermoelement.
Die Essenz des Seebeck-Phänomens liegt darin, dass die Energie freier Elektronen, die in Drähten einen elektrischen Strom erzeugen, unterschiedlich ist und sich mit der Temperatur unterschiedlich ändert. Wenn also entlang des Drahtes ein Temperaturunterschied besteht, haben die Elektronen an seinem heißen Ende höhere Energien und Geschwindigkeiten als am kalten Ende, was zu einem Elektronenfluss vom heißen Ende zum kalten Ende im Draht führt. Dadurch sammeln sich an beiden Enden Ladungen an – negativ bei Kälte und positiv bei Hitze.
Da diese Ladungen für verschiedene Drähte unterschiedlich sind, entsteht ein Differentialthermoelement, wenn zwei davon in einem Thermoelement verbunden werden. usw. c. Um die im Thermoelement auftretenden Phänomene zu analysieren, ist es zweckmäßig anzunehmen, dass das Thermoelement darin erzeugt wurde. usw. c. E ist die Summe zweier elektromotorischer Kontaktkräfte e, die an den Kontaktstellen auftreten und eine Funktion der Temperatur dieser Kontakte sind (Abb. 1, a).
Reis. 1. Schema eines zwei- und dreiadrigen thermoelektrischen Stromkreises, ein Schema zum Anschluss eines elektrischen Messgeräts an die Verbindungsstelle und einer Thermoelektrode mit einem Thermoelement.
Die thermoelektromotorische Kraft, die in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen Leitern entsteht, ist gleich der Differenz der elektromotorischen Kräfte an ihren Enden.
Aus dieser Definition folgt, dass bei gleichen Temperaturen an den Enden des Thermoelements seine thermoelektrische Leistung ansteigt. usw. s wird Null sein. Daraus lässt sich eine äußerst wichtige Schlussfolgerung ziehen, die den Einsatz eines Thermoelements als Temperatursensor ermöglicht.
Die elektromotorische Kraft eines Thermoelements wird durch die Einführung eines dritten Drahtes in seinen Stromkreis nicht verändert, wenn die Temperaturen an seinen Enden gleich sind.
Dieser dritte Draht kann sowohl in einer der Verbindungen als auch im Abschnitt eines der Drähte enthalten sein (Abb. 1.6, c). Diese Schlussfolgerung kann auf mehrere in den Thermoelementkreis eingeführte Drähte ausgedehnt werden, sofern die Temperaturen an ihren Enden gleich sind.
Daher können ein Messgerät (ebenfalls bestehend aus Drähten) und die zu ihm führenden Verbindungsdrähte in den Thermoelementkreis einbezogen werden, ohne dass es zu einer Änderung der von ihm entwickelten thermoelektrischen Leistung kommt. e.c, nur wenn die Temperaturen der Punkte 1 und 2 bzw. 3 und 4 (Abb. 1, d und e) gleich sind. In diesem Fall kann die Temperatur dieser Punkte von der Temperatur der Anschlüsse des Geräts abweichen, die Temperatur beider Anschlüsse muss jedoch gleich sein.
Wenn der Widerstand des Thermoelementkreises unverändert bleibt, hängt der durch ihn fließende Strom (und damit der Messwert des Geräts) nur von der von ihm entwickelten thermoelektrischen Leistung ab. d. von, also von den Temperaturen des Arbeitsendes (heiß) und des freien (kalten) Endes.
Wenn außerdem die Temperatur am freien Ende des Thermoelements konstant gehalten wird, hängt der Zählerstand nur von der Temperatur am Arbeitsende des Thermoelements ab. Ein solches Gerät zeigt direkt die Temperatur der Arbeitsverbindung des Thermoelements an.
Daher besteht ein thermoelektrisches Pyrometer aus einem Thermoelement (Thermoelektroden), einem Gleichstrommesser und Verbindungsdrähten.
Aus dem oben Gesagten lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen.
1. Die Art der Herstellung des Arbeitsendes des Thermoelements (Schweißen, Löten, Verdrehen usw.) hat keinen Einfluss auf die von ihm entwickelte thermoelektrische Leistung. usw. mit, wenn nur die Abmessungen des Arbeitsendes so sind, dass die Temperatur an allen Punkten gleich ist.
2. Weil der vom Gerät gemessene Parameter nicht thermoelektrisch ist. Mit dem Strom des Thermoelementkreises ist es erforderlich, dass der Widerstand des Betriebskreises während der Kalibrierung unverändert bleibt und seinem Wert entspricht.Da dies jedoch praktisch unmöglich ist, da sich der Widerstand der Thermoelektroden und Verbindungsdrähte mit der Temperatur ändert, entsteht einer der Hauptfehler der Methode: der Fehler der Nichtübereinstimmung zwischen dem Widerstand des Stromkreises und seinem Widerstand während der Kalibrierung.
Um diesen Fehler zu reduzieren, werden Geräte für thermische Messungen mit hohem Widerstand (50–100 Ohm für grobe Messungen, 200–500 Ohm für genauere Messungen) und mit einem niedrigen elektrischen Temperaturkoeffizienten hergestellt, sodass der Gesamtwiderstand des Stromkreises (und , daher schwankt das Verhältnis zwischen Strom und — e. d. s.) bei Schwankungen der Umgebungstemperatur auf ein Minimum.
3. Thermoelektrische Pyrometer werden immer bei einer genau definierten Temperatur des freien Endes des Thermoelements kalibriert – bei 0 °C. Normalerweise weicht diese Temperatur von der Kalibrierungstemperatur im Betrieb ab, wodurch der zweite Hauptfehler der Methode auftritt : der Fehler in der Temperatur des freien Thermoelementendes.
Da dieser Fehler mehrere zehn Grad erreichen kann, ist eine entsprechende Korrektur der Messwerte des Geräts erforderlich. Diese Korrektur kann berechnet werden, wenn die Temperatur der Steigleitungen bekannt ist.
Da die Temperatur des freien Endes des Thermoelements während der Kalibrierung 0 °C beträgt und im Betrieb normalerweise über 0 °C liegt (die freien Enden befinden sich normalerweise im Raum), werden sie häufig in der Nähe des Ofens platziert, dessen Temperatur gemessen wird ) ergibt das Pyrometer einen Unterschätzwert im Vergleich zur tatsächlich gemessenen Temperatur, muss deren Anzeige und Wert um den Korrekturwert erhöht werden.
Dies erfolgt in der Regel grafisch. Dies liegt daran, dass zwischen den Duroplasten in der Regel keine Proportionalität besteht.usw. pp. und Temperatur. Wenn die Beziehung zwischen ihnen proportional ist, ist die Kalibrierungskurve eine gerade Linie und in diesem Fall ist die Korrektur für die Temperatur des freien Endes des Thermoelements direkt gleich seiner Temperatur.
Design und Arten von Thermoelementen
Für die Thermoelektrodenmaterialien gelten folgende Anforderungen:
1) hohe Thermoelektrizität. usw. v. und nahe an der proportionalen Natur seiner Temperaturänderung;
2) Hitzebeständigkeit (keine Oxidation bei hohen Temperaturen);
3) Konstanz der physikalischen Eigenschaften über die Zeit innerhalb der gemessenen Temperaturen;
4) hohe elektrische Leitfähigkeit;
5) Niedertemperatur-Widerstandskoeffizient;
6) die Möglichkeit der Produktion in großen Mengen mit konstanten physikalischen Eigenschaften.
Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat einige Standardtypen von Thermoelementen definiert (Standard IEC 584-1). Elemente haben die Indizes R, S, B, K, J, E, T entsprechend dem gemessenen Temperaturbereich.
In der Industrie werden Thermoelemente zur Messung hoher Temperaturen von bis zu 600 – 1000 – 1500 °C eingesetzt. Ein industrielles Thermoelement besteht aus zwei hochschmelzenden Metallen oder Legierungen. Die heiße Verbindungsstelle (gekennzeichnet mit dem Buchstaben „G“) wird an der Stelle platziert, an der die Temperatur gemessen wird, und die kalte Verbindungsstelle („X“) befindet sich an der Stelle, an der sich das Messgerät befindet.
Derzeit sind die folgenden Standard-Thermoelemente im Einsatz.
Platin-Rhodium-Platin-Thermoelement. Mit diesen Thermoelementen können Temperaturen bis 1300 °C im Langzeiteinsatz und bis 1600 °C im Kurzzeiteinsatz gemessen werden, sofern sie in oxidierender Atmosphäre eingesetzt werden.Bei mittleren Temperaturen hat sich das Platin-Rhodium-Platin-Thermoelement als sehr zuverlässig und stabil erwiesen, weshalb es exemplarisch im Bereich von 630–1064 °C eingesetzt wird.
Chrom-Alumel-Thermoelement. Diese Thermoelemente sind für die Temperaturmessung im Dauereinsatz bis 1000 °C und im Kurzzeiteinsatz bis 1300 °C ausgelegt. Innerhalb dieser Grenzen arbeiten sie zuverlässig in oxidierender Atmosphäre (sofern keine korrosiven Gase vorhanden sind), denn wann Auf der Oberfläche der Elektroden erhitzt sich ein dünner schützender Oxidfilm, der verhindert, dass Sauerstoff in das Metall eindringt.
Chromel-Copel-Thermoelement… Diese Thermoelemente können Temperaturen von bis zu 600 °C für lange Zeit und bis zu 800 °C für kurze Zeit messen. Sie arbeiten erfolgreich sowohl in oxidierenden und reduzierenden Atmosphären als auch im Vakuum.
Eisen-Copel-Thermoelement... Die Messgrenzen sind die gleichen wie bei Chromel-Copel-Thermoelementen, die Betriebsbedingungen sind die gleichen. Es gibt weniger Wärme. usw. vs. im Vergleich zum XK-Thermoelement: 30,9 mV bei 500 °C, aber seine Abhängigkeit von der Temperatur ist eher proportional. Ein wesentlicher Nachteil des LC-Thermoelements ist die Korrosion seiner Eisenelektrode.
Kupfer-Kupfer-Thermoelement... Da Kupfer in oxidierender Atmosphäre bereits bei 350 °C intensiv zu oxidieren beginnt, liegt der Einsatzbereich dieser Thermoelemente bei 350 °C für lange Zeit und 500 °C für kurze Zeit. Im Vakuum sind diese Thermoelemente bis 600 °C einsetzbar.
Thermo-e-Abhängigkeitskurven. usw. der Temperatur für die gängigsten Thermoelemente. 1 – Chromel-Bastard; 2 – Eisenbastard; 3 – Kupferbastard; 4 – TGBC -350M; 5 – TGKT-360M; 6 – Chromel-Alumel; 7-Platin-Rhodium-Platin; 8 – TMSV-340M; 9 – PR -30/6.
Der Widerstand der Thermoelektroden von Standard-Thermoelementen aus unedlen Metallen beträgt 0,13–0,18 Ohm pro 1 m Länge (beide Enden), bei Platin-Rhodium-Platin-Thermoelementen 1,5–1,6 Ohm pro 1 m. Zulässige Abweichungen der thermoelektrischen Leistung. usw. aus der Kalibrierung betragen für unedle Thermoelemente ± 1 %, für Platin-Rhodium-Platin ± 0,3-0,35 %.
Das Standard-Thermoelement ist ein Stab mit einem Durchmesser von 21–29 mm und einer Länge von 500–3000 mm. Auf das Schutzrohr wird oben ein gestanzter oder gegossener (meist aus Aluminium) Kopf mit einer Karbolit- oder Bakelitplatte aufgesetzt, in die zwei paarweise verbundene Drahtpaare mit Schraubklemmen eingepresst werden. An einem Anschluss ist die Thermoelektrode angebracht, am anderen Anschluss ist ein Verbindungsdraht angeschlossen, der zum Messgerät führt. Manchmal sind die Anschlussdrähte in einem flexiblen Schutzschlauch eingeschlossen. Wenn es notwendig ist, das Loch, in dem das Thermoelement eingebaut ist, abzudichten, wird dieses mit einem Gewindeanschluss versehen. Für Badewannen werden Thermoelemente auch in Ellbogenform hergestellt.
Gesetze der Thermoelemente
Internes Temperaturgesetz: Das Vorhandensein eines Temperaturgradienten in einem homogenen Leiter führt nicht zum Auftreten eines elektrischen Stroms (es tritt keine zusätzliche EMF auf).
Das Gesetz der Zwischenleiter: Zwei homogene Leiter aus den Metallen A und B bilden einen thermoelektrischen Stromkreis mit Kontakten bei den Temperaturen T1 (Heißstelle) und T2 (Kaltstelle). Beim Bruch von Draht A wird ein Draht aus Metall X eingeschlossen und es entstehen zwei neue Kontakte. „Wenn die Temperatur von Draht X über seine gesamte Länge gleich ist, ändert sich die resultierende EMK des Thermoelements nicht (durch zusätzliche Verbindungen entsteht keine EMK).“