Convertitori termoelettrici (termocoppie)

Come funziona una termocoppia

Già nel 1821 Seebeck scoprì un fenomeno a lui intitolato, che consiste nel fatto che E. Appare in un circuito chiuso costituito da diversi materiali conduttori. eccetera. (cosiddetta termo-EMC) se i punti di contatto di questi materiali sono mantenuti a temperature diverse.

Nella sua forma più semplice, quando un circuito elettrico è costituito da due diversi conduttori, viene chiamato termocoppia o termocoppia.

L'essenza del fenomeno Seebeck sta nel fatto che l'energia degli elettroni liberi, che provocano la comparsa di una corrente elettrica nei fili, è diversa e cambia in modo diverso con la temperatura. Pertanto, se c'è una differenza di temperatura lungo il filo, gli elettroni all'estremità calda avranno energie e velocità maggiori rispetto all'estremità fredda, provocando un flusso di elettroni dall'estremità calda a quella fredda nel filo. Di conseguenza, le cariche si accumuleranno ad entrambe le estremità: negative a freddo e positive a caldo.

Poiché queste cariche sono diverse per fili diversi, quando due di esse sono collegate in una termocoppia, apparirà una termocoppia differenziale. eccetera. c. Per analizzare i fenomeni che si verificano nella termocoppia, è conveniente assumere che la termocoppia si sia generata in essa. eccetera. c. E è la somma di due forze elettromotrici di contatto e, che si verificano nei punti del loro contatto e sono una funzione della temperatura di questi contatti (figura 1, a).

Riso. 1. Schema di un circuito termoelettrico a due e tre fili, uno schema per il collegamento di un dispositivo di misurazione elettrico alla giunzione e un termoelettrodo con una termocoppia.

La forza termoelettromotrice che si genera in un circuito di due diversi conduttori è uguale alla differenza delle forze elettromotrici alle loro estremità.

Da questa definizione segue che a temperature uguali ai capi della termocoppia, la sua potenza termoelettrica. eccetera. s sarà zero. Da ciò si può trarre una conclusione estremamente importante, che consente di utilizzare una termocoppia come sensore di temperatura.

La forza elettromotrice di una termocoppia non verrà modificata dall'introduzione di un terzo filo nel suo circuito se le temperature ai suoi capi sono le stesse.

Questo terzo filo può essere compreso sia in una delle giunzioni che nella sezione di uno dei fili (Fig. 1.6, c). Questa conclusione può essere estesa a più fili introdotti nel circuito della termocoppia, purché le temperature ai loro capi siano le stesse.

Pertanto, un dispositivo di misurazione (costituito anch'esso da fili) e fili di collegamento che ad esso conducono possono essere inclusi nel circuito della termocoppia senza provocare una variazione della potenza termoelettrica da esso sviluppata. e.c, solo se le temperature dei punti 1 e 2 o 3 e 4 (Fig. 1, d ed e) sono uguali. In questo caso, la temperatura di questi punti può differire dalla temperatura dei terminali del dispositivo, ma la temperatura di entrambi i terminali deve essere la stessa.

Se la resistenza del circuito della termocoppia rimane invariata, la corrente che lo attraversa (e quindi la lettura del dispositivo) dipenderà solo dalla potenza termoelettrica da esso sviluppata. d. da, cioè dalle temperature delle estremità di lavoro (calde) e libere (fredde).

Inoltre, se la temperatura dell'estremità libera della termocoppia viene mantenuta costante, la lettura del contatore dipenderà solo dalla temperatura dell'estremità di lavoro della termocoppia. Tale dispositivo indicherà direttamente la temperatura della giunzione di lavoro della termocoppia.

Pertanto, un pirometro termoelettrico è costituito da una termocoppia (termoelettrodi), un misuratore di corrente continua e fili di collegamento.

Da quanto sopra si possono trarre le seguenti conclusioni.

1. Il metodo di fabbricazione dell'estremità di lavoro della termocoppia (saldatura, brasatura, torsione, ecc.) non influisce sulla potenza termoelettrica da essa sviluppata. eccetera. con, se solo le dimensioni dell'estremità di lavoro sono tali che la temperatura in tutti i suoi punti sia la stessa.

2. Perché il parametro misurato dal dispositivo non è termoelettrico. con e la corrente del circuito di termocoppia, è necessario che la resistenza del circuito di manovra rimanga invariata e pari al suo valore durante la calibrazione.Ma poiché è praticamente impossibile farlo, poiché la resistenza dei termoelettrodi e dei fili di collegamento cambia con la temperatura, sorge uno dei principali errori del metodo: l'errore della mancata corrispondenza tra la resistenza del circuito e la sua resistenza durante la calibrazione.

Per ridurre questo errore, i dispositivi per le misure termiche sono realizzati con alta resistenza (50-100 Ohm per misure grossolane, 200-500 Ohm per misure più accurate) e con un coefficiente elettrico di temperatura basso, in modo che la resistenza totale del circuito (e , quindi, il rapporto tra corrente e - e.d.s.) varia al minimo con le fluttuazioni della temperatura ambiente.

3. I pirometri termoelettrici sono sempre calibrati a una temperatura ben definita dell'estremità libera della termocoppia - a 0 ° C. Di solito questa temperatura differisce dalla temperatura di calibrazione in funzione, per cui si verifica il secondo errore principale del metodo : l'errore nella temperatura dell'estremità libera della termocoppia.

Poiché questo errore può raggiungere decine di gradi, è necessario effettuare un'opportuna correzione delle letture del dispositivo. Questa correzione può essere calcolata se si conosce la temperatura delle colonne montanti.

Poiché la temperatura dell'estremità libera della termocoppia durante la calibrazione è pari a 0 ° C, e durante il funzionamento è solitamente superiore a 0 ° C (le estremità libere sono solitamente nella stanza, spesso si trovano vicino al forno di cui viene misurata la temperatura ), il pirometro fornisce una sottostima rispetto alla reale temperatura misurata, l'indicazione ed il valore di quest'ultima deve essere incrementato del valore di correzione.

Questo di solito è fatto graficamente. Ciò è dovuto al fatto che di solito non c'è proporzionalità tra i termoindurenti.eccetera. pp. e temperatura. Se il rapporto tra loro è proporzionale, allora la curva di calibrazione è una linea retta e in questo caso la correzione per la temperatura dell'estremità libera della termocoppia sarà direttamente uguale alla sua temperatura.

Design e tipi di termocoppie

I seguenti requisiti si applicano ai materiali dei termoelettrodi:

1) alta termoelettricità. eccetera. v. e vicino alla natura proporzionale del suo cambiamento dalla temperatura;

2) resistenza al calore (non ossidazione ad alte temperature);

3) costanza delle proprietà fisiche nel tempo entro le temperature misurate;

4) alta conducibilità elettrica;

5) coefficiente di resistenza a bassa temperatura;

6) la possibilità di produzione in grandi quantità con proprietà fisiche costanti.

La Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) ha definito alcuni tipi standard di termocoppie (norma IEC 584-1). Gli elementi hanno indici R, S, B, K, J, E, T secondo l'intervallo di temperature misurate.

Nell'industria, le termocoppie vengono utilizzate per misurare temperature elevate, fino a 600 — 1000 — 1500˚C. Una termocoppia industriale è costituita da due metalli refrattari o leghe. Il giunto caldo (contrassegnato dalla lettera «G») è posizionato nel punto in cui viene misurata la temperatura e il giunto freddo («X») si trova nell'area in cui si trova il dispositivo di misurazione.

Attualmente sono in uso le seguenti termocoppie standard.

Termocoppia platino-rodio-platino. Queste termocoppie possono essere utilizzate per misurare temperature fino a 1300 °C per uso a lungo termine e fino a 1600 °C per uso a breve termine, a condizione che vengano utilizzate in un'atmosfera ossidante.A temperature medie, la termocoppia platino-rodio-platino si è dimostrata molto affidabile e stabile, motivo per cui viene utilizzata come esempio nell'intervallo 630-1064 °C.

Termocoppia in cromo-alluminio. Queste termocoppie sono progettate per misurare temperature per uso a lungo termine fino a 1000 °C e per uso a breve termine fino a 1300 °C. Funzionano in modo affidabile entro questi limiti in atmosfera ossidante (se non sono presenti gas corrosivi), perché quando riscaldato sulla superficie degli elettrodi, un sottile film protettivo di ossido che impedisce all'ossigeno di penetrare nel metallo.

Termocoppia Chromel-Copel… Queste termocoppie possono misurare temperature fino a 600°C per lungo tempo e fino a 800°C per breve tempo. Funzionano con successo sia in atmosfere ossidanti che riducenti, oltre che nel vuoto.

Termocoppia Iron Copel... I limiti di misurazione sono gli stessi delle termocoppie chromel-copel, le condizioni operative sono le stesse. Dà meno termo. eccetera. rispetto alla termocoppia XK: 30,9 mV a 500 ° C, ma la sua dipendenza dalla temperatura è più vicina al proporzionale. Uno svantaggio significativo della termocoppia LC è la corrosione del suo elettrodo di ferro.

Termocoppia rame-rame... Poiché il rame in atmosfera ossidante inizia ad ossidarsi intensamente già a 350 ° C, il campo di applicazione di queste termocoppie è di 350 ° C per lungo tempo e di 500 ° C per breve tempo. Nel vuoto, queste termocoppie possono essere utilizzate fino a 600 °C.

Curve di dipendenza termoelettrica. eccetera. di temperatura per le più comuni termocoppie. 1 — chromel-bastardo; 2 - bastardo di ferro; 3 - bastardo di rame; 4 — TGBC-350M; 5 — TGKT-360M; 6 — cromol-alumel; 7-platino-rodio-platino; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

La resistenza dei termoelettrodi delle termocoppie standard in metalli di base è di 0,13-0,18 ohm per 1 m di lunghezza (entrambe le estremità), per le termocoppie platino-rodio-platino 1,5-1,6 ohm per 1 m Deviazioni di potenza termoelettrica consentite. eccetera. dalla taratura per termocoppie non nobili sono ± 1%, per platino-rodio-platino ± 0,3-0,35%.

La termocoppia standard è un'asta con un diametro di 21-29 mm e una lunghezza di 500-3000 mm. Sulla parte superiore del tubo protettivo è posta una testa stampata o fusa (solitamente alluminio) con una piastra di carbolite o bachelite, nella quale vengono premute due coppie di fili con morsetti a vite collegati a coppie. Il termoelettrodo è collegato a un terminale e all'altro è collegato un filo di collegamento che porta al dispositivo di misurazione. A volte i fili di collegamento sono racchiusi in un tubo protettivo flessibile. Se è necessario sigillare il foro in cui è installata la termocoppia, quest'ultima è dotata di un raccordo filettato. Per le vasche da bagno si realizzano anche termocoppie con forma a gomito.

Leggi delle termocoppie

Legge della temperatura interna: la presenza di un gradiente di temperatura in un conduttore omogeneo non porta alla comparsa di una corrente elettrica (non si verificano campi elettromagnetici aggiuntivi).

La legge dei conduttori intermedi: Lascia che due conduttori omogenei di metalli A e B formino un circuito termoelettrico con contatti a temperature T1 (giunto caldo) e T2 (giunto freddo). Un filo di metallo X viene incluso nella rottura del filo A e si formano due nuovi contatti. «Se la temperatura del filo X è la stessa per tutta la sua lunghezza, allora l'EMF risultante della termocoppia non cambierà (nessun EMF deriva da giunzioni aggiuntive).»