Термоелектричні перетворювачі та їх застосування (стр. 1 из 2)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НІЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНІЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИКОЛИ ГОГОЛЯ
КАФЕДРА ФІЗИКИ
Курсова робота
Термоелектричні перетворювачі та їх застосування
Студента 4-го курсу групи ПФ-41
фізико-математичного факультету
ТРОФИМЧУКА Леоніда Володимировича
Науковий керівник: доцент
ЗАКАЛЮЖНИЙ В.М.
Ніжин 2009
Зміст
1. Термоелектричні явища
2. Термопари
3. Технічні можливості термоелектричних перетворювачів
4. Основні правила поводження з термоелектричними колами
5. Домішки і неоднорідність термоелектродних матеріалів (термоелектрична неоднорідність)
6. Виготовлення термопар
7. Термопари для вимірювання низьких температур
Висновки
Список використаних джерел
1. Термоелектричні явища
Термоелектричні перетворювачі - це прилади, в яких змінюється термоелектрорушійна сила при встановленій різниці температур. За певними розрахунками, при відомому значенні коефіцієнта термоЕРС, чи за допомогою графіка залежності ∆E (∆T) можна визначити дану різницю температур.
Дія термоелектричних перетворювачів основана на ефекті Зеєбека - одному із 12 термоелектричних явищ, відомих у фізиці твердого тіла.
Ефект Зеєбека - в електричному колі, що складається із послідовно з’єднаних різних провідників, виникає термоЕРС, якщо в місцях контактів підтримується різниця температур. В простішому випадку, коли таке коло складається з двох різних провідників, воно називається термопарою. ТермоЕРС термопари залежить від температури вімірюваного і вільного спаю та від складу матеріалу провідників, що утворюють термопару.
Термоелектрику відкрив Зеєбек ще в дводцятих роках ХІХ ст. Для її спостереження до мілівольтметра досить приєднати дві мідні дротини і замкнути їх дротиною з іншого матеріалу, наприклад, заліза. Поки температура обох спаїв однакова, мілівольтметр не виявляє ніякої термоЕРС. Але при нагріванні одного із спаїв у колі виникає термоЕРС і стрілка мілівольтметра відхиляється. Якщо нагрітий спай охолодити і потім нагріти другий спай, то знак термоЕРС змінюється і стрілка мілівольтметра відхиляється в другий бік.
У певних невеликих діапазонах температур термоЕРС можна вважати, з достатньою для практики точністю, пропорційною різниці температур і коефіцієнту термоЕРС:
Коефіцієнт термоЕРС α залежить, в першу чергу, від матеріалу термоелектродів, а також від діапазону температур, в якому використовується термопара; в деяких випадках із зміною температури α змінює знак.
У таблиці подано значення α в мілівольтах (10-6 В) на градус для деяких металів відносно платини при 0о С.
| Метал | α, мкВ/град | Метал | α, мкВ/град |
| Вісмут | -65,0 | Нікель | -16,4 |
| Залізо | +16,0 | Сурма | +47,0 |
| Мідь | +7,40 | Константан | -34,4 |
Користуючись цією таблицею, можна знайти термоЕРС α не тільки відносно платини, а й для будь-якої іншої комбінації металів. Так, наприклад, термоЕРС пари залізо - константан дорівнює: залізо - константан = (залізо - платина) - (константан - платина) = + 16,0 - ( - 34,4) = 50,4 мкв/град.
Знак при α введений для визначення напряму термоструму і означає, що в нагрітому спаї струм проходив від металу з меншим (алгебраїчно) значенням α до другого. Отже, в парі залізо - константан струм у гарячому спаї має напрям від константану ( - 34,4) до заліза (+ 16,0).
2. Термопари
Термоперетворювачі, які працюють на основі ефекта Зеєбека, використовуються лише для вимірювання різниці температур. У більшості випадків потрібно, щоб вимірювання температури було прив’язане до термодинамічної шкали, тому простіше всього це досягається, використанням диференційованої термопари, температура із спаїв якої добре відома.
Як правило, вимірювана температура перевищує температуру оточуючого середовища, тому вимірюваний спай називається гарячим. Температуру холодного спаю простіше за все одержати, помістивши його в термоізольовану ванну з танучим льодом.
Розлянемо принципову схему термоелектричного перетворювача (рис.1).
І - Область холодного спаю,
ІІ - область гарячого спаю,
ІІІ - область вимірюваного приладу,
1 - холодний спай,
2 - гарячий спай,
3 - вимірюваний прилад,
4 - диференційний електрод,
Рис.1.5 - вивідний електрод.
У вимірюваному приладі 3 є контакт вивідного електрода 5 з вхідними контактами приладу. Необхідно, щоб матеріали, з яких виготовляються клеми були термоелектрично нейтральними.
Області І та ІІ являють собою термоелемент, у якого термоЕРС пропорційна різниці температур, але як правило має невеликі значення.
Для підвищення чутливості термоперетворювачів, їх з’єднують послідовно і отримують термобатарею (рис.2). Позначення відповідають позначенням, що і на рис.1.
Рис.2.
3. Технічні можливості термоелектричних перетворювачів
Термоелектричні перетворювачі задовольняють багатьом потребам ідеального перетворювача. Вони прості, надійні в роботі і складаються, по суті, з двох термоелектродів. Їх конструктивні форми дозволяють забезпечувати малий показник теплової інерції. Вибравши відповідні матеріали термоелектродів, можна проводити вимірювання температур в широкому діапазоні (від 2 до 3000К). при цьому досягається висока точність перетворення (інструментальна похибка до 0,01К) і висока чутливість (до 100мкВ/К). Термоелектричні перетворювачі являють собою ідеальні прилади для вимірювання різниць температур, величини яких в окремих випадках можуть доходити до 10-7 К. якщо матеріали тармоелектродів однорідні, ізотропні, то залежність термоЕРС термоелектричного перетворювача від температури добре відтворювана. В зв’язку з цим перетворювачі, термопари яких виготовлені із однієї і тієї ж партії термоелектродів, можуть бути повністю взаємозамінні.
4. Основні правила поводження з термоелектричними колами
Правило Магнуса. ТермоЕРС, що виникає в замкненому колі, яка утворена парою однорідних, ізотропних провідників, залежить тільки від температурі спаїв і не залежить від розподілу температури вздовж провідників.
Правило адитивності показів за температурою. Якщо є зростаюча послідовність температур ізотермічних просторів Т1 > Т2 > Т3, то при вимірюванні їх термопарою з термоелектродами А - В, діє таке правило адитивності:
Правило адитивності показів за матеріалами. Якщо для вимірювання різниці температур (Т1 - Т2) існує деяка послідовність термоелектродних матеріалів А - В - С, то справедливі такі співвідношення:
Із останніх двох правил випливає загальне правило конструювання термоелектричних вимірювальних кіл: неоднорідність провідника допустима лише в ізотермічній області і, навпаки, неізотермічність допустима тільки в однорідному провіднику. Недопустиме є поєднання неоднорідності і неізотермічності. Тому при уведенні в коло термопари приладу для вимірювання термоЕРС необхідно забезпечити його ізотермічність.
термоелектричний перетворювач коло термопара
5. Домішки і неоднорідність термоелектродних матеріалів (термоелектрична неоднорідність)
Кожний ідеально чистий провідник має власну термоЕРС. Наявність в провіднику навіть мінімальної кількості домішок помітно впливає на її значення, таким чином, наявність домішок неминуче приводить до невідтворюваності результатів вимірювання.
Крім домішок провідники зазвичай мають структурні дефекти (точкові дефекти, граничні зерен, дислокації). Якщо домішки і дефекти розподілені в термоелектроді нерівномірно, то вони практично утворюють всередині термоелектрода диполі. При наявності градієнта температури вони впливають на значення термоЕРС, будь-які наступні зміни розподілу температури в цій області можуть привести до розбіжності показів.
Хімічні неоднорідності характеризуються зміною хімічного складу по об’єму термоелектрода. Вони можуть виникнути в термоелектроді в результаті реакцій виділення нових фаз чи вибіркового випаровування компонентів сплаву. Крім того, вони можуть викликатися взаємодією з навколишнім середовищем. Фізичні неоднорідності характеризуються несталістю фазового складу, порушенням впорядкованості, зміною структури зерен по об’єму термоелектрода і коливаннями концентрації дефектів кристалічної гратки.
Звичайно, що всі процеси внутрішніх змін в термоелектроді (розпад твердих розчинів, коагуляція домішок, утворення нових фаз, міжгранична дифузія) супроводжуються термоструктурними напругами, що призводять до зміни термоЕРС.
6. Виготовлення термопар
Покази термопари правильні, якщо виконуються такі умови: в неізотермічних областях електроди повинні бути однорідними; там де однорідність неможлива, неабхідна ізотермічність. При вимірюванні температури об’єктів під напругою, в яких знаходяться великі градієнти і швидкості зміни температури, важливу роль відіграє місце з’єднання (спаю) термопар. Спай повинен задовольняти таким вимогам: мати високу механічну міцність:
1) місце спаю не повинне бути менш міцним, ніж матеріал термоелектродів;
2) мати високу хімічну стійкість: в агресивних середовищах спай не повинен піддаватися корозії швидше, ніж матеріал термоелектродів;