Τύποι και αρχές λειτουργίας των θερμοστοιχείων

Τύποι και αρχές λειτουργίας των θερμοστοιχείων
Αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου:
Όταν δύο διαφορετικοί αγωγοί και ημιαγωγοί Α και Β σχηματίζουν ένα κύκλωμα με τα δύο άκρα τους συνδεδεμένα μεταξύ τους, εφ 'όσον η θερμοκρασία στους δύο κόμβους είναι διαφορετικό, με το ένα άκρο που έχει μια θερμοκρασία Τ, που ονομάζεται άκρο εργασίας ή ζεστό άκρο, και το άλλο άκρο που έχει μια θερμοκρασία, που ονομάζεται ελεύθερο άκρο (επίσης γνωστό ως άκρο αναφοράς) ή το κρύο, ένα ρεύμα δημιουργείται στο κύκλωμα και το ηλεκτροκίνητο είναι η δύναμη που ονομάζεται Θερμό, ονομάζεται Θερμό και το ρεύμα δημιουργείται. Το φαινόμενο της παραγωγής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης λόγω διαφορών θερμοκρασίας ονομάζεται αποτέλεσμα Seebeck. Υπάρχουν δύο αποτελέσματα που σχετίζονται με το Seebeck: Πρώτον, όταν ένα ρεύμα ρέει μέσω της σύνδεσης μεταξύ δύο διαφορετικών αγωγών, η θερμότητα απορροφάται ή απελευθερώνεται (ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος), το οποίο ονομάζεται αποτέλεσμα Peltier. Δεύτερον, όταν ένα ρεύμα ρέει μέσω ενός αγωγού με κλίση θερμοκρασίας, ο αγωγός απορροφά ή απελευθερώνει θερμότητα (ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος σε σχέση με την κλίση της θερμοκρασίας), γνωστό ως το αποτέλεσμα Thomson. Ο συνδυασμός δύο διαφορετικών αγωγών ή ημιαγωγών ονομάζεται θερμοστοιχείο. Το θερμοηλεκτρικό δυναμικό EAB (T, T 0) ενός θερμοστοιχείου αποτελείται από δυναμικό επαφής και θερμοηλεκτρικό δυναμικό. Το δυναμικό επαφής αναφέρεται στο ηλεκτρικό δυναμικό που παράγεται στο σημείο επαφής μεταξύ δύο διαφορετικών αγωγών ή ημιαγωγών, ο οποίος σχετίζεται με τις ιδιότητες των δύο αγωγών ή ημιαγωγών και της θερμοκρασίας στο σημείο επαφής. Το θερμοηλεκτρικό δυναμικό αναφέρεται στο δυναμικό που παράγεται σε δύο άκρα του ίδιου αγωγού ή ημιαγωγού σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό το δυναμικό σχετίζεται μόνο με τις ιδιότητες του αγωγού ή του ημιαγωγού και της θερμοκρασίας και στα δύο άκρα και είναι ανεξάρτητη από το μήκος, το διατομεακό μέγεθος και η κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος της κατεύθυνσης του μήκους του αγωγού. Τόσο το δυναμικό επαφής όσο και το θερμοηλεκτρικό δυναμικό παράγονται λόγω των διαφορετικών αριθμών ηλεκτρονίων που συμπυκνώθηκαν στα τελικά σημεία της επαφής και το θερμοηλεκτρικό δυναμικό που μετράται με θερμοστοιχείο είναι ένας συνδυασμός των δύο. Όταν το κύκλωμα αποσυνδεθεί, υπάρχει μια διαφορά ηλεκτρομαγνητικής δύναμης △ V μεταξύ των αποσυνδεδεμένων σημείων Α και Β, των οποίων η πολικότητα και το μέγεθος είναι συνεπείς με το θερμοηλεκτρικό δυναμικό στο κύκλωμα. Και ορίζεται ότι στο κρύο άκρο, όταν το ρεύμα ρέει από Α έως Β, το Α ονομάζεται θετικό ηλεκτρόδιο και το Β είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα πειράματα έχουν δείξει ότι όταν το δ V είναι μικρό, το δ V είναι άμεσα ανάλογα με το δ Τ. Το διαφορικό θερμοηλεκτρικό δυναμικό του Δ V έναντι του δ Τ είναι ορίζεται ως θερμοηλεκτρικός ρυθμός δυναμικού, επίσης γνωστός ως συντελεστής Seebeck. Το σημάδι και το μέγεθος του συντελεστή Seebeck εξαρτώνται από τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των δύο αγωγών που συνθέτουν το θερμοστοιχείο και τη διαφορά θερμοκρασίας στη διασταύρωση. Τύποι θερμοστοιχείων
Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα θερμοστοιχεία μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τυπικά θερμοστοιχεία και μη τυποποιημένα θερμοστοιχεία. Το λεγόμενο πρότυπο θερμοστοιχείο αναφέρεται σε ένα θερμοστοιχείο που έχει ένα εθνικό πρότυπο που καθορίζει τη σχέση μεταξύ του θερμοηλεκτρικού δυναμικού και της θερμοκρασίας του, επιτρέπει σφάλματα και έχει ενοποιημένη τυπική κλίμακα. Διαθέτει ένα αντίστοιχο όργανο οθόνης διαθέσιμο για επιλογή. Τα μη τυποποιημένα θερμοστοιχεία δεν χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως ή της ίδιας τάξης μεγέθους με τα τυποποιημένα θερμοστοιχεία και γενικά δεν έχουν έναν ενοποιημένο πίνακα βαθμονόμησης. Χρησιμοποιούνται κυρίως για μετρήσεις σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις. Από την 1η Ιανουαρίου 1988, όλα τα θερμοστοιχεία και τα θερμίστορ στην Κίνα έχουν παραχθεί σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα IEC και επτά τυποποιημένα θερμοστοιχεία, δηλαδή S, B, E, K, R, J και T, έχουν οριστεί ως ενοποιημένα θερμοστοιχεία σχεδιασμού στην Κίνα.
1. K-Type Thermocouple Nickel Chromium (Θερμοκλέπιο νικελίου (νικέλιο αλουμινίου))
Το θερμοστοιχείο τύπου K είναι ένα θερμοστοιχείο μετάλλου χαμηλού κόστους με ισχυρή αντοχή στην οξείδωση, η οποία μπορεί να μετρήσει τη θερμοκρασία του μέσου από 0 έως 1300 βαθμούς. Είναι κατάλληλο για συνεχή χρήση σε οξειδωτικά και αδρανή αέρια, με βραχυπρόθεσμη θερμοκρασία χρήσης 1200 βαθμών και θερμοκρασία μακροπρόθεσμης χρήσης 1000 βαθμών. Η σχέση μεταξύ του θερμοηλεκτρικού δυναμικού και της θερμοκρασίας είναι περίπου γραμμική, καθιστώντας την επί του παρόντος το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο θερμοστοιχείο. Ωστόσο, δεν είναι κατάλληλο για τη χρήση γυμνών καλωδίων σε κενό, που περιέχει θείο, ατμόσφαιρες που περιέχουν άνθρακα και εναλλασσόμενες ατμόσφαιρες μείωσης οξείδωσης. Όταν η μερική πίεση του οξυγόνου είναι χαμηλή, το χρωμίου στο ηλεκτρόδιο χρωμίου νικελίου θα οξειδώσει κατά προτίμηση, προκαλώντας σημαντική μεταβολή του θερμοηλεκτρικού δυναμικού. Ωστόσο, η επίδραση του μεταλλικού αερίου σε αυτό είναι σχετικά μικρή, έτσι χρησιμοποιούνται συχνά οι μεταλλικοί προστατευτικοί σωλήνες.
Μειονεκτήματα του θερμοστοιχείου τύπου K:
(1) Η σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας του θερμοηλεκτρικού δυναμικού είναι κατώτερη από εκείνη των θερμοστοιχείων τύπου Ν και των πολύτιμων μεταλλικών θερμοστοιχείων και συχνά βλάπτεται λόγω οξείδωσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες (όπως πάνω από 1000 βαθμοί).
(2) Η βραχυπρόθεσμη σταθερότητα θερμικής ποδηλασίας δεν είναι καλή εντός του εύρους του βαθμού 250-500, δηλαδή στο ίδιο σημείο θερμοκρασίας, οι αναγνώσεις θερμοηλεκτρικού δυναμικού είναι διαφορετικές κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θέρμανσης και ψύξης και η διαφορά μπορεί να φτάσει 2-3 βαθμός.
(3) Το αρνητικό ηλεκτρόδιο υφίσταται μαγνητικό μετασχηματισμό εντός της περιοχής θερμοκρασίας 150-200 βαθμού, με αποτέλεσμα τις αποκλίσεις από τον πίνακα βαθμονόμησης στην περιοχή θερμοκρασίας της θερμοκρασίας δωματίου έως 230 μοίρες. Ειδικά όταν χρησιμοποιείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, συχνά εμφανίζεται ανεξάρτητη θερμοηλεκτρική παρεμβολή.
(4) Η μακροπρόθεσμη έκθεση σε περιβάλλον ακτινοβολίας υψηλής απόδοσης μπορεί να προκαλέσει σημαντικές μεταβολές στο θερμοηλεκτρικό δυναμικό λόγω της αποικοδόμησης στοιχείων όπως το μαγγάνιο (MN) και το κοβάλτιο (CO) στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα την κακή σταθερότητα.
2. Θερμοκλέος τύπου S (Platinum Rhodium 10 Thermocouple Platinum)
Το θετικό ηλεκτρόδιο αυτού του θερμοστοιχείου αποτελείται από κράμα ροδίου πλατίνας που περιέχει 10% ροδίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι καθαρό πλατίνα.
Τα χαρακτηριστικά του είναι:
(1) Σταθερή θερμοηλεκτρική απόδοση, ισχυρή αντίσταση οξείδωσης, κατάλληλη για συνεχή χρήση σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα, η μακροπρόθεσμη θερμοκρασία χρήσης μπορεί να φτάσει τους 1300 βαθμούς. Ακόμη και στον αέρα, το καθαρό σύρμα πλατίνας θα ανακρυσταλλοποιείται, προκαλώντας χονδροειδείς κόκκους και κάταγμα όταν υπερβαίνει τους 1400 βαθμούς.
(2) υψηλή ακρίβεια, με το υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας μεταξύ όλων των θερμοστοιχείων, που συνήθως χρησιμοποιούνται ως πρότυπο ή για τη μέτρηση υψηλότερων θερμοκρασιών.
(3) ευρέως εφαρμόσιμη, με καλή ομοιομορφία και εναλλαγή.
(4) Τα κύρια μειονεκτήματα είναι: το διαφορικό θερμοηλεκτρικό δυναμικό είναι μικρό, με αποτέλεσμα χαμηλή ευαισθησία. Δαπανηρή τιμή, χαμηλή μηχανική αντοχή, όχι
Κατάλληλο για χρήση υπό μειωμένη ατμόσφαιρα ή συνθήκες με μεταλλικό ατμό.
3. Θερμοκλέπιο τύπου Ε-τύπου (Θερμοκλέπτη χαλκού Chromium Nickel Chromium [Constantan]
Το θερμοστοιχείο τύπου E είναι ένα σχετικά νέο προϊόν, με κράμα χρώματος νικελίου ως το θετικό ηλεκτρόδιο και κράμα νικελίου χαλκού (Constantan) ως αρνητικό ηλεκτρόδιο. Το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό του είναι ότι μεταξύ των κοινώς χρησιμοποιούμενων θερμοστοιχείων, έχει το υψηλότερο θερμοηλεκτρικό δυναμικό, δηλαδή την υψηλότερη ευαισθησία. Παρόλο που το εύρος εφαρμογής της δεν είναι τόσο ευρύ όσο το θερμοστοιχείο τύπου K, επιλέγεται συχνά υπό συνθήκες που απαιτούν υψηλή ευαισθησία, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και ανοχή για υψηλή αντίσταση. Οι περιοριστικές συνθήκες κατά τη χρήση είναι οι ίδιες με αυτές του τύπου Κ, αλλά δεν είναι πολύ ευαίσθητο στη διάβρωση σε περιβάλλοντα με υψηλότερη υγρασία.
4. Θερμοκλέος τύπου Ν-τύπου (Θερμοκλέπιο πυριτίου νικελίου νικελίου νίκης)
Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του θερμοστοιχείου είναι: Ισχυρή αντίσταση θερμοκρασίας και οξείδωσης κάτω από 1300 βαθμούς, καλή μακροπρόθεσμη σταθερότητα και αναπαραγωγιμότητα βραχυπρόθεσμου θερμικού κύκλου, καλή αντοχή στην πυρηνική ακτινοβολία και απόδοση χαμηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, εντός του εύρους του βαθμού 400-1300, η γραμμικότητα των θερμοηλεκτρικών χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων τύπου Ν είναι καλύτερη από αυτή των θερμοστοιχείων τύπου Κ. Ωστόσο, το μη γραμμικό σφάλμα είναι σχετικά μεγάλο στην περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας (-200 ~ 400 βαθμούς) και το υλικό είναι δύσκολο και δύσκολο να επεξεργαστεί.
5. Θερμοκλέπιο τύπου J (θερμοστοιχείο σιδήρου Constantan)
Θερμοκλέος τύπου J: Το θετικό ηλεκτρόδιο αυτού του θερμοστοιχείου είναι καθαρό σίδηρο και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι ο Κωνσταντάν (κράμα χαλκού νικελίου). Χαρακτηρίζεται από τη χαμηλή τιμή του και είναι κατάλληλη για μείωση οξείδωσης κενού ή ατμόσφαιρα αδρανής. Το εύρος θερμοκρασίας είναι από -200 έως 800 βαθμούς, αλλά η συνήθως χρησιμοποιούμενη θερμοκρασία είναι μόνο κάτω από 500 βαθμούς, επειδή πέρα ​​από αυτή τη θερμοκρασία, επιταχύνεται ο ρυθμός οξείδωσης του σιδηροηλεκτρικού ηλεκτροδίου. Εάν χρησιμοποιείται χοντρή διάμετρος σύρματος, μπορεί ακόμα να χρησιμοποιηθεί σε υψηλές θερμοκρασίες και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Αυτός ο θερμοστοιχείο είναι ικανός να αντέξει τη διάβρωση από τα αέρια υδρογόνου (Η2) και μονοξειδίου του άνθρακα (CO), αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ατμοσφαιρικές (-ες) που περιέχουν θείο υψηλής θερμοκρασίας (όπως 500 βαθμοί).
6. Θερμοκλέος τύπου Τ (θερμοστοιχείο από χαλκό χαλκός από χαλκό)
Θερμοκλέος τύπου Τ: Το θετικό ηλεκτρόδιο αυτού του θερμοστοιχείου είναι καθαρός χαλκός και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι κράμα νικελίου χαλκού (επίσης γνωστό ως Constantan). Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι:
Μεταξύ των μεταλλικών θερμοστοιχείων με χαμηλού κόστους, έχει την υψηλότερη ακρίβεια και καλή ομοιομορφία του θερμοηλεκτρικού ηλεκτροδίου. Η θερμοκρασία λειτουργίας του είναι -200 ~ 350 βαθμοί. Λόγω της εύκολης οξείδωσης και αποσύνδεσης του μεμβράνης οξειδίου του θερμικού ηλεκτροδίου χαλκού, δεν πρέπει γενικά να υπερβαίνει τους 300 βαθμούς όταν χρησιμοποιείται σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα. Μέσα στην περιοχή του -200 ~ 300 βαθμού, έχουν υψηλή ευαισθησία. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των θερμοστοιχείων του χαλκού Κωνσταντάν είναι ότι είναι φθηνά και είναι τα φθηνότερα μεταξύ πολλών συνήθως χρησιμοποιούμενων τυποποιημένων προϊόντων.
7. Θερμοκλέος τύπου R (Platinum Rhodium 13 Platinum Thermocouple)
Το θετικό ηλεκτρόδιο αυτού του θερμοστοιχείου είναι ένα κράμα ροδίου 13% πλατίνας και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι καθαρό πλατίνα. Σε σύγκριση με τον τύπο S, ο πιθανός ρυθμός του είναι περίπου 15% υψηλότερος.
(1) Σταθερή θερμοηλεκτρική απόδοση, ισχυρή αντίσταση οξείδωσης, κατάλληλη για συνεχή χρήση σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα, η μακροπρόθεσμη θερμοκρασία χρήσης μπορεί να φτάσει τους 1300 βαθμούς. Ακόμη και στον αέρα, το καθαρό σύρμα πλατίνας θα ανακρυσταλλοποιείται, προκαλώντας χονδροειδείς κόκκους και κάταγμα όταν υπερβαίνει τους 1400 βαθμούς.
(2) υψηλή ακρίβεια, με το υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας μεταξύ όλων των θερμοστοιχείων, που συνήθως χρησιμοποιούνται ως πρότυπο ή για τη μέτρηση υψηλότερων θερμοκρασιών.
(3) ευρέως εφαρμόσιμη, με καλή ομοιομορφία και εναλλαγή.
(4) Τα κύρια μειονεκτήματα είναι: το διαφορικό θερμοηλεκτρικό δυναμικό είναι μικρό, με αποτέλεσμα χαμηλή ευαισθησία. Δαπανηρή τιμή, χαμηλή μηχανική αντοχή, όχι
Κατάλληλο για χρήση υπό μειωμένη ατμόσφαιρα ή συνθήκες με μεταλλικό ατμό.