थर्मोइलेक्ट्रिक कन्व्हर्टर (थर्मोकपल्स)

थर्मोकूपल कसे कार्य करते

आधीच 1821 मध्ये, सीबेकने त्याच्या नावाची एक घटना शोधून काढली, ज्यामध्ये ई. वेगवेगळ्या प्रवाहकीय सामग्री असलेल्या बंद सर्किटमध्ये दिसून येते. इ. (तथाकथित थर्मो-ईएमसी) जर या सामग्रीचे संपर्क बिंदू वेगवेगळ्या तापमानात राखले जातात.

त्याच्या सर्वात सोप्या स्वरूपात, जेव्हा इलेक्ट्रिकल सर्किटमध्ये दोन भिन्न कंडक्टर असतात, तेव्हा त्याला थर्मोकूपल किंवा थर्मोकूपल म्हणतात.

सीबेक घटनेचे सार या वस्तुस्थितीत आहे की मुक्त इलेक्ट्रॉनची उर्जा, ज्यामुळे तारांमध्ये विद्युत प्रवाह दिसून येतो, भिन्न असते आणि तापमानानुसार भिन्न बदलते. म्हणून, वायरच्या बाजूने तापमानात फरक असल्यास, त्याच्या गरम टोकावरील इलेक्ट्रॉनमध्ये थंड टोकाच्या तुलनेत जास्त ऊर्जा आणि वेग असेल, ज्यामुळे वायरमधील गरम टोकापासून थंड टोकापर्यंत इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह होतो. परिणामी, दोन्ही टोकांवर शुल्क जमा होईल — थंडीवर नकारात्मक आणि गरम वर सकारात्मक.

वेगवेगळ्या तारांसाठी हे शुल्क वेगवेगळे असल्याने, जेव्हा त्यातील दोन थर्मोकूपलमध्ये जोडले जातात, तेव्हा एक विभेदक थर्मोकूपल दिसेल. इ. c. थर्मोकूपलमध्ये घडणार्‍या घटनांचे विश्लेषण करण्यासाठी, त्यात निर्माण झालेले थर्मोकूप हे गृहीत धरणे सोयीचे आहे. इ. c. E ही दोन संपर्क इलेक्ट्रोमोटिव्ह शक्तींची बेरीज आहे, जी त्यांच्या संपर्काच्या ठिकाणी उद्भवते आणि या संपर्कांच्या तापमानाचे कार्य आहे (चित्र 1, a).

तांदूळ. 1. दोन- आणि तीन-वायर थर्मोइलेक्ट्रिक सर्किटचे आकृती, जंक्शनला इलेक्ट्रिकल मापन यंत्र जोडण्यासाठी आकृती आणि थर्मोइलेक्ट्रोड थर्मोकूपलसह.

दोन भिन्न कंडक्टरच्या सर्किटमध्ये उद्भवणारे थर्मोइलेक्ट्रोमोटिव्ह बल त्यांच्या टोकावरील इलेक्ट्रोमोटिव्ह बलांमधील फरकाइतके असते.

या व्याख्येवरून असे दिसून येते की थर्मोकूपलच्या शेवटी समान तापमानात, त्याची थर्मोइलेक्ट्रिक पॉवर. इ. s शून्य असेल. यावरून एक अत्यंत महत्त्वाचा निष्कर्ष काढला जाऊ शकतो, ज्यामुळे तापमान सेन्सर म्हणून थर्मोकूपल वापरणे शक्य होते.

थर्मोकूपलचे इलेक्ट्रोमोटिव्ह फोर्स त्याच्या सर्किटमध्ये तिसऱ्या वायरच्या प्रवेशाने बदलले जाणार नाही जर त्याच्या टोकाचे तापमान समान असेल.

हे तिसरे वायर जंक्शनपैकी एकामध्ये आणि तारांपैकी एकाच्या विभागात (चित्र 1.6, c) दोन्ही समाविष्ट केले जाऊ शकते. हा निष्कर्ष थर्मोकूपल सर्किटमध्ये आणलेल्या अनेक तारांपर्यंत वाढविला जाऊ शकतो, जोपर्यंत त्यांच्या टोकाचे तापमान समान आहे.

म्हणून, मापन यंत्र (त्यात तारांचा देखील समावेश आहे) आणि त्याकडे जाणार्‍या तारा जोडणारे थर्मोकूपल सर्किटमध्ये त्याद्वारे विकसित केलेल्या थर्मोइलेक्ट्रिक पॉवरमध्ये बदल न करता समाविष्ट केले जाऊ शकतात. ec, बिंदू 1 आणि 2 किंवा 3 आणि 4 (Fig. 1, d आणि e) चे तापमान समान असल्यासच. या प्रकरणात, या बिंदूंचे तापमान डिव्हाइसच्या टर्मिनल्सच्या तापमानापेक्षा भिन्न असू शकते, परंतु दोन्ही टर्मिनल्सचे तापमान समान असणे आवश्यक आहे.

थर्मोकूपल सर्किटचा प्रतिकार अपरिवर्तित राहिल्यास, त्यातून वाहणारा विद्युत् प्रवाह (आणि म्हणून डिव्हाइसचे वाचन) केवळ त्याच्याद्वारे विकसित केलेल्या थर्मोइलेक्ट्रिक पॉवरवर अवलंबून असेल. d. पासून, म्हणजेच कार्यरत (गरम) आणि मुक्त (थंड) टोकांच्या तापमानापासून.

तसेच, थर्मोकूपलच्या मुक्त टोकाचे तापमान स्थिर ठेवल्यास, मीटर रीडिंग केवळ थर्मोकूपलच्या कार्यरत टोकाच्या तापमानावर अवलंबून असेल. असे उपकरण थेट थर्मोकूपलच्या कार्यरत जंक्शनचे तापमान दर्शवेल.

म्हणून, थर्मोइलेक्ट्रिक पायरोमीटरमध्ये थर्मोकूपल (थर्मोइलेक्ट्रोड्स), थेट करंट मीटर आणि कनेक्टिंग वायर असतात.

वरीलवरून पुढील निष्कर्ष काढता येतील.

1. थर्मोकूपल (वेल्डिंग, सोल्डरिंग, ट्विस्टिंग इ.) च्या वर्किंग एंडची निर्मिती करण्याची पद्धत तिच्याद्वारे विकसित केलेल्या थर्मोइलेक्ट्रिक पॉवरवर परिणाम करत नाही. इ. सह, जर फक्त कार्यरत टोकाची परिमाणे अशी असतील की त्याच्या सर्व बिंदूंवर तापमान समान असेल.

2. कारण उपकरणाद्वारे मोजलेले पॅरामीटर थर्मोइलेक्ट्रिक नाही. आणि थर्मोकूपल सर्किट करंटसह, हे आवश्यक आहे की ऑपरेटिंग सर्किटचा प्रतिकार अपरिवर्तित राहील आणि कॅलिब्रेशन दरम्यान त्याच्या मूल्याच्या समान असेल.परंतु हे करणे व्यावहारिकदृष्ट्या अशक्य असल्याने, थर्मोइलेक्ट्रोड्स आणि कनेक्टिंग वायर्सचा प्रतिकार तापमानासह बदलत असल्याने, पद्धतीतील मुख्य त्रुटींपैकी एक उद्भवते: सर्किटचा प्रतिकार आणि कॅलिब्रेशन दरम्यान त्याचा प्रतिकार यांच्यातील विसंगतीची त्रुटी.

ही त्रुटी कमी करण्यासाठी, थर्मल मापनासाठी उपकरणे उच्च प्रतिरोधकतेसह (उग्र मापनांसाठी 50-100 ओहम, अधिक अचूक मोजमापांसाठी 200-500 ओहम) आणि कमी तापमानाच्या विद्युत गुणांकासह तयार केली जातात, जेणेकरून सर्किटचा एकूण प्रतिकार (आणि , म्हणून, वर्तमान आणि — e. d. s.) यांच्यातील संबंध सभोवतालच्या तापमानातील चढ-उतारांसह कमीत कमी बदलतो.

3. थर्मोइलेक्ट्रिक पायरोमीटर नेहमी थर्मोकूपलच्या मुक्त टोकाच्या चांगल्या-परिभाषित तापमानावर कॅलिब्रेट केले जातात — 0 ° से. सामान्यत: हे तापमान ऑपरेशनमध्ये कॅलिब्रेशन तापमानापेक्षा वेगळे असते, परिणामी पद्धतीची दुसरी मुख्य त्रुटी उद्भवते. : मुक्त थर्मोकूपलच्या तापमानातील त्रुटी.

ही त्रुटी दहापट अंशांपर्यंत पोहोचू शकत असल्याने, डिव्हाइसच्या रीडिंगमध्ये योग्य सुधारणा करणे आवश्यक आहे. जर राइझर्सचे तापमान ज्ञात असेल तर ही सुधारणा मोजली जाऊ शकते.

कॅलिब्रेशन दरम्यान थर्मोकूपलच्या मुक्त टोकाचे तापमान 0 डिग्री सेल्सिअस इतके असते आणि ऑपरेशनमध्ये ते सामान्यतः 0 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त असते (मुक्त टोक सामान्यतः खोलीत असतात, ते बहुतेकदा ओव्हनजवळ असतात ज्यांचे तापमान मोजले जाते. ), पायरोमीटर वास्तविक मोजलेल्या तापमानाच्या तुलनेत कमी अंदाज देते, नंतरचे संकेत आणि मूल्य सुधार मूल्याने वाढविले पाहिजे.

हे सहसा ग्राफिक पद्धतीने केले जाते. हे थर्मोसेट्समध्ये सामान्यतः समानता नसल्यामुळे आहे.इ. pp. आणि तापमान. जर त्यांच्यातील संबंध आनुपातिक असेल, तर कॅलिब्रेशन वक्र एक सरळ रेषा आहे आणि या प्रकरणात थर्मोकूपलच्या मुक्त टोकाच्या तपमानाची दुरुस्ती त्याच्या तपमानाच्या थेट समान असेल.

थर्माकोपल्सचे डिझाइन आणि प्रकार

थर्मोइलेक्ट्रोड सामग्रीवर खालील आवश्यकता लागू होतात:

1) उच्च तापविद्युत. इ. v. आणि तापमानापासून त्याच्या बदलाच्या आनुपातिक स्वरूपाच्या जवळ;

2) उष्णता प्रतिरोध (उच्च तापमानात नॉन-ऑक्सिडायझेशन);

3) मोजलेल्या तापमानात कालांतराने भौतिक गुणधर्मांची स्थिरता;

4) उच्च विद्युत चालकता;

5) कमी-तापमान प्रतिरोधक गुणांक;

6) स्थिर भौतिक गुणधर्मांसह मोठ्या प्रमाणात उत्पादनाची शक्यता.

इंटरनॅशनल इलेक्ट्रोटेक्निकल कमिशन (IEC) ने थर्मोकपल्सचे काही मानक प्रकार (मानक IEC 584-1) परिभाषित केले आहेत. मोजलेल्या तापमानाच्या श्रेणीनुसार घटकांमध्ये R, S, B, K, J, E, T असे निर्देशांक असतात.

उद्योगात, 600 — 1000 — 1500˚C पर्यंत उच्च तापमान मोजण्यासाठी थर्मोकपल्सचा वापर केला जातो. औद्योगिक थर्मोकूपमध्ये दोन अपवर्तक धातू किंवा मिश्र धातु असतात. गरम जंक्शन (“G” अक्षराने चिन्हांकित) ज्या ठिकाणी तापमान मोजले जाते त्या ठिकाणी ठेवलेले असते, आणि कोल्ड जंक्शन (“X”) मोजण्याचे यंत्र ज्या ठिकाणी असते त्या ठिकाणी असते.

खालील मानक थर्मोकपल्स सध्या वापरात आहेत.

प्लॅटिनम-रोडियम-प्लॅटिनम थर्मोकूपल. हे थर्मोकपल्स दीर्घकालीन वापरासाठी 1300 °C पर्यंत आणि अल्पकालीन वापरासाठी 1600 °C पर्यंत तापमान मोजण्यासाठी वापरले जाऊ शकतात, जर ते ऑक्सिडायझिंग वातावरणात वापरले गेले असतील.मध्यम तापमानात, प्लॅटिनम-रोडियम-प्लॅटिनम थर्मोकूपल खूप विश्वासार्ह आणि स्थिर असल्याचे सिद्ध झाले आहे, म्हणूनच ते 630-1064 डिग्री सेल्सियसच्या श्रेणीमध्ये उदाहरण म्हणून वापरले जाते.

Chrome-alumel थर्मोकूपल. हे थर्मोकपल्स दीर्घकालीन वापरासाठी 1000 डिग्री सेल्सिअस पर्यंत आणि अल्पकालीन वापरासाठी 1300 डिग्री सेल्सिअस तापमान मोजण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत. ते ऑक्सिडायझिंग वातावरणात (कोणतेही संक्षारक वायू नसल्यास) या मर्यादेत विश्वसनीयपणे कार्य करतात, कारण जेव्हा इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर गरम केले जाते, एक पातळ संरक्षणात्मक ऑक्साईड फिल्म जी ऑक्सिजनला धातूमध्ये प्रवेश करण्यापासून प्रतिबंधित करते.

क्रोमल-कॉपेल थर्मोकूपल... हे थर्मोकपल्स दीर्घ काळासाठी 600°C पर्यंत आणि थोड्या काळासाठी 800°C पर्यंत तापमान मोजू शकतात. ते ऑक्सिडायझिंग आणि कमी करणारे वातावरण तसेच व्हॅक्यूममध्ये यशस्वीरित्या कार्य करतात.

आयर्न कॉपल थर्मोकूपल... मोजमाप मर्यादा क्रोमेल-कॉपेल थर्मोकूपलसाठी समान आहेत, ऑपरेटिंग परिस्थिती समान आहेत. हे कमी थर्मो देते. इ. XK थर्मोकूपलच्या तुलनेत वि. एलसी थर्मोकूपलचा एक महत्त्वपूर्ण दोष म्हणजे त्याच्या लोह इलेक्ट्रोडचा गंज.

कॉपर-कॉपर थर्मोकूपल... ऑक्सिडायझिंग वातावरणातील तांबे आधीच 350 डिग्री सेल्सिअस तापमानात तीव्रपणे ऑक्सिडायझेशन सुरू करत असल्याने, या थर्मोकपल्सच्या वापराची श्रेणी 350 डिग्री सेल्सिअस दीर्घ काळासाठी आणि 500 ​​डिग्री सेल्सिअस थोड्या काळासाठी असते. व्हॅक्यूममध्ये, हे थर्मोकपल्स 600 °C पर्यंत वापरले जाऊ शकतात.

थर्मो-ई अवलंबन वक्र. इ. सर्वात सामान्य थर्माकोलसाठी तापमान. 1 - क्रोमेल-बास्टर्ड; 2 - लोह-बास्टर्ड; 3 - तांबे-बास्टर्ड; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - क्रोमेल-अलुमेल; 7-प्लॅटिनम-रोडियम-प्लॅटिनम; 8 — TMSV-340M; ९ — PR -३०/६.

पायाभूत धातूपासून बनवलेल्या मानक थर्मोकपल्सच्या थर्मोइलेक्ट्रोड्सचा प्रतिकार 0.13-0.18 ohms प्रति 1 मीटर लांबी (दोन्ही टोके) आहे, प्लॅटिनम-रोडियम-प्लॅटिनम थर्मोकपल्ससाठी 1.5-1.6 ohms प्रति 1 मीटर. परवानगीयोग्य थर्मोइलेक्ट्रिक पॉवर विचलन इ. नॉन-नोबल थर्मोकूपल्ससाठी कॅलिब्रेशन ± 1%, प्लॅटिनम-रोडियम-प्लॅटिनमसाठी ± 0.3-0.35% आहे.

मानक थर्मोकूपल एक रॉड आहे ज्याचा व्यास 21-29 मिमी आणि लांबी 500-3000 मिमी आहे. संरक्षक नळीच्या शीर्षस्थानी कार्बोलाइट किंवा बेकेलाइट प्लेटसह स्टँप केलेले किंवा कास्ट केलेले (सामान्यत: अॅल्युमिनियम) डोके ठेवलेले असते, ज्यामध्ये जोडलेल्या स्क्रू क्लॅम्पसह वायरच्या दोन जोड्या दाबल्या जातात. थर्मोइलेक्ट्रोड एका टर्मिनलला जोडलेले असते आणि दुसर्‍याशी कनेक्टिंग वायर जोडलेली असते जी मापन यंत्राकडे जाते. कधीकधी कनेक्टिंग वायर लवचिक संरक्षक नळीमध्ये बंद असतात. थर्मोकूपल स्थापित केलेले छिद्र सील करणे आवश्यक असल्यास, नंतरचे थ्रेडेड फिटिंग प्रदान केले जाते. बाथटबसाठी, थर्माकोपल्स देखील कोपरच्या आकारासह बनविल्या जातात.

थर्मोकपल्सचे कायदे

अंतर्गत तापमान नियम: एकसंध कंडक्टरमध्ये तापमान ग्रेडियंटच्या उपस्थितीमुळे विद्युत प्रवाह दिसत नाही (अतिरिक्त EMF होत नाही).

इंटरमीडिएट कंडक्टरचा नियम: A आणि B धातूंचे दोन एकसंध कंडक्टर T1 (हॉट जंक्शन) आणि T2 (कोल्ड जंक्शन) तापमानात संपर्कांसह थर्मोइलेक्ट्रिक सर्किट तयार करू द्या. वायर A च्या फाटण्यामध्ये X धातूची वायर समाविष्ट केली जाते आणि दोन नवीन संपर्क तयार होतात. "जर वायर X चे तापमान त्याच्या संपूर्ण लांबीमध्ये सारखेच असेल, तर थर्मोकूपलचा परिणामी EMF बदलणार नाही (अतिरिक्त जंक्शन्समधून कोणताही EMF उद्भवत नाही)."