Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем [10]: если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В,соединив их между собой концами (рис. 2.33, а),причем температуру Θ₁ одного места соединения сделать отличной от температуры Θ₀ другого, то в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющая собой разность функций температур мест соединения проводников:

Е_АВ (Q₁, Q₀) = f (Q₁) – f (Q₀).

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, – термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур:
Е_АВ = S_AB ΔΘ.

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 принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. 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 пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье π _ΑΒ и равна q_AB = p _АВI.

Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако ЭДС Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

На рис. 2.33, б показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с температурой Θ к резервуару с температурой Θ₀.

КПД термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ΔΘ = 300° не превышает η = 13%, а при ΔΘ = 100° значение η = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. КПД термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения КПД при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° – только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие КПД, термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис. 2.33, в, г.

а б в г

Рис. 2.33. Методы включения термопар

Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой Q₁,подлежащей измерению, а температуру Θ₂ других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f (Θ₀) = const и

Е_АВ (Q₁, Q₂) = f (Q₁) – C = f ₁(Q₁),

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура Q₁ ее рабочего спая, а выходной величиной – термо-ЭДС, которую термопара развивает при строго постоянной температуре Q₂ нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2.1 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Q₁ = 100° С и температуре нерабочих спаев Q₀ = 0° С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры. В качестве примера на рис. 2.34 приведена зависимость Ε = f (Θ) для одной из наиболее распространенных термопар платинородий – платина.

Таблица 2.1

Термо-ЭДС, развиваемые различными термоэлектродами в паре с платиной

Материал	Термо-ЭДС, мВ	Материал	Термо-ЭДС, мВ
Кремний	+ 44,8	Сплав (90% Pt+10% Rh)	+ 0,64
Сурьма	+ 4,7	Свинец	+ 0,44
Хромель	+ 2,4	Олово	+ 0,42
Нихром	+ 2,2	Магний	+ 0,42
Железо	+ 1,8	Алюминий	+ 0,40
Сплав (90% Pt+10% Ir)	+ 1,3	Графит	+ 0,32
Молибден	+ 1,2	Уголь	+ 0,30
Кадмий	+ 0,9	Ртуть	0,00
Вольфрам	+ 0,8	Палладий	– 0,57
Манганин	+ 0,76	Никель	– 1,5
Медь	+ 0,76	Алюмель	– 1,7
Золото	+ 0,75	Сплав (60%Аu+30%Pd+ +10% Pt)	– 2,31
Цинк	+ 0,75	Константан	– 3,4
Серебро	+ 0,72	Копель	– 4,5
Иридий	+ 0,65	Пирит	– 12,1
Родий	+ 0,64	Молибденит	от –69 до –104

Рис. 2.34. Зависимость Ε = f (Θ)

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термо-ЭДС При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).

Конструкция термопары промышленного типа показана на рис. 2.35. Термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Термоэлектроды изолированы бусами 4. Защитная труба состоит из рабочего 3 и нерабочего 6 участков. Передвижной фланец 5 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус 7 с крышкой 11,закрепленной винтами 10. В головке укреплены фарфоровые колодки 8 (винтами 15) с «плавающими» (незакрепленными; зажимами 12,которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами 13,а соединительные провода – винтами 14. Эти провода проходят через штуцер 9 с асбестовым уплотнением.

Рис. 2.35. Конструкция термопары промышленного типа

Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.

Основные параметры термопар промышленного типа, выпускаемых в России приведены в табл. 2.2.

Для измерения температур ниже –50° С могут найти применение специальные термопары, например медь – константан (до – 270° С), медь – копель (до – 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300–1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий – рений иридий
(до 2100° С), вольфрам – рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов – титана, циркония, ниобия, талия, гафния (теоретически до 3000–3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.

Таблица 2.2

Основные параметры термопар промышленного типа, выпускаемых в России

Обозначение термопары	Обозначение градуировки	Материалы термоэлектродов	Пределы измерения при длительном применении, °С	Верхний предел измерения при кратковременном применении, ° С
ТПП	ПП-1	Платинородий (10% родия) – платина	–20
ТПР	ПР-30/6	Платинородий (30% родия) – платинородий (6% родия)
ТХА	ХА	Хромель – алюмель	–50
ТХК	ХК	Хромель – копель	–50

Кроме промышленного измерения температур, специальные термопары используются при измерениях тепловой радиации, для измерений температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольтметров и ваттметров. Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения чувствительности преобразователей мощности в температуру должны поглощать минимальное количество тепла. Поэтому такие термопары выполняются из тонкой проволоки диаметром d» 5 – 10 мкм.

Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 2.36 показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы – на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

Рис. 2.36. Чувствительный элемент радиационного пирометра

2.9. Гальванические
измерительные преобразователи

Наиболее распространенными разновидностями гальванических измерительных преобразователей являются преобразователи рН-метров, применяемые для измерения активности водородных ионов [10], по которой можно определить состав и свойства растворов, и гальванические источники ЭДС, в частности нормальные элементы, используемые в качестве мер ЭДС.

Принцип действия гальванических преобразователей рН‑метров основан на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в электролите и окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах.

Гальванический преобразователь со стеклянным электродом обычно состоит из стеклянного электрода и двух вспомогательных полуэлементов, которые используются для снятия потенциала с внутренней и внешней поверхностей стеклянного электрода. Во вспомогательном полуэлементе для снятия потенциала с внутренней поверхности чаще всего используется хлорсеребряный микооэлектрод, который встраивается внутрь стеклянного электрода.

Схема устройства гальванического преобразователя со стеклянным электродом показана на рис. 2.37. Стеклянный электрод 1 и каломельный полуэлемент 3 помещаются в исследуемый раствор. Внутрь стеклянного электрода, заполненного образцовым раствором HCl, вставлен вспомогательный хлорсеребряный электрод 2.

ЭДС на выводах преобразователя является алгебраической суммой потенциалов хлорсеребряного полуэлемента, внутренней и наружной поверхности стеклянного электрода и потенциала каломельного полуэлемента.

Рис. 2.37. Гальванический преобразователь со стеклянным электродом

При изменении рН исследуемого раствора изменяется только потенциал наружной поверхности электрода, который зависит от активности водородных ионов в растворе. Все же остальные составляющие ЭДС остаются неизменными (при постоянной температуре) поэтому, измеряя ЭДС на выводах преобразователя со стеклянным электродом, можно определить рН исследуемого раствора.

Стеклянный электрод может применяться для измерения рН большинства растворов и поэтому получил наиболее широкое применение. Принцип действия стеклянного электрода основан на процессе ионного обмена. При помещении стеклянного электрода в раствор щелочные ионы стекла (Na или Li) переходят в раствор, а их места занимают более подвижные ионы водорода из раствора. В результате этого поверхностный слой стекла оказывается насыщенным водородными ионами, и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.

Характерной особенностью гальванических преобразователей со стеклянными электродами является их большое внутреннее сопротивление, так как в него входит сопротивление стеклянной мембраны. В зависимости от химического состава и толщины стеклянного электрода его сопротивление составляет 0,5 – 1000 МОм. Кроме того, сопротивление стеклянного электрода сильно зависит от температуры (рис. 2.38). При уменьшении температуры сопротивление стеклянных электродов резко возрастает, что препятствует их использованию при температурах ниже 0 °С.

Рис. 2.38. Зависимость сопротивления
стеклянного электрода от температуры

Точность воспроизведения стеклянным электродом водородной функции и стабильность этой функции во времени сильно зависят от сорта стекла. Хорошими электродными свойствами обладают литиевые силикатные стекла. Повышение процентного содержания SiO₂ расширяет температурный диапазон применения стеклянных электродов. В настоящее время разработаны стеклянные электроды, которые можно использовать при повышенных температурах – до 150 °С.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться таким образом, чтобы через преобразователь не проходил ток, вызывающий погрешности от поляризации электродов и падения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя, которое при использовании стеклянных электродов составляет 10⁷–10⁹ Ом. Поэтому основное требование кизмерительной цепи – это очень большой входное сопротивление, которое достигается за счет использования электрометрических усилителей или усилителей типа МДМ. При использовании динамического конденсатора в качестве модулятора можно получить входное сопротивление до 10¹⁵–10¹⁶ Ом. Для измерения ЭДС гальванических преобразователей наибольшее распространение получили компенсационные измерительные цепи с автоматической коррекцией температурной погрешности преобразователя.