VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Термопара
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность
Термоэлектрические преобразователи энергии находят все большее применение в современном приборостроении и технике: от бытовых приборов до космических устройств. Дальнейшее расширение их использования существенным образом сдерживается низким коэффициентом полезного действия таких преобразователей. Как показывают эксперименты, одним из перспективных направлений повышения эффективности термоэлектрических материалов является их микроструктурирование и наноструктурирование, при котором различным образом изменяются условия протекания электрофизических и теплофизических процессов.
Физические основы. Принцип действия
Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеетсяконтактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма такихразностей потенциаловравна нулю (рисунок 1). Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температуройТ1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуреТ2, которое будет пропорционально разности температурТ1иТ2.
Рисунок 1. Схема термопары типа К. При температуре спая проволок изхромеляиалюмеляравной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2мВ.
Термопара - термоэлектрический преобразователь
Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующеготермоэлектрический эффектдля измерения температуры.
Термоэлектрические преобразователи - термопары, как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. Термо-ЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов), если значения температуры мест соединения не равны (при равенстве температур термо-ЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.
Развиваемая термо-ЭДС зависит от значения обеих температур, причем она увеличивается с ростом разности. В силу этого термо-ЭДС термопары условно обозначается символом E.
Способы подключения
Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный (рисунок 2). В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.
Рисунок 2. П
одключение термопары к измерительному прибору:
а) простой, б) дифференциальный
Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:
Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.
Преимущества термопар
Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
Простота.
Дешевизна.
Надёжность.
Недостатки термопар
Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
Практическое применение термопар
Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С.
Таблица 1.
|
Тип термо-пары |
Буквенное обозначение НСХ* |
Материал термоэлектродов |
Коэффициент термо-ЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) |
Диапазон рабочих температур, °С |
Предельная температура при кратковременном применении, °С |
|
|
Положительного |
Отрицательного |
|||||
|
ТЖК |
J |
Железо (Fe) |
Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) |
50-64 |
от -200 до +750 |
900 |
|
ТХА |
К |
Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr) |
Сплавалюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co) |
35-42 |
от -200 до +1200 |
1300 |
|
ТМК |
Т |
Медь (Сu) |
Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) |
40-60 |
от -200 до +350 |
400 |
|
ТХКн |
Е |
Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) |
Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) |
59-81 |
от-200 до+700 |
900 |
|
ТХК |
L |
Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) |
Сплав копель (56% Си + 44% Ni) |
64-88 |
от -200 до +600 |
800 |
|
ТНН |
N |
Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg) |
Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg) |
26-36 |
от -270 до +1300 |
1300 |
|
ТПП13 |
R |
Сплав платина-родий (87% Pt + 13% Rh) |
платина (Pt) |
10-14 |
от 0 |
1600 |
|
ТПП10 |
S |
Сплав платина-родий (87% Pt + 13% Rh) |
платина (Pt) |
10-14 |
от 0 |
1600 |
|
ТПР |
В |
Сплав платина-родий (70% Pt + 30% Rh) |
Сплав платина-родий (94% Pt + 6% Rh) |
10-14 |
от 600 до+1700 |
1800 |
|
ТВР |
А-1А-2А-3 |
Сплав вольфрам-рений (95% W + 5% Re) |
Сплав вольфрам-рений (80% W + 20% Re) |
14-7 |
от 0 до +2200 |
2500 |
|
ТСС |
I |
Сплав сильд |
Сплав силин |
- |
от 0 |
900 |
Заключение
Термоэлектрические преобразователи имеют широкий спектр применения, начиная от бытовых приборов и заканчивая космическими устройствами. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры, также термопары способны измерять высокие температуры в агрессивных средах. Хоть и на данный момент дальнейшее расширение их использования существенным образом сдерживается низким коэффициентом полезного действия, но это компенсируется высокой точностью измерения температур и возможностью работать в широком диапазоне, дешевизной, простотой и надежностью механизма.
Список использованных источников и литературы
Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразовательных организаций с приложением на электронном носителе: базовый уровень / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2014. – 416 с.
Кабардин А.А. Физика 10 класс [Текст]: учебник для общеобразовательных организаций: углубленный уровень - М: Просвещение, 2014
http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/terpara.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Термопара