Термопарных элементов

Элемент измерительного устройства, преобразующий неэлектрическую величину в электрическую, называется измерительным преобразователем. Для измерения температур применяются термоэлектрические преобразователи и термометры сопротивления. Сочетание термоэлектрического преобразователя с магнитоэлектрическим измерительным механизмом называется термоэлектрическим пирометром ( 80). При нагревании рабочего конца термопары возникает ЭДС и ток в це-ПИ измерительного механизма. Взаимодействие тока и црля постоянного магнита приводит к отклонению под-виршой части прибора, по которому и определяют измеряемую температуру. Для защиты от механических по-

где S — действующая площадь пластин конденсатора; е — диэлектрическая проницаемость; а — расстояние между пластинами. Измеряемая величина может влиять на действующую площадь пластин S, на расстояние между пластинами а и диэлектрическую проницаемость е. На 8.28, а показан емкостный преобразователь с переменным зазором, на 8.28, б — емкостный преобразователь с переменным диэлектриком. Последний можно, в частности, использовать для измерения уровня жидкости. Емкостные преобразователи нашли практическое применение для измерения малых перемещений. Примером простейшего генераторного преобразователя может служить термопара. При нагревании термопары на ее зажимах появляется э. д. с,, величина которой зависит от температуры. Под действием этой э. д. с. в цепи термопары возникает ток, величину кото-

в нагревателе, на концах термопары возникает термоэлектродвижущая сила Е, вызывающая ток в измерительном приборе И. Э. д. с. термопары пропорциональна выделяемой мощности в нагревателе, поэтому основное уравнение прибора имеет вид

а) термоэлектрические преобразователи — в зависимости от разности температур в цепи термопары возникает термо-э. д. с.;

Термоэлектрические приборы. Приборы этой системы представляют собой сочетание магнитоэлектрического механизма с термоэлектрическим преобразователем. Термопреобразователь состоит из нагревателя 1, по которому проходит измеряемый ток /, и термопары 2 ( 9-11). Нагреватель выполняется из нихромовой или константановой проволоки, термопара состоит из двух разнородных сплавов, например копеля (55% меди, 45% никеля) и хромеля (10% хрома, 90% никеля). Под действием тепла, выделяемого Током в нагревателе, на концах термопары возникает термоэлектродвижущая сила Е, вызывающая ток в измерительном механизме И. ЭДС термопары пропорциональна выделяемой мощности в нагревателе, поэтому основное уравнение прибора имеет вид a = /с/2.

а) термоэлектрические преобразователи — в зависимости от разности температур в цепи термопары возникает термо-ЭДС;

При разности температур точек / и 2 соединения двух разнородных проводников А и В ( 8.20, а), образующих термопару, в цепи термопары возникает термо-э. д. с. При неизменной темпе-

u,ax термопары возникает термо-ЭДС. Чтобы повысить коэффициент преобразования, ветви термопар наносят с небольшим зазором, а в зазор напыляется резистивный слой. Этим достигается значение сопротивления, необходимое для согласования, кроме того, выделяющееся тепло концентрируется на коротком участке резистивного слоя, и температура спаев (положительная ветвь термопары — резистор и резистор — отрицательная ветвь) повышается. Применение резистивного слоя существенно расширяет возможности изменения параметров термоэлементов.

( 9-13). Нагреватель выполняется из нихромовой или констан-тановой проволоки; термопара состоит из двух разнородных сплавов, например, копель (55% меди, 45% никеля) — хромель (10% хрома, 90% никеля). Под действием тепла, выделяемого током в нагревателе, на концах термопары возникает термоэлектродвижущая сила e-f, вызывающая ток в измерительном механизме И. Э. д. с. термопары приблизительно "пропорциональна температуре нагревателя, поэтому основное уравнение прибора имеет вид:

а. Термоэлектрические преобразователи — термопары. В зависимости от разности температур в цепи термопары возникает э. д. с., которая измеряется милливольтметрами или компенсатором.

няются для измерения температур. Основной частью датчика является термопара, рабочие концы которой помещаются в среду с измеряемой температурой. На холодных концах термопары возникает разность потенциалов, величина которой зависит от температуры рабочих концов. На 15.34 показано устройство термоэлектрического пирометра.

При наличии разности температур точек 1 и 2 соединения двух разнородных проводников А и В ( 252), образующих термопару, в цепи термопары возникает термо-э. д. с. При неизменной температуре одной точки соединения (<2 = const) можно написать

Если термоэлектрическая цепь содержит несколько последовательно включенных спаев, то результирующая термоЭДС определяется как сумма последовательно включенных источников ЭДС со своими знаками [15]. При этом спаи, имеющие одинаковую температуру, не вносят вклад в суммарную термоЭДС. Например, при введении в цепь термопары измерительного прибора, электрическая цепь которого состоит из материала 3, отличного от материалов термопары (см. III.1), влияние контактов прибора исключается, если они имеют одинаковую температуру. Это свойство термоэлектрических цепей широко используется при измерениях температуры термопарами. Оно используется также при описании термопарных элементов, применяемых в термогенераторах или других термоэлектрических преобразователях тепловой энергии в электрическую ( 111.2). Наличие проводников /, 2, 3, в которых отсут-

Методы расчета каскадных термоэлементов рассмотрены в работах [10, 11, 12, 18, 26, 35, 60, 67, 78]. Описание методов расчета термопарных элементов содержатся также в работах [9, 14, 17, 24, 31, 34, 37, 40, 41, 48, 51—53, 76, 77, 81, 82]. Анализ большинства из них приведен в работе [35].

По данным работы [8], добротность и соответственно КПД преобразования слоистых элементов могут достигать значений термопарных элементов. Предлагается использовать слоистые термоэлементы в термогенераторах и термохолодильниках поперечного типа.

где Qx — тепло, переносимое термоэлементом за счет теплопроводности, Qg — тепло, передаваемое источнику тепла за счет эффекта Эттингсгаузена, Од — тепло Джоуля, равное, как и для термопарных элементов, половине выделившегося в термоэлементе тепла за счет протекания электрического тока /. Они определяются выражениями

Возможности охлаждения эффектом Пельтье рассмотрены в 1911 г. Альтенкирхом [78, 79]; были получены соотношения для параметров термоэлектрического холодильника и проанализированы возможности его применения при использовании в ветвях металлов. Из анализа вытекала бесперспективность -использования термоэлектрического охлаждения из-за малой его эффективности. Акад. А. Ф. Иоффе с сотрудниками [22, 28, 29] разработал теорию энергетических применений термопарных элементов из полупроводниковых материалов. Этими работами были заложены основы теоретического исследования и практического использования полупроводниковых термоэлементов.

Оптимальные соотношения геометрических размеров ветвей термоэлемента при известных коэффициентах электро- и теплопроводности совпадают с полученными для охлаждающих термопарных элементов. Оптимальный Кт, соответствующий максимальному отопительному коэффициенту [21J,

§ 1. Методы повышения добротности полупроводниковых материалов для термопарных элементов

Как и в случае материала для термопарных элементов, оптимальным выбором концентрации носителей тока представляется, возможным достичь максимума Z . Он реализуется при

термоэлектрической добротности материалов для термопарных элементов

§ 1. Материалы для термопарных элементов

Для трансформатора, изготовленного из термопарных элементов, связь между напряжениями в первичной и вторичной цепях определяется из условия баланса теплот [1]