المحولات الحرارية (المزدوجات الحرارية)

كيف تعمل المزدوجات الحرارية

بالفعل في عام 1821 ، اكتشف سيبيك ظاهرة سميت باسمه ، والتي تتمثل في حقيقة أن هـ يظهر في دائرة مغلقة تتكون من مواد موصلة مختلفة. إلخ. (ما يسمى بـ thermo-EMC) إذا تم الحفاظ على نقاط الاتصال الخاصة بهذه المواد عند درجات حرارة مختلفة.

في أبسط أشكالها ، عندما تتكون الدائرة الكهربائية من موصلين مختلفين ، فإنها تسمى المزدوجة الحرارية ، أو المزدوجة الحرارية.

يكمن جوهر ظاهرة سيبيك في حقيقة أن طاقة الإلكترونات الحرة ، التي تسبب ظهور تيار كهربائي في الأسلاك ، مختلفة وتتغير بشكل مختلف مع درجة الحرارة. لذلك ، إذا كان هناك اختلاف في درجة الحرارة على طول السلك ، فإن الإلكترونات في نهايتها الساخنة سيكون لها طاقات وسرعات أعلى مقارنة بالنهاية الباردة ، مما يتسبب في تدفق الإلكترون من الطرف الساخن إلى الطرف البارد في السلك. نتيجة لذلك ، سوف تتراكم الشحنات من كلا الطرفين - سلبية على البارد وموجبة على الساخن.

نظرًا لأن هذه الشحنات تختلف باختلاف الأسلاك ، فعند توصيل اثنين منهم في مزدوج حراري ، ستظهر مزدوج حراري تفاضلي. إلخ. ج- لتحليل الظواهر التي تحدث في الازدواج الحراري ، من الملائم افتراض أن المزدوجة الحرارية تولدت فيها. إلخ. ج. E هو مجموع قوتين كهربيتين للتلامس e ، تحدث في أماكن التلامس بينهما وهي دالة لدرجة حرارة هذه الملامسات (الشكل 1 ، أ).

أرز. 1. رسم تخطيطي لدائرة حرارية ثنائية وثلاثية الأسلاك ، رسم تخطيطي لتوصيل جهاز قياس كهربائي بالوصلة وقطب كهربائي حراري بمزدوجة حرارية.

القوة الدافعة الكهروحرارية الناشئة في دائرة من موصلين مختلفين تساوي الفرق في القوى الدافعة الكهربائية في نهايتيهما.

من هذا التعريف ، يترتب على ذلك أنه عند درجات حرارة متساوية في نهايات المزدوجة الحرارية ، قدرتها الكهروحرارية. إلخ. ستكون s صفرًا. يمكن استخلاص نتيجة مهمة للغاية من هذا ، مما يجعل من الممكن استخدام المزدوجة الحرارية كمستشعر درجة الحرارة.

لن تتغير القوة الدافعة الكهربائية للمزدوجة الحرارية بإدخال سلك ثالث في دائرتها إذا كانت درجات الحرارة في نهاياتها متماثلة.

يمكن تضمين هذا السلك الثالث في أحد التقاطعات وفي مقطع أحد الأسلاك (الشكل 1.6 ، ج). يمكن تمديد هذا الاستنتاج إلى عدة أسلاك يتم إدخالها في دائرة المزدوجات الحرارية ، طالما أن درجات الحرارة في نهاياتها هي نفسها.

لذلك ، يمكن تضمين جهاز قياس (يتكون أيضًا من أسلاك) وأسلاك توصيل تؤدي إليه في دائرة المزدوجات الحرارية دون التسبب في تغيير الطاقة الكهروحرارية التي طورتها. ه.ج ، فقط إذا كانت درجات حرارة النقطتين 1 و 2 أو 3 و 4 (الشكل 1 ، د ، هـ) متساوية. في هذه الحالة ، قد تختلف درجة حرارة هذه النقاط عن درجة حرارة أطراف الجهاز ، ولكن يجب أن تكون درجة حرارة كلا الطرفين متطابقة.

إذا بقيت مقاومة دائرة المزدوجة الحرارية دون تغيير ، فإن التيار المتدفق خلالها (وبالتالي قراءة الجهاز) سيعتمد فقط على الطاقة الحرارية التي طورتها. د. من ، أي من درجات حرارة أطراف العمل (الساخنة) والحرة (الباردة).

أيضًا ، إذا ظلت درجة حرارة الطرف الحر للمزدوج الحراري ثابتة ، فستعتمد قراءة العداد فقط على درجة حرارة نهاية العمل للمزدوج الحراري. سيشير هذا الجهاز مباشرة إلى درجة حرارة تقاطع عمل المزدوج الحراري.

لذلك ، يتكون البيرومتر الكهروحراري من ازدواج حراري (أقطاب حرارية) ، ومقياس تيار مباشر وأسلاك توصيل.

يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية مما ورد أعلاه.

1. طريقة تصنيع طرف العمل للمزدوج الحراري (اللحام ، اللحام ، التواء ، إلخ) لا يؤثر على الطاقة الكهروحرارية التي طورتها. إلخ. مع ، إذا كانت أبعاد نهاية العمل فقط هي درجة الحرارة في جميع نقاطها.

2. لأن المعلمة التي يقاسها الجهاز ليست كهروحرارية. مع تيار الدائرة الحرارية المزدوجة ، من الضروري أن تظل مقاومة دائرة التشغيل دون تغيير وأن تكون مساوية لقيمتها أثناء المعايرة.ولكن نظرًا لأنه من المستحيل عمليًا القيام بذلك ، نظرًا لأن مقاومة الأقطاب الكهربائية الحرارية وأسلاك التوصيل تتغير مع درجة الحرارة ، فإن أحد الأخطاء الرئيسية في الطريقة ينشأ: خطأ عدم التوافق بين مقاومة الدائرة ومقاومتها أثناء المعايرة.

لتقليل هذا الخطأ ، يتم تصنيع الأجهزة الخاصة بالقياسات الحرارية بمقاومة عالية (50-100 أوم للقياسات التقريبية ، 200-500 أوم لقياسات أكثر دقة) ومع معامل كهربائي منخفض الحرارة ، بحيث تكون المقاومة الكلية للدائرة (و ، وبالتالي ، فإن العلاقة بين التيار و- د. s.) تختلف إلى أدنى حد مع التقلبات في درجة الحرارة المحيطة.

3. يتم دائمًا معايرة البيرومترات الكهروحرارية عند درجة حرارة محددة جيدًا للطرف الحر للمزدوج الحراري - عند 0 درجة مئوية. : الخطأ في درجة حرارة طرف المزدوج الحراري الحر.

نظرًا لأن هذا الخطأ يمكن أن يصل إلى عشرات الدرجات ، فمن الضروري إجراء تصحيح مناسب لقراءات الجهاز. يمكن حساب هذا التصحيح إذا كانت درجة حرارة المصاعد معروفة.

نظرًا لأن درجة حرارة الطرف الحر للمزدوج الحراري أثناء المعايرة تساوي 0 درجة مئوية ، وعادة ما تكون أعلى من 0 درجة مئوية أثناء التشغيل (تكون الأطراف الحرة عادة في الغرفة ، وغالبًا ما تكون بالقرب من الفرن الذي يتم قياس درجة حرارته ) ، فإن البيرومتر يعطي تقديرًا أقل من الواقع مقارنة بدرجة الحرارة المقاسة الفعلية ، ويجب زيادة مؤشر وقيمة الأخير بقيمة التصحيح.

عادة ما يتم ذلك بيانيا. هذا يرجع إلى حقيقة أنه لا يوجد عادة تناسب بين الترموستات.إلخ. ص ودرجة الحرارة. إذا كانت العلاقة بينهما متناسبة ، فإن منحنى المعايرة يكون خطًا مستقيمًا وفي هذه الحالة يكون تصحيح درجة حرارة الطرف الحر للمزدوج الحراري مساويًا لدرجة حرارته مباشرة.

تصميم وأنواع المزدوجات الحرارية

تنطبق المتطلبات التالية على مواد القطب الحراري:

1) الكهرباء الحرارية العالية. إلخ. v. وقريبة من الطبيعة المتناسبة لتغيرها عن درجة الحرارة ؛

2) مقاومة الحرارة (غير مؤكسدة في درجات حرارة عالية) ؛

3) ثبات الخصائص الفيزيائية بمرور الوقت ضمن درجات الحرارة المقاسة ؛

4) الموصلية الكهربائية العالية.

5) معامل مقاومة درجات الحرارة المنخفضة ؛

6) إمكانية الإنتاج بكميات كبيرة ذات خواص فيزيائية ثابتة.

حددت اللجنة الكهرتقنية الدولية (IEC) بعض الأنواع القياسية من المزدوجات الحرارية (المعيار IEC 584-1). تحتوي العناصر على مؤشرات R و S و B و K و J و E و T وفقًا لمدى درجات الحرارة المقاسة.

في الصناعة ، تُستخدم المزدوجات الحرارية لقياس درجات الحرارة المرتفعة ، حتى 600 - 1000 - 1500 درجة مئوية. تتكون المزدوجة الحرارية الصناعية من معادن أو سبائك حرارية. يتم وضع الوصلة الساخنة (المميزة بالحرف "G") في المكان الذي يتم فيه قياس درجة الحرارة ، ويقع التقاطع البارد («X») في المنطقة التي يوجد بها جهاز القياس.

المزدوجات الحرارية القياسية التالية قيد الاستخدام حاليًا.

المزدوجة الحرارية البلاتين والروديوم والبلاتين. يمكن استخدام هذه المزدوجات الحرارية لقياس درجات حرارة تصل إلى 1300 درجة مئوية للاستخدام على المدى الطويل وتصل إلى 1600 درجة مئوية للاستخدام على المدى القصير ، بشرط استخدامها في جو مؤكسد.في درجات الحرارة المتوسطة ، أثبتت المزدوجة الحرارية البلاتينية والروديوم والبلاتينية أنها موثوقة ومستقرة للغاية ، ولهذا السبب يتم استخدامها كمثال في حدود 630-1064 درجة مئوية.

المزدوج الحرارية الكروم الألومنيوم. تم تصميم هذه المزدوجات الحرارية لقياس درجات الحرارة للاستخدام على المدى الطويل حتى 1000 درجة مئوية وللاستخدام قصير المدى حتى 1300 درجة مئوية ، فهي تعمل بشكل موثوق ضمن هذه الحدود في جو مؤكسد (في حالة عدم وجود غازات مسببة للتآكل) ، لأنه عندما يتم تسخينه على سطح الأقطاب الكهربائية ، وهو طبقة رقيقة واقية من الأكسيد تمنع الأكسجين من اختراق المعدن.

Chromel-Copel Thermocouple ... يمكن لهذه المزدوجات الحرارية قياس درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية لفترة طويلة وتصل إلى 800 درجة مئوية لفترة قصيرة. إنها تعمل بنجاح في كل من المؤكسدة والحد من الغلاف الجوي ، وكذلك في الفراغ.

المزدوج الحراري كوبل الحديد ... حدود القياس هي نفسها بالنسبة للمزدوجات الحرارية كروميل-كوبل ، وظروف التشغيل هي نفسها. يعطي حرارة أقل. إلخ. مقارنةً بالمزدوج الحراري XK: 30.9 مللي فولت عند 500 درجة مئوية ، لكن اعتمادها على درجة الحرارة أقرب إلى التناسب. العيب الكبير في المزدوج الحراري LC هو تآكل القطب الكهربائي للحديد.

المزدوجة الحرارية للنحاس والنحاس ... نظرًا لأن النحاس في جو مؤكسد يبدأ في التأكسد بشكل مكثف بالفعل عند 350 درجة مئوية ، فإن نطاق تطبيق هذه المزدوجات الحرارية هو 350 درجة مئوية لفترة طويلة و 500 درجة مئوية لفترة قصيرة. في الفراغ ، يمكن استخدام هذه المزدوجات الحرارية حتى 600 درجة مئوية.

منحنيات الاعتماد الحراري. إلخ. درجة الحرارة بالنسبة للمزدوجات الحرارية الأكثر شيوعًا. 1 - الكروميل اللقيط ؛ 2 - الحديد اللقيط. 3 - نذل النحاس. 4 - TGBC -350 م ؛ 5 - TGKT-360M ؛ 6 - كروميل ألوميل ؛ 7-البلاتين - الروديوم - البلاتين. 8 - TMSV-340M ؛ 9 - PR -30/6.

مقاومة الأقطاب الكهربائية الحرارية للمزدوجات الحرارية القياسية المصنوعة من المعادن الأساسية هي 0.13-0.18 أوم لكل 1 متر من الطول (كلا الطرفين) ، للمزدوجات الحرارية البلاتينية والروديوم والبلاتينية 1.5-1.6 أوم لكل 1 متر انحرافات الطاقة الحرارية المسموح بها. إلخ. من المعايرة للمزدوجات الحرارية غير النبيلة هي ± 1٪ ، للبلاتين - الروديوم - البلاتين ± 0.3-0.35٪.

المزدوجة الحرارية القياسية هي قضيب بقطر 21-29 ملم وطول 500-3000 ملم. في الجزء العلوي من الأنبوب الواقي يتم وضع رأس مختوم أو مصبوب (عادة من الألومنيوم) مع كربوليت أو صفيحة باكليت ، حيث يتم ضغط زوجين من الأسلاك بمشابك لولبية متصلة في أزواج. يتم توصيل القطب الحراري بأحد الطرفين ، والآخر متصل بسلك توصيل يؤدي إلى جهاز القياس. في بعض الأحيان تكون أسلاك التوصيل محاطة بخرطوم واقي مرن. إذا كان من الضروري إغلاق الفتحة التي تم تركيب المزدوجة الحرارية فيها ، يتم تزويد الأخير بتركيب ملولب. بالنسبة لأحواض الاستحمام ، تصنع المزدوجات الحرارية أيضًا على شكل كوع.

قوانين المزدوجات الحرارية

قانون درجة الحرارة الداخلية: لا يؤدي وجود تدرج درجة الحرارة في موصل متجانس إلى ظهور تيار كهربائي (لا يحدث أي EMF إضافي).

قانون الموصلات الوسيطة: دع موصلين متجانسين للمعادن A و B يشكلان دائرة كهروحرارية مع تلامس عند درجات حرارة T1 (تقاطع ساخن) و T2 (تقاطع بارد). يتم تضمين سلك من المعدن X في تمزق السلك A ويتم تكوين اتصالين جديدين. «إذا كانت درجة حرارة السلك X هي نفسها طوال طوله ، فلن يتغير EMF الناتج من الازدواج الحراري (لا تنشأ EMF من تقاطعات إضافية).»