МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НІЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНІЙ УНІВЕРСИТЕТІМЕНІ МИКОЛИ ГОГОЛЯ
КАФЕДРА ФІЗИКИ
Курсова робота
Термоелектричніперетворювачі та їх застосування
Студента 4-го курсугрупи ПФ-41
фізико-математичногофакультету
ТРОФИМЧУКА ЛеонідаВолодимировича
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 неоднорідністьтермоелектродних матеріалів (термоелектрична неоднорідність)
6. Виготовлення термопар
7. Термопари для вимірювання низьких температур
Висновки
Список використаних джерел
1. Термоелектричні явища
Термоелектричні перетворювачі — це прилади, в якихзмінюється термоелектрорушійна сила при встановленій різниці температур. За певнимирозрахунками, при відомому значенні коефіцієнта термоЕРС, чи за допомогою графіказалежності ∆E(∆T) можна визначити дану різницю температур.
Дія термоелектричних перетворювачів основана на ефекті Зеєбека — одному із 12 термоелектричних явищ, відомиху фізиці твердого тіла.
Ефект Зеєбека — в електричномуколі, 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 відскладу матеріалу провідників, що утворюють термопару.
Термоелектрику відкрив Зеєбек ще в дводцятих рокахХІХ ст. Для її спостереження до мілівольтметра досить приєднати дві мідні дротиниі замкнути їх дротиною з іншого матеріалу, наприклад, заліза. Поки температура обохспаїв однакова, мілівольтметр не виявляє ніякої термоЕРС. Але при нагріванні одногоіз спаїв у колі виникає термоЕРС і стрілка мілівольтметра відхиляється. Якщо нагрітийспай охолодити і потім нагріти другий спай, то знак термоЕРС змінюється і стрілкамілівольтметра відхиляється в другий бік.
У певних невеликих діапазонах температур термоЕРСможна вважати, з достатньою для практики точністю, пропорційною різниці температурі коефіцієнту термоЕРС:
/>
Коефіцієнт термоЕРС α залежить, в першучергу, від матеріалу термоелектродів, а також від діапазону температур, в якомувикористовується термопара; в деяких випадках із зміною температури αзмінює знак.
У таблиці подано значення α в мілівольтах(10-6 В) на градус для деяких металів відносно платини при 0оС.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 термоЕРСα 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 напрямутермоструму і означає, що в нагрітому спаї струм проходив від металу з меншим (алгебраїчно)значенням α до другого. Отже, в парі залізо — константан струм у гарячомуспаї має напрям від константану ( — 34,4) до заліза (+ 16,0).2. Термопари
Термоперетворювачі, які працюють на основі ефектаЗеєбека, використовуються лише для вимірювання різниці температур. У більшості випадківпотрібно, щоб вимірювання температури було прив’язане до термодинамічної шкали,тому простіше всього це досягається, використанням диференційованої термопари, температураіз спаїв якої добре відома.
Як правило, вимірювана температура перевищує температуруоточуючого середовища, тому вимірюваний спай називається гарячим. Температурухолодного спаю простіше за все одержати, помістивши його в термоізольовануванну з танучим льодом.
Розлянемо принципову схему термоелектричногоперетворювача (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 електрода5 з вхідними контактами приладу. Необхідно, щоб матеріали, з яких виготовляютьсяклеми були термоелектрично нейтральними.
Області І та ІІ являють собою термоелемент, у якоготермоЕРС пропорційна різниці температур, але як правило має невеликі значення.
Для підвищення чутливості термоперетворювачів,їх з’єднують послідовно і отримують термобатарею (рис.2). Позначення відповідаютьпозначенням, що і на рис.1.
/>
Рис.2.3. Технічні можливості термоелектричнихперетворювачів
Термоелектричні перетворювачі задовольняють багатьомпотребам ідеального перетворювача. Вони прості, надійні в роботі і складаються,по суті, з двох термоелектродів. Їх конструктивні форми дозволяють забезпечуватималий показник теплової інерції. Вибравши відповідні матеріали термоелектродів,можна проводити вимірювання температур в широкому діапазоні (від 2 до 3000К). при цьому досягається висока точність перетворення (інструментальна похибкадо 0,01 К) і висока чутливість (до 100 мкВ/К). Термоелектричніперетворювачі являють собою ідеальні прилади для вимірювання різниць температур,величини яких в окремих випадках можуть доходити до 10-7 К. якщоматеріали тармоелектродів однорідні, ізотропні, то залежність термоЕРС термоелектричногоперетворювача від температури добре відтворювана. В зв’язку з цим перетворювачі,термопари яких виготовлені із однієї і тієї ж партії термоелектродів, можуть бутиповністю взаємозамінні.4. Основні правила поводження з термоелектричнимиколами
Правило Магнуса. ТермоЕРС, що виникає в замкненомуколі, яка утворена парою однорідних, ізотропних провідників, залежить тільки відтемпературі спаїв і не залежить від розподілу температури вздовж провідників.
Правило адитивності показів за температурою. Якщоє зростаюча послідовність температур ізотермічних просторів Т1 > Т2> Т3, то при вимірюванні їх термопарою з термоелектродами А — В, дієтаке правило адитивності:
/>
Правило адитивності показів за матеріалами. Якщодля вимірювання різниці температур (Т1 — Т2) існує деяка послідовністьтермоелектродних матеріалів А — В — С, то справедливі такі співвідношення:
/>
Із останніх двох правил випливає загальне правилоконструювання термоелектричних вимірювальних кіл: неоднорідність провідника допустималише в ізотермічній області і, навпаки, неізотермічність допустима тільки в однорідномупровіднику. Недопустиме є поєднання неоднорідності і неізотермічності. Тому приуведенні в коло термопари приладу для вимірювання термоЕРС необхідно забезпечитийого ізотермічність.
термоелектричний перетворювач коло термопара
5. Домішки і неоднорідність термоелектроднихматеріалів (термоелектрична неоднорідність)
Кожний ідеально чистий провідник має власну термоЕРС.Наявність в провіднику навіть мінімальної кількості домішок помітно впливає на їїзначення, таким чином, наявність домішок неминуче приводить до невідтворюваностірезультатів вимірювання.
Крім домішок провідники зазвичай мають структурнідефекти (точкові дефекти, граничні зерен, дислокації). Якщо домішки і дефекти розподіленів термоелектроді нерівномірно, то вони практично утворюють всередині термоелектродадиполі. При наявності градієнта температури вони впливають на значення термоЕРС,будь-які наступні зміни розподілу температури в цій області можуть привести до розбіжностіпоказів.
Хімічні неоднорідності характеризуються зміноюхімічного складу по об’єму термоелектрода. Вони можуть виникнути в термоелектродів результаті реакцій виділення нових фаз чи вибіркового випаровування компонентівсплаву. 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 дефектівкристалічної 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 такіумови: в неізотермічних областях електроди повинні бути однорідними; там де однорідністьнеможлива, неабхідна ізотермічність. При вимірюванні температури об’єктів під напругою,в яких знаходяться великі градієнти і швидкості зміни температури, важливу рольвідіграє місце з’єднання (спаю) термопар. Спай повинен задовольняти таким вимогам:мати високу механічну міцність:
1) місце спаю не повинне бути менш міцним, ніжматеріал термоелектродів;
2) мати високу хімічну стійкість: в агресивнихсередовищах спай не повинен піддаватися корозії швидше, ніж матеріал термоелектродів;
3) мати низький омічний опір;
4) зона неоднорідності у місці спаю повинна бутимінімальною;
5) перелічені вище вимоги повинні виконуватисьу 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. Передпаянням кінці термоелектродів ретельно лудяться. Луда не повинна виходити далекоза межі спаю. Перехід від лудженої ділянки до нелудженої повинен бути чітко обмеженим.Луда зазвичай наноситься гарячим способом (паяльником) чи гальванічним осадженняміз розчину.
Зі стандартних термоелектродів найважче лудитиалюміній, який перед луженням необхідно ретельно зачистити і обробити методом травленняв соляній кислоті. Після лудіння підготовлені кінці очищають від залишків флюсу,надлишків припою і промивають у теплій воді. Термоелектроди вкладають так, щоб кінцілуди були на однаковому рівні, а полуджені ділянки тісно закручують на два — чотириоберти. На скрутку накладають клаптик припою, а весь спай прогрівають, доки припійне заповнить місце контакту термоелектродів.
Паяння жорсткими мідно-срібно-цинковими припоями рекомендують для роботи при температурах до 700 0С. Зачищенітермоелектроди скручують так само, як при паянні олов’яно-свинцевими припоями. Місцеспаю укладають на вогнетривкий матеріал, щоб скрутка розміщалась з невеликим нахилому бік кінця спаю. Зверху на спай накладають шматок припою і засипають флюсом. Післяописаної підготовки місце спаю нагрівають в електричній печі чи за допомогою газовоїгорілки.
При газовому зварюванні заготовлені і скрученітармоелектроди оплавляють у полум’ї горілки доки не утвориться каплеподібний спай.Для більшості матеріалів бажано відновлюване полум’я. Лише платинові термоелектродилегко переносять більш сприятливе для них окислювальне середовище. Для виготовленнятермопар краще за все застосовувати воднево-кисневе полум’я. Висока температураполум’я дозволяє проводити зварювання з мінімальними розмірами зони прогріву. Слідутримуватись від поєднання зварювання з відпалом в горілці, що приводить до збільшеннязони неоднорідності, а значить, і до псування термопари. Відпалювання слід робитив спеціальних печах. Крім того, водень менш схильний до утворення з’єднань з термоелектроннимиматеріалами, ніж вуглець, що міститься, зазвичай, в усіх горючих газах. Особливоючутливістю до вуглецю відрізняються високотемпературні термопари, в яких небезпекакарбідизації спаю збільшується внаслідок того, що викликана нею неоднорідність привисоких температурах неперервно розповсюджується по термоелектроду (збільшуючи градієнтмікронапруг), все більш змінюючи властивості термопари.
Електрозварювання в дузі між двома електродамимало відрізняється від газового зварювання. Різниця полягаєв тому, що при електрозварюванні в дузі між двома електродами створюється більшінертне середовище. Зазвичай застосовують графітні електроди. В графітно-дуговомузварюванні відсутні майже всі недоліки газового, зокрема сильна карбідизація електродів.Для отримання нейтрального середовища електроди виготовляють із вольфраму, а в зонудуги вдувають інертний газ (частіше за все аргон) з невеликими домішками кисню дляпідтримки стійкості горіння дуги. Якщо після утворення спаю дугу вимкнути і датиспаю остигнути в інертному середовищі, то спай вийде у вигляді чистої блискучоїметалевої кульки, який не потребує ні очистки, ні наступної обробки. Насичення місця спаю вольфрамом незначне.
Конденсаторне зварювання. Для зварювання термопар застосовуються близькі за робочими параметрами зварювальнімашини ТКМ-4, ТКМ-7, ТКМ-8. При подачі напруги на вхідні клеми машини первинна обмоткастабілізуючого випрамляючого трансформатора СТВ отримує живлення через вимикач.Одразу після ввімкнення через селеновий двохнапівперіодний випрямляч починаєтьсязарядка батареї конденсаторів. Зарядка максимальної ємності продовжується не більше0,5 с. Ємність конденсаторної батареї визначається числом і положенням гніздштекерів, що вмикаються у верхньому ряду перемикача.
При натисненні на педаль машини електроди зближуютьсяі стискають зварювальний виріб, потім відбувається перемикання рухомої планки перемикачаіз правого положення в ліве. При цьому розмикається коло зарядження конденсаторіві негайно починається їх розрядження на первинну обмотку зварювального трансформатора,коефіцієнт трансформації якого регулюється перестановкою штекера в нижньому рядігнізд перемикача. Індукування у вторинній обмотці трансформатора імпульсу струмуобумовлює зварювання деталей, затиснених між електродами машини.
Принципова схема установки конденсаторного зварюваннязображне на рис.3.
/>
Рис.3.
За допомогою машини можна зварювати дроти діаметромвід 0,05 до 1,00 мм і приварювати їх до металевих поверхонь. Оскільки часзварювання триває мілісекунди, зона прогрівання незначно перевищує діаметр провідника.
Зварювання в оптичному зображенні сонцячи плазмової дуги може виконуватися в повністю інертному середовищі беззабруднення домішками. Оптична система з великою світлосилою дозволяє отримуватив 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 такихпристроях найбільш чисті сплави.7. Термопари для вимірювання низьких температур
Характерною особливістю термоелектричного методувимірювання низьких температур являється те що із зменшенням температури погіршуютьсяумови генерації термоЕРС.
При переході в стан надпровідності термоелектричнийефект Зеєбека, на якому оснований принцип дії термопар, очевидно, повністю зникає.
Термопара мідь — константан в практиці вимірюваннянизьких 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 металівсплави часто виходять за рамки потреб по неоднорідності, що пред’являєтьсядо термоелектронів. Особливо це відноситься до константану, вибірякого для вимірювання низьких температур потребує особливої ретельності і уваги.Для термопар придатний тільки термопарний константан. Звичайна термоелектрична мідьзадовольняє потреби по неоднорідності. Як видно з табл.2, термоЕРС термопари мідь- константан зменшується із збільшенням температури. При температурі нижче потрійноїточки водню (13,81 К) використовуються сплави Кондо, значно більш ефективні,ніж термопара мідь — константан в діапазоні температур.
Висновки
Саме термопару мідь — константан ми використовувалина лабораторіях спеціалізації для визначення коефіцієнта термоЕРС досліджуваногозразка InSb.
А також виконували градюювання термопари за допомогою еталонногорідинного термометра, та отримали наступну графічну заледність E (t) подану на рис.4.
/>
Рис.4.
Потім, взявши дві точки на прямій, використаливираз для знаходження коефіцієнта термоЕРС.
/>
/>
Отримане експериментальне значення α близькедо табличного значення коефіцієнта термоЕРС (αтабл = 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 неточностіпідтримання температури холодного спаю.
На відміну від рідинних термометрів, недолікамияких є недостатня точність і чутливість, малий вимірювальний діапазон неможливістьдистанційних вимірів та ін., то термопари цих недоліків не мають.
Коефіцієнт термоЕРС добре відомий для більшостітермопар. Оскільки малі напруги можна виміряти з великою точністю (за допомогоюгальванометра чи потенціометра), то цим можна скористатись для вимірювання температуриз точністю до 0,001о С.
За допомогою термопари можна вимірювати температурув широкому інтервалі (-200о С ÷ 1600о 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. ru. wikipedia.org/wiki/Термопары. (19.12.2009).