ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 году Зеебеком. Оно заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников А и В, причём температуру θ₁ одного места соединения сделать отличной от температуры θ₀ другого места соединения, то в цепи появится ЭДС, называемая термо-ЭДС (рис. 13.1.):

.                         (13.13)

Такая цепь представляет собой простейший термоэлектрический преобразователь или термопару.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС. можно считать пропорциональной разности температур:

.                                       (13.14)

Рис. 13.1. Простейший термоэлектрический преобразователь (термопара).

 

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, подчиняющихся закону Ома, величина термо-ЭДС, зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества является обратимым, обратный эффект был открыт в 1834 году Жаном Пельтье:

«Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом».

Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность, пропорциональная силе тока, зависит от природы материалов, образующий спай, и пропорциональна коэффициенту Пельтье (p_АВ):

.                                     (13.15)

Если один спай термопары (Рис. 13.2), называемый рабочим, поместить в среду с температурой θ₁, а температуру θ₀ других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной( f(θ₀)=const), то в контуре термопары появляется термо-ЭДС, пропорциональная измеряемой температуре θ₁, независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. п.):

.                       (13.16)

 

 

    

 

Рис. 13.2. Схемы включения термопар

 

Для измерения термо-ЭДС в контур термопары включается милливольтметр.

Значения термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая θ₁=100⁰С и нерабочем спае θ₀=0⁰С, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Материал	Термо-ЭДС	Материал	Термо-ЭДС
кремний	+44,8	графит	+0,32
нихром	+2,2	алюминий	+0,40
железо	+1,8	палладий	– 0,57
вольфрам	+0,8	никель	– 1,5
серебро	+0,72	константан	– 3,4
свинец	+0,44	пирит	– 12,1
олово	+0,42	молибденит	От – 69 до – 104

  

При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термо-ЭДС. В таблице 1 приведены характеристики термопар при разнице температур холодного и горячего спаев .

-

+

Rт

               

Рис. 13.3. Компенсация изменения температуры нерабочего спая.

 

В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор  из медной или никелевой проволоки, помещенной возле нерабочих спаев термопары (остальные сопротивления моста  выполнены из манганитовых резисторов). При температуре  мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю.

При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление  увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста корректирует уменьшение термо-ЭДС термопары.

Кроме промышленного измерения температур, специальные термопары применяют при измерениях тепловой радиации для измерения температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольтметров и ваттметров. Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения их чувствительности они должны поглощать минимальное количества тепла.

Поэтому такие термопары выполняют из тонкой проволоки диаметра d=5 – 10 мкм.

Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих батарею. Рабочие спаи термопар располагают на чернёном лепестке, поглощающем излучение, холодные концы располагают на массивном медном кольце, служащем теплоотводом.

1

 

Рис. 13.4. Батарея термопар в пирометре излучения

 

Схема включения термопары в устройство для автоматического введения поправки на температуру нерабочих спаев (устройство КТ – 08) показана на рис. 13.3.

В цепь термопары и милливольтметра включён мост, одним из плеч которого является терморезистор R_Т из медной или никелевой проволоки, помещённый возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре θ₀ мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю.

При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление R_Т увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста корректирует уменьшение термо-ЭДС термопары.