Convertidores termoeléctricos (termopares)

Cómo funciona un termopar

Ya en 1821, Seebeck descubrió un fenómeno que lleva su nombre y que consiste en que E. aparece en un circuito cerrado formado por diferentes materiales conductores. etc. (llamado termo-EMC) si los puntos de contacto de estos materiales se mantienen a diferentes temperaturas.

En su forma más simple, cuando un circuito eléctrico consta de dos conductores diferentes, se le llama termopar o termopar.

La esencia del fenómeno de Seebeck radica en el hecho de que la energía de los electrones libres, que provocan la aparición de una corriente eléctrica en los cables, es diferente y cambia de manera diferente con la temperatura. Por lo tanto, si hay una diferencia de temperatura a lo largo del cable, los electrones en su extremo caliente tendrán energías y velocidades más altas en comparación con el extremo frío, provocando un flujo de electrones desde el extremo caliente al extremo frío del cable. Como resultado, las cargas se acumularán en ambos extremos: negativa en frío y positiva en caliente.

Dado que estas cargas son diferentes para diferentes cables, cuando dos de ellos están conectados en un termopar, aparecerá un termopar diferencial. etc. c) Para analizar los fenómenos que ocurren en el termopar, es conveniente suponer que el termopar genera en él. etc. c.E es la suma de dos fuerzas electromotrices de contacto e, que ocurren en los lugares de su contacto y son una función de la temperatura de estos contactos (Fig. 1, a).

Arroz. 1. Diagrama de un circuito termoeléctrico de dos y tres hilos, un diagrama para conectar un dispositivo de medición eléctrica a la unión y un termoelectrodo con un termopar.

La fuerza termoelectromotriz que surge en un circuito de dos conductores diferentes es igual a la diferencia de fuerzas electromotrices en sus extremos.

De esta definición se deduce que a temperaturas iguales en los extremos del termopar, su potencia termoeléctrica. etc. s será cero. De esto se puede sacar una conclusión extremadamente importante, que hace posible el uso de un termopar como sensor de temperatura.

La fuerza electromotriz de un termopar no cambiará por la introducción de un tercer alambre en su circuito si las temperaturas en sus extremos son las mismas.

Este tercer cable se puede incluir tanto en una de las uniones como en la sección de uno de los cables (Fig. 1.6, c). Esta conclusión se puede extender a varios cables introducidos en el circuito del termopar, siempre que las temperaturas en sus extremos sean las mismas.

Por lo tanto, un dispositivo de medición (que también consta de cables) y los cables de conexión que conducen a él pueden incluirse en el circuito del termopar sin causar un cambio en la potencia termoeléctrica desarrollada por él. mi.c, solo si las temperaturas de los puntos 1 y 2 o 3 y 4 (Fig. 1, d y e) son iguales. En este caso, la temperatura de estos puntos puede diferir de la temperatura de los terminales del dispositivo, pero la temperatura de ambos terminales debe ser la misma.

Si la resistencia del circuito del termopar permanece invariable, la corriente que circula por él (y por tanto la lectura del dispositivo) dependerá únicamente de la potencia termoeléctrica desarrollada por él. d. de, es decir, de las temperaturas de los extremos de trabajo (caliente) y libre (frío).

Además, si la temperatura del extremo libre del termopar se mantiene constante, la lectura del medidor dependerá únicamente de la temperatura del extremo de trabajo del termopar. Dicho dispositivo indicará directamente la temperatura de la unión de trabajo del termopar.

Por lo tanto, un pirómetro termoeléctrico consta de un termopar (termoelectrodos), un medidor de corriente continua y cables de conexión.

De lo anterior se pueden sacar las siguientes conclusiones.

1. El método de fabricación del extremo de trabajo del termopar (soldadura, soldadura blanda, torsión, etc.) no afecta la potencia termoeléctrica desarrollada por él. etc. con, si solo las dimensiones del extremo de trabajo son tales que la temperatura en todos sus puntos es la misma.

2. Porque el parámetro que mide el dispositivo no es termoeléctrico. con y la corriente del circuito del termopar, es necesario que la resistencia del circuito operativo permanezca sin cambios e igual a su valor durante la calibración.Pero como es prácticamente imposible hacer esto, ya que la resistencia de los termoelectrodos y los cables de conexión cambia con la temperatura, surge uno de los principales errores del método: el error del desajuste entre la resistencia del circuito y su resistencia durante la calibración.

Para reducir este error, los dispositivos para medidas térmicas se fabrican con alta resistencia (50-100 Ohm para medidas aproximadas, 200-500 Ohm para medidas más precisas) y con un coeficiente eléctrico de temperatura bajo, de modo que la resistencia total del circuito (y , por lo tanto, la relación entre corriente y — e. d. s.) varía al mínimo con las fluctuaciones en la temperatura ambiente.

3. Los pirómetros termoeléctricos siempre se calibran a una temperatura bien definida del extremo libre del termopar, a 0 ° C. Por lo general, esta temperatura difiere de la temperatura de calibración en funcionamiento, como resultado de lo cual ocurre el segundo error principal del método. : el error en la temperatura del extremo libre del termopar.

Dado que este error puede alcanzar decenas de grados, es necesario realizar una corrección adecuada de las lecturas del dispositivo. Esta corrección se puede calcular si se conoce la temperatura de los montantes.

Dado que la temperatura del extremo libre del termopar durante la calibración es igual a 0 °C, y en funcionamiento suele estar por encima de 0 °C (los extremos libres suelen estar en la habitación, a menudo se encuentran cerca del horno cuya temperatura se mide ), el pirómetro da una subestimación en comparación con la temperatura real medida, la indicación y el valor de esta última deben aumentarse con el valor de corrección.

Esto generalmente se hace gráficamente. Esto se debe a que no suele haber proporcionalidad entre los termoestables.etc. pp. y temperatura. Si la relación entre ellos es proporcional, entonces la curva de calibración es una línea recta y en este caso la corrección por la temperatura del extremo libre del termopar será directamente igual a su temperatura.

Diseño y tipos de termopares

Los siguientes requisitos se aplican a los materiales del termoelectrodo:

1) alta termoelectricidad. etc. v. y cerca de la naturaleza proporcional de su cambio de temperatura;

2) resistencia al calor (no oxidación a altas temperaturas);

3) constancia de las propiedades físicas a lo largo del tiempo dentro de las temperaturas medidas;

4) alta conductividad eléctrica;

5) coeficiente de resistencia a baja temperatura;

6) la posibilidad de producción en grandes cantidades con propiedades físicas constantes.

La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha definido algunos tipos estándar de termopares (estándar IEC 584-1). Los elementos tienen índices R, S, B, K, J, E, T según el rango de temperaturas medidas.

En la industria, los termopares se utilizan para medir altas temperaturas, hasta 600 — 1000 — 1500˚C. Un termopar industrial consta de dos metales refractarios o aleaciones. La unión caliente (marcada con la letra «G») se coloca en el lugar donde se mide la temperatura, y la unión fría («X») se ubica en la zona donde se encuentra el dispositivo de medición.

Los siguientes termopares estándar están actualmente en uso.

Termopar de platino-rodio-platino. Estos termopares se pueden usar para medir temperaturas de hasta 1300 °C para uso a largo plazo y hasta 1600 °C para uso a corto plazo, siempre que se utilicen en una atmósfera oxidante.A temperaturas medias, el termopar platino-rodio-platino ha demostrado ser muy fiable y estable, por lo que se utiliza como ejemplo en el rango de 630-1064 °C.

Termopar de cromo-alumel. Estos termopares están diseñados para medir temperaturas para uso a largo plazo hasta 1000 °C y para uso a corto plazo hasta 1300 °C. Funcionan de manera confiable dentro de estos límites en una atmósfera oxidante (si no hay gases corrosivos), porque cuando calienta sobre la superficie de los electrodos una fina película protectora de óxido que impide que el oxígeno penetre en el metal.

Termopar Chromel-Copel… Estos termopares pueden medir temperaturas de hasta 600°C por mucho tiempo y hasta 800°C por poco tiempo. Trabajan con éxito tanto en atmósferas oxidantes como reductoras, así como en vacío.

Termopar Iron Copel... Los límites de medida son los mismos que para los termopares chromel-copel, las condiciones de funcionamiento son las mismas. Da menos termo. etc. vs. comparado con el termopar XK: 30,9 mV a 500 °C, pero su dependencia de la temperatura es más cercana a la proporcional. Un inconveniente significativo del termopar LC es la corrosión de su electrodo de hierro.

Termopar de cobre-cobre... Dado que el cobre en una atmósfera oxidante comienza a oxidarse intensamente ya a 350 ° C, el rango de aplicación de estos termopares es de 350 ° C durante mucho tiempo y 500 ° C durante poco tiempo. En vacío, estos termopares se pueden utilizar hasta 600 °C.

Curvas de dependencia termo-e. etc. de temperatura para los termopares más comunes. 1 — cromel-bastardo; 2 — bastardo de hierro; 3 — cobre-bastardo; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 — cromel-alumel; 7-platino-rodio-platino; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

La resistencia de los termoelectrodos de termopares estándar hechos de metales comunes es de 0,13-0,18 ohmios por 1 m de longitud (ambos extremos), para termopares de platino-rodio-platino 1,5-1,6 ohmios por 1 m Desviaciones de potencia termoeléctrica permitidas. etc. de calibración para termopares no nobles son ± 1%, para platino-rodio-platino ± 0,3-0,35%.

El termopar estándar es una varilla con un diámetro de 21-29 mm y una longitud de 500-3000 mm. En la parte superior del tubo protector se coloca una cabeza estampada o fundida (generalmente de aluminio) con una placa de carbolita o baquelita, en la que se presionan dos pares de cables con abrazaderas de tornillo conectadas en pares. El termoelectrodo está conectado a un terminal y al otro está conectado un cable de conexión que conduce al dispositivo de medición. A veces, los cables de conexión están encerrados en una manguera protectora flexible. Si es necesario sellar el orificio en el que se instala el termopar, este último está provisto de un racor roscado. Para las bañeras, los termopares también se fabrican con forma de codo.

Leyes de los termopares

Ley de temperatura interna: La presencia de un gradiente de temperatura en un conductor homogéneo no conduce a la aparición de una corriente eléctrica (no se produce FEM adicional).

La ley de los conductores intermedios: Deje que dos conductores homogéneos de los metales A y B formen un circuito termoeléctrico con contactos a temperaturas T1 (unión caliente) y T2 (unión fría). Un alambre de metal X se incluye en la ruptura del alambre A y se forman dos nuevos contactos. «Si la temperatura del cable X es la misma en toda su longitud, entonces la FEM resultante del termopar no cambiará (no surge ninguna FEM de uniones adicionales)».