Konverter termoelektrik (termokopel)

Cara kerja termokopel

Sudah pada tahun 1821, Seebeck menemukan fenomena yang dinamai menurut namanya, yang terdiri dari fakta bahwa e Muncul dalam rangkaian tertutup yang terdiri dari bahan konduktor yang berbeda. dll. (disebut termo-EMC) jika titik kontak bahan ini dipertahankan pada suhu yang berbeda.

Dalam bentuknya yang paling sederhana, ketika rangkaian listrik terdiri dari dua konduktor yang berbeda, itu disebut termokopel, atau termokopel.

Inti dari fenomena Seebeck terletak pada kenyataan bahwa energi elektron bebas yang menyebabkan munculnya arus listrik pada kabel berbeda dan berubah secara berbeda dengan suhu. Oleh karena itu, jika ada perbedaan suhu di sepanjang kawat, elektron pada ujung panasnya akan memiliki energi dan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan ujung dingin, menyebabkan aliran elektron dari ujung panas ke ujung dingin pada kawat. Akibatnya, muatan akan menumpuk di kedua ujungnya — negatif pada dingin dan positif pada panas.

Karena muatan ini berbeda untuk kabel yang berbeda, ketika dua di antaranya dihubungkan dalam termokopel, termokopel diferensial akan muncul. dll. c. Untuk menganalisis fenomena yang terjadi pada termokopel, akan lebih mudah untuk mengasumsikan bahwa termokopel dihasilkan di dalamnya. dll. c E adalah jumlah dari dua gaya gerak listrik kontak e, yang terjadi di tempat kontaknya dan merupakan fungsi dari suhu kontak ini (Gbr. 1, a).

Beras. 1. Diagram sirkuit termoelektrik dua dan tiga kabel, diagram untuk menghubungkan alat pengukur listrik ke persimpangan dan termoelektroda dengan termokopel.

Gaya termoelektromotif yang timbul dalam rangkaian dua konduktor berbeda sama dengan perbedaan gaya gerak listrik di ujungnya.

Dari definisi ini dapat disimpulkan bahwa pada suhu yang sama di ujung termokopel, daya termoelektriknya. dll. s akan menjadi nol. Kesimpulan yang sangat penting dapat ditarik dari sini, yang memungkinkan untuk menggunakan termokopel sebagai sensor suhu.

Gaya gerak listrik termokopel tidak akan diubah dengan memasukkan kabel ketiga ke dalam sirkuitnya jika suhu di ujungnya sama.

Kabel ketiga ini dapat dimasukkan baik di salah satu sambungan maupun di bagian salah satu kabel (Gbr. 1.6, c). Kesimpulan ini dapat diperluas ke beberapa kabel yang dimasukkan ke sirkuit termokopel, asalkan suhu di ujungnya sama.

Oleh karena itu, alat pengukur (juga terdiri dari kabel) dan kabel penghubung yang mengarah ke sana dapat dimasukkan ke dalam rangkaian termokopel tanpa menyebabkan perubahan daya termoelektrik yang dikembangkan olehnya. e.c, hanya jika suhu titik 1 dan 2 atau 3 dan 4 (Gbr. 1, d dan e) sama. Dalam hal ini, suhu titik-titik ini mungkin berbeda dari suhu terminal perangkat, tetapi suhu kedua terminal harus sama.

Jika resistansi rangkaian termokopel tetap tidak berubah, arus yang mengalir melaluinya (dan karenanya pembacaan perangkat) hanya akan bergantung pada daya termoelektrik yang dikembangkan olehnya. d.dari, yaitu, dari suhu ujung kerja (panas) dan ujung bebas (dingin).

Juga, jika suhu ujung bebas termokopel dijaga konstan, pembacaan meteran hanya akan bergantung pada suhu ujung kerja termokopel. Perangkat semacam itu akan secara langsung menunjukkan suhu sambungan kerja termokopel.

Oleh karena itu, pirometer termoelektrik terdiri dari termokopel (termoelektroda), pengukur arus searah dan kabel penghubung.

Kesimpulan berikut dapat ditarik dari hal di atas.

1. Metode pembuatan ujung kerja termokopel (pengelasan, penyolderan, puntiran, dll.) Tidak mempengaruhi daya termoelektrik yang dikembangkan olehnya. dll. dengan, jika hanya dimensi ujung kerja sedemikian rupa sehingga suhu di semua titiknya sama.

2. Karena parameter yang diukur oleh perangkat bukan termoelektrik. dengan dan arus rangkaian termokopel, resistansi rangkaian operasi harus tetap tidak berubah dan sama dengan nilainya selama kalibrasi.Tetapi karena secara praktis tidak mungkin untuk melakukan ini, karena resistansi termoelektroda dan kabel penghubung berubah dengan suhu, salah satu kesalahan utama dari metode ini muncul: kesalahan ketidaksesuaian antara resistansi rangkaian dan resistansi selama kalibrasi.

Untuk mengurangi kesalahan ini, perangkat untuk pengukuran termal dibuat dengan resistansi tinggi (50-100 Ohm untuk pengukuran kasar, 200-500 Ohm untuk pengukuran yang lebih akurat) dan dengan koefisien listrik suhu rendah, sehingga resistansi total rangkaian (dan , oleh karena itu, hubungan antara arus dan — e. d. s.) bervariasi hingga minimum dengan fluktuasi suhu sekitar.

3. Pirometer termoelektrik selalu dikalibrasi pada suhu yang ditentukan dengan baik dari ujung bebas termokopel - pada 0 ° C. Biasanya suhu ini berbeda dari suhu kalibrasi dalam operasi, akibatnya kesalahan utama kedua dari metode ini terjadi : kesalahan pada suhu ujung termokopel bebas.

Karena kesalahan ini dapat mencapai puluhan derajat, maka perlu dilakukan koreksi yang sesuai pada pembacaan perangkat. Koreksi ini dapat dihitung jika suhu anak tangga diketahui.

Karena suhu ujung bebas termokopel selama kalibrasi sama dengan 0 ° C, dan dalam pengoperasian biasanya di atas 0 ° C (ujung bebas biasanya berada di dalam ruangan, seringkali terletak di dekat oven yang suhunya diukur ), pirometer memberikan perkiraan yang terlalu rendah dibandingkan dengan suhu terukur sebenarnya, indikasi dan nilai yang terakhir harus ditingkatkan dengan nilai koreksi.

Ini biasanya dilakukan secara grafis. Hal ini disebabkan fakta bahwa biasanya tidak ada proporsionalitas antara termoset.dll. hal. dan suhu. Jika hubungan di antara mereka sebanding, maka kurva kalibrasi adalah garis lurus dan dalam hal ini koreksi suhu ujung bebas termokopel akan langsung sama dengan suhunya.

Desain dan jenis termokopel

Persyaratan berikut berlaku untuk bahan termoelektroda:

1) termoelektrik tinggi. dll. v. dan dekat dengan sifat proporsional perubahannya dari suhu;

2) tahan panas (non-oksidasi pada suhu tinggi);

3) keteguhan sifat fisik dari waktu ke waktu dalam suhu yang diukur;

4) konduktivitas listrik yang tinggi;

5) koefisien resistensi suhu rendah;

6) kemungkinan produksi dalam jumlah besar dengan sifat fisik konstan.

Komisi Elektroteknik Internasional (IEC) telah menetapkan beberapa jenis termokopel standar (standar IEC 584-1). Elemen memiliki indeks R, S, B, K, J, E, T sesuai dengan rentang suhu yang diukur.

Dalam industri, termokopel digunakan untuk mengukur suhu tinggi, hingga 600 — 1000 — 1500˚C. Termokopel industri terdiri dari dua logam atau paduan tahan api. Sambungan panas (ditandai dengan huruf «G») ditempatkan di tempat suhu diukur, dan sambungan dingin («X») terletak di area tempat alat pengukur berada.

Termokopel standar berikut ini sedang digunakan.

Termokopel platinum-rhodium-platinum. Termokopel ini dapat digunakan untuk mengukur suhu hingga 1300 °C untuk penggunaan jangka panjang dan hingga 1600 °C untuk penggunaan jangka pendek, asalkan digunakan dalam atmosfer pengoksidasi.Pada suhu sedang, termokopel platinum-rhodium-platinum terbukti sangat andal dan stabil, oleh karena itu digunakan sebagai contoh pada kisaran 630-1064 ° C.

Termokopel krom-alumel. Termokopel ini dirancang untuk mengukur suhu untuk penggunaan jangka panjang hingga 1000 ° C dan untuk penggunaan jangka pendek hingga 1300 ° C. Mereka bekerja dengan andal dalam batas ini di atmosfer pengoksidasi (jika tidak ada gas korosif), karena ketika dipanaskan pada permukaan elektroda, film oksida pelindung tipis yang mencegah oksigen menembus logam.

Termokopel Chromel-Copel… Termokopel ini dapat mengukur suhu hingga 600°C dalam waktu lama dan hingga 800°C dalam waktu singkat. Mereka bekerja dengan sukses di atmosfer pengoksidasi dan pereduksi, serta dalam ruang hampa.

Termokopel Iron Copel... Batas pengukurannya sama dengan termokopel chromel-copel, kondisi pengoperasiannya sama. Ini memberi lebih sedikit termo. dll. vs dibandingkan dengan termokopel XK: 30,9 mV pada 500 ° C, tetapi ketergantungannya pada suhu mendekati proporsional. Kelemahan signifikan dari termokopel LC adalah korosi pada elektroda besinya.

Termokopel tembaga-tembaga... Karena tembaga dalam atmosfer pengoksidasi mulai teroksidasi secara intensif pada suhu 350 ° C, kisaran penerapan termokopel ini adalah 350 ° C untuk waktu yang lama dan 500 ° C untuk waktu yang singkat. Dalam ruang hampa, termokopel ini dapat digunakan hingga 600 °C.

Kurva ketergantungan termo-e. dll. suhu untuk termokopel yang paling umum. 1 — bajingan chromel; 2—bajingan besi; 3 — bajingan tembaga; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — chromel-alumel; 7-platinum-rhodium-platinum; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

Resistansi termoelektroda termokopel standar yang terbuat dari logam dasar adalah 0,13-0,18 ohm per 1 m panjang (kedua ujungnya), untuk termokopel platinum-rhodium-platinum 1,5-1,6 ohm per 1 m Penyimpangan daya termoelektrik yang diperbolehkan. dll. dari kalibrasi untuk termokopel non-mulia adalah ± 1%, untuk platinum-rhodium-platinum ± 0,3-0,35%.

Termokopel standar adalah batang dengan diameter 21-29 mm dan panjang 500-3000 mm. Di bagian atas tabung pelindung ditempatkan kepala yang dicap atau dicor (biasanya aluminium) dengan pelat karbolit atau bakelite, di mana dua pasang kabel ditekan dengan klem sekrup yang dihubungkan berpasangan. Termoelektroda dipasang ke satu terminal, dan ke terminal lainnya dihubungkan kabel penghubung yang mengarah ke alat pengukur. Terkadang kabel penghubung ditutup dengan selang pelindung yang fleksibel. Jika perlu untuk menutup lubang tempat termokopel dipasang, yang terakhir dilengkapi dengan fitting berulir. Untuk bak mandi, termokopel juga dibuat dengan bentuk siku.

Hukum termokopel

Hukum suhu internal: Kehadiran gradien suhu dalam konduktor homogen tidak menyebabkan munculnya arus listrik (tidak ada EMF tambahan yang terjadi).

Hukum konduktor perantara: Biarkan dua konduktor homogen dari logam A dan B membentuk sirkuit termoelektrik dengan kontak pada suhu T1 (sambungan panas) dan T2 (sambungan dingin). Seutas kawat logam X dimasukkan ke dalam putusnya kawat A dan dua kontak baru terbentuk. «Jika suhu kawat X sama sepanjang panjangnya, maka EMF yang dihasilkan dari termokopel tidak akan berubah (tidak ada EMF yang muncul dari persimpangan tambahan).»