Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Приборы на базе структуры металл - металл Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока[1]: , где: — количество выделенного или поглощённого тепла; — сила тока; — время протекания тока; — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС вторым соотношением Томсона [2] , где — абсолютная температура в K. Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека. Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье. Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта. Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом. Данный эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.[1] Описание Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( ) и холодного ( ) контактов. В небольшом интервале температур термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур: где — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС). В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак. Более корректное выражение для термо-ЭДС: Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ)[2]. Объяснение эффекта Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; вполупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалыэлектронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, где — энергия Ферми, — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

 

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется, в основном, для измерения температуры.

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, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединенные навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. 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 температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. 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.

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 ^[1]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— 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.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевогосплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры^[2]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах - ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае затухания пламени, ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920-х — 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

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

· 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 нелинейна. 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.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

· платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R

· платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S

· платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B

· железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J

· медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т

· нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.

· хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K

· хромель-константановые ТХКн — Тип E

· хромель-копелевые — ТХК — Тип L

· медь-копелевые — ТМК — Тип М

· сильх-силиновые — ТСС — Тип I

· вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ ^[3].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары МЭК	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный диапазон °C (кратковременно)	Класс точности 1 (°C)	Класс точности 2 (°C)
K	41	0 до +1100	−180 до +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J	55.2	0 до +700	−180 to +800	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 750 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N		0 до +1100	−270 to +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R		0 до +1600	−50 to +1700	±1.0 от 0 °C до 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S		0 до 1600	−50 до +1750	±1.0 от 0 °C до 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B		+200 до +1700	0 до +1820		±0.0025×T от 600 °C до 1700 °C
T		−185 до +300	−250 до +400	±0.5 от −40 °C до 125 °C ±0.004×T от 125 °C до 350 °C	±1.0 от −40 °C до 133 °C ±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E	68	0 до +800	−40 до +900	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 800 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

Биметалли́ческая пласти́на — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.
Устройство

Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается.

Представляет собой отрезок ленты из биметалла. Один конец ленты, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой — перемещается в зависимости от температуры пластины.

Встречаются устройства, состоящие из двух пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается.

Работоспособны в очень широком диапазоне температур^[1].

Применение

Термостаты и защитные устройства[править | править вики-текст]

биметаллическая пластина, используемая в реле защиты электродвигателя

Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).

Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов).

Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).

---

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 418; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!