ตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก (เทอร์โมคัปเปิล)

วิธีการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล

ในปี พ.ศ. 2364 Seebeck ได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่ตั้งชื่อตามเขาซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่า e. ปรากฏในวงจรปิดซึ่งประกอบด้วยวัสดุตัวนำที่แตกต่างกัน เป็นต้น (เรียกว่าเทอร์โมอีเอ็มซี) หากจุดสัมผัสของวัสดุเหล่านี้ได้รับการบำรุงรักษาที่อุณหภูมิต่างกัน

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด เมื่อวงจรไฟฟ้าประกอบด้วยตัวนำที่แตกต่างกัน 2 ตัว จะเรียกว่าเทอร์โมคัปเปิลหรือเทอร์โมคัปเปิล

สาระสำคัญของปรากฏการณ์ Seebeck อยู่ที่ความจริงที่ว่าพลังงานของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในสายไฟนั้นแตกต่างกันและเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ดังนั้นหากมีความแตกต่างของอุณหภูมิตามเส้นลวด อิเล็กตรอนที่ปลายร้อนจะมีพลังงานและความเร็วที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับปลายที่เย็น ทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนจากปลายที่ร้อนไปยังปลายที่เย็นในเส้นลวด ผลก็คือ ประจุจะสะสมที่ปลายทั้งสองด้าน — ลบเมื่อเย็นและบวกเมื่อร้อน

เนื่องจากประจุเหล่านี้แตกต่างกันไปตามสายต่างๆ ดังนั้นเมื่อสองประจุเชื่อมต่อกันในเทอร์โมคัปเปิล เทอร์โมคัปเปิลแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะปรากฏขึ้น เป็นต้น c. ในการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในเทอร์โมคัปเปิล สะดวกที่จะสันนิษฐานว่าเทอร์โมคัปเปิลสร้างขึ้นในนั้น เป็นต้น c. E คือผลรวมของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่สัมผัสกันสองแรง e ซึ่งเกิดขึ้น ณ ตำแหน่งที่สัมผัสกันและเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิของหน้าสัมผัสเหล่านี้ (รูปที่ 1, a)

ข้าว. 1. ไดอะแกรมของวงจรเทอร์โมอิเล็กทริกแบบสองและสามสาย ไดอะแกรมสำหรับเชื่อมต่ออุปกรณ์วัดทางไฟฟ้าเข้ากับทางแยกและเทอร์โมอิเล็กโทรดกับเทอร์โมคัปเปิล

แรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟที่เกิดขึ้นในวงจรของตัวนำสองตัวที่ต่างกันนั้นมีค่าเท่ากับความแตกต่างของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ปลายพวกมัน

จากคำจำกัดความนี้ เป็นไปตามอุณหภูมิที่เท่ากันที่ปลายของเทอร์โมคัปเปิล พลังงานของเทอร์โมอิเล็กทริก เป็นต้น s จะเป็นศูนย์ ข้อสรุปที่สำคัญอย่างยิ่งสามารถดึงมาจากสิ่งนี้ ซึ่งทำให้สามารถใช้เทอร์โมคัปเปิลเป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิได้

แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิลจะไม่เปลี่ยนแปลงโดยการนำสายที่สามเข้ามาในวงจร ถ้าอุณหภูมิที่ปลายเท่ากัน

สายที่สามนี้สามารถรวมอยู่ในทางแยกใดทางหนึ่งและในส่วนของสายใดสายหนึ่ง (รูปที่ 1.6, c) ข้อสรุปนี้สามารถขยายไปยังสายไฟหลายเส้นที่ต่อเข้ากับวงจรเทอร์โมคัปเปิล ตราบใดที่อุณหภูมิที่ปลายสายยังเท่ากัน

ดังนั้นอุปกรณ์วัด (ประกอบด้วยสายไฟด้วย) และสายไฟเชื่อมต่อที่นำไปสู่วงจรเทอร์โมคัปเปิลจึงสามารถรวมอยู่ในวงจรเทอร์โมคัปเปิลได้โดยไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเทอร์โมที่พัฒนาขึ้น อีc เฉพาะในกรณีที่อุณหภูมิของจุดที่ 1 และ 2 หรือ 3 และ 4 (รูปที่ 1, d และ e) เท่ากัน ในกรณีนี้ อุณหภูมิของจุดเหล่านี้อาจแตกต่างจากอุณหภูมิของขั้วของอุปกรณ์ แต่อุณหภูมิของขั้วทั้งสองจะต้องเท่ากัน

หากความต้านทานของวงจรเทอร์โมคัปเปิลยังคงไม่เปลี่ยนแปลง กระแสที่ไหลผ่าน (และดังนั้นการอ่านค่าของอุปกรณ์) จะขึ้นอยู่กับพลังงานเทอร์โมอิเล็กตริกที่พัฒนาขึ้นเท่านั้น d จาก นั่นคือจากอุณหภูมิของการทำงาน (ร้อน) และสิ้นสุด (เย็น) ฟรี

นอกจากนี้ หากอุณหภูมิของปลายด้านที่ว่างของเทอร์โมคัปเปิลคงที่ ค่าที่อ่านได้ของมิเตอร์จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของปลายเทอร์โมคัปเปิลที่ทำงานเท่านั้น อุปกรณ์ดังกล่าวจะระบุอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อการทำงานของเทอร์โมคัปเปิลโดยตรง

ดังนั้นเทอร์โมอิเล็กทริกไพโรมิเตอร์จึงประกอบด้วยเทอร์โมคัปเปิล (เทอร์โมอิเล็กโทรด) มิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงและสายเชื่อมต่อ

ข้อสรุปต่อไปนี้สามารถสรุปได้จากข้างต้น

1. วิธีการผลิตปลายการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล (การเชื่อม การบัดกรี การบิด ฯลฯ) ไม่ส่งผลต่อพลังงานเทอร์โมที่พัฒนาขึ้น เป็นต้น ด้วยหากขนาดของจุดสิ้นสุดการทำงานเท่านั้นที่อุณหภูมิเท่ากันทุกจุด

2. เนื่องจากพารามิเตอร์ที่วัดโดยอุปกรณ์ไม่ใช่เทอร์โมอิเล็กทริก กับและกระแสของวงจรเทอร์โมคัปเปิล มีความจำเป็นที่ความต้านทานของวงจรการทำงานจะไม่เปลี่ยนแปลงและมีค่าเท่ากับค่าของมันในระหว่างการสอบเทียบแต่เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติเนื่องจากความต้านทานของเทอร์โมอิเล็กโทรดและสายเชื่อมต่อเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิหนึ่งในข้อผิดพลาดหลักของวิธีการจึงเกิดขึ้น: ข้อผิดพลาดของความไม่ตรงกันระหว่างความต้านทานของวงจรและความต้านทานระหว่างการสอบเทียบ

เพื่อลดข้อผิดพลาดนี้ อุปกรณ์สำหรับการวัดความร้อนจะทำขึ้นโดยมีความต้านทานสูง (50-100 โอห์มสำหรับการวัดแบบคร่าวๆ, 200-500 โอห์มสำหรับการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น) และมีค่าสัมประสิทธิ์ไฟฟ้าอุณหภูมิต่ำ เพื่อให้ความต้านทานรวมของวงจร (และ ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและ — e. d. s.) จะแปรผันน้อยที่สุดโดยมีความผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อม

3. เทอร์โมอิเล็กทริกไพโรมิเตอร์ได้รับการสอบเทียบเสมอที่อุณหภูมิที่กำหนดไว้อย่างดีของปลายเทอร์โมคัปเปิลที่ว่าง - ที่ 0 ° C โดยปกติอุณหภูมินี้จะแตกต่างจากอุณหภูมิการสอบเทียบในการทำงาน ซึ่งเป็นผลมาจากข้อผิดพลาดหลักประการที่สองของวิธีการเกิดขึ้น : ข้อผิดพลาดในอุณหภูมิของปลายเทอร์โมคัปเปิลอิสระ

เนื่องจากข้อผิดพลาดนี้อาจสูงถึงหลายสิบองศา จึงจำเป็นต้องทำการแก้ไขค่าที่อ่านได้ของอุปกรณ์ให้เหมาะสม การแก้ไขนี้สามารถคำนวณได้หากทราบอุณหภูมิของไรเซอร์

เนื่องจากอุณหภูมิของปลายเทอร์โมคัปเปิลที่ว่างในระหว่างการสอบเทียบมีค่าเท่ากับ 0 ° C และในการทำงานมักจะสูงกว่า 0 ° C (ปลายที่ว่างมักจะอยู่ในห้องจึงมักอยู่ใกล้เตาอบที่มีการวัดอุณหภูมิ ) ไพโรมิเตอร์ให้ค่าที่ประเมินต่ำไปเมื่อเทียบกับอุณหภูมิที่วัดจริง การบ่งชี้และค่าของค่าหลังจะต้องเพิ่มขึ้นตามค่าการแก้ไข

โดยปกติจะทำแบบกราฟิก นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเทอร์โมเซ็ตมักจะไม่มีสัดส่วนเป็นต้น หน้าและอุณหภูมิ หากความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองเป็นสัดส่วน เส้นโค้งการสอบเทียบจะเป็นเส้นตรง และในกรณีนี้ การแก้ไขอุณหภูมิของปลายด้านที่ว่างของเทอร์โมคัปเปิลจะเท่ากับอุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิลโดยตรง

การออกแบบและประเภทของเทอร์โมคัปเปิล

ข้อกำหนดต่อไปนี้ใช้กับวัสดุเทอร์โมอิเล็กโทรด:

1) เทอร์โมอิเล็กตริกสูง เป็นต้น v. และใกล้เคียงกับลักษณะสัดส่วนของการเปลี่ยนแปลงจากอุณหภูมิ;

2) ทนความร้อน (ไม่ออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูง);

3) ความคงที่ของคุณสมบัติทางกายภาพเมื่อเวลาผ่านไปภายในอุณหภูมิที่วัดได้

4) การนำไฟฟ้าสูง

5) ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานอุณหภูมิต่ำ

6) ความเป็นไปได้ในการผลิตในปริมาณมากโดยมีคุณสมบัติทางกายภาพคงที่

International Electrotechnical Commission (IEC) ได้กำหนดมาตรฐานของเทอร์โมคัปเปิลบางประเภท (มาตรฐาน IEC 584-1) องค์ประกอบมีดัชนี R, S, B, K, J, E, T ตามช่วงอุณหภูมิที่วัดได้

ในอุตสาหกรรม เทอร์โมคัปเปิลใช้ในการวัดอุณหภูมิสูงถึง 600 — 1,000 — 1500˚C เทอร์โมคัปเปิลอุตสาหกรรมประกอบด้วยโลหะหรือโลหะผสมทนไฟสองชนิด จุดเชื่อมต่อแบบร้อน (ที่มีตัวอักษร «G») อยู่ในตำแหน่งที่มีการวัดอุณหภูมิ และจุดเชื่อมต่อแบบเย็น («X») จะอยู่ในบริเวณที่มีอุปกรณ์ตรวจวัดอยู่

ปัจจุบันใช้เทอร์โมคัปเปิลมาตรฐานต่อไปนี้

เทอร์โมคัปเปิลแพลทินัม-โรเดียม-แพลทินัม เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถใช้วัดอุณหภูมิได้สูงถึง 1300 °C สำหรับการใช้งานระยะยาว และสูงถึง 1600 °C สำหรับการใช้งานระยะสั้น หากใช้ในบรรยากาศออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิปานกลาง เทอร์โมคัปเปิลแพลทินัม-โรเดียม-แพลทินัมได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้และเสถียรมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้เป็นตัวอย่างในช่วง 630-1064 °C

เทอร์โมคัปเปิลโครมอะลูเมล เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดอุณหภูมิสำหรับการใช้งานในระยะยาวสูงถึง 1,000 °C และสำหรับการใช้งานระยะสั้นสูงถึง 1300 °C เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายในขีดจำกัดเหล่านี้ในบรรยากาศออกซิไดซ์ (หากไม่มีก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน) เนื่องจากเมื่อ ความร้อนบนพื้นผิวของอิเล็กโทรด ซึ่งเป็นฟิล์มป้องกันออกไซด์บางๆ ที่ป้องกันไม่ให้ออกซิเจนแทรกซึมเข้าไปในโลหะ

Chromel-Copel Thermocouple… เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถวัดอุณหภูมิได้สูงถึง 600°C เป็นเวลานาน และสูงถึง 800°C ในช่วงเวลาสั้นๆ พวกมันทำงานได้สำเร็จทั้งในบรรยากาศออกซิไดซ์และบรรยากาศรีดิวซ์ รวมถึงในสุญญากาศ

เทอร์โมคัปเปิล Iron Copel... ขีดจำกัดการวัดจะเหมือนกับเทอร์โมคัปเปิลของ chromel-copel เงื่อนไขการใช้งานจะเหมือนกัน ให้ความร้อนน้อยลง เป็นต้น เมื่อเทียบกับเทอร์โมคัปเปิล XK: 30.9 mV ที่ 500 ° C แต่การพึ่งพาอุณหภูมินั้นใกล้เคียงกับสัดส่วนมากขึ้น ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของเทอร์โมคัปเปิล LC คือการกัดกร่อนของอิเล็กโทรดที่เป็นเหล็ก

เทอร์โมคัปเปิลทองแดง-ทองแดง... เนื่องจากทองแดงในบรรยากาศออกซิไดซ์เริ่มออกซิไดซ์อย่างเข้มข้นที่อุณหภูมิ 350 ° C ช่วงของการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้คือ 350 ° C เป็นเวลานานและ 500 ° C ในช่วงเวลาสั้น ๆ ในสุญญากาศ เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถใช้งานได้ถึง 600 °C

เส้นโค้งการพึ่งพาอาศัยกันของเทอร์โมอี เป็นต้น ของอุณหภูมิสำหรับเทอร์โมคัปเปิลทั่วไป 1 — ลูกครึ่ง chromel; 2 — ไอ้เหล็ก; 3 — ไอ้ทองแดง; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — โครเมล-อะลูเมล; 7-ทองคำขาว-โรเดียม-ทองคำขาว; 8 — TMSV-340M; 9 — ประชาสัมพันธ์-30/6.

ความต้านทานของเทอร์โมอิเล็กโทรดของเทอร์โมคัปเปิลมาตรฐานที่ทำจากโลหะพื้นฐานคือ 0.13-0.18 โอห์มต่อความยาว 1 ม. (ปลายทั้งสองด้าน) สำหรับเทอร์โมคัปเปิลแพลทินัม-โรเดียม-แพลทินัม 1.5-1.6 โอห์มต่อ 1 ม. การเบี่ยงเบนพลังงานเทอร์โมอิเล็กตริกที่อนุญาต เป็นต้น จากการสอบเทียบสำหรับเทอร์โมคัปเปิลแบบไม่โนเบิลคือ ± 1% สำหรับแพลทินัม-โรเดียม-แพลทินัม ± 0.3-0.35%

เทอร์โมคัปเปิลมาตรฐานคือแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 21-29 มม. และความยาว 500-3,000 มม. ที่ด้านบนของท่อป้องกันจะวางหัวที่ประทับหรือหล่อ (โดยปกติจะเป็นอลูมิเนียม) ด้วยแผ่นคาร์โบไลต์หรือเบกาไลต์ซึ่งมีสายสองคู่ถูกกดด้วยแคลมป์สกรูที่เชื่อมต่อเป็นคู่ เทอร์โมอิเล็กโทรดติดอยู่กับขั้วหนึ่งและต่อเข้ากับอีกขั้วหนึ่งด้วยสายเชื่อมต่อที่นำไปสู่อุปกรณ์วัด บางครั้งสายเชื่อมต่อจะอยู่ในท่อป้องกันที่ยืดหยุ่นได้ หากจำเป็นต้องปิดผนึกรูที่ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล ข้อต่อแบบเกลียวจะมีให้ สำหรับอ่างอาบน้ำ เทอร์โมคัปเปิลจะทำเป็นรูปข้อศอกด้วย

กฎของเทอร์โมคัปเปิล

กฎอุณหภูมิภายใน: การมีเกรเดียนต์ของอุณหภูมิในตัวนำที่เป็นเนื้อเดียวกันจะไม่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า (ไม่มี EMF เกิดขึ้นเพิ่มเติม)

กฎของตัวนำระดับกลาง: ให้ตัวนำที่เป็นเนื้อเดียวกันสองตัวของโลหะ A และ B สร้างวงจรเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีหน้าสัมผัสที่อุณหภูมิ T1 (จุดเชื่อมต่อร้อน) และ T2 (จุดเชื่อมต่อเย็น) ลวดโลหะ X รวมอยู่ในการแตกของลวด A และสร้างหน้าสัมผัสใหม่สองหน้า «หากอุณหภูมิของเส้นลวด X เท่ากันตลอดความยาว ดังนั้น EMF ที่เป็นผลลัพธ์ของเทอร์โมคัปเปิลจะไม่เปลี่ยนแปลง (ไม่มี EMF เกิดขึ้นจากจุดต่อเพิ่มเติม)»