Термоэлектрические приборы: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

6.7. Термоэлектрические приборы

Эти приборы используются для измерения токов высокой частоты. Термоэлектрический прибор (рис. 6.7) состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора И магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель 2 и термопару 1 из двух разнородных проводников, спаянных между собой.

Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток; (например, высокой частоты), то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет протекать термоток I₀ постоянного напряжения. Так как термо-ЭДС пропорциональна количеству тепла, выделенному в подогревателе, то прибор термоэлектрической системы измеряет действующее значение переменного тока любой формы.

Рис.6.7. Схема включения в цепь измерения термоэлектрического прибора

Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной, так как термо-ЭДС пропорциональна квадрату измеряемого тока. Чувствительность термоэлементов, определяемая изменением термо-ЭДС в микровольтах, получающимся при изменении температуры спая на 1°С, зависит в основном от материала термопары и температуры спая.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, большой диапазон измерения токов, широкий диапазон частот, а также возможность измерения токов сигналов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, которая в начальной своей части получается сжатой и на участке примерно 20% номинального тока практически не используется. Кроме того, показания приборов зависимы от внешней температуры, имеют тепловую инерцию и чувствительны к перегрузке.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения, классы точности и частотный диапазон. Общий частотный диапазон термоэлектрических приборов промышленного типа лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц. Номинальные токи — от 1 мА до 50 А, с применением трансформаторов тока — от 1 до 500 А. Классы точности — от 1,0 до 2,5. На частотах 300 МГц (Т22М) основная погрешность достигает + 5 %.

Примером термоэлектрических приборов являются щитовые миллиамперметры Т20 и Т20Т с внутренним вакуумным термопреобразователем на частоты 50 Гц — 100 МГц, с пределами измерения 75, 100, 250, 500 и 1000 мА. Более высокий класс точности (1,0) имеет миллиамперметр Т15 с термопреобразователем Т105, который имеет номинальный ток 100 мА и погрешность в диапазоне частот 20 Гц — 100 МГц 1-4%.

Для увеличения чувствительности термоприборов и повышения их перегрузочной способности применяются вакуумные термопреобразователи в сочетании с фотогальванометрическими компенсационными усилителями, что позволяет изготовлять микроамперметры с нижним пределом измерения 100 мкА.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ — Студопедия

Термоэлектрический прибор представляет собой соединение термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.

Термопреобразователь состоит из термопары и нагревателя. В качестве нагревателя используют проволоку, допускающую длительный нагрев. При пропускании тока через нагреватель он нагревается и на свободных концах термопары возникает термо-ЭДС, которая вызывает ток через измерительный механизм.

Термо-ЭДС пропорциональна количеству теплоты, выделенной измеряемым током в нагревателе. Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока. Следовательно, показание термоэлектрического прибора пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока.

Теплота, выделяемая током в нагревателе, не зависит от частоты, поэтому термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном токе и на переменном, включая радиочастоты.

При малых значениях измеряемых токов (150—300 мА) применяют вакуумные термопреобразователи. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянный баллон, в котором создано разрежение. Этим достигается уменьшение потерь на теплоотдачу в окружающую среду, следовательно, для нагревания рабочего конца термопары требуется меньшая мощность.

Расширение пределов измерений термоэлектрических амперметров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с отдельными термопреобразователями на каждый предел измерений. При измерении токов свыше 1 А для расширения пределов измерений пользуются высокочастотными измерительными трансформаторами тока. В термоэлектрических вольтметрах расширение пределов измерении производится с помощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с нагревателем.

Основным достоинством термоэлектрических приборов является высокая точность измерений в расширенном диапазоне частот и при искаженной форме измеряемого тока или напряжения. Современные термопреобразователи используют как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц. Однако на частотах примерно 5—10 МГц частотная погрешность термоэлектрического прибора может достигать 5—10 %. Объясняется это тем, что с увеличением частоты вследствие поверхностного эффекта повышается сопротивление нагревателя. Кроме того, при очень высоких частотах часть измеряемого тока ответвляется через собственные емкости, минуя нагреватель.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести

малую перегрузочную способность,

ограниченный срок службы термопреобразователей,

зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды,

значительное собственное потребление мощности (в амперметрах на 5 А примерно 1 В-А,

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Общие сведения. Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые приходится измерять. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерении токов и напряжений. Выбор средства измерения может определяться совокупностью факторов: 1) предполагаемым размером измеряемой величины, 2) родом тока (постоянного или переменного), 3) требуемой точностью измерения, и другими.

Определение значения напряжения осуществляют прямыми измерениями. Определение значения тока осуществляют прямыми и косвенными измерениями. Измеряется падение напряжения

Uна резисторе с известным сопротивлением R, который включен в цепь измеряемого тока . Значение тока находят по закону Ома. В этом случае погрешность результата измерения определяется погрешностью измерения напряжения и погрешностью обусловленной отличием номинального значения сопротивления от истинного значения сопротивления. Погрешность определяется по правилам обработки результатов косвенных измерений.

Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого средства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измерений искажает режим этой цепи. Например, включение амперметра в цепь приведет к тому, что вместо тока, который протекал в этой цепи до включения амперметра, пойдет ток, обусловленный сопротивлениями цепи и амперметра. Погрешность тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Аналогичная погрешность возникает при измерении напряжений. Например, при включении вольтметра, имеющего сопротивление, вместо напряжения

, которое было в схеме до включения вольтметра, после его включения напряжение станет меньше. Погрешность тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока через амперметр с сопротивлением мощность, потребляемая амперметром, I²R_A. Мощность, потребляемая вольтметром, определяется выражением U²/R_V, где U — напряжение, измеряемое вольтметром; R_V— внутреннее сопротивление вольтметра. чем меньше мощность, потребляемая средством измерений из цепи, где производится измерение, тем меньше погрешность от искажения режима цепи. Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности обладают электронные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы.

Диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк. Например, при биологических исследованиях, космических исследованиях, измерениях в вакууме необходимо измерять постоянные токи 10^-15 А, а в мощных энергетических установках, на предприятиях цветной металлургии, химической промышленности — токи, достигающие сотен 10⁵ А. Для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне значений делают различные средства измерений, обеспечивающие измерения в определенных поддиапазонах. Для расширения пределов измерений постоянного тока применяют шунты и измерительные трансформаторы постоянного тока, в цепях переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Для расширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансформаторы напряжения.

При измерении малых и больших токов и напряжений возникают дополнительные трудности.

При измерении малых токов и напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными и емкостными связями измерительной цепи с посторонними источниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля и другими причинами. Термо-ЭДС возникают вследствие неравномерного температурного поля в местах соединения разнородных металлов (в местах пайки и сварки проводников, в местах соприкосновения подвижных и неподвижных контактов переключателей и т. п.). Внешнее переменное магнитное поле вносит существенные искажения за счет ЭДС, наводимых в проводах и других элементах цепи, соединяющей источник малой измеряемой величины со средством измерений.

Невозможно полностью устранить влияние этих факторов . Поэтому измерения малых токов и напряжений осуществляются с большей погрешностью.

Измерения больших токов и напряжений имеют свои особенности. Например, при измерении больших постоянных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к нагреву шунтов и появлению дополнительных погрешностей вследствие увеличения их сопротивлений. Необходимо увеличивать габариты шунтов или применять специальные дополнительные меры по искусственному охлаждению для уменьшения рассеиваемой мощности или устранения перегрева. В результате шунты получаются громоздкими и дорогими. При измерении больших токов возникают дополнительные погрешности от влияния сильного магнитного поля, созданного протекающим током вокруг шин, на средства измерений

При измерении больших напряжений возрастают требования к изоляции средств измерений, как для уменьшения погрешностей, возникающих от токов утечки через изоляцию, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с увеличением измеряемого напряжения сопротивление делителя нужно увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротивлением изоляции, что приведет к погрешности деления напряжения и, следовательно, к погрешности измерений. Трудность учета реального коэффициента деления заключается в том, что сопротивление изоляции может изменяться в зависимости от состояния окружающей среды (запыленности, влажности и т. п.).

Отсюда следует, что при измерении больших токов и напряжений, кроме обычных погрешностей, возникают погрешности, обусловленные спецификой этих измерений.

Всем средствам измерений переменных токов и напряжений присуща частотная погрешность, обусловленная изменением сопротивлений индуктивных и емкостных элементов средств измерений с изменением частоты, потерями на перемагничивание ферромагнитных материалов, потерями на вихревые токи в металлических деталях средств измерений, влиянием паразитных индуктивностей и емкостей (на высоких частотах). Эти причины не позволяют получить одинаковую точность измерений во всем указанном диапазоне частот. В документации на средства измерений переменных токов и напряжений обязательно указывается область частот, в которой гарантируется определенная точность измерений данным средством. Область частот от 20 Гц до единиц килогерц является наиболее обеспеченной средствами измерений переменных токов и напряжений. В более широкой области частот используют электронные и цифровые приборы, а из электромеханических приборов — термоэлектрические и электростатические приборы. Увеличение погрешности измерения с ростом частоты является общей закономерностью для средств измерений токов и напряжений.

При измерениях на частотах ниже 20 Гц появляются трудности, обусловленные недостаточной инерционностью подвижной части электромеханических приборов. С уменьшением частоты инерция подвижной части недостаточна для получения установившегося отклонения указателя. Преодоление этой трудности путем увеличения инерции подвижной части измерительного механизма нецелесообразно из-за уменьшения чувствительности средства измерений. Поэтому для измерений токов и напряжений инфранизких частот требуются специальные устройства усреднения (интегрирования) измеряемых величин.

Термоэлектрические приборы — Студопедия

Термоэлектрический прибор представляет собой соединение одного или нескольких термопреобразователей и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.

На рис. 5 показано устройство термопреобразователя, состоящего из термопары 1 и нагревателя 2. В качестве нагревателя используют проволоку, допускающую длительный нагрев. При пропускании тока I_Х через нагреватель он нагревается и на свободных концах термопары возникает термо-ЭДС, которая вызывает ток через измерительный механизм.

Рис.4.14. Схема термоэлектрического прибора

Термо-ЭДС, развиваемая термопреобразователем, пропорциональна количеству теплоты, выделенной измеряемым током в нагревателе. Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока I_Х. Ток в цепи измерительного механизма I = E/R_И, где Е — термо-ЭДС; R_И — сопротивление цепи катушки измерительного механизма. Таким образом, показания термоэлектрического прибора должны быть пропорциональны квадрату действующего значения измеряемого тока. Однако квадратичный характер шкала имеет только в начальной части, при увеличении тепловых потерь нагревателя вследствие возрастания тока он исчезает.

Основным достоинством термоэлектрических приборов является достаточно высокая точность измерений в расширенном диапазоне частот и при искаженной форме измеряемого тока или напряжения. Современные термопреобразователи используют как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести малую перегрузочную способность и ограниченный срок службы термопреобразователей, зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды и значительное собственное потребление мощности (в амперметрах на 5 А примерно 1 В «А, ток полного отклонения вольтметров колеблется от 10 до 50 мА).

Промышленность выпускает многопредельные переносные термоэлектрические приборы, предназначенные для измерения переменных и постоянных токов от 100 мкА до 100 А, напряжений — от 150 мВ до 600 В. Приборы работают в диапазоне от постоянного тока до частот 50 МГц, класс точности 1,0 и 1,5. Высокочастотные термоэлектрические микроамперметры, например, типа Т133, с пределом измерений до 1000 мкА (четыре поддиапазона) имеют встроенный в прибор фотогальванометрический усилитель.

Приборы термоэлектрической системы. — Студопедия

Термоэлектрический прибор представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и измерительного термопреобразователя.

Термопреобразователь (рис. 2.3.6) состоит из нагревателя 1, который нагревается измеряемым током I, и термопары 2, образуемой двумя проводниками из разнородных металлов, одна пара концов которых сварена между собой. При изменении температуры места соединения этих проводников, называемого горячим, или рабочим, спаем, относительно свободных концов на них возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) примерно пропорциональная разности температур термоспаев. Термопары выполняют из металлов и сплавов, обладающих существенной контактной термоЭДС: платины – иридия, хромель – копеля и других, а нагревателя – из тугоплавких металлов: вольфрама, нихрома, чугуна.

Для осуществления теплового контакта между нагревателем и горячим спаем термопары горячий спай либо приваривают к нагревателю (рис. 2.3.6, а), либо механически соединяют с ним затвердевшей каплей – «бусинкой» из теплостойкого изоляционного материала, например, стекла (рис. 2.3.6, б). В первом случае термопара имеет электрическое соединение с нагревателем. Термопреобразователи первого вида называют контактными, термопреобразователи второго вида – бесконтактными. Так как место соединения термопары и нагревателя контактного преобразователя представляют собой не точку, а имеет некоторую площадь, то часть тока, текущего по нагревателю, ответвляется, как от шунта в нагрузку. При измерении тока с постоянной составляющей ответвляющийся ток сигнала в зависимости от его направления увеличивает или уменьшает ток измерительного прибора, обусловленный термоЭДС. Это создает дополнительную погрешность, свойственную контактному преобразователю. Бесконтактные термопреобразователи не имеют такого недостатка, что в значительной степени и обусловило их применение. Другим преимуществом бесконтактных термопреобразователей является возможность последовательного включения n термопар в термобатарею

Рис. 2.3.7. Термоэлектрические приборы: а – амперметр, б – вольтметр

(рис. 2.3.6, в), что при прочих равных условиях увеличивает чувствительность в n раз.

При токах подогревателя до 500 мА термопреобразователи обычно помещают в стеклянную колбу, в которой создают остаточное давление. При этом теплоотдача в воздух, а следовательно, бесполезный расход мощности термопреобразователя значительно уменьшаются, что увеличивает его чувствительность.

В бесконтактных термопреобразователях утечка измеряемого тока в цепь измерительного прибора может происходить только через емкость между нагревателем и термопарой. Так как эта емкость не превышает нескольких пикофарад, то погрешность из-за утечки тока в цепь измерителя сказывается только при очень высоких частотах. Существенным недостатком бесконтактных термопреобразователей является более высокая тепловая инерция. Ввиду небольших размеров нагревателя (отрезка провода длиною примерно 1 см) его индуктивность и емкость весьма малы. Это обусловливает ценное свойство термоэлектрических приборов – возможность их применения в электрических цепях с очень широки диапазоном частот – от нуля до сотен мегагерц. Они применяются для измерения действующих значений переменных токов от 10^-2 до 10² А, напряжений от 1 до 300 В и выпускаются в виде щитовых и переносных термоамперметров и термовольтметров, а также в виде лабораторных приборов с фотогальванометрическими усилителями (для измерения малых токов и напряжений), микроамперметров и милливольтметров. В схеме термоамперметра (рис. 2.3.7, а) и термовольтметра (рис. 2.3.7, б) манганиновый резистор R служит для согласования термопреобразователя с измерительным механизмом, а резистор R_д – добавочное сопротивление вольтметра.

Щитовые приборы имеют в основном встроенный термопреобразователь, квадратичную однопредельную шкалу, отградуированную в измеряемых единицах, хорошие механические свойства, не сравнительно высокую погрешность – до 5 % диапазона измерения. Переносные приборы выполняют с выносными термопреобразователями, они имеют равномерную неградуированную шкалу и несколько сменных преобразователей на разные токи, чем обеспечивается многопредельность прибора. Для перевода отсчета по шкале в результат измерения приборы снабжают пересчетными таблицами. На судах термоэлектрические приборы применяются для измерения токов и напряжений высокой частоты в радиопередающих и радионавигационных устройствах. В большей части приборов непосредственной оценки, в том числе выпрямительных и термоэлектрических, осуществляется отклонение подвижной части благодаря энергии, получаемой из контролируемой цепи, т.е. энергии сигнала. Такие приборы называют пассивными. Следует помнить, что их применение в цепях малой мощности может привести к появлению существенной дополнительной погрешности, если мощность контролируемой цепи и мощность, потребляемая прибором, соизмеримы.

Положительные свойства термоэлектрических приборов: высокая чувствительность, независимость показаний от частоты.

Отрицательные свойства: относительно невысокая точность, зависимость показаний от температуры окружающей среды, значительная мощность потерь.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое измерительный механизм.

2. От каких параметров зависит вращающий момент.

3. Для каких целей в приборе создается противодействующий момент.

4. В какой момент времени остановится указатель.

5. От каких параметров зависит чувствительность прибора.

6. Что такое цена деления, от каких параметров она зависит.

7. От каких причин может увеличиться погрешность прибора.

8. Для каких целей применяются успокоители.

9. Как классифицируются приборы непосредственной оценки.

10. Расшифруйте следующие условные обозначения, указанные на шкале прибора:

, , , , .

Какое обозначение указывает, что данный прибор – вольтметр, амперметр, варметр.
При работе прибора стрелка амперметра отклоняется до упора при любом значении измеряемого тока. Укажите причину данного явления.

13. Для каких целей служат отсчетные устройства. Их конструкция.

14. Дайте классификацию и сравнительную характеристику указателей приборов.

15. Какие шкалы вы знаете, их достоинства и недостатки.

16. Какую функцию в приборах играют оси, какие они бывают, их конструкция и применение.

17. Каким способом создается противодействующий момент в приборах.

18. Для каких целей служат успокоители, их конструкция, принцип работы.

19. В каких случаях пользуются арретиром.

20. Почему в приборы встраиваются внутренние шунты и добавочные сопротивления. Чем они отличаются друг от друга.

21. Чем отличается бифилярная катушка от обычной.

22. Для каких целей в приборах устанавливают упоры, зажимы.

23. Какие зажимы приборов отмечают знаком «*» (звездочка).

24. Дайте определение систематических и случайных погрешностей.

25. Что такое точность прибора.

26. Как определяется абсолютная, относительная и приведенная погрешность.

27. От каких причин изменяются основные и дополнительные погрешности приборов. В каких случаях ими можно пренебречь.

28. Что такое поправка прибора.

29. Дайте определение класса точности.

30. Для измерения ЭДС генератора к его зажимам присоединен вольтметр (рис. 2.1, сопротивление которого R_V = 10 000 Ом.

Сопротивление якоря генератора R_а = 0,2 Ом. Определить, на сколько процентов делаем ошибку, считая показания вольтметра, равным ЭДС генератора. (Ответ: 0,002%)

Рис. 2.1 Задача 30

32. Определить для вольтметра с пределом измерения 30 В класса точности 0,5 относительную погрешность для точек 5, 10, 15, 20, 25 и 30 В и наибольшую абсолютную погрешность прибора (Ответ: 3; 1,5; 1; 0,75; 0,6 и 0,5 %)

33. Вольтметр с пределом измерения 7,5 В и максимальным числом делений 150 имеет наибольшую абсолютную погрешность 36 мВ. Определить класс точности прибора и относительную погрешность в точках: 40, 80, 90, 100 и 120 делений (Ответ: класс точности 0,5; погрешности: 1,8; 0,9; 0,8; 0,72 и 0,6 %).

34. Какое условное обозначение указывается на шкале магнитоэлектрических приборов.

35. Какая конструкция измерительного механизма у приборов магнитоэлектрической системы.

36. Для каких целей служит магнитный шунт. Конструкция магнитного шунта.

37. Какой успокоитель применяется в приборах магнитоэлектрической системы.

38. Укажите уравнение угла поворота подвижной части приборов магнитоэлектрической системы.

39. Какое время успокоения достигается в магнитоэлектрических приборах.

40. На каком токе работают магнитоэлектрические приборы. Объясните на примере уравнения угла поворота подвижной части.

41. Какая конструкция у магнитоэлектрических логометров. Чем магнитоэлектрические логометры отличаются от приборов магнитоэлектрической системы.

42. Укажите уравнение угла поворота подвижной части магнитоэлектрических логометров.

43. Достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической системы, их применение, влияние температуры на точность приборов.

44. Какая конструкция у приборов электромагнитной системы. Условное обозначение

электромагнитной системы на шкале прибора.
Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного прибора.
На каком токе применяются приборы электромагнитной системы. Докажите это утверждение.
Почему шкала приборов электромагнитной системы неравномерная, а у приборов магнитоэлектрической системы – равномерная.
Какой прибор будет называться электромагнитным логометром.
Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного логометра.
Для каких целей применяются астатические электромагнитные системы.
Достоинства и недостатки приборов электромагнитной системы, их применение.
Расскажите принцип работы приборов электродинамической системы. Укажите условное обозначение этих приборов на шкале.
Дать сравнительную характеристику электродинамических и магнитоэлектрических приборов.
Уравнение угла поворота подвижной части электродинамических приборов.
Какая конструкция у электродинамических логометров. Указать уравнение подвижной части.
Почему в приборах электродинамической системы нет погрешности от гистерезиса и вихревых токов.
Какое влияние на приборы электродинамической системы оказывают внешние магнитные поля. Для каких целей применяется экранирование и астатические системы.
Работа приборов электродинамической системы в цепях постоянного и переменного тока.
Достоинства и недостатки, применение приборов электродинамической системы и электродинамических логометров.
Отличительные признаки ферродинамической системы. Сравнительная характеристика ее с электродинамической системой.
Какое положение занимает стрелка в отключенном приборе электродинамической системы и в электродинамическом логометре.

63. Принцип работы приборов индукционной системы. Уравнение угла поворота подвижной части.

64. Достоинства и недостатки приборов индукционной системы. Применение этих приборов.

65. Принцип работы и применение вибрационных приборов.

66. Принцип работы, уравнение шкалы электростатических приборов. Их достоинства и недостатки, применение.

67. Применение и устройство приборов выпрямительной системы.

68. Устройство термоэлектрических приборов. Конструкции термопар. Достоинства и недостатки данных приборов. Применение.

69. Укажите условные обозначения на шкалах приборов индукционной, вибрационной, электростатических, выпрямительных и термоэлектрических приборов.

Термоэлектрические приборы — Мегаобучалка

Термоэлектрический прибор представляет собой соединение одного или нескольких термопреобразователей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом.

Термоэлектрический преобразователь состоит из нагревателя-проводника, по которому проходит измеряемый ток, и миниатюрной термопары.

Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых горячий спай термопары 2 непосредственно приварен к середине нагревателя 1 (рис. а), и бесконтактные преобразователи (рис б), у которых нагреватель 1 и горячий спай термопары 2 разделены изолятором ― каплей стекла 3, которая уменьшает чувствительность и увеличивает инерционность преобразователя. Для повышения чувствительности термопреобразователя применяют термобатареи, состоящие из нескольких термопар (рис. в).

Термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном, и на переменном токе, включая токи высокой частоты.

Достоинством этих приборов является достаточно высокая точность измерений. К недостаткам следует отнести малую перегрузочную способность, большое собственное потребление мощности и неравномерную шкалу.

Тепловая система

Принцип действия приборов тепловой системы основан на изменении длины проводника, по которому протекает ток, вследствие его нагревания. Устройство прибора тепловой системы схематически показано на рисунке:

Измеряемый ток проходит по тонкой проволоке 1-2, концы которой закреплены. К ней припаяна посередине металлическая нить 3-4, которая оттягивается тонкой шёлковой нитью 4-5, перекинутой через блок 6. К блоку 6 прикреплена стрелка.

Достоинством приборов тепловой системы являются: возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе; независимость показаний от частоты и формы переменного тока; нечувствительность к внешним магнитным полям. К недостаткам приборов данной системы относятся: неравномерность шкалы; наличие тепловой инерции; зависимость показаний от температуры среды.

Вибрационная система

Устройство приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы в основном применяются для измерения частоты тока.

Выпрямительная система

Устройство приборов этой системы основано на том, что переменный ток выпрямляется с помощью выпрямителя, вмонтированного в прибор. Полученный таким образом пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного прибора магнитоэлектрической системы.

Электронная система

Устройство приборов этой системы основано на применении одной или нескольких электронных ламп, обеспечивающих необходимое внутреннее сопротивление прибора магнитоэлектрической системы.

Цифровые приборы

Они представляют собой сложные электронные устройства. Регистрирующим прибором являются индикаторные неоновые лампы.

Внутри каждой лампы имеется десять электродов из тонкой проволоки, выполненных в виде цифр от 0 до 9 и один общий электрод. В зависимости от величины исследуемого сигнала напряжение подаётся на один из цифровых электродов, что вызывает свечение неона вблизи него.

На панели прибора расположено несколько таких ламп по числу значащих цифр измеряемой величины. Преимущество цифровых приборов – большая точность и отсутствие необходимости снятия отсчёта.

Контрольные вопросы

1. Что называется измерением?

2. Что называется мерой?

3. В чём заключается косвенный метод измерения? Приведите примеры косвенных измерений.

4. Что называется измерительным прибором?

5. Что такое абсолютная погрешность?

6. Что такое относительная погрешность?

7. Что такое приведённая погрешность?

8. Что называют точностью прибора?

9. Какие классы точности проборов существуют?

10. Что называют чувствительностью прибора? Как её подсчитать?

11. Что называется постоянной прибора?

12. Нарисуйте схемы включения амперметра, вольтметра.

13. Нарисуйте схемы включения амперметра с шунтом; вольтметра с дополнительным сопротивлением. Для чего нужны шунты и дополнительные сопротивления?

14. Что такое цена деления прибора? Как её подсчитать?

15. Укажите отличительные свойства приборов: а) магнитоэлектрической системы; б) электромагнитной системы; в) электродинамической системы; г) электростатической системы; д) тепловой системы и др.

16. Укажите области применения приборов вышеуказанных схем.

17. Как влияют на показания приборов внешние условия (температура, частота тока, электрические и магнитные поля)?

18. Укажите достоинства и недостатки приборов различных схем.)

Литература

1. В.С. Попов. Электротехнические измерения. М., «Энергия», 1974.

2. Ю.В. Рублёв, А.Н. Куценко, А.В. Кортнев. Практикум по электричеству с элементами программированного обучения. М., «Высшая школа», 1971.

3. А.Н. Зайдель. Ошибки измерений физических величин. С.-Пб., «Наука», 1974.

4. О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев. Обработка результатов измерений. М., «Наука», 1970.

5. А.С. Касаткин, М.В.Немцев. Курс электротехники. М., «Высшая школа», 2005.

6. В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов, В.Ф. Бланидин, П.М. Чеголин. Электротехника и электроника. Р/Д, Феникс, 2007.

Термоэлектрические приборы. — МегаЛекции

Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с термоэлектрическим преобразователем. Термоэлектрический преобразователь позволяет использовать магнитоэлектрический механизм для измерения переменных токов и напряжений в широком диапазоне частот.

Термоэлектрический преобразователь состоит из проводника-нагревателя, по которому проходит измеряемый ток, и миниатюрной термопары. Нагреватель изготавливают из тонкой нихромовой или константановой проволоки, допускающей длительный нагрев. Термопара

Для успокоения подвижной части приборы содержат устройства, создающие успокаивающий момент.

Считывание показаний производится при помощи отчетного устройства, содержащего шкалу и указатель.

Классификация приборов и их исполнения.

Электромеханические приборы в зависимости от системы электро-измерительного механизма имеют следующее буквенное обозначение :

М – магнитоэлектрические;

Э – электромагнитные;

Д – электродинамические;

С – электростатические;

Т – тепловые;

И – индукционные;

Ц – выпрямительные.

По устойчивости к климатическим условиям внешней среды приборы могут изготавливаться нескольких групп исполнения, отличающихся температурой и влажностью среды в нормальных и предельных условиях эксплуатации.

Группа А — для работы в закрытых, сухих, отапливаемых помещениях.

Группа Б (Б₁ – Б₃) – для работы в закрытых, но не отапливаемых помещениях.

Группа В (В₁ – В₃) – для работы в полевых и морских условиях.

Группа Т – для работы в условиях тропического климата. Например рабочие условия эксплуатации приборов группы А составляют +10 ÷ +35^о С и влажность 80 % при 30^о С, а группы В₃ – -50 ÷ +80^о С и влажность 98 % при 40^о С.

По устойчивости к внешним механическим воздействиям приборы могут иметь различное исполнение, для которых регламентируются амплитуда и частота механических вибраций, а также допустимое ускорение.

ОП – обыкновенное исполнение с повышенной механической прочностью ;

ТП (ТП₁ – ТП₉) – тряскопрочные;

ВП (ВП₁ – ВП₈) – вибропрочные;

ТН – нечувствительные к тряске;

ВН – нечувствительные к вибрации;

УП – ударопрочные.

По количеству диапазонов измерения приборы могут быть одно- и многодиапазонные.

По количеству измерительных механизмов приборы бывают одно- и многоканальные.

Электростатические вольтметры выпускаются классов точности от 0,5 до 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ и частоту до 10 МГц.

Выпрямительные приборы.

Выпрямительные приборы были разработаны с целью расширить сферу применения высокоточных и высокочувствительных магнитоэлектричес-ких механизмов на цепи переменного тока. Они представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем.

В зависимости от схемы выпрямителя различают одно и двухполупериодное выпрямление. На рис. 5.18. приведена схема выпрямительного амперметра, использующего однопериодное выпрямле-ние. Через измерительный механизм проходят полуволны переменного тока одной полярности. Обратные полуволны проходят через диод VD2 и резистор R, величина которого выбирается равной сопротивлению рамки механизма. Сопротивление прибора оказывается одинаковым для любого направления измеряемого тока. На рис. 5.19. показаны две возможные схемы двухполупериодного выпрямления: трансформаторная с выводом от средней точки вторичной обмотки и мостовая. Трансформатор позволяет гальванически разделить цепи измеряемого тока и измерительного механизма. Недостатком трансформатора является зависимость его параметров от частоты.

VD1 I I

I 0 t

а) VD2 R б) 0 t

Рис. 5.18. Выпрямительный амперметр с однополупериодным

выпрямителем: а – схема, б – временная диаграмма.

VD1

I₁ VD1 VD2

I₂

VD4 а ) VD3

б )

Рис. 5.19. Выпрямительный прибор с двухпериодным выпрямителем

а – трансформаторным, б – мостовым.

Обозначение рода тока.

— постоянный ток

переменный однофазный ток

переменный трехфазный ток

Обозначение класса точности, рабочего

положения и прочности изоляции.

1,0 Класс точности при нормировании погрешности

в % от диапазона шкалы.

1,0 То же в % от длины шкалы

Горизонтальное положение шкалы

Вертикальное положение шкалы

30^о Наклонное положение шкалы

Измерительная цепь изолирована от корпуса, изоляция испытана напряжением 2 кВ

(без цифры – 0,5 кВ)

Осторожно! Прочность изоляции

не соответствует нормам

!Внимание! Смотри указания в паспорте

Обозначения зажимов.

+ — полярность зажимов

✴ Общий зажим многопредельного прибора

Зажим для заземления

Зажим, соединенный с корпусом

Корректор

Рис. 4.1. Условные обозначения на циферблатах проборов.

Логометр не требует применения устройств, создающих тормозной момент.

Область применения электромагнитных логометров – фазометры.

Электромагнитные амперметры изготавливаются на ток от 10 мА до 100 А. Для расширения пределов измерения катушку секционируют, а секции включают последовательно или параллельно. Температурная и частотная погрешность амперметров невелика. Могут использоваться встроенные и наружные трансформаторы тока.

Электромагнитные вольтметры образуют путем включения последовательно с катушкой дополнительного безреактивного сопротивления из манганина. Иногда саму катушку выполняют манганиновым проводом. При достаточно большом дополнительном сопротивлении по сравнению с сопротивлением катушки температурная погрешность вольтметров не велика. Из-за большой индуктивности катушки в вольтметрах сильнее сказывается влияние частоты. Для уменьшения частотной ошибки практикуют шунтирование дополнительного резистора конденсатором. Такие компенсированные вольтметры могут работать на частотах до 1,5 кГц. Пределы измерения электромагнитных вольтметров от 0,5 до 600 В.

Классы точности электромагнитных амперметров и вольтметров — от 0,5 до 2,5.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Термоэлектрические приборы — Энциклопедия по машиностроению XXL Наиболее широкое применение получили термоэлектрические приборы с искусственными термопарами, в которых получают электрический сигнал (ток) благодаря термоэлектрическому эффекту в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных металлов при различной температуре мест их соединения (спаев). [c.213]

Термоэлектрические приборы применяют при абсолютных измерениях. Они удобны при измерениях, для ко- [c.212]

Основные технические характеристики термоэлектрических приборов [c.186]

Основные характеристики некоторых типов термоэлектрических приборов приведены в табл. 8. [c.186]

Измерение температур, необходимое для непрерывного теплотехнического контроля за работой оборудования котельных установок, производится различными приборами для измерения температур до 500°С применяются ртутные термометры и электрические термометры сопротивления, а температур свыше 500° С — термоэлектрические приборы, называемые пирометрами. [c.267]

В настоящее время как у нас, так и за границей произведено значительное число различных термоэлектрических приборов охлаждения и термостатов небольшой холодопроизводительности, а для целей кондиционирования воздуха и сравнительно высокой. [c.174]

Термоионные приборы обычно называют термоионными диодами, их подразделяют на вакуумные диоды и плазменные термопары. Максимальная рабочая температура для диодов в настоящее время принимается равной примерно 1100° С, что свидетельствует о возможности получения более высокого коэффициента полезного действия по сравнению с термоэлектрическими приборами. [c.187]

В настоящее время значительный интерес представляют компактные термоэлектрические приборы, не имеющие движущихся частей, с помощью которых при подводе тепла к прибору можно создавать электрический ток (эффект Зеебека) и осуществлять охлаждение или нагрев [443]. [c.275]

Термоэлектрические приборы применяют при абсолютных измерениях. Они удобны при измерениях, для которых важна точность, хотя и обладают сравнительно низкой чувствительностью. [c.426]

Рис. 17, Контактная вилка термоэлектрического прибора

Рис. 17. Контактная вилка термоэлектрического прибора /—изолирующая пластина,- 2 — горячий контакт 3 — холодный контакт 4 — нагреватель

Термоэлектрический прибор (фиг. 257) состоит из медного щупа/с приваренным к нему серебряным наконечником 5 щуп нагревается до температуры 150° электрическим током, для чего на нем [c.663]

На самолетах приборы тепловой системы применялись в качестве антенных амперметров, однако в настоящее время они вытеснены термоэлектрическими приборами. [c.176]

Термоэлектрический прибор, применяемый для электрических измерений, представляет собой совокупность термопары и измерителя термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), в качестве которого применяются милливольтметры магнитоэлектрической системы (фиг. 132). [c.177]

Недостатками термоэлектрических приборов являются [c.179]

Основной характеристикой материалов, идущих на создание термоэлектрических приборов, является термоэлектрическая эффективность, определяемая по формуле [c.166]

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416 С, тантал 2950 С, титан 1725 С и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327 С, цинк 419,5 С, алюминий 660 С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В системе СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К). [c.14]

Эталонным прибором, используемым в диапазоне температур от 630,74 до 1064,43 °С, является термоэлектрический термометр с платина-платинородиевыми (10% родия) электродами, соотношение между электродвижущей силой и температурой которого выражается уравнением второй степени. [c.415]

В практике измерения температуры встречаются измерительные системы, включающие в себя большое число термоэлектрических термометров (несколько десятков и больше), которые, как правило, подключают к одному измерительному прибору с помощью одного или нескольких переключателей каждый переключатель позволяет поочередно подключать к прибору до 20 термопар. Чтобы при измерении термо-ЭДС исключить взаимное влияние термопар от разных переключателей, все неиспользуемые переключатели устанавливают в нулевое положение при этом подключенные к ним термометры оказываются отключенными от прибора. [c.175]

Определение марки стали термоэлектрическим методом Термоэлектрический прибор (фиг. 170) состоит из медного отупа / с приваренным серебряным наконечником 2, который нагревается до -)-150° нагревательной обмоткой 3, питаемой от сети переменного тока, через понижающий трансформатор 4. Щуп / соединен медным проводником 5 с нуль-гальванометром 6. Второй контакт гальванометра соединен Фиг. 170. Схема тер- с заостренным холодным стер-моэлекритического жнем 7, которым можно при-нрибора для опре- касаться к любому зачищен-I деления марок стали, ному месту испытуемого материала 8 [c.394]

Определение марки стали термоэлектрическим методом Термоэлектрический прибор (фиг. 458) состоит из медного щупа С с приваренным серебряным наконечником Я который нагревается до температуры -)-150° С нагревательной обмоткой А, питаемой от сети переменного тока через понижающий трансформатор Г . Стержень С соединён медным проводником П с нульгаль-ванометром Г . Второй контакт гальванометра соединён с заострённым холодным стержнем которым можно прикасаться к любому зачищенному месту испытуемого материала М [c.454]

Н 01 L 39/22) Доплера G 01 S (для контроля движения дорожного транспорта (13, 15, 17)/00 в радарных системах 1>152-2>15А)-, Зеебека, в термоэлектрических приборах Н 01 L 35/(28-32) Керра (для модуляции светового пучка в электроизмерительных приборах G 01 R 13/40 для управления (лазерами Н 01 S 3/107 световыми лучами G 02 F 1/03-1/07)) Лэнда, в цветной фотографии G 03 В 33/02 Мейснера, в электрических генераторах Н 02 N 15/04 Мессбауэра, в устройствах для управления излучением или частицами G 21 К 1/12 Нернста—Эттингхаузена, в термомагнитных приборах 37/00 Овшинского, в приборах на твердом теле 45/00 Пельтье, в охладительных устройствах (полупроводниковых приборов 23/38 в термоэлектрических приборах 35/28)) Н 01 L Поккелса, для управления лазерами (Н 01 S 3/107 световыми лучами G 02 F 1/03-1/07) Рамона, в лазерной технике Н 01 S 3/30 Фарадея, для управления световыми лучами G 02 F 1/09 Холла датчиках-преобразователях устройств электроискрового зажигания F 02 Р 7/07 Н 03 (в демодуляторах D 3/14 в приборах с амплитудной модуляцией С 1/48) для измерения G 01 R (напряженности магнитных полей или магнитных потоков 33/06 электрической мощности 21/08) для считывания знаков механических счетчиков G 06 М 1/274 в цифровых накопителях информации G 11 С 11/18)] использование Эхолоты G 01 S 15/00 [c.223]

Интерес к металлоиду теллуру возрос во много раз со времени появления первого издания Справочника по редким металлам . Теллур высоком чистоты Б качестве полупроводника является важным элементом в быстро развивающемся теперь конструировании термоэлектрических приборов. Теллур был открыт Мюллером фон Рихенштейном в 1782 г. Название ему дал Клапрот от латинского слова tellus (земля) в 1798 г. По современным сведениям распространенность теллура вдвое меньше распространенности золота, с которым он часто встречается в природе. Таким образом, теллур является семьдесят пятым элементом по распространенности в земной коре его кларк равен 2-10 вес. %. [c.745]

При обработке металлов давлением очень важно соблюдать температуру нагрева металла, что достигается путем ее контроля соответствующими приборами, называемыми пирометрами. Пирометры подразделяются на термоэлектрические, оптические, радиационные и фотоэлектрические. Кроме измерения температуры, пирометры можно использовать в качестве регуляторов теплового режима нагревательных устройстй. Термоэлектрические приборы, состоящие из термопары и милливольтметра или потенциометра и имеющие наибольшее применение, удобны тем, что позволяют фиксировать, записывать и регулировать температуру на большом расстоянии от объекта и обеспечивать большую точность измерения (до 5 С). При измерении температур до 1000°С применяют хромель-алюмелевые термопары, а для температур до 1500° С — платина-платинородиевые. [c.257]

Термоэлектрическая — основша на явлении возникновения термоэлектродвижущей силы при нагревании измеряемым током спая разнородных металлов. Термоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров и миллиамперметров для измерения переменных токов с частотами от 0,3 до 75 мегагерц (причем в диапа- [c.144]

Для радиоизмерений, т. е. для измерения токов звуковой и высокой частоты, вместо приборов тепловой системы в настоящее время обычно применяются приборы термоэлектрической системы. На самолетах термоэлектрические приборы применяются не только для радиоизмерений, но также для измерения высоких температур. Подробно об этом будет сказано ниже, здесь укажем лишь на возможность применения термоэлектрических приборов для электрических измерений. [c.177]

На самолетах термоэлектрические приборы находят применение для радиоизмерений в качестве антенных амперметров и миллиамперметров при измерении токов частотой до 7,5 мггц. [c.178]

Измерение температур производят различными приборами термометрами расширения, термоэлектрическими приборами, называемыми пирометрами (от 500 до 2000Х), и электрическими термометрами сопротивления (до 500°С). [c.200]

Термозлемент — теплоэлектрический прибор, основанный на использовании термоэлектрического эффекта или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую или обратно различают термоэлементы металлические, полупроводниковые и комбинированные [9]. [c.155]

Температуру измеряют различными приборами жидкостными и газовыми термометрами, термоэлектрическими и оптическими пирометрами и т. д. Каждый прибор, используемый для измерения температуры, естественно, должен быть отградиурован в соответствии с установленной температурной шкалой. [c.8]

Система охлаждения состоит из внутреннего и внешнего контуров, причем внутренний контур замкнутого, а внешний разомкнутого типа. Вода внутреннего контура после охлаждения стенок цилиндров и головки блока поступает к водомасляному 3 и водоводяному 5 холодильникам, откуда с помощью насоса 2 центробежного типа подается снова в рабочие полости дизеля. Внешний контур охлаждения используется для отвода теплоты от нагретой воды внутреннего контура. Для этого вода из бака 10 подается в водоводяной холодильник 5, а оттуда идет на слив. Частота вращения п (1/мин) коленчатого вала двигателя определяется по дистанционному электротахометру, установленному на щитке приборов 15. Температура выпускных газов двигателя измеряется с помощью термопары 14, установленной в выхлопном тракте дизеля, и пирометра 13, закрепленного в щитке приборов. Температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя из продувочного насоса, измеряется также термоэлектрическим термометром. Давление окружающей среды измеряется барометром. [c.117]

Моделирование термоэлектрического генераторного устройства

1. Введение

Увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива для производства электрической и тепловой энергии послужило стимулом для разработки альтернативных эффективных и чистых источников энергии. в том числе для рекуперации отработанного тепла в электроэнергию. Многочисленные системы выработки электроэнергии, такие как солнечные батареи, ветряные турбины и геотермальные электростанции, которые используют возобновляемые источники энергии, были разработаны, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива, таким образом уменьшая выбросы парниковых газов.Тем не менее, такие системы выработки электроэнергии требуют значительного технического обслуживания и часто являются дорогостоящими по сравнению с термоэлектрическими генераторными устройствами (ТЭГ). Устройство термоэлектрического генератора (ТЭГ) — это устройство, которое непосредственно преобразует тепло в электричество. По сути, ТЭГ является термоэлектрическим модулем (ТЭМ), который состоит из термобатарей, то есть набора термопар, построенных из ветвей полупроводников p- и n-типа, которые соединены электрически последовательно и термически параллельно [1, 2]. Термопары, построенные на ножках из полупроводников p- и n-типа, зажаты между двумя керамическими пластинами, которые должны выдерживаться при двух разных температурах для реализации режима генерации.Температурный градиент, индуцируемый между верхней и нижней керамическими пластинами, вызывает напряжение на полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека в термопарах, построенных из ветвей полупроводников p- и n-типа.

Использование отработанного тепла в качестве источника тепла для ТЭГ является экономически эффективным, поскольку отработанное тепло является бесплатным и уже доступно. Известно, что около 70% мирового производства энергии уходит в атмосферу за счет рассеивания тепла, что является одним из значительных вкладов в глобальное потепление [3]. Следовательно, использование отработанного тепла путем преобразования в электричество с использованием ТЭГ может также способствовать экономии энергии и сохранению окружающей среды.Термоэлектрическое устройство также может работать в режиме реверса в качестве термоэлектрического охладителя (ТЭО) и создавать обратный градиент температуры между верхней и нижней керамическими пластинами за счет эффекта Пельтье, если применяется электрическое смещение. В зависимости от режима работы подача напряжения смещения на термоэлектрический модуль (TEM) и, следовательно, инициирование протекания электрического тока приводят к образованию разницы температур между верхней и нижней пластинами, а TEM действует как термоэлектрический охладитель (TEC) и наоборот; размещение ТЭМ в температурном градиенте приводит к появлению напряжения на полюсах ТЭМ, а ТЭМ действует как тепловой насос с функцией термоэлектрического генератора (ТЭГ) [4].

Термоэлектрические устройства обладают различными преимуществами по сравнению с другими системами производства электроэнергии [5]. TEG представляют собой привлекательные системы производства электроэнергии, поскольку они представляют собой бесшумные твердотельные устройства без движущихся частей, безопасны для окружающей среды, масштабируемы от небольших до гигантских источников тепла и обладают высокой надежностью. Они также имеют увеличенный срок службы и способность использовать низкую тепловую энергию для выработки электрической энергии.

2. Принцип работы ТЭГ

2.1. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека описывает индукцию напряжения, когда соединения двух разных проводящих материалов поддерживаются при разных температурах, как показано на рисунке 1.Эффект Зеебека увеличивается по величине, когда увеличивается коэффициент Зеебека проводящих материалов и / или разность температур между их соединениями. Напряжение, индуцированное эффектом Зеебека, определяется следующим образом:

, где α — коэффициент Зеебека, а ΔT — разность температур между горячим и холодным спаями.

Рисунок 1.

Эффект Зеебека.

2.2. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье описывает рассеяние или поглощение тепла при соединении двух проводящих материалов, когда ток протекает через соединение, как показано на рисунке 2.В зависимости от направления протекания тепла при подключении тепло либо поглощается, либо рассеивается.

Рисунок 2.

Эффект Пельтье.

2.3. Эффект Томсона

Эффект Томсона описывает рассеивание или поглощение тепла, когда электрический ток проходит через цепь, состоящую из одного материала, который имеет изменение температуры вдоль своей длины, как показано на рисунке 3. ΔQ представляет рассеивание тепла, когда электрический ток протекает через однородный проводник.Коэффициент Томсона определяется вторым соотношением Кельвина [6–9]:

Рис. 3.

Эффект Томсона.

, где µ и T, соответственно, символизируют коэффициент Томсона и температуру. Если коэффициент Зеебека α не зависит от температуры, то коэффициент Томсона равен нулю.

2.4. Джоулевое нагревание

Джоулево-нагревательный эффект определяет тепло, рассеиваемое материалом с ненулевым электрическим сопротивлением в присутствии электрического тока, как показано на рисунке 4,

Рисунок 4.

Джоуля отопления.

3. Структура ТЭГ

3.1. Трехмерное представление комплексной работы ТЭГ

ТЭГ состоят из множества ветвей (слябов), изготовленных из полупроводников p- и n-типа, образующих термопары, все они соединены электрически последовательно и термически параллельно. Полупроводниковые ветви соединены друг с другом посредством проводящих медных выступов, и они зажаты между двумя керамическими пластинами, которые проводят тепло, но ведут себя как изоляторы для электрического тока.Принципиальная схема трехмерного (3-D) многоэлементного термоэлектрического генератора показана на рисунке 5.

Рисунок 5.

Трехмерная схема многоэлементного ТЭГ.

Отработанное тепло из различных источников, таких как выхлопные газы автомобильных двигателей, промышленные и инфраструктурные работы, геотермальные и другие, может подаваться на верхнюю керамическую пластину TEG. Как показано на рисунке 5, тепло проходит через керамическую пластину и медные проводники до того, как достигнет верхней поверхности ветвей p- и n-типа, изготовленных из соответствующих полупроводников, что определяется как горячая сторона TEG.Тепло течет через обе ветви полупроводника, а затем снова через медные проводники и нижнюю керамическую пластину. Благодаря радиатору нижняя керамическая пластина поддерживается при значительно более низкой температуре, чем верхняя керамическая, для того чтобы создать высокотемпературный градиент, который приведет к высокой выходной мощности. Допустимая температура, наносимая на верхнюю и нижнюю керамические пластины, зависит от материалов ножек p- и n-типа. Кроме того, материалы p- и n-типа предназначены для обеспечения низкой теплопроводности, чтобы максимально ограничить тепловой поток через полупроводники и поддерживать разность температур между горячей и холодной сторонами TEG.

Графическое распределение температуры вдоль ветвей ТЭГ при условной разности температур ΔT между горячей и холодной сторонами показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Градиент температуры внутри ТЭГ.

После того, как температурный градиент был вызван между горячей и холодной сторонами ТЭГ, возникло напряжение на положительных и отрицательных полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7.

Распределение напряжения внутри ТЭГ.

Напряжение, генерируемое в ТЭГ в результате эффекта Зеебека, вызывает движение носителей заряда в ветвях полупроводника p- и n-типа, и, следовательно, электрический ток в электрической цепи, включая нагрузочный резистор RL, соединенный с полюсами TEG, сформированная плотность тока, отображается в Рисунок 8.

Рисунок 8.

Плотность тока в пределах ТЭГ.

3.2. 1-D представление TEG

Создание одномерного (1-D) представления TEG полезно при определении аналитических выражений поглощенной и отводимой теплоты, поскольку выходная мощность TEG определяется как разница между поглощенной и отводимой теплой , На рисунке 9 представлена 1-D схема ТЭГ с источником и теплоотводом, соответственно, нанесенными сверху и снизу ТЭГ.

Рисунок 9.

1-D схема многоэлементного ТЭГ.

TH, QH и KHare, соответственно, температура источника тепла, тепло, подводимое от источника тепла к TEG, и теплопроводность горячей стороны TEG. TL, QL и KLare, соответственно, температура радиатора, тепло, отводимое от ТЭГ к радиатору, и теплопроводность холодной стороны ТЭГ. И т. Д. Определите температуру горячего спая термопар и тепловой поток через горячие спая ТЭГ. Tcand Qc Опишите температуру при холодном спайке термопар и тепловой поток через холодные спая ТЭГ.Предполагая, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, α, k, ρ могут, соответственно, определяться как постоянный коэффициент Зеебека, постоянная теплопроводность и постоянное удельное электрическое сопротивление.

3.3. Сопротивление электрической сети

Сеть электрического сопротивления ТЭГ показана на рисунке 10. Полупроводниковые ветви P-типа и n-типа электрически соединены друг с другом последовательно посредством медных проводящих контактов.

Рисунок 10.

Сопротивление электрической сети.

Rpand Rn — электрическое сопротивление, связанное, соответственно, с ветвями полупроводника p- и n-типа. Rcpeh, Rcpec и RLare, соответственно, электрическое сопротивление медных проводящих полос на горячей стороне, электрическое сопротивление медных проводящих полос на холодной стороне и сопротивление внешней нагрузки.

3.4. Тепловое сопротивление сети

Тепловое сопротивление ТЭГ показано на рисунке 11 и помогает определить скорость теплопередачи через керамические пластины, медные полосы и полупроводниковые ветви p- и n-типа.Количество термопар составляет N .

Рисунок 11.

Тепловое сопротивление сети.

Teceh, Ticeh и Rcehare, соответственно, внешняя температура горячей керамической пластины, внутренняя температура горячей керамической пластины и тепловое сопротивление, связанное с керамической плитой на горячей стороне. Th, Rcph и Rtegare, соответственно, температура в горячем спайке ветвей полупроводника p- и n-типа, термическое сопротивление медной полосы на горячей стороне и тепловое сопротивление полупроводника p- и n-типа.Tc, Rcpc и Ticec — это, соответственно, температура в холодном соединении ветвей полупроводника p- и n-типа, термическое сопротивление керамической пластины на холодной стороне и внутренняя температура холодной керамической пластины. Rcecand Tececare, соответственно, термостойкость холодной керамической пластины и внешняя температура холодной керамической пластины.

4. Теоретическая модель

4.1. Анализ свойств и геометрии термоэлектрических материалов ТЭГ

Термоэлектрические материалы ветвей ТЭГ, полупроводников p- и n-типа характеризуются параметром, называемым добротностью Z, , который измеряет способность термоэлектрических материалов преобразовывать тепло в электрическую. мощность.Показатель качества выражается следующим образом:

, где α, ρ и kare соответственно коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность термоэлектрических материалов. Великолепные термоэлектрические материалы обладают высоким коэффициентом Зеебека, низким удельным электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью [10].

Чтобы получить максимальную добротность, при проектировании ТЭГ геометрия ветвей полупроводника и свойства термоэлектрических материалов должны удовлетворять следующему уравнению [1, 11]:

Ap2Ln2An2Lp2 = knρpkpρn, E4

, где Ap, An, Lp , Ln, kp, kn, ρp и ρnare, соответственно, площадь поперечного сечения, длина, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление ветвей полупроводника p- и n-типа.

Для сокращения производственных затрат изготавливаются полупроводниковые ветви p- и n-типа с одинаковой геометрией, то есть Ap = An = A и Lp = Ln = L. Аналогично, полупроводниковые ветви p- и n-типа изготавливаются из легированных сплавов для получения одинаковых термоэлектрических свойств, то есть ρp = ρn, kp = kn и αp = −αn [12].

4.2. Анализ характеристик ТЭГ

Для получения выражений, описывающих характеристики ТЭГ, термопара, построенная из ветвей полупроводников p- и n-типа, извлечена из рисунка 9 и представлена на рисунке 12.Рисунок 12 представляет теплообмен внутри одной термопары. Длина и площадь поперечного сечения полупроводниковых ветвей p- и n-типа равны и обозначены как L и A , соответственно. Стык термопары закреплен на теплопроводящей и электроизоляционной керамической пластине.

Рисунок 12.

Теплообмен внутри термопары ТЭГ.

Qh, Qc, Qkin, Qkout, Qj, Lp, Ln и δcuare, соответственно, тепло, поглощаемое в горячем соединении, тепло, отводимое в холодном соединении, теплопроводность Фурье, передаваемая внутри контрольного объема, теплопроводность Фурье, передаваемая из контрольного объема , Джоулевое нагревание, генерируемое в пределах контрольного объема, длины ножек p- и n-типа и толщины медных электропроводящих полос.

Используя сохранение энергии и допуская одномерное стационарное состояние, уравнение энергии дифференциального контрольного объема внутри ветви полупроводника p-типа можно выразить следующим образом:

Используя расширение Тейлора:

Q (x) — ( Q (x) + ∂Q (x) ∂xdx) + I2ρpApdx = 0, E7

Представляет электрический ток, индуцированный в устройстве TEG:

−∂Q (x) ∂xdx + I2ρpApdx = 0.E8

Закон проводимости Фурье для одного Измерения теплопроводности:

Подставляя уравнение. (9) в уравнение(8):

−∂∂x (−kpAp∂Tp∂x) dx + I2ρpApdx = 0.E10

При условии, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, kp можно вывести из производной и уравнение. (10) можно выразить следующим образом:

kpApd2Tpdx2dx + I2ρpApdx = 0.E11

Интегрирующее уравнение. (11):

∫0xkpApd2Tpdx2dx + ∫0xI2ρpApdx = 0, E12kpAp (dTpdx | x − dTpdx | 0) + I2ρpApx = 0, E13

, где Qp (0) — это теплопроводность pppd ppd ppdp0ppdp0ppdp0ppdppdppdppdppdppd (ppdppdppdpdpdpdpdpd) для pphppp5p0p2 (11):

∫0xkpApd2Tpdx2dx + ∫0xI2ρpApdx = 0; ∫0LpI2ρpApxdx = -∫0LpQp (0) дх, E16kpAp (Тр (Lp) -ТП (0)) + I2ρpApLp22 = -Qp (0) Лп, E17Qp (0) = kpApLp (Th-Тс) -0.5I2ρpLpAp.E20

Рассматривая эффект Пельтье, возникающий в горячем спайке ветви p-типа:

Qph = αpITh + kpApLp (Th-Tc) −0,5I2ρpLpAp, E21

, где Qphis — общее количество тепла, поглощенного в горячем соединении ветви p-типа ,

Использование той же процедуры с теми же граничными условиями для получения теплового потока через ветвь n-типа приводит к выражению Qnhas следующим образом:

Qnh = −αnITh + knAnLn (Th-Tc) −0.5I2ρnLnAn, E22

, где Qnhis — общее тепло поглощается горячим спайком ножки n-типа. Таким образом, общее количество тепла, поглощаемое горячим спайком между ветвями полупроводника p- и n-типа:

Qh = (αp − αn) ITh + (kpApLp + knAnLn) (Th-Tc) −0.5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E24

Мы используем тот же метод для получения выражения для тепла, отводимого в холодном соединении ветвей p-типа и n-типа. Следовательно, получается следующее выражение:

Qc = (αp − αn) ITc + (kpApLp + knAnLn) (Th-Tc) +0,5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E25

4.3. Эксплуатационные характеристики TEG

TEG характеризуется многочисленными характеристиками производительности, включая тепло, поглощаемое на горячей стороне, тепло, отводимое на холодной стороне, выходная мощность, индуцированное напряжение и ток, протекающий в электрической цепи с нагрузочным резистором.Определение символов ниже из формул. (24) и (25):

Выражения теплового потока через горячий и холодный переходы для полупроводниковых термопар N могут быть выражены следующим образом:

Qh = N (αITh-0.5rI2 + K (Th-Tc)) , E29Qc = N (αITc + 0,5rI2 + K (Th-Tc)). E30

Как указывалось ранее, мощность, генерируемая TEG, определяется как разница между теплом, поглощенным в горячем соединении, и теплом, отводимым в холодном соединении:

P = Qh-Qc = N (αI (Th-Tc) -rI2) .E31

Оптимальный ток, генерируемый в TEG, получается путем первого вывода уравнения.(31) относительно тока следующим образом:

dPdI = N (α (Th-Tc) -2Ir) .E32

Eq. (32) приравнивается к нулю для определения следующего выражения оптимального тока:

Вообще говоря, напряжение, ток и выходная мощность, индуцированные в ТЭГ, состоящем из набора термопар, аналогичного представленному на рисунке 9, соответственно определяются как :

P = I2RL = (α (Th-Tc) r + RL) 2RL, E35V = IRL = α (Th-Tc) r + RLRL, E36

где RL, это нагрузка внешнего сопротивления. Для получения оптимального индуцированного электрического тока и выходной мощности, генерируемой в электрической цепи с помощью ТЭГ, состоящего из набора термопар, внешнее сопротивление должно быть равно общему внутреннему электрическому сопротивлению ветвей полупроводника p- и n-типа.Эффективность ТЭГ определяется следующим образом:

В реальном ТЭГ используются два термоэлектрических материала, то есть полупроводники p- и n-типа. Максимальная эффективность, обеспечиваемая TEG, выражается следующим образом:

ηmax = (1-ThTc) 1 + ZT¯ − 11 + ZT¯ + ThTc, E38

, где Zand T¯are, соответственно, показатель качества p- и n Тип полупроводников и средняя температура между температурами на горячей и холодной сторонах.

4.4. Пример моделирования производительности TEG

Числовой пример используется для оптимизации и анализа влияния определяющих уравнений теплопередачи на выходную мощность, эффективность и индуктивное напряжение ТЭГ.

При численном анализе принята следующая геометрия (Таблица 1).

Приняты следующие термоэлектрические свойства (таблица 2).

Количество пар ( N )	Площадь поперечного сечения ( A )	Длина ( L )
10	2,5 × 2,5 × 10219 2,5 × 2,5 м ²	2 × 10 ^-3 м

9001 12 9001 901 901 901 915 901 901 901 901 К

αp	αn	ρp = ρn	kp = кн
−185 × 10−6 В / К	1.65 × 10–5 Ом × м	1,47 Вт / ( мК )

Таблица 2.

Термоэлектрические свойства.

Все полученные кривые производительности рассчитаны при температуре горячей стороны до Th = 673K и температуре холодной стороны Tc = 373K.

4.4.1. Мощность и КПД как функция электрического тока

За счет фиксации холодной стороны при температуре Tc = 373K и изменения температуры горячей стороны от 473 до 673 K с шагом 100 K генерируемая мощность ведет себя следующим образом:

Можно наблюдать, что мощность как функция тока ведет себя как парабола с оптимальным значением мощности при определенном токе.На рисунке 13 показано наличие максимального значения тока, которое соответствует оптимальной мощности. Любой ток выше или ниже максимального значения тока генерирует выходную мощность, меньшую, чем оптимальная мощность. Кроме того, когда температура на горячей стороне увеличивается, увеличивается и вырабатываемая мощность.

Рисунок 13.

Выходная мощность ТЭГ в зависимости от электрического тока.

Кривые эффективности, показанные на рисунке 14, ведут себя также как параболы, с конкретным значением тока, максимизирующим эффективность для каждой разности температур.В реальных устройствах ТЭГ всегда работают при оптимальном токе. Следует отметить, что эффективность ТЭГ по-прежнему низка по сравнению с другими методами преобразования энергии. Много усилий было сделано для повышения эффективности [13, 14]. Учитывая, что источников тепла много и они бесплатны, ТЭГ могут стать многообещающими решениями, когда они используются для сбора отработанного тепла в результате промышленной деятельности и систем центрального отопления.

Рисунок 14.

КПД как функция тока.

4.4.2. I-V зависимости

При использовании различных температурных перепадов при поддержании температуры холодной стороны на уровне 373 K напряжение, индуцированное как функция тока, ведет себя так, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15.

Напряжение как функция тока ( I-V зависимости ТЭГ).

Из рисунка 15 видно, что напряжение, индуцированное для каждой разности температур, уменьшается и линейная функция выходного электрического тока. Наклоны ВАХ одинаковы.

4.4.3. Мощность и КПД в зависимости от температуры горячей стороны

При сохранении холодной стороны при температуре 373 К и замене тока в уравнении выходной мощности (уравнение (31)) на оптимальное выражение тока (уравнение (33)) выражение мощности становится функцией температуры на горячей стороне, а на рисунке 16 показано поведение выходной мощности в зависимости от температуры горячей стороны.

Рисунок 16.

Мощность как функция температуры горячей стороны.

Выходная мощность как функция температуры горячей стороны ведет себя как нелинейная кривая, увеличивающаяся с увеличением температуры горячей стороны.

Эффективность TEG как функция температуры горячей стороны показана на рисунке 17.

Рисунок 17.

Эффективность TEG как функция температуры горячей стороны.

4.4.4. Мощность как функция сопротивления внешней нагрузки

На рисунке 18 изображены изменения выходной мощности как функции сопротивления внешней нагрузки. Eq. (35) используется для получения зависимостей, показанных на рисунке 18.

Рисунок 18.

Выходная мощность как функция сопротивления внешней нагрузки.

Оптимальная выходная мощность возникает, когда сопротивление нагрузки приравнивается к внутреннему электрическому сопротивлению общего количества ветвей полупроводника p- и n-типа.

4.4.5. Коэффициент полезного действия в зависимости от добротности (ZT)

Значение ZT является модифицированной добротностью, где T представляет усредненную температуру между температурами горячей и холодной сторон. Для каждой разницы температур эффективность увеличивается с увеличением значения ZT . Следовательно, использование термоэлектрических материалов, обладающих высокими значениями ZT , приводит к высокой эффективности ТЭГ (рис. 19).

Рисунок 19.

Эффективность как функция значения ZT.

Термоэлектрический генератор | Британика

Термоэлектрический генератор , любой из класса твердотельных устройств, которые либо преобразуют тепло непосредственно в электричество, либо преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию для отопления или охлаждения. Такие устройства основаны на термоэлектрических эффектах, включающих взаимодействие между потоком тепла и электричества через твердые тела.

Британика Викторина

Электроника и гаджеты Викторина

Кто производитель iPhone?

Все термоэлектрические генераторы имеют одинаковую базовую конфигурацию, как показано на рисунке.Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло течет через термоэлектрический преобразователь к радиатору, температура которого поддерживается ниже температуры источника. Разница температур на преобразователе создает постоянный ток (постоянный ток) для нагрузки ( R _L), имеющей напряжение на клеммах ( В, ) и ток на клеммах ( I, ). Там нет промежуточного процесса преобразования энергии. По этой причине выработка термоэлектрической энергии классифицируется как прямое преобразование энергии.Количество вырабатываемой электрической энергии задается в виде I ² R _L или В I .

Компоненты термоэлектрического генератора. Encyclopædia Britannica, Inc.

Уникальным аспектом термоэлектрического преобразования энергии является то, что направление потока энергии обратимо. Так, например, если нагрузочный резистор удален и источник питания постоянного тока заменен, термоэлектрическое устройство, показанное на рисунке, можно использовать для отвода тепла от элемента «источника тепла» и понижения его температуры.В этой конфигурации используется обратный процесс преобразования энергии термоэлектрических устройств с использованием электрической энергии для накачки тепла и производства холодильного оборудования.

Эта обратимость отличает термоэлектрические преобразователи энергии от многих других систем преобразования, таких как термоэлектронные преобразователи энергии. Входная электрическая мощность может быть непосредственно преобразована в тепловую мощность накачки для отопления или охлаждения, или входная тепловая мощность может быть напрямую преобразована в электрическую мощность для освещения, эксплуатации электрооборудования и других работ.Любое термоэлектрическое устройство может применяться в любом режиме работы, хотя конструкция конкретного устройства обычно оптимизируется для его конкретной цели.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Систематические исследования по термоэлектричеству начались между 1885 и 1910 годами. К 1910 году немецкий ученый Эдмунд Альтенкирх удовлетворительно рассчитал потенциальную эффективность термоэлектрических генераторов и определил параметры материалов, необходимых для создания практических устройств.К сожалению, металлические проводники были единственными материалами, доступными в то время, что делало невозможным создание термоэлектрических генераторов с КПД более примерно 0,5 процента. К 1940 году был разработан полупроводниковый генератор с эффективностью преобразования 4 процента. После 1950 года, несмотря на расширение исследований и разработок, прирост эффективности термоэлектрической генерации был относительно небольшим, а к концу 1980-х годов его эффективность не превышала 10 процентов. Потребуются более качественные термоэлектрические материалы, чтобы выйти за пределы этого уровня производительности.Тем не менее, некоторые разновидности термоэлектрических генераторов малой мощности доказали свою значительную практическую значимость. Те из них, которые работают на радиоактивных изотопах, являются наиболее универсальным, надежным и обычно используемым источником энергии для изолированных или удаленных объектов, например, для записи и передачи данных из космоса.

Основные типы термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы различаются по геометрии, в зависимости от типа источника тепла и радиатора, требуемой мощности и предполагаемого использования.Во время Второй мировой войны некоторые термоэлектрические генераторы использовались для питания портативных передатчиков связи. Существенные улучшения были сделаны в полупроводниковых материалах и в электрических контактах между 1955 и 1965 годами, что расширило область практического применения. На практике многим устройствам требуется стабилизатор мощности для преобразования выходной мощности генератора в полезное напряжение.

Генераторы

были сконструированы для использования природного газа, пропана, бутана, керосина, реактивного топлива и древесины, и это лишь некоторые из источников тепла.Коммерческие устройства обычно находятся в диапазоне выходной мощности от 10 до 100 Вт. Они предназначены для использования в отдаленных районах в таких приложениях, как навигационные средства, системы сбора данных и связи, а также катодная защита, которая предотвращает электролиз от коррозии металлических трубопроводов и морских конструкций.

Солнечные термоэлектрические генераторы с некоторым успехом используются для питания небольших ирригационных насосов в отдаленных районах и слаборазвитых регионах мира. Была описана экспериментальная система, в которой теплые поверхностные воды океана используются в качестве источника тепла, а более холодные глубоководные воды океана — в качестве радиатора.Солнечные термоэлектрические генераторы были разработаны для подачи электроэнергии на орбитальных космических кораблях, хотя они не могли конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, которые имеют лучшую эффективность и меньший вес блока. Однако для теплового контроля орбитальных космических аппаратов были рассмотрены системы с тепловым насосом и генерацией энергии. Используя солнечное тепло с солнечной стороны космического корабля, термоэлектрические устройства могут генерировать электроэнергию для использования другими термоэлектрическими устройствами в темных областях космического корабля и для отвода тепла от транспортного средства.

Генераторы на атомном топливе

Продукты распада радиоактивных изотопов могут быть использованы для создания высокотемпературного источника тепла для термоэлектрических генераторов. Поскольку материалы термоэлектрических устройств относительно невосприимчивы к ядерному излучению и поскольку источник может работать в течение длительного периода времени, такие генераторы обеспечивают полезный источник энергии для многих необслуживаемых и удаленных применений. Например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы обеспечивают электроэнергию для изолированных станций мониторинга погоды, для сбора данных в глубоководных районах океана, для различных систем предупреждения и связи, а также для космических аппаратов.Кроме того, радиоизотопный термоэлектрический генератор малой мощности был разработан еще в 1970 году и использовался для питания кардиостимуляторов. Диапазон мощности радиоизотопных термоэлектрических генераторов обычно составляет от 10 ^{-60026 до 100 Вт.}

Термоэлектричество с использованием полупроводниковых термопар

Термопары Электрические Генераторы

Когда какой-либо электрический проводник подвергается тепловому градиенту, нагревая один конец, поддерживая другой конец при низкой температуре, он будет создавать напряжение между горячим и холодным концами.Это называется эффектом Томсона и используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Термопары

Феномен термоэлектричества был впервые обнаружен в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком, который заметил, что когда петля была сделана из проводов, использующих два разнородных металла, между соединениями проводов возникало напряжение, если один переход был горячее, чем другой ,Такая петля из разнородных металлов стала известна как термопара, и в его честь это явление было названо эффектом Зеебека. Напряжение, генерируемое термопарой, очень мало, и для изготовления практического термоэлектрического генератора требуется много термопар.

Полупроводниковые термопары

В течение более столетия термопары изготавливались из металлических проводников, и хотя было исследовано много различных металлов, эффективность редко превышала 3%.С появлением полупроводников эффективность термоэлектрических генераторов значительно возросла, и к 1950-м годам эффективность генераторов достигла 5%, и было достигнуто охлаждение Пельтье от температуры окружающей среды до температуры ниже 0 ° C.

См. Раздел «Полупроводники» для объяснения того, как работают термопары.

Производительность термопары

Коэффициент Зеебека

Кельвин показал, что при небольших разностях температур напряжение, создаваемое между горячим и холодным концами одного токопроводящего стержня, пропорционально разности температур между двумя концами.Константа пропорциональности S теперь известна как коэффициент Зеебека и определяется как:

S = ΔV / ΔT

, где ΔT — это разность температур между двумя концами материала, а ΔV — это генерируемое термоэлектрическое напряжение. Так что генерируемое напряжение определяется как:

ΔV = S * ΔT

Таким образом, это мера величины индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в материале.

Для большинства проводников создаваемое напряжение крошечное, разница температуры составляет всего несколько микровольт на градус. Для полупроводниковых материалов коэффициент может составлять от 100 мкВ / ° К до 300 мкВ / ° К, в любом случае он все еще очень мал. Это происходит главным образом потому, что кинетическая энергия носителей заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры, тогда как в металлах она не так сильно зависит от температуры.

В более общем смысле коэффициент Зеебека является нелинейным и зависит от материала проводника, его молекулярной структуры и абсолютной температуры.Напряжение Зеебека не зависит от распределения температуры вдоль проводника, а зависит только от разности температур между концами. Коэффициент Зеебека часто неправильно называют термоэлектрической мощностью или термоЭДС (это напряжение, а не мощность).

Термоэлектрические материалы

Идеальные термоэлектрические материалы должны иметь следующие свойства:

Высокий коэффициент Зеебека S — для получения максимального выходного напряжения на градус разности температур.
Высокая электропроводность σ — для минимизации джоулева нагрева
Низкая теплопроводность λ — для ограничения распространения тепла по устройству с целью поддержания большого температурного градиента.

Для целей сравнения полезность термоэлектрических материалов для выработки электроэнергии, а также для отопления и охлаждения может быть охарактеризована с использованием показателя качества, включающего эти свойства.

Показатель качества Z из термоэлектрического материала является мерой его эффективности в качестве компонента преобразования энергии и определяется как:

Z = σS ²

Материалы с высокими термоэлектрическими показателями качества, как правило, являются сильно легированными полупроводниками, и в течение многих лет лучшие материалы имели показатель качества около 1.Последние достижения в области материаловедения увеличили это число примерно до 4.

Выходное напряжение термопары

На практике для извлечения полезного тока из концов токопроводящего стержня требуется соединение проводов с концевыми точками, по существу образуя второй проводник параллельно между источником тепла и радиатором. Таким образом, напряжение, генерируемое в проводах, будет противодействовать напряжению, генерируемому на стержне, и генерируемое чистое напряжение будет разностью между напряжениями, генерируемыми на стержне и на проводах.Схема, содержащая два разнородных металла, образует термопару.

Термоэлектрическое напряжение, генерируемое в одном проводнике, уже очень мало. Соединение проводов через проводник для извлечения электрической энергии вводит противоположное напряжение в цепь, так что доступное полезное полезное напряжение становится еще меньше.

На диаграмме ниже показано напряжение, создаваемое термопарой.

Diagram Showing Thermocouple Output Voltage vs Temperature Difference

Разность напряжений В , создаваемая на клеммах разомкнутой цепи, выполненной из пары разнородных металлов, А и В , два контакта которых удерживаются при разных температурах, зависит от разности температур между горячие и холодные соединения, (Th — Tc) .

Поскольку оба проводника подвержены одинаковой разности температур, генерируемое сетевое напряжение будет разностью между напряжениями, создаваемыми на каждом проводнике.

Таким образом, развиваемое сетевое напряжение определяется как:

V = ∫ _Tc ^Th (S _b (T) — S _a (T)) dT

, где S _a и S _b являются коэффициентами Зеебека металлов A и B , а T _h и T _c являются температурами горячей и холодные стыки.

Для небольших разностей температур коэффициенты Зеебека фактически постоянны во всем диапазоне температур, и приведенная выше формула может быть аппроксимирована как:

V = (S _b — S _a) x (T _h — T _c)

Это физическая основа для термопары, которая часто используется для измерения температуры и в особых условиях для выработки электроэнергии.См. Практические устройства ниже

Термоэлектрическая эффективность

Эффективность термопары зависит от фундаментальных свойств термоэлектрических материалов, используемых в ее конструкции, и единственный способ улучшить ее — это разработка новых материалов с более высоким показателем качества. Несмотря на 180 лет экспериментов с множеством различных материалов, типичная эффективность термоэлектрического преобразования все еще составляет всего около 3%, а эффективность выше 10% никогда не была достигнута.Наилучшая эффективность, достигнутая на сегодняшний день в применениях на космических кораблях, составляет около 7-8%, аналогично солнечным элементам из аморфного кремния (Si), но уступает 24%, достигнутым солнечными элементами с использованием экзотических материалов.

Есть гораздо более эффективные способы превращения тепла в электричество, чем с помощью термоэлектрических устройств.

Практические термоэлектрические устройства

Поскольку эффективность преобразования очень низкая, применение термопар ограничено в основном маломощными устройствами.Затраты также очень высоки, что еще больше ограничивает их потенциальное использование.

Более высокие электрические выходы могут быть достигнуты в приложениях Seebeck за счет использования большего количества тепла за счет увеличения разницы температур между горячей и холодной поверхностями. Ограничивающими факторами здесь являются термическая и химическая стабильность термоэлектрического материала при высоких температурах и способность отводить избыточное тепло от холодной поверхности.

Аналогичным образом эффективность охлаждения устройств Пельтье может быть улучшена путем использования более высоких токов, но применяются те же ограничивающие факторы, за исключением того, что в этом случае избыточное тепло должно отводиться с горячей поверхности.

Низкое энергопотребление Применения

Типичными применениями термопар с использованием эффекта Зеебека являются измерение температуры, измерение температуры и обнаружение излучения в болометрах.Термоэлектрические батареи, работающие от тепла тела, также используются в портативных устройствах медицинского мониторинга.

Термобатарея

Поскольку энергия, получаемая от одной термопары, очень мала, необходимо использовать массивы термопар для создания термоэлектрических устройств, способных передавать практическое количество энергии. Устройства большей мощности могут быть изготовлены путем последовательного подключения термопар для повышения способности к напряжению и параллельно для увеличения емкости по току.Такой массив термопар называется термобатареей.

Термобатарея

Термоэлектрические генераторы могут использоваться практически так же, как фотоэлектрические устройства, и могут использоваться те же электрические вспомогательные цепи. Например, более высокие выходы напряжения могут быть достигнуты при использовании массива для управления преобразователем постоянного тока.

Термобатареи с эффектом Пельтье представляют собой тепловые насосы, которые нагревают тепло от одной стороны устройства к другой.Они используются для обеспечения термоэлектрического охлаждения, однако эффективность устройств с эффектом Пельтье, как правило, составляет от 5% до 10%, что намного меньше, чем 40% — 50%, достижимых с помощью компрессорных холодильных установок, что ограничивает их использование небольшими переносными холодильниками и охлаждающими плитами.

Термобатареи с эффектом Зеебека используются для преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах (ТЭГ) с выходной электрической мощностью 1000 Вт или более.

ТЭГ в течение некоторого времени использовались в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для обеспечения портативного питания в приложениях космических аппаратов, использующих тепло от распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний 238. См. Ядерные батареи.

В последнее время изучается возможность использования матриц термопар в автомобильных приложениях для извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя.При температуре выхлопных газов 250 ° C и температуре охлаждающей жидкости 50 ° C выходная мощность превышает 300 Вт, но при снижении температуры охлаждающей жидкости до 90 ° C эта мощность падает до 150 Вт

См. Также Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (2) AMTEC Тепловая батарея

Возврат к Обзор электроэнергии

Технология — термоэлектрическая

Основы термоэлектрического модуля

При подаче питания низкого напряжения постоянного тока на модуль TE тепло будет передаваться через модуль с одной стороны на другую. Поэтому одна поверхность модуля будет охлаждаться, а противоположная сторона нагревается одновременно. Важно отметить, что это явление можно обратить вспять, в результате чего изменение полярности (плюс и минус) приложенного напряжения постоянного тока приведет к перемещению тепла в противоположном направлении.Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для точного контроля температуры. Термоэлектрический модуль также может быть использован для выработки электроэнергии. В этом режиме разность температур, приложенная к модулю, будет генерировать ток.

Практический термоэлектрический модуль обычно состоит из двух или более элементов из легированного полупроводникового материала n- и p-типа, которые соединены электрически последовательно и термически параллельно.Эти термоэлектрические элементы и их электрические соединения обычно устанавливаются между двумя керамическими подложками. Подложки удерживают всю конструкцию вместе механически и электрически изолируют отдельные элементы друг от друга и от внешних монтажных поверхностей. Большинство термоэлектрических модулей имеют размеры от примерно 2,5 до 50 мм (от 0,1 до 2,0 дюймов) и высоту от 2,5 до 5 мм (от 0,1 до 0,2 дюйма). Доступны различные формы, материалы подложки, схемы металлизации и варианты монтажа.

Схема выше показывает типичный термоэлектрический модуль в сборе. В термоэлектрическом холодильнике используются термоэлектрические материалы как теллурида висмута N-типа, так и Р-типа. Такое расположение заставляет тепло проходить через охладитель в одном направлении только тогда, когда электрический ток попеременно перемещается между верхним и нижним основаниями через каждый элемент N и P. Материал N-типа легирован так, что в нем будет избыток электронов (больше электронов, чем необходимо для создания идеальной структуры молекулярной решетки), а материал Р-типа легирован так, что в нем будет дефицит электронов (меньше электронов, чем необходимо) завершить идеальную структуру решетки).Дополнительные электроны в материале N и «дыры», возникающие в результате дефицита электронов в материале P, являются носителями, которые перемещают тепловую энергию через термоэлектрический материал. Большинство термоэлектрических охлаждающих модулей изготавливаются с равным количеством элементов N-типа и P-типа, где одна пара элементов N и P образует термоэлектрическую «пару». Например, модуль, показанный выше, имеет две пары элементов N и P и называется «модулем с двумя парами».

Холодопроизводительность (тепло, активно прокачиваемое через термоэлектрический модуль) пропорциональна величине приложенного постоянного тока и тепловым условиям на каждой стороне модуля.Изменяя входной ток от нуля до максимума, можно регулировать тепловой поток и контролировать температуру поверхности.