थर्मोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर्स (थर्मोकपल्स)

थर्मोकपल कैसे काम करता है

पहले से ही 1821 में, सीबेक ने उनके नाम पर एक घटना की खोज की, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि ई. अलग-अलग संवाहक सामग्रियों से युक्त एक बंद सर्किट में दिखाई देता है। वगैरह। (तथाकथित थर्मो-ईएमसी) यदि इन सामग्रियों के संपर्क बिंदुओं को अलग-अलग तापमान पर बनाए रखा जाता है।

अपने सरलतम रूप में, जब एक विद्युत परिपथ में दो अलग-अलग कंडक्टर होते हैं, तो इसे थर्मोकपल या थर्मोकपल कहा जाता है।

सीबेक घटना का सार इस तथ्य में निहित है कि मुक्त इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा, जो तारों में विद्युत प्रवाह की उपस्थिति का कारण बनती है, अलग-अलग होती है और तापमान के साथ अलग-अलग बदलती है। इसलिए, यदि तार के साथ तापमान में अंतर होता है, तो इसके गर्म सिरे के इलेक्ट्रॉनों में ठंडे सिरे की तुलना में उच्च ऊर्जा और वेग होंगे, जिससे तार में गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होता है। नतीजतन, दोनों सिरों पर शुल्क जमा हो जाएगा - ठंड पर नकारात्मक और गर्म पर सकारात्मक।

चूँकि ये चार्ज अलग-अलग तारों के लिए अलग-अलग होते हैं, तो जब उनमें से दो एक थर्मोकपल में जुड़े होते हैं, तो एक डिफरेंशियल थर्मोकपल दिखाई देगा। वगैरह। सी. थर्मोकपल में होने वाली घटनाओं का विश्लेषण करने के लिए, यह मान लेना सुविधाजनक है कि थर्मोकपल इसमें उत्पन्न हुआ है। वगैरह। सी। ई दो संपर्क इलेक्ट्रोमोटिव बलों ई का योग है, जो उनके संपर्क के स्थानों पर होता है और इन संपर्कों के तापमान का एक कार्य है (चित्र 1, ए)।

चावल। 1. एक दो- और तीन-तार थर्मोइलेक्ट्रिक सर्किट का आरेख, विद्युत मापने वाले उपकरण को जंक्शन से जोड़ने के लिए एक आरेख और एक थर्मोकपल के साथ एक थर्मोइलेक्ट्रोड।

दो अलग-अलग कंडक्टरों के सर्किट में उत्पन्न थर्मोइलेक्ट्रोमोटिव बल उनके सिरों पर इलेक्ट्रोमोटिव बलों के अंतर के बराबर होता है।

इस परिभाषा से यह इस प्रकार है कि थर्मोकपल के सिरों पर समान तापमान पर, इसकी थर्मोइलेक्ट्रिक शक्ति। वगैरह। एस शून्य होगा। इससे एक अत्यंत महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकाला जा सकता है, जिससे थर्मोकपल को तापमान संवेदक के रूप में उपयोग करना संभव हो जाता है।

एक थर्मोकपल के इलेक्ट्रोमोटिव बल को उसके सर्किट में तीसरे तार की शुरूआत से नहीं बदला जाएगा यदि इसके सिरों पर तापमान समान हैं।

इस तीसरे तार को जंक्शनों में से एक में और तारों में से एक के खंड में शामिल किया जा सकता है (चित्र। 1.6, सी)। इस निष्कर्ष को थर्मोकपल सर्किट में पेश किए गए कई तारों तक बढ़ाया जा सकता है, जब तक कि उनके सिरों पर तापमान समान हो।

इसलिए, एक मापने वाला उपकरण (जिसमें तार भी शामिल हैं) और इसके लिए अग्रणी कनेक्टिंग तारों को इसके द्वारा विकसित थर्मोइलेक्ट्रिक पावर में बदलाव किए बिना थर्मोकपल सर्किट में शामिल किया जा सकता है। इ।सी, केवल अगर अंक 1 और 2 या 3 और 4 (छवि 1, डी और ई) के तापमान बराबर हैं। इस मामले में, इन बिंदुओं का तापमान डिवाइस के टर्मिनलों के तापमान से भिन्न हो सकता है, लेकिन दोनों टर्मिनलों का तापमान समान होना चाहिए।

यदि थर्मोकपल सर्किट का प्रतिरोध अपरिवर्तित रहता है, तो इसके माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा (और इसलिए डिवाइस की रीडिंग) केवल इसके द्वारा विकसित थर्मोइलेक्ट्रिक पावर पर निर्भर करेगी। डी. से, अर्थात्, काम (गर्म) और मुक्त (ठंडा) के तापमान से समाप्त होता है।

इसके अलावा, यदि थर्मोकपल के मुक्त सिरे का तापमान स्थिर रखा जाता है, तो मीटर रीडिंग केवल थर्मोकपल के काम करने वाले सिरे के तापमान पर निर्भर करेगी। ऐसा उपकरण थर्मोकपल के कामकाजी जंक्शन के तापमान को सीधे इंगित करेगा।

इसलिए, एक थर्मोइलेक्ट्रिक पाइरोमीटर में एक थर्मोकपल (थर्मोइलेक्ट्रोड), एक डायरेक्ट करंट मीटर और कनेक्टिंग वायर होते हैं।

ऊपर से निम्नलिखित निष्कर्ष निकाले जा सकते हैं।

1. थर्मोकपल (वेल्डिंग, सोल्डरिंग, ट्विस्टिंग आदि) के कामकाजी सिरे के निर्माण की विधि इसके द्वारा विकसित थर्मोइलेक्ट्रिक पावर को प्रभावित नहीं करती है। वगैरह। के साथ, यदि केवल काम करने वाले अंत के आयाम ऐसे हैं कि इसके सभी बिंदुओं पर तापमान समान है।

2. क्योंकि डिवाइस द्वारा मापा गया पैरामीटर थर्मोइलेक्ट्रिक नहीं है। के साथ और थर्मोकपल सर्किट करंट, यह आवश्यक है कि ऑपरेटिंग सर्किट प्रतिरोध अंशांकन के दौरान अपरिवर्तित और इसके मूल्य के बराबर रहे।लेकिन चूंकि ऐसा करना व्यावहारिक रूप से असंभव है, चूंकि थर्मोइलेक्ट्रोड और कनेक्टिंग तारों का प्रतिरोध तापमान के साथ बदलता है, विधि की मुख्य त्रुटियों में से एक उत्पन्न होती है: अंशांकन के दौरान सर्किट के प्रतिरोध और इसके प्रतिरोध के बीच बेमेल की त्रुटि।

इस त्रुटि को कम करने के लिए, थर्मल माप के लिए उपकरणों को उच्च प्रतिरोध (मोटे माप के लिए 50-100 ओम, अधिक सटीक माप के लिए 200-500 ओम) और कम तापमान वाले विद्युत गुणांक के साथ बनाया जाता है, ताकि सर्किट का कुल प्रतिरोध (और इसलिए, वर्तमान और — ई.डी.एस.) के बीच संबंध परिवेश के तापमान में उतार-चढ़ाव के साथ न्यूनतम भिन्न होता है।

3. थर्मोइलेक्ट्रिक पाइरोमीटर हमेशा थर्मोकपल के मुक्त अंत के एक अच्छी तरह से परिभाषित तापमान पर कैलिब्रेट किया जाता है - 0 ° C पर। आमतौर पर यह तापमान ऑपरेशन में अंशांकन तापमान से भिन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप विधि की दूसरी मुख्य त्रुटि होती है। : मुक्त थर्मोकपल अंत के तापमान में त्रुटि।

चूंकि यह त्रुटि दसियों डिग्री तक पहुंच सकती है, इसलिए डिवाइस की रीडिंग में उचित सुधार करना आवश्यक है। इस सुधार की गणना की जा सकती है यदि राइजर का तापमान ज्ञात हो।

चूँकि अंशांकन के दौरान थर्मोकपल के मुक्त सिरे का तापमान 0 ° C के बराबर होता है, और ऑपरेशन में यह आमतौर पर 0 ° C से ऊपर होता है (मुक्त सिरे आमतौर पर कमरे में होते हैं, वे अक्सर ओवन के पास स्थित होते हैं जिनका तापमान मापा जाता है ), पाइरोमीटर वास्तविक मापा तापमान की तुलना में कम आंकता है, बाद के संकेत और मूल्य को सुधार मूल्य से बढ़ाया जाना चाहिए।

यह आमतौर पर ग्राफिक रूप से किया जाता है। यह इस तथ्य के कारण है कि आमतौर पर थर्मोसेट्स के बीच कोई आनुपातिकता नहीं होती है।वगैरह। पीपी। और तापमान। यदि उनके बीच का संबंध आनुपातिक है, तो अंशांकन वक्र एक सीधी रेखा है और इस मामले में थर्मोकपल के मुक्त सिरे के तापमान के लिए सुधार सीधे उसके तापमान के बराबर होगा।

डिजाइन और थर्मोक्यूल्स के प्रकार

निम्नलिखित आवश्यकताएं थर्मोइलेक्ट्रोड सामग्री पर लागू होती हैं:

1) उच्च थर्मोइलेक्ट्रिसिटी। वगैरह। वी। और तापमान से इसके परिवर्तन की आनुपातिक प्रकृति के करीब;

2) गर्मी प्रतिरोध (उच्च तापमान पर गैर-ऑक्सीकरण);

3) मापा तापमान के भीतर समय के साथ भौतिक गुणों की स्थिरता;

4) उच्च विद्युत चालकता;

5) प्रतिरोध का निम्न-तापमान गुणांक;

6) निरंतर भौतिक गुणों के साथ बड़ी मात्रा में उत्पादन की संभावना।

अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन (IEC) ने कुछ मानक प्रकार के थर्मोक्यूल्स (मानक IEC 584-1) को परिभाषित किया है। मापा तापमान की सीमा के अनुसार तत्वों के सूचकांक आर, एस, बी, के, जे, ई, टी हैं।

उद्योग में, 600-1000-1500˚C तक के उच्च तापमान को मापने के लिए थर्मोक्यूल्स का उपयोग किया जाता है। एक औद्योगिक थर्मोकपल में दो दुर्दम्य धातु या मिश्र धातु होते हैं। गर्म जंक्शन ("जी" अक्षर से चिह्नित) उस जगह पर रखा जाता है जहां तापमान मापा जाता है, और ठंडा जंक्शन ("एक्स") उस क्षेत्र में स्थित होता है जहां मापने वाला उपकरण स्थित होता है।

निम्नलिखित मानक थर्मोकपल वर्तमान में उपयोग में हैं।

प्लेटिनम-रोडियाम-प्लैटिनम थर्मोकपल। इन थर्माकोउल्स का उपयोग लंबे समय तक उपयोग के लिए 1300 डिग्री सेल्सियस तक और अल्पकालिक उपयोग के लिए 1600 डिग्री सेल्सियस तक तापमान को मापने के लिए किया जा सकता है, बशर्ते उनका उपयोग ऑक्सीकरण वातावरण में किया जाता है।मध्यम तापमान पर, प्लैटिनम-रोडियाम-प्लैटिनम थर्मोकपल बहुत विश्वसनीय और स्थिर साबित हुआ है, यही वजह है कि इसे 630-1064 डिग्री सेल्सियस की सीमा में एक उदाहरण के रूप में उपयोग किया जाता है।

क्रोम-एल्यूमेल थर्मोकपल। इन थर्मोक्यूल्स को 1000 ° C तक के दीर्घकालिक उपयोग के लिए और 1300 ° C तक के अल्पकालिक उपयोग के लिए तापमान को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है। वे ऑक्सीकरण वातावरण में इन सीमाओं के भीतर मज़बूती से काम करते हैं (यदि कोई संक्षारक गैसें नहीं हैं), क्योंकि जब इलेक्ट्रोड की सतह पर गरम किया जाता है, एक पतली सुरक्षात्मक ऑक्साइड फिल्म जो ऑक्सीजन को धातु में प्रवेश करने से रोकती है।

Chromel-Copel Thermocouple... ये थर्मोकपल लंबे समय तक 600°C तक और थोड़े समय के लिए 800°C तक तापमान माप सकते हैं। वे ऑक्सीकरण और वायुमंडल को कम करने के साथ-साथ निर्वात दोनों में सफलतापूर्वक काम करते हैं।

आयरन कोपेल थर्मोकपल... माप की सीमाएं क्रोमल-कॉपल थर्मोकपल के समान हैं, परिचालन की स्थिति समान है। यह कम थर्मो देता है। वगैरह। बनाम XK थर्मोकपल की तुलना में: 500 ° C पर 30.9 mV, लेकिन तापमान पर इसकी निर्भरता आनुपातिक के करीब है। एलसी थर्मोकपल का एक महत्वपूर्ण दोष इसके लोहे के इलेक्ट्रोड का क्षरण है।

कॉपर-कॉपर थर्मोकपल... चूंकि ऑक्सीकरण वातावरण में तांबा पहले से ही 350 डिग्री सेल्सियस पर गहन रूप से ऑक्सीकरण करना शुरू कर देता है, इन थर्मोकपल के आवेदन की सीमा लंबे समय के लिए 350 डिग्री सेल्सियस और थोड़े समय के लिए 500 डिग्री सेल्सियस है। निर्वात में, इन तापयुग्मों का उपयोग 600 °C तक किया जा सकता है।

थर्मो-ई निर्भरता घटता है। वगैरह। सबसे आम थर्मोक्यूल्स के लिए तापमान का। 1 - क्रोमेल-बास्टर्ड; 2 - लौह कमीने; 3 - तांबे-कमीने; 4 — टीजीबीसी -350एम; 5 — टीजीकेटी-360एम; 6 - क्रोमेल-एल्यूमेल; 7-प्लैटिनम-रोडियाम-प्लैटिनम; 8 — टीएमएसवी-340एम; 9 — पीआर -30/6।

प्लेटिनम-रोडियाम-प्लैटिनम थर्मोक्यूल्स 1.5-1.6 ओम प्रति 1 मीटर के लिए बेस मेटल से बने मानक थर्मोक्यूल्स के थर्मोइलेक्ट्रोड का प्रतिरोध 0.13-0.18 ओम प्रति 1 मीटर लंबाई (दोनों छोर) है। स्वीकार्य थर्मोइलेक्ट्रिक पावर विचलन। वगैरह। गैर-महान थर्मोक्यूल्स के लिए अंशांकन से ± 1%, प्लैटिनम-रोडियाम-प्लैटिनम के लिए ± 0.3-0.35% हैं।

मानक थर्मोकपल 21-29 मिमी के व्यास और 500-3000 मिमी की लंबाई वाली एक छड़ है। सुरक्षात्मक ट्यूब के शीर्ष पर एक कार्बोलाइट या बेक्लाइट प्लेट के साथ एक मुहरबंद या कास्ट (आमतौर पर एल्यूमीनियम) सिर रखा जाता है, जिसमें दो जोड़े तारों को जोड़े में जुड़े स्क्रू क्लैंप से दबाया जाता है। थर्मोइलेक्ट्रोड एक टर्मिनल से जुड़ा होता है, और दूसरे से एक कनेक्टिंग वायर जुड़ा होता है जो मापने वाले उपकरण की ओर जाता है। कभी-कभी कनेक्टिंग तार एक लचीली सुरक्षात्मक नली में संलग्न होते हैं। यदि उस छेद को सील करना आवश्यक है जिसमें थर्मोकपल स्थापित है, तो बाद वाले को थ्रेडेड फिटिंग प्रदान की जाती है। बाथटब के लिए, कोहनी के आकार के थर्मोकपल भी बनाए जाते हैं।

थर्मोक्यूल्स के नियम

आंतरिक तापमान कानून: एक समरूप कंडक्टर में तापमान ढाल की उपस्थिति से विद्युत प्रवाह की उपस्थिति नहीं होती है (कोई अतिरिक्त ईएमएफ नहीं होता है)।

मध्यवर्ती कंडक्टरों का नियम: धातुओं ए और बी के दो सजातीय कंडक्टर तापमान T1 (गर्म जंक्शन) और T2 (ठंडा जंक्शन) पर संपर्कों के साथ एक थर्मोइलेक्ट्रिक सर्किट बनाते हैं। तार A के टूटने में धातु X का एक तार शामिल होता है और दो नए संपर्क बनते हैं। «यदि तार X का तापमान इसकी पूरी लंबाई में समान है, तो थर्मोकपल का परिणामी EMF नहीं बदलेगा (अतिरिक्त जंक्शनों से कोई EMF उत्पन्न नहीं होता है)।»