Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Применение явления Зеебека

1. Измерение температуры. Явление Зеебека широко используется для измерения температур, а также при других измерениях, которые могут быть сведены к измерению температуры. Например, при измерении энергии светового потока, в электроизмеритель-ных приборах (термоприборах) – для измерения токов радиочастот и т.д.

Термочувствительным элементом в приборах для измерения температуры является термопара. Термопара состоит из двух последовательно соединённых пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М₁ и М₂ (рис.4,5). В сочетании с измерительным прибором (милливольтметром, гальванометром или цифровым электроизмерительным прибором) термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется в градусах. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис.4), либо в разрыв одного из них (рис.5).

Рис.4 – Прямое подключение термопары Рис.5 – Подключение термопары к измери-

М₁М₂ к измерительному прибору 1, тельной системе. Спай сравнения

2 – соединительные проводники (холодный) помещён в тающий лёд.

Во втором случае при измерении один контакт (спай) поддерживается при постоянной температуре, обычно путём помещения его в тающий лёд, температура которого Т_о = 0°С. Этот спай называется спаем сравнения или холодным. Другой спай приводят в контакт с веществом, температуру Т которого измеряют. Второй спай называют измерительным, рабочим или горячим.

Величину возникающей термоэдс в некотором интервале температур можно описать выражением (3) . Поскольку для данной термопары коэффициент термоэдс известен, как и температура спая сравнения Т_о, то неизвестная температура определяется выражением

(5)

Если же коэффициент термоэдс α зависит от температуры и зависимость термоэдс от нелинейная, то выражение (5) использовать нельзя. Необходимо провести градуировку термопары.

Описанный метод измерения термопары на практике неудобен и обычно используют подключение термопары прямо к измерительной системе (рис.4). В этом случае второй контакт (холодный спай) осуществляется через соединительные провода и измерительный прибор, находящиеся при температуре окружающей среды. Кроме того, в местах подключения проводников термопары к измерителю возникают дополнительные термоэдс. В результате на вход измерительного прибора поступает сумма сигналов от рабочей термопары и э.д.с., возникшие в местах подключения.

Рис.6 – Способ подключения термопары к измерительной

системе, при котором применяется техника

«компенсации холодного спая»

Поэтому в промышленных приборах широко используется техника компенсации холодного спая. Этот метод заключается в том, что температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термодэдс холодного спая программно или аппаратно (с помощью дополнительной электрической схемы) вычитается из сигнала термопары (рис.6). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. В случае схемы с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая (рис.6)

Величина термоэдс у термопар, состоящих из металлов, мала. Коэффициент термоэдс металлических термопар составляет несколько десятков микровольт на градус и для некоторых металлов указаны в таблице 1.

Диапазон температур, измеряемых с помощью термопар очень велик, от температур, близких к абсолютному нулю до нескольких тысяч градусов. Кроме того, термоэлементу (термопаре) можно придать очень малые размеры и применять её для измерения температуры малых тел, вплоть до клеток.

2. Термоэлектрические генераторы тока. Явление Зеебека (термоэдс) используют в термоэлектрических генераторах – энергетических устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Соединяя термопары (или термоэлементы) последовательно или параллельно, получают термобатареи, которые являются генераторами электроэнергии. Однако, из-за малых значений термоэдс металлических термопар к.п.д. таких термогенераторов очень низок (примерно 0,1 %) и они не нашли применения в технике.

Современные термогенераторы изготавливают из полупроводниковых материалов, поскольку термоэдс полупроводниковых термоэлементов (термопар) намного больше, чем у металлических. В состав таких термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединённых последовательно или параллельно, и теплообменники горячих и холодных спаев термобатареи. В качестве материала для ветвей термоэлементов широко применяются полупроводниковые соединения германия с кремнием Ge-Si и полупроводниковая модификация силицида железа β – FeSi₂. Источником тепловой энергии в термогенераторах могут быть: газ, бензин, уголь, ядерный реактор, радиоизотопный источник энергии, солнечная энергия, тепло человеческого тела.

Термоэлектрические генераторы применяются для энергоснабжения удаленных и труднодоступных потребителей электроэнергии (автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов).

Термогенераторы удобны, в частности тем, что не имеют движущихся частей, копактны, легко управляются и не создают шума. Однако они пока не получили широкого применения в технике из-за относительно высокой стоимости изготовления термоэлементов при довольно низком к.п.д. по сравнению с обычными тепловыми двигателями. Максимальный к.п.д. современных термогенераторов из-за тепловых потерь не превышает 10 %, хотя теоретически можно достичь к.п.д. преобразования η = 15%.