ממירים תרמיים (צמדים תרמיים)

איך עובד צמד תרמי

כבר בשנת 1821 גילה סיבק תופעה הקרויה על שמו, המורכבת מכך ש-e. מופיעה במעגל סגור המורכב מחומרים מוליכים שונים. וכו ' (מה שנקרא thermo-EMC) אם נקודות המגע של חומרים אלה נשמרות בטמפרטורות שונות.

בצורתו הפשוטה ביותר, כאשר מעגל חשמלי מורכב משני מוליכים שונים, הוא נקרא צמד תרמי, או צמד תרמי.

המהות של תופעת סיבק נעוצה בעובדה שהאנרגיה של אלקטרונים חופשיים, הגורמים להופעת זרם חשמלי בחוטים, שונה ומשתנה באופן שונה עם הטמפרטורה. לכן, אם יש הפרש טמפרטורה לאורך החוט, האלקטרונים בקצה החם שלו יהיו בעלי אנרגיות ומהירויות גבוהות יותר בהשוואה לקצה הקר, מה שיגרום לזרימת אלקטרונים מהקצה החם לקצה הקר בחוט. כתוצאה מכך, מטענים יצטברו בשני הקצוות - שלילי על קר וחיובי על חם.

מכיוון שמטענים אלו שונים עבור חוטים שונים, אז כאשר שניים מהם מחוברים בצמד תרמי, יופיע צמד תרמי דיפרנציאלי. וכו ' ג.כדי לנתח את התופעות המתרחשות בצמד התרמי, נוח להניח שהצמד התרמי שנוצר בו. וכו ' ג E הוא סכום של שני כוחות אלקטרו-מוטיביים e של מגע, המתרחשים במקומות המגע ביניהם והם פונקציה של הטמפרטורה של מגעים אלה (איור 1, א).

אורז. 1. תרשים של מעגל תרמו-אלקטרי דו ותלת-חוטי, תרשים לחיבור מכשיר מדידה חשמלי לצומת ותרמו-אלקטרודה עם צמד תרמי.

הכוח התרמו-אלקטרו-מוטיבי הנובע במעגל של שני מוליכים שונים שווה להפרש הכוחות האלקטרו-מוטיביים בקצותיהם.

מהגדרה זו עולה שבטמפרטורות שוות בקצוות הצמד התרמי, ההספק התרמואלקטרי שלו. וכו ' s יהיה אפס. ניתן להסיק מכך מסקנה חשובה ביותר, המאפשרת להשתמש בצמד תרמי כחיישן טמפרטורה.

הכוח האלקטרו-מוטיבי של צמד תרמי לא ישתנה על ידי הכנסת חוט שלישי למעגל שלו אם הטמפרטורות בקצותיו זהות.

חוט שלישי זה יכול להיכלל הן באחד הצמתים והן בקטע של אחד החוטים (איור 1.6, ג). ניתן להרחיב מסקנה זו למספר חוטים המוכנסים למעגל התרמי, כל עוד הטמפרטורות בקצותיהם זהות.

לכן, ניתן לשלב מכשיר מדידה (המורכב גם מחוטים) וחוטי חיבור המובילים אליו במעגל התרמי מבלי לגרום לשינוי בהספק התרמו-אלקטרי שפותח על ידו. ה.ג, רק אם הטמפרטורות של נקודות 1 ו-2 או 3 ו-4 (איור 1, d ו-e) שוות. במקרה זה, הטמפרטורה של נקודות אלה עשויה להיות שונה מהטמפרטורה של המסופים של המכשיר, אך הטמפרטורה של שני המסופים חייבת להיות זהה.

אם ההתנגדות של המעגל התרמי נשאר ללא שינוי, הזרם הזורם דרכו (ולכן קריאת המכשיר) יהיה תלוי רק בכוח התרמו-אלקטרי שפותח על ידו. ד מ, כלומר, מהטמפרטורות של קצוות העבודה (החמים) והחופשיים (הקרים).

כמו כן, אם הטמפרטורה של הקצה החופשי של הצמד התרמי נשמרת קבועה, קריאת המונה תהיה תלויה רק ​​בטמפרטורה של קצה העבודה של הצמד התרמי. מכשיר כזה יציין ישירות את הטמפרטורה של צומת העבודה של הצמד התרמי.

לכן פירומטר תרמו-אלקטרי מורכב מצמד תרמי (תרמו-אלקטרודות), מד זרם ישר וחוטי חיבור.

את המסקנות הבאות ניתן להסיק מהאמור לעיל.

1. שיטת ייצור קצה העבודה של הצמד התרמי (ריתוך, הלחמה, פיתול וכו') אינה משפיעה על ההספק התרמו-אלקטרי שפותח על ידו. וכו ' עם, אם רק הממדים של קצה העבודה הם כאלה שהטמפרטורה בכל נקודותיו זהה.

2. כי הפרמטר הנמדד על ידי המכשיר אינו תרמו-אלקטרי. עם זרם המעגל התרמי, יש צורך שהתנגדות מעגל ההפעלה תישאר ללא שינוי ושווה לערכה במהלך הכיול.אבל מכיוון שזה כמעט בלתי אפשרי לעשות זאת, מכיוון שההתנגדות של התרמו-אלקטרודות וחוטי החיבור משתנה עם הטמפרטורה, מתעוררת אחת השגיאות העיקריות של השיטה: השגיאה של חוסר ההתאמה בין התנגדות המעגל להתנגדות שלו במהלך כיול.

כדי להפחית שגיאה זו, מכשירים למדידות תרמיות מיוצרים עם התנגדות גבוהה (50-100 אוהם למדידות גסות, 200-500 אוהם למדידות מדויקות יותר) ועם מקדם חשמלי בטמפרטורה נמוכה, כך שההתנגדות הכוללת של המעגל (ו , לפיכך, הקשר בין זרם ו - e. d. s.) משתנה למינימום עם תנודות בטמפרטורת הסביבה.

3. פירומטרים תרמו-אלקטריים מכוילים תמיד בטמפרטורה מוגדרת היטב של הקצה החופשי של הצמד התרמי - ב-0 ° C. בדרך כלל טמפרטורה זו שונה מטמפרטורת הכיול בפעולה, וכתוצאה מכך מתרחשת השגיאה העיקרית השנייה של השיטה : השגיאה בטמפרטורה של קצה הצמד התרמי הפנוי.

מכיוון ששגיאה זו יכולה להגיע לעשרות מעלות, יש צורך לבצע תיקון מתאים של קריאות המכשיר. ניתן לחשב תיקון זה אם ידועה טמפרטורת העליות.

מכיוון שהטמפרטורה של הקצה החופשי של הצמד התרמי במהלך הכיול שווה ל-0 מעלות צלזיוס, ובפעולה היא בדרך כלל מעל 0 מעלות צלזיוס (הקצוות החופשיים נמצאים בדרך כלל בחדר, לרוב הם ממוקמים ליד התנור שהטמפרטורה שלו נמדדת ), הפיירומטר נותן הערכת חסר בהשוואה לטמפרטורה הנמדדת בפועל, יש להגדיל את האינדיקציה והערך של האחרון בערך התיקון.

זה נעשה בדרך כלל בצורה גרפית. זה נובע מהעובדה שבדרך כלל אין פרופורציונליות בין התרמוסטים.וכו ' עמ' וטמפרטורה. אם היחס ביניהם הוא פרופורציונלי, אז עקומת הכיול היא קו ישר ובמקרה זה התיקון לטמפרטורת הקצה החופשי של הצמד התרמי יהיה שווה ישירות לטמפרטורה שלו.

עיצוב וסוגי צמדים תרמיים

הדרישות הבאות חלות על חומרי התרמו-אלקטרודה:

1) תרמו חשמל גבוה. וכו ' v. וקרוב לאופי הפרופורציונלי של השינוי שלו מהטמפרטורה;

2) עמידות בחום (אי חמצון בטמפרטורות גבוהות);

3) קביעות של תכונות פיזיקליות לאורך זמן בתוך הטמפרטורות הנמדדות;

4) מוליכות חשמלית גבוהה;

5) מקדם התנגדות בטמפרטורה נמוכה;

6) אפשרות לייצור בכמויות גדולות עם תכונות פיזיקליות קבועות.

הנציבות האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) הגדירה כמה סוגים סטנדרטיים של צמדים תרמיים (תקן IEC 584-1). לאלמנטים יש מדדים R, S, B, K, J, E, T לפי טווח הטמפרטורות הנמדד.

בתעשייה משתמשים בצמדים תרמיים למדידת טמפרטורות גבוהות, עד 600 - 1000 - 1500˚C. צמד תרמי תעשייתי מורכב משתי מתכות עקשן או סגסוגות. הצומת החם (מסומן באות «G») ממוקם במקום שבו נמדדת הטמפרטורה, והצומת הקר («X») ממוקם באזור שבו נמצא מכשיר המדידה.

הצמדים התרמיים הסטנדרטיים הבאים נמצאים כעת בשימוש.

צמד תרמי פלטינה-רודיום-פלטינה. ניתן להשתמש בצמדים תרמיים אלו למדידת טמפרטורות של עד 1300 מעלות צלזיוס לשימוש ארוך טווח ועד 1600 מעלות צלזיוס לשימוש קצר טווח, בתנאי שהם משמשים באווירה מחמצנת.בטמפרטורות בינוניות, הצמד התרמי פלטינה-רודיום-פלטינה הוכיח את עצמו כאמין ויציב מאוד, וזו הסיבה שהוא משמש כדוגמה בטווח של 630-1064 מעלות צלזיוס.

צמד תרמי של כרום-אלומל. צמדים תרמיים אלו מיועדים למדידת טמפרטורות לשימוש ארוך טווח עד 1000 מעלות צלזיוס ולשימוש קצר טווח עד 1300 מעלות צלזיוס. הם פועלים בצורה מהימנה בגבולות אלו באווירה מחמצנת (אם אין גזים קורוזיביים), כי כאשר מחומם על פני האלקטרודות, סרט תחמוצת מגן דק המונע מחמצן לחדור למתכת.

Chromel-Copel Thermocouple... צמדים תרמיים אלו יכולים למדוד טמפרטורות של עד 600 מעלות צלזיוס למשך זמן ארוך ועד 800 מעלות צלזיוס לזמן קצר. הם פועלים בהצלחה הן בחמצון והן בהפחתת אטמוספרות, כמו גם בוואקום.

צמד תרמי ברזל... גבולות המדידה זהים לצמדים תרמיים כרומל-קופל, תנאי ההפעלה זהים. זה נותן פחות תרמו. וכו ' לעומת הצמד התרמי XK: 30.9 mV ב-500 מעלות צלזיוס, אך התלות שלו בטמפרטורה קרובה יותר לפרופורציונלי. חסרון משמעותי של הצמד התרמי LC הוא קורוזיה של אלקטרודת הברזל שלו.

צמד תרמי נחושת... היות ונחושת באווירה מחמצנת מתחילה להתחמצן באופן אינטנסיבי כבר ב-350 מעלות צלזיוס, טווח היישום של צמדים תרמיים אלו הוא 350 מעלות צלזיוס לזמן ארוך ו-500 מעלות צלזיוס לזמן קצר. בוואקום, ניתן להשתמש בצמדים תרמיים אלה עד 600 מעלות צלזיוס.

עקומות תלות Thermo-e. וכו ' של טמפרטורה עבור הצמדים התרמיים הנפוצים ביותר. 1 - כרומל-ממזר; 2 - ממזר ברזל; 3 - נחושת-ממזר; 4 - TGBC -350M; 5 - TGKT-360M; 6 - כרומל-אלומל; 7-פלטינה-רודיום-פלטינה; 8 - TMSV-340M; 9 - PR -30/6.

ההתנגדות של התרמו-אלקטרודות של צמדים תרמיים סטנדרטיים העשויים ממתכות בסיסיות היא 0.13-0.18 אוהם לכל 1 מ' אורך (שני קצוות), עבור צמדים תרמיים פלטינה-רודיום-פלטינה 1.5-1.6 אוהם ל-1 מ' סטיות הספק תרמו-אלקטריות מותרות. וכו ' מכיול עבור צמדים תרמיים שאינם אצילים הם ± 1%, עבור פלטינה-רודיום-פלטינה ± 0.3-0.35%.

הצמד התרמי הסטנדרטי הוא מוט בקוטר של 21-29 מ"מ ואורך של 500-3000 מ"מ. על החלק העליון של צינור המגן מניחים ראש מוטבע או יצוק (בדרך כלל אלומיניום) עם פלטת קרבוליט או בקליט, שאליו נלחצים שני זוגות חוטים עם מהדקים ברגים המחוברים בזוגות. התרמו-אלקטרודה מחוברת למסוף אחד, ולשני מחובר חוט חיבור המוביל למכשיר המדידה. לפעמים חוטי החיבור סגורים בצינור מגן גמיש. אם יש צורך לאטום את החור שבו מותקן הצמד התרמי, זה האחרון מסופק עם חיבור הברגה. עבור אמבטיות, צמדים תרמיים עשויים גם עם צורת מרפק.

חוקים של צמדים תרמיים

חוק טמפרטורה פנימי: נוכחות של שיפוע טמפרטורה במוליך הומוגנית אינה מובילה להופעת זרם חשמלי (לא מתרחש EMF נוסף).

חוק מוליכים ביניים: תנו לשני מוליכים הומוגניים של מתכות A ו-B ליצור מעגל תרמו-אלקטרי עם מגעים בטמפרטורות T1 (צומת חם) ו-T2 (צומת קר). חוט מתכת X כלול בקרע של חוט A ונוצרים שני מגעים חדשים. "אם הטמפרטורה של חוט X זהה לכל אורכו, אזי ה-EMF המתקבל של הצמד התרמי לא ישתנה (לא נוצר EMF מצמתים נוספים)."