Conversores termoelétricos (termopares)

Como funciona um termopar

Já em 1821, Seebeck descobriu um fenômeno que leva seu nome, que consiste no fato de que E. aparece em um circuito fechado composto por diferentes materiais condutores. etc. (denominado termo-EMC) se os pontos de contato desses materiais forem mantidos em diferentes temperaturas.

Em sua forma mais simples, quando um circuito elétrico consiste em dois condutores diferentes, ele é chamado de termopar ou termopar.

A essência do fenômeno de Seebeck reside no fato de que a energia dos elétrons livres, que causam o aparecimento de uma corrente elétrica nos fios, é diferente e muda de maneira diferente com a temperatura. Portanto, se houver uma diferença de temperatura ao longo do fio, os elétrons em sua extremidade quente terão energias e velocidades maiores em comparação com a extremidade fria, causando um fluxo de elétrons da extremidade quente para a extremidade fria do fio. Como resultado, as cargas se acumularão em ambas as extremidades - negativas no frio e positivas no quente.

Como essas cargas são diferentes para fios diferentes, quando dois deles são conectados em um termopar, um termopar diferencial aparecerá. etc. c. Para analisar os fenômenos que ocorrem no termopar, é conveniente supor que o termopar gerado nele. etc. c.E é a soma de duas forças eletromotrizes de contato e, que ocorrem nos locais de contato e são uma função da temperatura desses contatos (Fig. 1, a).

Arroz. 1. Diagrama de um circuito termoelétrico de dois e três fios, um diagrama para conectar um dispositivo de medição elétrico à junção e um termoeletrodo com um termopar.

A força termoeletromotriz que surge em um circuito de dois condutores diferentes é igual à diferença das forças eletromotrizes em suas extremidades.

A partir desta definição, segue-se que a temperaturas iguais nas extremidades do termopar, sua potência termoelétrica. etc. s será zero. Uma conclusão extremamente importante pode ser tirada disso, o que torna possível usar um termopar como sensor de temperatura.

A força eletromotriz de um termopar não será alterada pela introdução de um terceiro fio em seu circuito se as temperaturas em suas extremidades forem as mesmas.

Este terceiro fio pode ser incluído tanto numa das junções como na secção de um dos fios (Fig. 1.6, c). Esta conclusão pode ser estendida a vários fios introduzidos no circuito do termopar, desde que as temperaturas em suas extremidades sejam as mesmas.

Portanto, um dispositivo de medição (também composto por fios) e fios de conexão que conduzem a ele podem ser incluídos no circuito do termopar sem causar alteração na potência termoelétrica por ele desenvolvida. e.c, somente se as temperaturas dos pontos 1 e 2 ou 3 e 4 (Fig. 1, d e e) forem iguais. Nesse caso, a temperatura desses pontos pode diferir da temperatura dos terminais do aparelho, mas a temperatura de ambos os terminais deve ser a mesma.

Se a resistência do circuito do termopar permanecer inalterada, a corrente que passa por ele (e, portanto, a leitura do dispositivo) dependerá apenas da potência termoelétrica desenvolvida por ele. d. de, ou seja, das temperaturas das extremidades de trabalho (quente) e livre (fria).

Além disso, se a temperatura da extremidade livre do termopar for mantida constante, a leitura do medidor dependerá apenas da temperatura da extremidade de trabalho do termopar. Tal dispositivo indicará diretamente a temperatura da junção de trabalho do termopar.

Portanto, um pirômetro termoelétrico consiste em um termopar (termoeletrodos), um medidor de corrente contínua e fios de conexão.

As seguintes conclusões podem ser tiradas do exposto.

1. O método de fabricação da extremidade de trabalho do termopar (soldagem, soldagem, torção, etc.) não afeta a potência termoelétrica desenvolvida por ele. etc. com, se apenas as dimensões da extremidade de trabalho forem tais que a temperatura em todos os seus pontos seja a mesma.

2. Porque o parâmetro medido pelo aparelho não é termoelétrico. com e a corrente do circuito do termopar, é necessário que a resistência do circuito de operação permaneça inalterada e igual ao seu valor durante a calibração.Mas como é praticamente impossível fazer isso, já que a resistência dos termoeletrodos e dos fios de conexão muda com a temperatura, surge um dos principais erros do método: o erro da incompatibilidade entre a resistência do circuito e sua resistência durante a calibração.

Para reduzir esse erro, os dispositivos para medições térmicas são feitos com alta resistência (50-100 Ohm para medições aproximadas, 200-500 Ohm para medições mais precisas) e com baixo coeficiente elétrico de temperatura, de modo que a resistência total do circuito (e , portanto, a relação entre corrente e — e. d. s.) varia ao mínimo com flutuações na temperatura ambiente.

3. Os pirômetros termoelétricos são sempre calibrados a uma temperatura bem definida da extremidade livre do termopar - a 0 ° C. Normalmente, essa temperatura difere da temperatura de calibração em operação, como resultado do segundo erro principal do método : o erro na temperatura da extremidade livre do termopar.

Como esse erro pode chegar a dezenas de graus, é necessário fazer uma correção adequada nas leituras do dispositivo. Esta correção pode ser calculada se a temperatura dos risers for conhecida.

Como a temperatura da extremidade livre do termopar durante a calibração é igual a 0 ° C e, em operação, geralmente fica acima de 0 ° C (as extremidades livres geralmente estão na sala, geralmente localizadas perto do forno cuja temperatura é medida ), o pirômetro dá uma subestimação em relação à temperatura real medida, a indicação e o valor desta última devem ser aumentados pelo valor de correção.

Isso geralmente é feito graficamente. Isso se deve ao fato de que geralmente não há proporcionalidade entre os termofixos.etc. pp. e temperatura. Se a relação entre eles for proporcional, então a curva de calibração é uma linha reta e neste caso a correção para a temperatura da extremidade livre do termopar será diretamente igual à sua temperatura.

Design e tipos de termopares

Os seguintes requisitos se aplicam aos materiais do termoeletrodo:

1) alta termoeletricidade. etc. v. e próximo à natureza proporcional de sua mudança de temperatura;

2) resistência ao calor (não oxidação em altas temperaturas);

3) constância das propriedades físicas ao longo do tempo dentro das temperaturas medidas;

4) alta condutividade elétrica;

5) coeficiente de resistência de baixa temperatura;

6) a possibilidade de produção em grandes quantidades com propriedades físicas constantes.

A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) definiu alguns tipos padrão de termopares (padrão IEC 584-1). Os elementos têm índices R, S, B, K, J, E, T de acordo com a faixa de temperatura medida.

Na indústria, os termopares são usados ​​para medir altas temperaturas, até 600 — 1000 — 1500˚C. Um termopar industrial consiste em dois metais refratários ou ligas. A junção quente (marcada com a letra «G») é colocada no local onde se mede a temperatura, e a junção fria («X») está localizada na zona onde se encontra o aparelho de medição.

Os seguintes termopares padrão estão atualmente em uso.

Termopar platina-ródio-platina. Esses termopares podem ser usados ​​para medir temperaturas de até 1300 °C para uso a longo prazo e até 1600 °C para uso a curto prazo, desde que sejam usados ​​em uma atmosfera oxidante.Em temperaturas médias, o termopar platina-ródio-platina provou ser muito confiável e estável, por isso é usado como exemplo na faixa de 630-1064 ° C.

Termopar cromo-alumel. Esses termopares são projetados para medir temperaturas para uso de longo prazo até 1000 ° C e para uso de curto prazo até 1300 ° C. Eles funcionam de forma confiável dentro desses limites em uma atmosfera oxidante (se não houver gases corrosivos), porque quando aquecido na superfície dos eletrodos, uma fina película protetora de óxido que impede que o oxigênio penetre no metal.

Termopar Chromel-Copel… Esses termopares podem medir temperaturas de até 600°C por um longo período de tempo e de até 800°C por um curto período de tempo. Eles funcionam com sucesso em atmosferas oxidantes e redutoras, bem como no vácuo.

Termopar Iron Copel... Os limites de medição são os mesmos dos termopares chromel-copel, as condições de operação são as mesmas. Dá menos termo. etc. vs. em comparação com o termopar XK: 30,9 mV a 500 ° C, mas sua dependência da temperatura é quase proporcional. Uma desvantagem significativa do termopar LC é a corrosão de seu eletrodo de ferro.

Termopar cobre-cobre... Como o cobre em uma atmosfera oxidante começa a oxidar intensamente já a 350 ° C, a faixa de aplicação desses termopares é de 350 ° C por um longo período de tempo e 500 ° C por um curto período de tempo. No vácuo, esses termopares podem ser usados ​​até 600 °C.

Curvas de dependência termo-e. etc. de temperatura para os termopares mais comuns. 1 — cromol-bastardo; 2 — bastardo de ferro; 3 — bastardo de cobre; 4 — TGBC-350M; 5 — TGKT-360M; 6 — cromel-alumel; 7-platina-ródio-platina; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6.

A resistência dos termoeletrodos de termopares padrão feitos de metais básicos é de 0,13-0,18 ohms por 1 m de comprimento (ambas as extremidades), para termopares de platina-ródio-platina 1,5-1,6 ohms por 1 m. Desvios de energia termoelétrica permitidos. etc. da calibração para termopares não nobres são ± 1%, para platina-ródio-platina ± 0,3-0,35%.

O termopar padrão é uma haste com diâmetro de 21-29 mm e comprimento de 500-3000 mm. No topo do tubo de proteção é colocada uma cabeça estampada ou fundida (geralmente de alumínio) com uma placa de carbolito ou baquelite, na qual dois pares de fios são pressionados com grampos de parafuso conectados em pares. O termoeletrodo é conectado a um terminal e ao outro é conectado um fio de conexão que leva ao dispositivo de medição. Às vezes, os fios de conexão são colocados em uma mangueira protetora flexível. Caso seja necessário vedar o orifício onde está instalado o termopar, este é fornecido com uma conexão roscada. Para banheiras, os termopares também são feitos em forma de cotovelo.

Leis dos termopares

Lei da temperatura interna: A presença de um gradiente de temperatura em um condutor homogêneo não leva ao aparecimento de uma corrente elétrica (nenhum EMF adicional ocorre).

A lei dos condutores intermediários: Deixe dois condutores homogêneos de metais A e B formar um circuito termoelétrico com contatos nas temperaturas T1 (junção quente) e T2 (junção fria). Um fio de metal X é incluído na ruptura do fio A e dois novos contatos são formados. «Se a temperatura do fio X for a mesma em todo o seu comprimento, o EMF resultante do termopar não mudará (nenhum EMF surge de junções adicionais).»