Tehnika kola Zenica

SEMINARSKI RAD

Predmet: Elektrina mjerenjaa

Tema: Termoelektrini pretvarai

Uenici: Muhi Haris IV2 Mentor: Rizvanovi Amar IV2 Babi Mustafa dipl.el.ing.

Zenica, april 2015.

UVOD

Prvobitna namjena termoelemenata bila je mjerenje visokih temperatura 500 1 000 oC . I danas je njihov znaaj najvei u mjerenjau tih temperatura, ali je primjena uspjeno proirena i na vrlo niske temperature od 1K, pa do visokih do 4 000 oC. Zbog dobrih osobina termoelementi imaju mnogobrojne praktine primjene u mjerenju i regulaciji temperature.

Termoelektrini potencijal

Kada su krajevi provodnika na razliitim temperaturama T2 > T1 izmeu njih nastaje toplotni tok od toplijeg prema hladnijem kraju. Prenos toplote je, prema tumaenju kvantne teorije, usko povezan sa kretanjem slobodnih elektrona. Njihova koncentracija pripadni potencijal neravnomjerno su rasporeeni du provodnika, pa se javlja struja:

Istovremeno se javlja i struja zbog temperaturnog gradijenta:

Koeficijenti Ke i KT oznaavaju proporcionalnost struja Ie i IT sa gradijentompotencijala, odnosno sa gradijentom temperature. Znak minus upuuje na negativanprirast potencijala i temperature sa pozitivnim prirastom rastojanja du provodnika.Budui da nije zatvoreno nikakvo vanjsko elektrino kolo, ukupna struja kroz provodnik jednaka je nuli, tj. Ie + IT = 0 , odakle proizilazi da je:

Napon koji nastaje kao rezultat temperaturne razlike T2 T1 izmeu krajeva posmatranog provodnika naziva se termoelektrini napon, a njegova vrijednost dobija se integracijom jednaine:

Termoelektrini koeficijent K = (KT/Ke) zavisi od materijala od kojeg je izraen provodnik. Za male promjene temperature moe se smatrati da je:

Zebekov termoelektrini efekt termoelement

Struja ne moe da se zatvori kroz jedan provodnik du kojeg se dovodi toplota. Neophodno je zatvoreno termoelektrino kolo od dva razliita provodnika A i B sa termoelektrinim konstantama KA i KB . Spojevi su na temperaturama T1 i T2 , pa e svaki provodnik postati izvor termoelektrinog napona. Ako se kolo prekine u centru prvog spoja , dobija se napon na otvorenim krajevima:

Napon UAB je Zebekov napon (1821. god.), a koeficijent [V/K] termoelektrina Zebekova konstanta proporcionalnosti, koja zavisi od osobina dva provodnika. Takvo termoelektrino kolo naziva se termoelement ili termopar. Metal A je na pozitivnijem potencijalu u odnosu na metal B ako struja tee od A prema B na hladnom kraju.

Peltijeov termoelektrini efekt

Ako se na slobodne krajeve termoelektrinog kola prikljui jednosmjerni izvor, kroz kolo e tei neka struja I. Zbog ove struje nastaje reverzibilni proces: jedan spoj se hladi (toplotni ponor), a drugi zagrijava (toplotni izvor). Promjeni li se smjer struje, prethodno zagrijavani spoj poee se hladiti i obrnuto. Ovo je termoelektrini Peltijeov efekt. Za razliku od Dulove toplote, koja je proporcionalna kvadratu struje (I2Rs, Rs otpor spoja), apsorbovana, odnosno osloboena toplota zbog Peltijeovog efekta proporcionalna je jaini struje. Spoj tako postaje generator termoelektrinog Peltijeovog napona:

gdje je AB Peltijeov koeficijent, ija vrijednost zavisi od provodnika u spoju.

Tomsonov termoelektrini efekt Tomson (Kelvin) je zakljuio da ukoliko kroz termoelektrino kolo protie neka struja, tada se, pored Peltijeovog napona na spojevima, javlja termoelektrini Tomsonov napon du svakog provodnika pod uslovom da postoji gradijent temperature: gde je Tomsonov koeficijent, koji predstavlja generisanu ili osloboenu toplotu pojedinici temperaturne razlike i po jedinici jaine struje.

IZRADA TERMOELEMENATA

Materijali za izradu termoelemenata

Za izradu termoelemenata najbitnija su termoelektrina svojstva materijala. Za relativno poreenje materijala koristan je tzv. termoelektrini niz, koji pokazuje koliki je termoelektrini napon V/oC za neki materijal u spoju sa platinom (tabela 21.3). Pretpostavlja se da je hladni kraj takvog termoelementa na 0 oC, topli na 100 oC i da je re o istim materijalima. Praktino, istoa varira od 99,9% za eljezo do 99,999% za zlato i platinu. Za izradu termoelemenata mogu se, u principu, upotrebiti bilo koja dva ista metala ili legure. Za praktina mjerenjaaa ogranien je broj kombinacija jer se od materijala zahtijevaju odreena termoelektrinai mehanika svojstva: stabilnost termoelektrinih parametara, jednoznana i linearna zavisnost termoelektrinog napona od temperature, visoka osetljivost; homogenost materijala po duini provodnika, mogunost zavarivanja i mehanike obrade, mehanika vrstina, pristupana cijena.

Oznaavanje termoelemenata je prema ANSI-standardu (ANSI American National Standards Institute). Za svaki tip propisani su: dozvoljeno temperaturno podruje, radno okruenje, maksimalna temperatura pri kratkotrajnom zagrejavanju itd. (tabela 21.4). Prvoimenovani metal (legura) predstavlja pozitivni, a drugoimeno- vani negativni prikljuak. Termoelementi od tanje ice osetljiviji su na difuziju, neistoe, koroziju i nehomogenost nego termoelementi napravljeni od deblje ice. Zbog skupoe, termoelementi od plemenitih metala prave se od tanje ice.Pored navedenih tipova, za specijalne namene upotrebljavaju se i drugi (nestandardizovani) termoparovi.

Konstrukcija termoelektrinog pretvaraa

Svi pretvarai prave se na isti nain: dvije ice od termoelektrinog materijala spoje se na toplom kraju i zatite keramikim izolacionim materijalom i metalnim oklopom (slika 21.9a). Postoji vie razliitih tehnika spajanja ica: 1. ice se zavare topljenjem tako da se na vrhu spoja formira kuglica (slika21.9b)2. ice se zaleme pomou metala sa niom takom topljenja (slika 21.9c)3. ice se potope u ivu ili u rastopljeni metal4. ice se zaleme za vrsti metal5. ice se privrste stezaljkom i trakom.

POLUPROVODNIKI TERMOELEMENT

Princip rada

Termoelektrini efekat javlja se kod poluprovodnika dopiranog razliitim primesama ili kod kombinacije dvaju poluprovodnika. Vrijednosti Zebekovog koeficijenta mnogo su vee nego kod metala

Senzori zraenja

Poluprovodniki termoelementi slue za detekciju infracrvenog zraenja. Prave se u obliku traka dva poluprovodnika. Izolacioni sloj ima mali koeficijent provoenja toplote od toplog prema hladnom kraju. Radi poboljanja apsorpcije upadnog zraenja u irem podruju spektra, mjesto gde su spojeni topli krajevi (apsorpciona zona) prekriva se tankim slojem apsorpcionog materijala. Veliina apsorpcione zone je 0, 4 1 m2 . Radi dobijanja veeg napon u funkciji mjerenog zraenja, termoelementi se povezuju u pravouglu ili krunu termobateriju (slika 12b).

Termoelektrini grijai i hladnjaci

Kada kroz dva razliita provodnika tee struja, tada se javlja Peltijeov efekat: na spoju provodnika se apsorbuje ili otputatoplotna energija. Efekat je posebno izraen kod poluprovodnikih termoelemenata odbizmut-telurida. Ako se ploica od takvog poluprovodnika n-tipa pomou bakarnih kontakata prikljui na jednosmijerni naponski izvor, elektroni kao nosioci negativnog naelektrisanja kreu se od negativnog ka pozitivnom polu izvora. Istovremeno elektroni prenose toplotu sa donjeg spoja poluprovodnika sa bakrenim kontaktom prema gornjem spoju. Za poluprovodnik p-tipa nosioci naelektrisanja su upljine i one se kreu od pozitivnog prema negativnom polu izvora. upljine e zato toplotu prenositi u suprotnom smijeru od elektrona. Ovaj efekat pumpanja toplote s jednog na drugi kraj termoelementa u praksi se primjenjuje za pravljenje specijalnih hladnjaka ili grijjaa. Prednost Peltijeovih hladnjaka su male dimenzije, pa se koriste za hlaenje laserskih dioda, integrisanih kola ili samo odreenih disipacionih mesta u kolu.Jedan ploasti termoelement prenosi malu koliinu toplote. Multiplikacija se postie spajanjem vie termoelemenata (slika 21.13a). Pokazalo se da je najpovoljnije naizmenino povezivanje termoelenata n-tipa i p-tipa. Tipini modul ima 254 Peltijeova elementa, povrinu do 50 mm2 , debljinu 4 mm, promenom polariteta napajanja modul umjesto hladnjaka postaje grija i obrnuto. Za proraun termoelektrinog hladnjaka prvo se procene maksimalna temperatura ambijenta (na primjer 50 oC), optimalna radna temperatura (20 oC) i maksimalna temperatura na toploj strani modula koja je vea od ambijentne temperature zbog odvoenja toplote. Zatim se prema uputstvu proizvoaa odrede napon i struja termoelektrinog modula.

Povezivanje pretvaraa sa mikroprocesorom

Termoelementi se prikljuuju na raunar preko PC kartice na kojoj se nalaze kola za kondicioniranje signala, selektor kanala i A/D konvertor (slika 21.15). U raunaru se podaci o temperaturi analiziraju, uvaju i po potrebi prikazuju tabelarno ili na odgovarajuim dijagramima, generiu kompenzacioni, alarmni i upravljaki signali.

Termoelement u kompaktnoj izvedbi sa mikroprocesorom ini industrijskidigitalni senzor temperature (slika 21.16). Kondicioniranje ulaznog signala vri se ubloku za zatitu od smetnji, koji titi vodove od uticaja visokog napona. Blok zadetekciju termonapona indicira prikljuivanje termoelementa na mjernom ulazu. Signal o temperaturi ide preko pretpojaavaa sa filterom i preko kola za A/D konverziju na bazi integratora i komparatora dolazi u mikroprocesor. Tu se vri linearizacija, softverska kompenzacija hladnog kraja, automatska kalibracija i drugo. Multiplekser za svaki odabrani termoelement omoguava mjerenje aktuelne temperature, temperature hladnog kraja i referentnog napona.

Prednosti termoelemenata- kao senzora temperature su:1. Rad bez vanjskog izvora energije jer se radi o aktivnom senzoru;2. Jednostavna i kompaktna konstrukcija, velika mogunost ugradnje;3. irok temperaturni opseg mjerenja (od 270 oC do 4 000 oC);4. visoka tanost ( 1 2, 5 oC ili 0, 25 0, 75% mjernog opsega za standardne izvedbe, odnosno 0, 5 1, 1 oC ili 0, 1 0, 4% mjernog opsega za specijalne izvedbe).

Nedostaci termoelemenata su sljedei:1. Nizak nivo izlaznog signala (najvie do 100mV);2. Mala osetljivost (10 70 V/oC ), zbog ega je veoma oteano mjerenje malih temperaturnih razlika;3. Potrebna stalna referentna temperatura ili kompenzacija;4. Nelinearna statika karakteristika;5. Osjetljivost na hemijsko djelovanje radne okoline;6. Pojava parazitnih termoelektrinih napona, koji su rezultat nehomogenosti materijala od kojeg je napravljen termoelement.

Praktine preporuke za smanjenje greaka mjerenja pomou termoelementa:1. Termoelement ne smije biti na direktnom plamenu niti u njegovoj neposrednoj blizini zbog agresivnog djelovanja gasova i estica u okolini plamena;2. Za tijela sa raspodeljenom vrijednou temperature termoelement treba ugraditi u zoni srednje vrijednosti temperature jer on meri temperaturu u jednoj taki;3. Poeljno je da se termoelement locira na vidnom i dostupnom mestu radi lake inspekcije i eventualne zamjene;4. Tijelo termoelementa u cjelosti treba da se nalazi u mernom mediju;5. Svi kontakti moraju biti isti i vrsti kako bi prelazni otpor kontakata bio to manji;6. Prikljuni vodovi ne smiju biti u blizini visokonaponskih energetskih vodova zbog elektromagnetne indukcije.