Термоелектричні перетворювачі та їх застосування

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 0^о 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 3000 К). при цьому досягається висока точність перетворення (інструментальна похибка до 0,01 К) і висока чутливість (до 100 мкВ/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;

3) мати низький омічний опір;

4) зона неоднорідності у місці спаю повинна бути мінімальною;

5) перелічені вище вимоги повинні виконуватись у всьому діапазоні вимірюваних температур, для якого проектувалася термопара.

Розглянемо найпоширеніші методи спаю термопар.

Паяння свинцево-олов’яними припоями рекомендується для роботи при температурах до 150 ⁰С. Перед паянням кінці термоелектродів ретельно лудяться. Луда не повинна виходити далеко за межі спаю. Перехід від лудженої ділянки до нелудженої повинен бути чітко обмеженим. Луда зазвичай наноситься гарячим способом (паяльником) чи гальванічним осадженням із розчину.

Зі стандартних термоелектродів найважче лудити алюміній, який перед луженням необхідно ретельно зачистити і обробити методом травлення в соляній кислоті. Після лудіння підготовлені кінці очищають від залишків флюсу, надлишків припою і промивають у теплій воді. Термоелектроди вкладають так, щоб кінці луди були на однаковому рівні, а полуджені ділянки тісно закручують на два - чотири оберти. На скрутку накладають клаптик припою, а весь спай прогрівають, доки припій не заповнить місце контакту термоелектродів.

Паяння жорсткими мідно-срібно-цинковими припоями рекомендують для роботи при температурах до 700 ⁰С. Зачищені термоелектроди скручують так само, як при паянні олов’яно-свинцевими припоями. Місце спаю укладають на вогнетривкий матеріал, щоб скрутка розміщалась з невеликим нахилом у бік кінця спаю. Зверху на спай накладають шматок припою і засипають флюсом. Після описаної підготовки місце спаю нагрівають в електричній печі чи за допомогою газової горілки.

При газовому зварюванні заготовлені і скручені тармоелектроди оплавляють у полум’ї горілки доки не утвориться каплеподібний спай. Для більшості матеріалів бажано відновлюване полум’я. Лише платинові термоелектроди легко переносять більш сприятливе для них окислювальне середовище. Для виготовлення термопар краще за все застосовувати воднево-кисневе полум’я. Висока температура полум’я дозволяє проводити зварювання з мінімальними розмірами зони прогріву. Слід утримуватись від поєднання зварювання з відпалом в горілці, що приводить до збільшення зони неоднорідності, а значить, і до псування термопари. Відпалювання слід робити в спеціальних печах. Крім того, водень менш схильний до утворення з’єднань з термоелектронними матеріалами, ніж вуглець, що міститься, зазвичай, в усіх горючих газах. Особливою чутливістю до вуглецю відрізняються високотемпературні термопари, в яких небезпека карбідизації спаю збільшується внаслідок того, що викликана нею неоднорідність при високих температурах неперервно розповсюджується по термоелектроду (збільшуючи градієнт мікронапруг), все більш змінюючи властивості термопари.

Електрозварювання в дузі між двома електродами мало відрізняється від газового зварювання. Різниця полягає в тому, що при електрозварюванні в дузі між двома електродами створюється більш інертне середовище. Зазвичай застосовують графітні електроди. В графітно-дуговому зварюванні відсутні майже всі недоліки газового, зокрема сильна карбідизація електродів. Для отримання нейтрального середовища електроди виготовляють із вольфраму, а в зону дуги вдувають інертний газ (частіше за все аргон) з невеликими домішками кисню для підтримки стійкості горіння дуги. Якщо після утворення спаю дугу вимкнути і дати спаю остигнути в інертному середовищі, то спай вийде у вигляді чистої блискучої металевої кульки, який не потребує ні очистки, ні наступної обробки. Насичення місця спаю вольфрамом незначне.

Конденсаторне зварювання. Для зварювання термопар застосовуються близькі за робочими параметрами зварювальні машини ТКМ-4, ТКМ-7, ТКМ-8. При подачі напруги на вхідні клеми машини первинна обмотка стабілізуючого випрамляючого трансформатора СТВ отримує живлення через вимикач. Одразу після ввімкнення через селеновий двохнапівперіодний випрямляч починається зарядка батареї конденсаторів. Зарядка максимальної ємності продовжується не більше 0,5 с. Ємність конденсаторної батареї визначається числом і положенням гнізд штекерів, що вмикаються у верхньому ряду перемикача.

При натисненні на педаль машини електроди зближуються і стискають зварювальний виріб, потім відбувається перемикання рухомої планки перемикача із правого положення в ліве. При цьому розмикається коло зарядження конденсаторів і негайно починається їх розрядження на первинну обмотку зварювального трансформатора, коефіцієнт трансформації якого регулюється перестановкою штекера в нижньому ряді гнізд перемикача. Індукування у вторинній обмотці трансформатора імпульсу струму обумовлює зварювання деталей, затиснених між електродами машини.

Принципова схема установки конденсаторного зварювання зображне на рис.3.

Рис.3.

За допомогою машини можна зварювати дроти діаметром від 0,05 до 1,00 мм і приварювати їх до металевих поверхонь. Оскільки час зварювання триває мілісекунди, зона прогрівання незначно перевищує діаметр провідника.

Зварювання в оптичному зображенні сонця чи плазмової дуги може виконуватися в повністю інертному середовищі без забруднення домішками. Оптична система з великою світлосилою дозволяє отримувати в зображенні зведену температуру, яка перевищує половину температури джерела випромінювання. Із серійних плазмово-дугових оптичних пристроїв можна порекомендувати установку "Уран". Висока чистота середовища зварювання дозволяє отримувати в таких пристроях найбільш чисті сплави.

7. Термопари для вимірювання низьких температур

Характерною особливістю термоелектричного методу вимірювання низьких температур являється те що із зменшенням температури погіршуються умови генерації термоЕРС.

При переході в стан надпровідності термоелектричний ефект Зеєбека, на якому оснований принцип дії термопар, очевидно, повністю зникає.

Термопара мідь - константан в практиці вимірювання низьких температур отримала найбільш широке застосування.

Номінальна статична характеристика термопари мідь - константан для діапазону температур 2…273 К наведена в табл.2.

Таблиця 2.

Т, К	α, мкВ/град		Т, К	α, мкВ/град
3	- 0,165		153	- 25,105
33	- 8,150		173	- 27,406
53	- 12,170		193	- 29,616
73	- 15,127		213	- 31,759
93	- 17,752		233	- 33,778
113	- 20,272		253	- 35,715
133	- 22,715		273	- 37,163

На відміну від електронеоднорідності з чистих металів сплави часто виходять за рамки потреб по неоднорідності, що пред’являється до термоелектронів. Особливо це відноситься до константану, вибір якого для вимірювання низьких температур потребує особливої ретельності і уваги. Для термопар придатний тільки термопарний константан. Звичайна термоелектрична мідь задовольняє потреби по неоднорідності. Як видно з табл.2, термоЕРС термопари мідь - константан зменшується із збільшенням температури. При температурі нижче потрійної точки водню (13,81 К) використовуються сплави Кондо, значно більш ефективні, ніж термопара мідь - константан в діапазоні температур.

Висновки

Саме термопару мідь - константан ми використовували на лабораторіях спеціалізації для визначення коефіцієнта термоЕРС досліджуваного зразка InSb.

А також виконували градюювання термопари за допомогою еталонного рідинного термометра, та отримали наступну графічну заледність E (t) подану на рис.4.

Рис.4.

Потім, взявши дві точки на прямій, використали вираз для знаходження коефіцієнта термоЕРС.

Отримане експериментальне значення α близьке до табличного значення коефіцієнта термоЕРС (α_табл = 39 мкВ/град). Похибка має місце за рахунок наступних недоліків рідинного термометра:

1)  інерційноності показів;

2)  мертвого ходу;

3)  можливої нециліндричності форми капіляра.

А також похибка могла бути спричинена від неточності підтримання температури холодного спаю.

На відміну від рідинних термометрів, недоліками яких є недостатня точність і чутливість, малий вимірювальний діапазон неможливість дистанційних вимірів та ін., то термопари цих недоліків не мають.

Коефіцієнт термоЕРС добре відомий для більшості термопар. Оскільки малі напруги можна виміряти з великою точністю (за допомогою гальванометра чи потенціометра), то цим можна скористатись для вимірювання температури з точністю до 0,001^о С.

За допомогою термопари можна вимірювати температуру в широкому інтервалі (-200^о С ÷ 1600^о С).

Список використаних джерел

1.  Калашников С.Г. Електрика. навчальний посібник для університетів. Пер з 2-го рос. вид. - К.: Радянська школа, 1964, - 630 с.

2.  Геращенко О.А., Брунов А.Н. Температурные измерения. Справочник. - К.: Наукова думка, 1984, - 496 с.

3.  Дущенко В.П., Носомок В.М. Фызичний практикум. - К.: Радянська школа, 1965., - 336 с.

4.  Термопары. - Вікіпедіа. Вільна енциклопедія. Інтернет. http://ru. wikipedia.org/wiki/Термопары. (19.12.2009).