Термоэлектрические преобразователи температуры: Преобразователи термоэлектрические ТП — термопреобразователи (термопары) | — Мир Антенн

Содержание

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Категория:

Приборы для измерения температуры

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрические преобразователи применяют для измерения температуры от -200 до +250 °С. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов, сваренных между собой на конце, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов и помещены в защитную арматуру, Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя, расположенным в головке, которая закрывается крышкой, имеющей прокладку. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком “ + “. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда.

Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать.

Термопреобразователи могут иметь штуцер для крепления по месту и штуцер для ввода соединительных проводов измерительных приборов.

Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоЭДС элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем.

Возникновение термоЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем — положительный. Разность этих потенциалов будет определять величину термоЭДС термопреобразователя.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры.

В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0 °С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка.

Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки. Величина вводимой поправки будет небольшой, и определенной, если температура свободных концов будет невысокой и постоянной.

Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами: по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки, которая соответствует температуре свободных концов; автоматическими устройствами — при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов.

Величина термоЭДС в термопреобразователе зависит не только от разности температур горячего и холодных спаев, но и от материала термоэлектродов. Поэтому стремятся применять в качестве термоэлектродов те металлы и сплавы, у которых возникают сравнительно большие ЭДС.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции: измерить термоЭДС в цепи преобразователя; определить температуру свободных концов; в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов; по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды. В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают: с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.

Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 1000 °С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоЭДС.

Градуировка термопары — определение термоЭДС термопары от температуры рабочего конца при постоянном значении температуры свободных концов (обычно равной 0 °С).

Термоэлектроды из благородных металлов изготовляют из проволоки диаметром 0,3-0,5 мм, а из неблагородных – диаметром 1,2 -3 2 мм. Диаметр термоэлектродов выбирают, исходя из назначения термопары, диапазона измерения температуры и необходимой прочности.

Защитная арматура. Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов металлической защитной арматуры используют высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца. В настоящее время наибольшее распространение в качестве защитной арматуры высокотемпературных термопреобразователей получил молибден.

Медьсодержащие материалы применяют при измерении температур до 300 °С. При измерении температур до 600 °С для арматуры используют цельнотянутые трубы, для температур до 800 °С — легированную сталь, для температур до 1000 °С — окалиностойкую сталь. Для защиты термоэлектродов платиновой группы и тугоплавких металлов и сплавов применяют чехлы из огнеупорных материалов или кварца.

Трубки из кварцевого стекла (Si02) имеют очень высокую термическую устойчивость. Длительная эксплуатация платинородиевых термопар в защитной арматуре из кварцевого стекла нежелательна вследствие значительных изменений термоЭДС, хрупкости и разрушения из-за загрязнения кремнием. Поэтому кварцевые защитные оболочки применяют в высокотемпературных термопреобразователях кратковременного действия.

Основным материалом защитных чехлов термопар для измерения температуры различных сред в черной металлургии является корунд (окись алюминия А12 03), из которого можно получить плотные, стойкие в расплавах и достаточно термопрочные изделия.

До 1300 °С работоспособны фарфоровые чехлы, содержащие до 40% А12 Оэ . Их применяют для длительного измерения температур до 1100— 1200 °С в доменных воздухонагревателях.

В качестве защитной арматуры термопреобразователей для измерения температуры жидкого чугуна, а также медных и алюминиевых расплавов наибольшее распространение получила графитооксидная композиция. Для изготовления наконечников используют следующий состав: графит природный 20 — 40%; шамот 20 — 30%, огнеупорная глина 40 — 50%; смола термореактивная 5 — 12%.

Электроизоляционные материалы. Важнейшей частью термоэлектрических преобразователей является огнеупорная электроизоляция, оказывающая существенное влияние на точность измерения температуры.

Электроизоляторы кроме своей основной функции (электрической изоляции термоэлектродов друг от друга и от защитного чехла) выполняют роль элемента конструкции и несут значительные механические нагрузки, защищают термоэлектроды от воздействия окружающей среды, препятствуют проникновению вредных химических веществ, оказывающих разрушающее влияние.

Термоэлектроды термопар изолируют друг от друга и защитной арматуры с помощью одно- и двухканацьных фарфоровых бус при измерении температуры до 1300 °С. При более высоких температурах электроизоляционные свойства фарфора ухудшаются и поэтому используют бусы или трубки из окисей алюминия, магния, иттрия и бериллия.

Статьи по теме:

ДТПХхх4 термопары с кабельным выводом EXIA

ВЫБРАТЬ И ЗАКАЗАТЬ

Термопары во взрывозащищенном исполнении в отличие от датчиков в общепромышленном исполнении применяются для измерения температуры взрывоопасных смесей газов, паров, а также легковоспламеняющихся и взрывчатых веществ. По техническим характеристикам схожи с термопарами в общепромышленном исполнении, но содержат в конце маркировки обозначение искробезопасной цепи: «Ех-ТХ», где вместо Х указывается температурный класс в маркировке взрывозащиты.

Искробезопасная цепь Ex i. Датчики с маркировкой 0Ех ia IIC T1…Т6 Ga Х

Искробезопасная электрическая цепь – это цепь, в которой разряды или термические воздействия, возникающие в нормальном или аварийном режиме работы электрооборудования, не вызывают воспламенения взрывоопасной смеси. Датчики температуры ОВЕН имеют уровень искрозащиты Ex ia (особо взрывобезопасный), что сохраняет условия безопасности даже в случае одновременных и независимых повреждений.

Взрывозащищенность датчика обеспечивается следующими средствами:

выполнение конструкции датчика в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010;
ограничение максимального тока Ii и максимального напряжения Ui в цепях датчика до искробезопасных значений;
ограничение емкости Ci конденсаторов, содержащихся в электрических цепях датчика, и суммарной величины индуктивности Li.

Ограничение тока и напряжения в цепях датчика до искробезопасных значений достигается за счет обязательного подключения датчика через барьер искрозащиты (рекомендуется ОВЕН ИСКРА–ТП. 02), имеющий вид взрывозащиты выходных цепей «искробезопасная электрическая цепь» с уровнем «ia» для взрывоопасных смесей подгруппы IIC по ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010 (маркировка [Ex ia] IIC).

Расшифровка маркировки взрывозащиты датчиков температуры ОВЕН

0Ех ia IIC T1…Т6 Ga Х

0	Датчики относятся к категории особо взрывобезопасного оборудования
Ех	Знак соответствия стандартам взрывозащиты
ia	Вид взрывозащиты – искробезопасная цепь, уровень «ia» (наивысший)
IIC	Группа позволяет использовать датчик в наиболее взрывоопасных нерудничных средах (например, водород, ацетилен)
Т1…Т6	Датчик может использоваться в температурных классах Т1…Т6, указанных в таблице
Ga	Уровень взрывозащиты датчика – «очень высокий», применены дополнительные средства взрывозащиты
Х	Особые условия эксплуатации датчиков

Температурный класс в маркировке взрывозащиты

Температура окружающей и контролируемой среды, не более

425 °С

275 °С

195 °С

130 °С

95 °С

80 °С

Особые условия эксплуатации датчиков (знак Х в конце маркировки)

Подключение датчика к внешним цепям должно производиться через сертифицированные барьеры искробезопасности.
Установка, подключение, эксплуатация, тех. обслуживание и отключение датчика должно производиться в соответствии с технической документацией производителя.
Температурный класс в маркировке взрывозащиты термопреобразователей выбирается исходя из максимальной температуры окружающей среды и максимальной температуры контролируемой среды в соответствии с таблицей.

	014	D = 5 мм	ДТПК, ДТПL латунь (-40…+300 °C)	25
	024	D = 8 мм	ДТПК, ДТПL сталь 12Х18Н10Т (-40…+400 °С)	30
	034	D = 5 мм М = 8×1 мм**	ДТПК, ДТПL латунь (-40…+300 °С)	25
	044	D = 8 мм M = 12×1,5 мм**	ДТПК, ДТПL сталь 12Х18Н10Т (-40…+400 °С)	30
	054	D = 6 мм М = 16×1,5 мм** S = 22 мм, h = 9 мм		60, 80, 100, 120, 160, 180, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000
	064	D = 8 мм M = 20×1,5 мм** S = 27 мм, h = 8 мм
	074	D = 10 мм M = 20×1,5 мм** S = 27 мм, h = 8 мм
	084	D = 10 мм M = 20×1,5 мм** S = 27 мм, h = 8 мм
	094	D = 6 мм, D1 = 13 мм
	104	D = 8 мм, D1 = 18 мм
	114	D = 10 мм, D1 = 18 мм
Подвижный штуцер	124	D = 6 мм M = 16×1,5 мм** S = 17 мм		10, 32, 40, 60, 80, 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500
	134	D = 8 мм M = 20×1,5 мм** S = 22 мм
	144	D = 10 мм M = 20×1,5 мм** S = 22 мм
Подвижный штуцер	154	D = 10 мм M = 20×1,5 мм** S = 22 мм
	194	D = 5 мм, D1 = 10 мм		60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320
	204	M = 10×1 мм** S = 14 мм	ДТПК, ДТПL латунь (-40…+400 °С)	40, 65

Примечания:

С кабельным выводом из СФКЭ и диаметром термоэлектродов 0,7 мм изготавливаются только модели с диаметром арматуры 10 мм: 074, 114, 144,154.
С кабельным выводом из СФКЭ изготавливаются:
- Модели с диаметром арматуры 6 мм: ДТПХ124, ДТПХ094.
- Модели с диаметром монтажной части 8 мм, кроме ДТПХ024 и ДТПХ044.
С кабельным выводом из СФКЭ и диаметром арматуры 5 мм датчики не изготавливаются.

Для присоединения датчика к вторичным устройствам вы можете подобрать кабели для термопар.

Термопарные провода, поставляемые в качестве кабельного ввода совместно с ДТПХхх4

Кабель термопарный тип К (ХА), хромель-алюмель

1 – термоэлектродная проволока

2 – cтеклонить К11С6 с пропиткой кремнийорганическим лаком

ДКТК011-0,5

ДКТК011-0,7

ДКТК011-1,2

Одножильный

Диаметр проводов:

0,5 мм/0,7 мм/1,2 мм (указывается при заказе)

Изоляция нить К11С6

Класс допуска 2

-40…+300 °С

1,8/2,0

2,0/2,8

2,8/4,0

1 – термоэлектродная проволока

2, 4 и 5 – обмотка стеклонитью с пропиткой нагревостойким лаком

3 – обмотка фторопластовой запеченной пленкой

6 – обмотка стеклонитью (в противоположную сторону от обмотки 5) с пропиткой нагревостойким лаком

7 – экран из медной луженной оловом проволоки

Кабель СФКЭ ХА

2×0,5

Многожильный

Класс допуска 2

С – изоляция из стекловолокна

Ф – изоляция из фторопластовой пленки

К – комбинированная изоляция и оболочка

Х – положительная жила, сплав хромель

А – отрицательная жила, сплав алюмель

2 – количество жил

0, 5 – сечение жилы

-60…+250 °С

3,0/4,5

Кабель термопарный тип L (ХK), хромель-копель

1 – термоэлектродная проволока

2 – cтеклонить К11С6 с пропиткой кремнийорганическим лаком

ДКТL011-0,5

ДКТL011-0,7

ДКТL011-1,2

Одножильный

Диаметр проводов:

0,5 мм/0,7 мм/1,2 мм (указывается при заказе)

Изоляция – нить К11С6

Класс допуска 2

-40…+300 °С

1,8/2,0

2,0/2,8

2,8/4,0

1 – термоэлектродная проволока

2, 4 и 5 – обмотка стеклонитью с пропиткой нагревостойким лаком

3 – обмотка фторопластовой запеченной пленкой

6 – обмотка стеклонитью (в противоположную сторону от обмотки 5) с пропиткой нагревостойким лаком

7 – экран из медной луженной оловом проволоки

Кабель СФКЭ ХК

2×0,5

Многожильный

Класс допуска 2

С – изоляция из стекловолокна

Ф – изоляция из фторопластовой пленки

К – комбинированная изоляция и оболочка

Х – положительная жила, сплав хромель

К – отрицательная жила, сплав копель

2 – количество жил

0, 5 – сечение жилы

-60…+250 °С

3,0/4,5

Термопары — Термоэлектрические преобразователи (ТП)

ГОСТ Р 8. 585-2001.
ТЕРМОПАРЫ.
Номинальные статические характеристики преобразования.

п. 2.1. Термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерений температуры.

НСХ термопары — номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры рабочего конца и при постоянно заданной температуре свободных концов, выраженная в милливольтах.

Допускаемое отклонение от НСХ — максимально возможное отклонение термоэлектродвижущей силы термопары от номинального значения, удовлетворяющее техническим требованиям на термопару.

ГОСТ 6616–94.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ.
Общие технические условия.

Настоящий стандарт распространяется на преобразователи термоэлектрические (далее ТП) с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенные для измерения температуры от минус 270 до плюс 2500°С, изготавливаемые для нужд народного хозяйства и экспорта.

п. 3.6. Длина монтажной части ТП — для ТП с неподвижным штуцером или фланцем — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до опорной плоскости штуцера или фланца; для ТП с подвижным штуцером или фланцем — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до головки, а при ее отсутствии — до места заделки выводных проводников.

п. 3.7. Длина наружной части ТП — расстояние от опорной плоскости неподвижного штуцера или фланца до верхней части головки.

п. 3.8. Длина погружаемой части ТП — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до мест возможной эксплуатации при температуре верхнего предела измерения.

п. 3.9. Диапазон измеряемых температур ТП — интервал температур, в котором выполняется регламентируемая функция ТП по измерению.

п. 3.10. Рабочий диапазон — интервал температур, измеряемых конкретным ТП, находящийся внутри диапазона измеряемых температур.

п. 3.11. Номинальное значение температуры применения (температура термопары) — наиболее вероятная температура эксплуатации термопары ТП, для которой нормируются показатели надежности и долговечности.

п. 3.12. Показатель тепловой инерции — время, необходимое для того, чтобы при внесении ТП в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее ТП стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима.

п. 3.14. ТП кратковременного применения — ТП, которые при использовании в измерительных средах обеспечивают свои метрологические характеристики в ограниченном количестве циклов измерения или в ограниченном интервале времени, указанных в ТУ на ТП конкретного типа.

п. 5.5. Конструкция ТП и применяемые материалы должны обеспечивать стабильность ТП при воздействии температуры верхнего значения рабочего диапазона измерения в течение 2 часов.
Изменение НСХ ТП не должно быть более 1/2 допускаемых отклонений.
Для ТП, у которых значения температур рабочего диапазона превышают 3/4 верхнего значения диапазона измеряемых температур, а также ТП кратковременного и разового применения, изменение НСХ устанавливают в ТУ на ТП конкретного типа.

5.12.2. Длину монтажной, погружаемой и наружной частей ТП рекомендуется выбирать из ряда: 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150 мм, свыше 3150 мм — из ряда R 40 по ГОСТ 6636.
Примечание: допускается по согласованию потребителя и заказчика изготовлять ТП с длинами, отличающимися от установленных настоящим стандартом.

ГОСТ 8.338-2002.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ.
Методика поверки.

Настоящий стандарт распространяется на погружаемые термоэлектрические преобразователи с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов по ГОСТ 6616 с номинальными статическими характеристиками по ГОСТ Р 8. 585-2001, с длиной погружаемой части не менее 250 мм, предназначенные для измерений температуры от 0 до 1800°С, и устанавливает методику их первичной и периодической поверок.

п. 9.1. Длина поверяемой ТП должна быть не менее 500 мм (ТП длиной менее 500 мм поверяют по методикам поверки, утвержденным в установленном порядке).

МИ 3090-2007.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ С ДЛИНОЙ ПОГРУЖАЕМОЙ ЧАСТИ МЕНЕЕ 250 мм.
Методика поверки.

Настоящая рекомендация распространяется на погружаемые термоэлектрические преобразователи с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов по ГОСТ 6616 и МЭК 61515 с длиной погружаемой части менее 250 мм, но не менее указанной в таблице, предназначенные для измерений температуры от минус 40 до плюс 800°С, и устанавливает методику их первичной и периодической поверок.

Диаметр погружаемой части ТП, мм	Минимальная глубина погружения, мм
1,0	20
1,5	25
2,0	25
3,0	30
4,0	35
4,5	35
5,0	40
8,0	90
10,0	110

ГОСТ Р 8. 625-2006.
ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗ ПЛАТИНЫ, МЕДИ И НИКЕЛЯ.
Общие технические требования и методы испытаний

3.1. Термометр сопротивления (ТС) — средство измерения температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления (ЧЭ) и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.
Примечание: в состав термометра могут входить конструктивно связанные с ним монтажные и коммутационные средства.

3.7. Диапазон измерений ТС — диапазон температур, в котором выполняется нормированная в данном стандарте зависимость сопротивления ТС от температуры в пределах соответствующего класса допуска.

3.8. Рабочий диапазон температур ТС — диапазон температур, находящийся внутри диапазона измерений или равный ему, в пределах которого производителем установлены показатели надежности ТС.

3.10. Номинальное сопротивление ТС R₀, Ом — нормированное производителем сопротивление ТС при 0°С, округленное до целых Ом и указанное в его маркировке. Рекомендуется выбирать из ряда: 10, 50, 100, 500, 1000 Ом.

3.11. Номинальная статическая характеристика (НСХ) — зависимость сопротивления ТС или ЧЭ от температуры, рассчитанная по формулам для ТС или ЧЭ с конкретным значением R₀.
Примечание: условное обозначение НСХ состоит из значения номинального сопротивления ТС или ЧЭ R₀ и обозначения типа. Русское обозначение типа приводится после значения номинального сопротивления, латинское — перед значением номинального сопротивления. Например: 100П и термометр сопротивления Pt100 (pt100 датчик температуры).

3.13. Допуск — максимально допустимое отклонение от НСХ, выраженное в градусах Цельсия (°С).

3.18. Время термической реакции — время, которое требуется для изменения показаний ТС на определенный процент от полного изменения, при ступенчатом изменении температуры среды.

ГОСТ 27.002-83.
НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. Термины и определения.

1. 1. Надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Примечание: надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

1.2. Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

3.3. Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

4.1. Наработка — продолжительность или объем работы объекта.
Примечание: наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков и т. п.).

5.7. Невосстанавливаемый объект — объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

5.9. Неремонтируемый объект — объект, ремонт которого не возможен или не предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

6.1. Показатель надежности — количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

6.8. Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

ГОСТ 23847-79.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КАБЕЛЬНЫЕ.
Технические условия.

2.17. Вероятность безотказной работы кабельных термопреобразователей за время t=8000 ч должна быть не менее 0,95.

РМГ 74-2004. ГСИ.
Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений

Настоящие рекомендации распространяются на средства измерений (далее — СИ), в том числе рабочие СИ, первичные, вторичные и рабочие эталоны (образцовые СИ), подлежащие поверке или калибровке.
Рекомендации содержат методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов (далее — МПИ), основанные на предположении о непрерывном (с конечной случайной скоростью) изменении метрологических характеристик СИ в процессе эксплуатации или хранения.
Определены критерии установления МПИ, зависимости от МПИ показателей, соответствующих этим критериям, и алгоритм вычисления МПИ.

3.1. В настоящих рекомендациях применены следующие термины с соответствующими определениями:

межповерочный (межкалибровочный) интервал: промежуток времени или наработка между двумя последовательными поверками (калибровками) СИ;

метрологическая исправность СИ: состояние СИ, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям;

метрологическая надежность СИ: надежность СИ в части сохранения его метрологической исправности;

метрологический отказ СИ: выход метрологических характеристик СИ за установленные пределы;

стабильность СИ: качественная характеристика СИ, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик.

ГОСТ 356-80.
Арматура и детали трубопроводов.
ДАВЛЕНИЯ УСЛОВНЫЕ, ПРОБНЫЕ И РАБОЧИЕ. Ряды.

4. Под рабочим давлением (Рр) следует понимать наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации арматуры и деталей трубопровода.

ГОСТ 26349-84.
Соединения трубопроводов и арматура.
ДАВЛЕНИЯ НОМИНАЛЬНЫЕ (УСЛОВНЫЕ). Ряды.

1. Под номинальным (условным) давлением (РN) понимается наибольшее избыточное рабочее давление при температуре рабочей среды 20°С, при котором обеспечивается заданный срок службы соединений трубопроводов и арматуры, имеющих определенные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках прочности их при температуре 20°С.

ГОСТ 5632-72.
Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

В зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяются на группы:

I — коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др. ;
II — жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°C, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;
III — жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

7.2. Термоэлектрические преобразователи температуры

Функция преобразования этих терморезисторов имеет вид:

Rt = wt R0 ,

где Rt – сопротивление терморезистора при температуре t в ºС; R0 – сопротивление терморезистора при температуре t = 0ºС;

wt – функция, описывающая зависимость изменения сопротивления от температуры.

Характеристикой применяемого материала является w100:

w100 = R100 °C / R0 °C .

Для платиновых терморезисторов с w100 = 1,385:

для диапазона температур – 200 … 0 ºС

wt =1 + 3,90802 10−3 t − 5,802 10−7 t 2 − 4,2735 10−12 (t −100) t 3 ;

для диапазонов температур 0…850 ºС эту формулу следует использовать без последнего члена. Для медных терморезисторов с w100 = 1,428:

для диапазона температур – 200 … +185ºС

wt =1 + 4,11 10−3 (t −13,7) ;

для диапазона температур – 10 … +200ºС

wt =1 + 4,28 10−3 t .

Величины сопротивлений терморезисторов при 0ºС R0 стандартизированы и составляют:

уплатиновых терморезисторов 1; 10; 50; 100 и 500 Ом,

умедных терморезисторов 10; 50 и 100 Ом.

Средствами измерения сопротивления терморезисторов являются мостовые, потенциометрические и логометрические цепи. При этом измерительный ток не должен вызывать изменение сопротивления при 0 ºС, превышающее 0,001 R0; при этом номинальное значение тока следует выбирать из ря-

да: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0. Выбираемая величина тока зависит от условий теплообмена терморезистора с измеряемой средой.

На рис.7.8 показаны примеры измерительных схем.

	R1		R4		R2
	U		R4			U	Rt	R2
						U	Rt	R2
R1	R2							Uвых
R1	R2				R3
					R3		R4	R3
rл1	rл2 rл3	rл1	r	л2	r	л3		U
				л2		л3		U
Rt			Rt					R5
	а)		б)					в)

Рис. 7.8. Схемы измерения температуры с использованием терморезистора: а) потенциометрическая; б) логометрическая; в) мостовая

Кабельные термоэлектрические преобразователи (термопары)

Тип и исполнение датчиков	Назначение	Температура, °С	Изображение
КТХАС (кабельные)	Датчики температуры для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердых тел. Конструктивно термопара выполнена в виде жаро- и коррозионно-стойкого многожильного кабеля, помещенного в защитную трубку из нержавеющей стали.	_-40…+1000
КТХКС (кабельные)		_-40…+600
ТХА 0006, ТХК 0006	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры жидких, газообразных и сыпучих веществ, а также твердых тел.	_{0…+6000…+800}
ТХА 0007, ТХК 0007		0…+600 0…+800
ТХА 0306	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел.	_-40…+800
ТХК 0306		_-40…+600
ТХА 0308	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел.	_-40…+800
ТХК 0308		_-40…+600
ТХА 9310 (кабельные)	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры жидких и газообразных, химически не агрессивных сред.	_-40…+1000
ТХК 9310 (кабельные)		-40…+600
ТХА 9608 (кабельные)	1. Датчики температуры для измерения температуры в труднодоступных точках благодаря возможности изгибов при монтаже. 2. Датчики температуры для замены вышедших из строя термометрических чувствительных элементов с использованием прежней защитной арматуры, там, где требуется обеспечить необходимые давление или скоростной напор.	-50…+800
ТХК 9608 (кабельные)		_-50…+600
ТХА 9624 (кабельные)	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердых тел.	_-50…+800
ТХК 9624 (кабельные)		_-50…+500
ТХК 9901 (кабельные)	Преобразователи термоэлектрические для измерения температуры в реакторах варки массы для получения бутилового спирта и других объектах химического производства.	_-40…+500
ТХК 9902 (кабельные)	Датчики температуры для измерения температуры в реакторах варки массы для получения Бутилового спирта и других объектах химического производства.	_-40…+600

Термоэлектрические преобразователи | БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Измерение температуры с помощью термоэлектрических преобразователей основано на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в цепи прибора при помещении его рабочего конца в измеряемую среду.

Термоэлектрические преобразователи состоят из двух проводников (термоэлектродов), изготовленных из различных металлов и сплавов в виде проволок диаметром 0,5 — 3 мм.

Термоэлектроды соприкасаются только в рабочем конце, на остальной длине они изолируются друг от друга с помощью фарфоровых трубок. От механических повреждений и воздействия вредных газов преобразователи защищают чехлом.

Для установки измерительного прибора на значительном расстоянии от преобразователя применяются компенсационные (удлинительные) провода. В таблице 1 приведены типы компенсационных проводов, применяемых с различными типами преобразователей, их маркировка, значения термоЭДС и их допустимые отклонения от термоЭДС соответствующих преобразователей.

Таблица 1. Основные характеристики компенсационных проводов, применяемых с термопарами

Термоэлектрические преобразователи различают:

по способу контакта с измеряемой средой: погружаемые и поверхностные;
по наименованию материала: ТВР — термоэлектрический преобразователь вольфрамрениевый, ТПР — платинородиевый, ТПП — платинородий-платиновый; ТХА — хромель-алюмелевый; ТХК — хромель-копелевый;
по условиям эксплуатации: стационарные и переносные; по герметичности по отношению к измеряемой среде: обыкновенные и герметичные;
по инерционности: малоинерционные (МИ), средней инерционности (СИ), большой инерционности (БИ), ненормированной инерционности (НИ).
по количеству горячих спаев в одной зоне: одинарные и двойные;
по количеству зон: однозонные и многозонные.

Показатели тепловой инерции термоэлектрических преобразователей различных исполнений приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения показателя тепловой инерции термоэлектрических преобразователей в зависимости от исполнения

Типы термоэлектрических преобразователей стандартных градуировок и диапазоны измеряемых температур приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные характеристики термоэлектрических преобразователей

Первичный преобразователь типа ТПР имеет стабильную градуировочную характеристику в интервале температур 1200—1500°С. Предел основной допустимой погрешности (Δ_e) вычисляется по формуле: в диапазоне температур от 300 до 1800°С

Δ_e=0,01+3,3*10^-5(t—300), мВ;

в диапазоне температур от 0 до 300°С

Δt=(3,2—5,17)°С.

Преобразователь типа ТПП можно применять в качестве образцового: он не боится окислительной среды.

К недостаткам его можно отнести слабую чувствительность и высокую стоимость термоэлектродного материала.

Предел основной допустимой погрешности определяется с помощью формул: в диапазоне температур от 300 до 1600°С

Δ_e=0,01+2,5*10^-5(t—300), мВ;

в диапазоне температур от 0 до 300°С

Δ_e=0,1 мВ или Δt = 1,23°С.

Градуировочная характеристика преобразователя типа ТХА близка к линейной, при невысоких температурах он устойчив к окислительной атмосфере. Для температур от 300 до 1300°С определяется по формуле:

Δ_e=0,16+2*10^-4(t—300), мВ;

при температуре до 300°С

Δ_e=0,16 мВ или Δt = 4°С.

Преобразователь типа ТХК развивает термоЭДС, значительно превышающую термоЭДС других преобразователей, но он менее жаростойкий. В диапазоне температур от 300 до 800°С

Δ_e=0,2+6*10^-4(t—300), мВ;

при температуре до 300°С

Δ_e=0,2 мВ или Δt = 2,16°С.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓

⇒ВНИМАНИЕ⇐

Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.

⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

Преобразователи термоэлектрические ZETLAB

Преобразователи термоэлектрические (термопары, ТП) типа ТХА и ТХК предназначены для измерения и контроля температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред в различных отраслях промышленности. Термопары применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN.

Преобразователи термоэлектрические (термопары) платиновые типа ТТПП, ТТПР

Внешний вид	Наименование	Краткое описание
	ТТПП-53-1 и ТТПР‑53-1	Применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN для измерения температуры газообразных химически неагрессивных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.
	ТТПП-53-3 и ТТПР‑53-3	Применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN для измерения температуры газообразных химически неагрессивных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.

Измерительная Система

Цифровой датчик температуры ZET 7020

Цифровой датчик температуры ZET 7120

Термопары преобразуют воздействующую на них температуру в электрический сигнал, который еще требуется измерить для определения значения температуры. Термопара в составе с измерительным модулем является интеллектуальным датчиком температуры, поскольку пользователь получает готовые данные, не требующие дополнительной обработки. Результаты измерений передаются в цифровом виде по интерфейсу RS-485 (с использованием модуля ZET 7020 TermoTC-485) или CAN (с использованием модуля ZET 7120 TermoTC-CAN) и могут использоваться для автоматического регулирования температуры, записываться регистратором температуры или отображаться на индикаторе — цифровом или виртуальном (на ПК).

Как купить термометр сопротивления?

Для того, чтобы купить измерительную систему, а также задать все интересующие вас вопросы, свяжитесь с нашими менеджерами по многоканальному телефону 8(495)739-39-19 или напишите нам с помощью специального окна в правом нижнем углу сайта, консультант ответит вам в кратчайшие сроки.

Наименование	Краткое описание
ZET 7020	Цифровые термопреобразователи сопротивления ZET 7020 TermoTC-485 предназначены для измерения температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса термопары.
ZET 7120	Цифровой датчик температуры состоит из термопары и модуля ZET 7120 TermoTC-CAN, который осуществляет преобразование сигнала с датчика в значения температуры.

Технические характеристики преобразователей термоэлектрических типа ТХА, ТХК

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды термопары соответствуют группе исполнения С2 по ГОСТ Р 52931 — −40…+70 ºС. По устойчивости к механическим воздействиям термометры соответствуют группе N3 по ГОСТ Р 52931. Климатическое исполнение — У3, ТВ. Возможно изготовление ТП в климатическом исполнении УХЛ2 для работы при температурах от −60 до +70 ºС. Термопары, имеющие тропическое исполнение имеют в обозначении дополнительно ТВ (например, ТХА-1-3 ТВ).

Диапазон измеряемых температур для выпускаемых термопар соответствует ГОСТ 6616-94 и составляет:

Для ТП типа ТХА — от минус 40 до 1200 °С;
Для ТП типа ТХК — от минус 40 до 600 °С

Номинальные статические характеристики (НСХ), их обозначения, материал термоэлектродов согласно ГОСТ 6616-94 приведены ниже:

Тип термопары	НСХ	Материал термоэлектродов
Тип термопары	НСХ	положительный	отрицательных
ТХА	XA(K)	хромель	алюмель
ТХК	XK(L)	хромель	копель

Положительный термоэлектрод маркируется красным цветом. Термопары выпускаются по классу допуска 1 или 2 согласно ГОСТ 6616-94.

Ниже приведены значения допусков по температуре для соответствующих классов термопар типа ТХА и ТХК (ГОСТ 6616-94):

Тип термопары	Класс	Диапазон температур, °С	Предел допускаемого отклонения от НСХ, °С
ТХА	1	от −40 до 375	1,5
	1	свыше 375 до 1000	0,004·\|t\|
	2	от −40 до 333	2,5
	2	свыше 333 до 1200	0,0075·\|t\|
ТХК	2	от −40 до 300	2,5
ТХК	2	свыше 300 до 800	0,0075·\|t\|

где |t| — абсолютное значение температуры, °С

Преобразователь термоэлектрический (термопара) ТХК, ТХА конструктивно представляет собой два разнородных термоэлектрода (хромель-алюмель для ТХА, хромель-копель для ТХК), изолированных термостойкой изоляцией и сваренных с одного конца в рабочий спай. Защитная арматура выполняется из жаростойких и коррозионностойких сталей или из керамики (для измерения температуры в особо агрессивных высокотемпературных средах). Свободные концы термоэлектродов присоединяются к монтажной головке или выводятся при помощи кабеля. Рабочий спай может быть изолирован (И) или неизолирован (Н) от защитного корпуса. Изготавливаются преобразователи, имеющие два рабочих спая — две термопары одного типа, размещенные в одном корпусе (при обозначении указывается количество спаев −2). Головка преобразователей из прессматериала АГ-4В применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 120°С; из полиамида — до 80°С. Максимальный диаметр выводного кабеля 10 мм. Каждая жила (провод) кабеля крепится на винт гайкой М4×0,7. Головка металлическая из сплава алюминия АК-12 (АЛ-2) (силумин) применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 300°С. Максимальный диаметр выводного кабеля 12 мм. Каждая жила (провод) кабеля диаметром до 1,2 мм крепится на винт гайкой М4×0,7.

Технические характеристики преобразователей (термопар) платиновых типа ТТПП, ТТПР

Обозначение НСХ

Тип термопары	Обозначение НСХ
ТТПП — термопара ПП (платинородий 10 — платина)	S
ТТПП — термопара ПП (платинородий 13 — платина)	R
ТТПР — термопара ПР (платинородий 30 — платинородий 6)	B

Допускаемые отклонения от НСХ

Обозначение НСХ	Класс допуска	Рабочий диапазон температур, °С	Пределы допускаемых отклонений от НСХ, °С
ПП (S)	1	0…1100	± 1,0
ПП ^®	2	1100…1300	± 1,0 +0,003(t-1100)
		0…600	± 1,5
		600…1300	0,0025·t
ПР (В)	2	600…1700	± 0,0025·t
	3	600…800	± 4,0
		800…1700	± 0,0050·t

Диаметр термоэлектродов

Тип термопары	Диаметр термоэлектродов, мм
ТТПП	0,4 (0,5) для ПР-10 (+) и 0,5 для ПлТ (-) 0,4 (0,5) для ПР-13 (+) и 0,5 для ПлТ (-)
ТТПР	0,4 (0,5) для ПР-30 (+) и 0,5 ПР-6 (-)

Термоэлектрический преобразователь

TEC-Chip

(инновационный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник-металл)

Почему так важно эффективное преобразование тепловой и электрической энергии?

Статистические данные показывают, что более 60% энергии, производимой при сжигании ископаемого топлива или на атомных электростанциях деления, теряется, в основном в виде отработанного тепла. Таким образом, высокоэффективные термоэлектрические (ТЭ) материалы, которые могут напрямую и обратимо преобразовывать тепло в электрическую энергию, в последние десятилетия привлекают все большее внимание правительств и исследовательских институтов.Во всем мире существует огромное количество тепловой энергии, которую нужно утилизировать! Не говоря уже о чистом тепле, которое Земля получает от солнца каждый день.
Термоэлектрические системы — это экологически чистая технология преобразования энергии, имеющая преимущества небольшого размера, адаптируемой формы, высокой надежности, отсутствия загрязняющих веществ и возможности работы в широком диапазоне температур. Единственным большим слабым местом имеющихся в настоящее время технологий ТЕС является эффективность, которая недостаточно высока, чтобы соперничать со средними показателями цикла Карно.Эффективный КПД лучших ТЭГ (ТЭ-генераторов) на основе эффекта Зеебека, имеющихся в настоящее время, фактически не превышает 5-6%.
Кроме того, еще и цена за ватт слишком высока. На данный момент эффективность термоэлектрического преобразования невысока из-за низкой производительности термоэлектрических материалов.
Экологические преимущества для планеты и потенциальный рынок новой технологии TEC, предлагающей высокую эффективность по доступной цене, просто впечатляют.

Какое решение предлагает Прометеон?

Прометеон разрабатывает инновационную технологию ТЭО совместно с российским ученым, который работает над ней более пятнадцати лет в Южном федеральном университете Ростова (RU).
Это бесспорный научный факт, теоретизированный два столетия назад известными физиками, такими как Максвелл, Больцман, Клаузиус и другими, что на молекулярном уровне доступно большое количество кинетической энергии, связанной с абсолютной температурой (кинетическая теория вещества). Однако на техническом уровне еще не было найдено способа согласовать эту энергию, чтобы ее можно было эффективно преобразовать в электрическую энергию для практического использования, несмотря на то, что многие эксперименты уже продемонстрировали, что это возможно.

TEC-Chip — это микроэлемент, непрерывно преобразующий тепловую (кинетическую) в электрическую энергию, которая обеспечивает полезный выход энергии; Tec-CHIP буквально использует существующую внутреннюю молекулярную энергию и преобразует ее в непрерывную, безуглеродную, чистую электрическую энергию.

Эти элементы / «микросхемы», которые будут производиться методами, аналогичными производству полупроводников. Каждый TEC-Chip обеспечивает полезную мощность через небольшие корпуса размером 100 мкм * 100 мкм каждый. Массивы TEC-чипов смогут преобразовывать доступное тепло и обеспечивать электроэнергией сеть или напрямую почти любое вообразимое устройство: портативные устройства, холодильники, гибридные и электрические транспортные средства, системы кондиционирования воздуха, компьютеры, бытовые приборы,… источник энергии от непрерывного молекулярного движения, исключительный аспект этих клеток заключается в непрерывном обеспечении энергией путем преобразования тепловой энергии в электричество из любого окружающего источника.Полученные в результате продукты позволят обеспечить постоянное охлаждение или доступ к электроэнергии в любом месте по доступной цене. Технология TEC-Chip основана на надежных научных принципах и стала возможной с появлением микроэлектроники и нанотехнологий.

Рисунок: изображение одного из тестируемых микроэлементов.

Каково текущее состояние проекта?

a) Ячейка ТЕС полностью разработана, и материалы определены.

b) Некоторые грубые образцы, имеющие структуру и материалы, немного отличающиеся от оригинальной конструкции TEC-Chip, были изготовлены в Италии и успешно прошли испытания в лаборатории Ростовского университета (Россия).

c) Во время испытаний ТЕС-ячейки были нагреты и передали значительное количество электроэнергии (имеется подписанный отчет), что свидетельствует о достоверности теоретической модели.

d) Теоретические допущения успешно проверены (Proof of concept взаимодействия — TRL 3), следующим этапом является изготовление некоторых лабораторных прототипов TEC-Chip в точном соответствии с детальным проектом, разработанным Prometeon совместно с российскими учеными. 3

Теоретически мы ожидаем получить источники питания мощностью в несколько ватт, размеры которых не превышают размер батареи мобильного телефона.Это открывает путь к огромному количеству применений элемента TEC-Chip, начиная от источников питания для портативных датчиков или небольших электронных устройств до более крупных и мощных источников энергии, подходящих для питания гибридных транспортных средств, домов (TEG могут быть размещены под поверхность крыш или контактирующая с котлами…), дата-центры, промышленные и коммерческие здания,…

Электрогенераторы на базе TEC-Chip

также могут применяться для рекуперации отработанного тепла промышленных процессов, двигателей, работающих на ископаемом топливе, атомных электростанций, а также для производства электроэнергии с использованием теплогенераторов любого типа.Более того, любая поверхность, подверженная воздействию солнечного света, может стать источником полезного электричества (крыши, фотоэлектрические поля, тротуары улиц, стены зданий и т. Д.).

Следующие шаги

Следующие шаги (Начальная форма TRL 3, уже достигнута).
1. Изготовление нескольких различных прототипов базовой ячейки TEC-Chip и проверка их работоспособности (TRL 4). Детальное проектирование ТЕС-ячеек уже завершено.
2. Улучшение термоэлектрических характеристик микроструктур базовой ячейки и разработка лабораторных прототипов как охлаждающих элементов, так и термоэлектрических генераторов (TRL 5).
3. Развитие базовой соты TEC-Chip до оптимальных характеристик для различных целевых сред. Создание нескольких рабочих прототипов ТЭГ различных термоэлектрических генераторов, подходящих для целевых областей применения (TRL 6 и 7): преобразование / рекуперация тепла от бытовых котлов, выхлопных газов транспортных средств, отходящего тепла электростанций и промышленных объектов, тепла, производимого человеческое тело, тепло от любой поверхности, подверженной воздействию солнца, тепло от существующих фотоэлектрических полей,…

Рисунок: TRL, определенные Комиссией ЕС.

После демонстрации действующего прототипа в докоммерческом масштабе (TRL 7) можно будет продавать права на технологию подходящим промышленным предприятиям по всему миру и совместно разрабатывать доиндустриальные прототипы (в TRL 8-9 ) обоих:
a) ячеек TEC-Chip;
b) различные виды термоэлектрических генераторов и охлаждающих устройств (например, системы кондиционирования воздуха), основанные на технологии TEC-Chip.

Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь для космических приложений (Конференция)

Мецгер, Дж. Д., и Эль-Генк, М. С. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь для космического применения . США: Н. П., 1990. Интернет.

Мецгер Дж. Д. и Эль-Генк М. С. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь для космических приложений . Соединенные Штаты.

Мецгер, Дж. Д., и Эль-Генк, М. С.Пн. «Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь для космического применения». Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/10134643.

@article {osti_10134643, title = {Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь для космического применения}, author = {Метцгер, Дж. Д. и Эль-Генк, М. С.}, abstractNote = {В этой статье представлена концепция использования высокотемпературных сверхпроводящих материалов в термоэлектрических генераторах (SCTE) для производства электричества с эффективностью преобразования, приближающейся к 50% эффективности Кэррот.Генератор SCTE применим в системах, работающих в температурных диапазонах высокотемпературных сверхпроводящих материалов, и, следовательно, будет низкопробным преобразователем. Работа в криогенных температурных диапазонах дает преимущество, заключающееся в увеличении пределов эффективности Кэррот. Возможные области применения - системы, работающие в космосе, где температура окружающей среды находится в криогенном диапазоне температур. Преимущество использования высокотемпературного сверхпроводящего материала в термоэлектрическом преобразователе заключается в том, что он значительно снижает или устраняет джоулевы потери на нагрев в термоэлектрическом элементе.В этой статье исследуются системные аспекты и требования к материалам концепции преобразователя SCTE, а также представлены концептуальный проект и приложение для космической энергосистемы.}, doi = {}, url = {https://www.osti.gov/biblio/10134643}, журнал = {}, номер =, объем =, place = {United States}, год = {1990}, месяц = {12} }

границ | Характеристики термоэлектрического преобразования комбинированной системы термоионов для космического ядерного источника питания

Введение

Космическая ядерная энергия очень важна для исследования дальнего космоса, а эффективность термоэлектрического преобразования космических ядерных энергетических устройств оказывает очень важное влияние на всю систему.Термоэлектрическое преобразование делится на статическое преобразование и динамическое преобразование. Динамическое преобразование в основном включает цикл Стирлинга, цикл Ренкина и цикл Брайтона. Статическое преобразование включает термоэлектронное преобразование, преобразование щелочного металла, преобразование разности температур и выработку электроэнергии с помощью МГД.

Термоэлектрическое преобразование

Thermion — это своего рода статическое термоэлектрическое условное устройство, которое может удобно преобразовывать тепловую энергию при относительно высоких температурах в электричество (Ярыгин, 2012).В настоящее время на атомных электростанциях используется только термоэлектронное преобразование и преобразование разности температур. Термоэлектронное преобразование имеет преимущества небольшого объема системы и легкого веса, но короткого срока службы и низкой эффективности (Albertoni et al., 2013). С начала прошлого века ведутся исследования космического ядерного термоэмиссионного термоэлектрического преобразования. Метод термоэлектрического преобразования, принятый в источниках питания двух космических ядерных реакторов TOPAZ, успешно запущенных в России, — это термоэмиссионное термоэлектрическое преобразование.ТОПАЗ-I находился на орбите 6 месяцев, пока не был израсходован цезий. В TOPAZ-II используется одна секция термоэмиссионного оригинала, и перед запуском он может нагреваться электрически на испытательном стенде. Но его эффективность не идеальна. Чтобы повысить эффективность термоэлектрического преобразования, эффективность преобразования энергии термоэлектронного преобразования во многом зависит от материалов катода, работающих при более высоких температурах, и от эффекта пространственного заряда (Bellucci et al., 2016). Эль-Генк и др. разработала модель термоэмиссионного анализа переходных процессов (TITAM) для анализа установившегося и переходного состояний энергосистемы термоэмиссионного ядерного реактора.Исследование имеет эталонное значение для термоэлектронной конверсии космической ядерной энергии (Эль-Генк и др., 1993). Ковас Никофф доказал, что добавление паров бария к парам цезия может гарантировать, что эмиттер достигнет наилучшей работы выхода, что повысит эффективность преобразования. НАСА разработало программный код для анализа текущей жидкости в космических радиаторах (Hainley, 1991). GRC разработала код LERCHP, который может определять рабочую температуру радиатора в определенных условиях (Tower et al., 1992). Эль-Генк предложил использовать микронано-технологию для уменьшения работы выхода на поверхности эмиттера, тем самым улучшая эффективность преобразования (Парамонов и Эль-Генк, 1997).Дженсен предложил расположение электродов с микрогребнями, которое выгодно для электронов, обращенных к принимающему электроду, и может улучшить общую плотность тока (Jensen et al., 2006). Маннхарт предполагает, что графен или связанные с ним 2D-материалы можно рассматривать как электроды затвора, поскольку электроны с энергией от 2 до 40 эВ имеют прозрачность до 60% (Hassink et al., 2015; Wanke et al., 2016). Кек и Неманич разработали легированные азотом наноалмазные пленки с эффективной работой выхода всего 1.99эВ (Koeck, Nemanich, 2006). Zhang et al. проделали большую работу по проектированию и анализу характеристик жидкометаллических радиаторов с тепловыми трубками для космических ядерно-энергетических систем (Zhang et al., 2016a, b). Wang et al. модифицировал и применил код системного анализа RELAP5 для получения более подробных переходных теплогидравлических характеристик космических ядерно-энергетических систем (Tang et al., 2019).

Исследования доказали, что не так много возможностей для повышения эффективности термоэлектронного преобразования из-за его принципа действия.Однако после термоэмиссионного термоэлектрического преобразования электрод все еще имеет высокую температуру. Эти энергии напрямую выбрасываются в космос и не используются должным образом. В этой статье термоэлектронное преобразование и термоэлектрическая генерация объединены для использования отходящего тепла после термоэлектронного преобразования и повышения эффективности преобразования.

Устройство термоэмиссионного термоэлектрического преобразования

Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую называется термоионным преобразованием за счет передачи электронов при высокой температуре металла.При температуре, отличной от 0, когда металл погружен в пар инертного газа, заряженные частицы, такие как электроны, ионы, испускаемые с поверхности металла как пар, называются термоионной эмиссией (Hatsopoulos и Gyftopoulos, 1973).

Устройства термоэлектрического преобразования, основанные на принципе термоэмиссии, называются термоэлектронными преобразователями энергии. Термоэлектронный преобразователь энергии состоит из эмиттера, излучающего электроны, приемного каскада, который принимает электроны, и металлокерамического уплотнения, разделяющего два электрода.Термоэлектронный преобразователь энергии изолирован и герметичен (Liao et al., 2016; Chen et al., 2017). На работе эмиттер нагревается до очень высокой температуры. Свободные электроны на поверхности металла получают достаточно энергии и преодолевают зазор между электродами, а затем достигают приемной ступени. Электроны воздействуют на нагрузку через внешнюю цепь, соединенную с двумя электродами, затем возвращаются к эмиттеру, образуя электрическую цепь. Остаточное тепло отводится через приемную ступень. Принцип термоэмиссионного преобразователя энергии показан на рисунке 1.

Рисунок 1 . Принцип термоэмиссионного преобразователя энергии.

Термоэмиссионный термоэлектрический генератор

Модель термоэлектронно-термоэлектрического генератора

Для использования температуры анодного разряда термоэлектрического термоэлектрического преобразования, термоэлектрического термоэлектрического преобразования и термоэлектрического генератора связаны. Без значительного влияния на характеристики термоэлектрического преобразования термоэлектрического генератора, термоэлектрический генератор приводится в действие большой разницей между температурой анода и комнатной температурой для выработки дополнительной мощности (Meng et al., 2014). Модель термоэлектронно-термоэлектрического генератора представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 . Модель термоэлектронно-термоэлектрического генератора.

Формула термоэлектронно-термоэлектрического генератора модели

Термоэмиссионный генератор состоит из двух компонентов: эмиттера и коллектора, которые разделены небольшим пространством (Zhang et al., 2014). После того, как эмиттер термоэмиссионного генератора нагревается источником тепла, часть электронов внутри термоэмиссионного генератора будет иметь кинетическую энергию, превышающую работу выхода.Электроны уходят с поверхности эмиттера, образуя термоэлектронные ионы, и они ускоряются коллектором. Затем бегите к коллектору и создайте образование тока. Когда ток протекает через нагрузку, часть тепловой энергии эмиттера потребляется нагрузкой. Плотность тока от эмиттера и коллектора может быть аппроксимирована уравнением Ричардсона:

Jc = ATc2exp (-qΦc / KBTc) (1) Ja = ATa2exp (-qΦa / KBTa) (2)

Скорость теплового потока вдали от излучателя из-за передачи электронов составляет Q ₁, скорость теплового потока, получаемого приемником из-за передачи электронов, составляет Q ₂.Излучаемый ток от излучателя к приемнику составляет Q _R.

Q1 = A [(Φc + 2KBTc / q) Jc- (Φc + 2KBTa / q) Ja] (4) Q2 = A [(Φa + 2KBTc / q) Jc- (Φa + 2KBTa / q) Ja] (5) QR = ε0σA (Tc4-Ta4) (6)

Общий тепловой поток от излучателя составляет Q _C, общий тепловой поток, получаемый приемником, составляет Q _A.

Наконец, можно рассчитать плотность мощности термоэмиссионного преобразователя:

Тепло, поглощаемое горячим спаем, составляет Q _H, тепло, выделяемое холодным спаем, составляет Q _L.

QH = α ITa-12I2R-K (Ta-T0) (10) QL = α IT0 + 12I2R + K (Ta-T0) (11)

В уравнении: α, I, R, K — коэффициент Бесселя, ток, сопротивление, коэффициент теплопередачи полупроводника.

α = N (αp-αn) (12) R = N (ρp1p / Ap + ρnln / An) (13) K = N (kpAp / lp + knAn / ln) (14)

В уравнении нижняя отметка означает, является ли это стороной n или p полупроводника. И тогда получим формулу мощности термоэлектрического проводника:

PTE = ZK (Ta-T0) 2 (1 + RL2 / R) 2RL2R (15) PTOTAL = PTH + PTE = VJA + ZK (Ta-T0) 2 (1 + RL2 / R) 2RL2R (16)

Окончательная формула эффективности:

η = PTH + PTEQin = VJA + ZK (Ta-T0) 2 (1 + RL2 / R) 2RL2RQ1 + QR (17)

Оптимизация термоэмиссионного термоэлектрического генератора

Для всего устройства термоэлектрического преобразования коэффициент оптимизации Z является важным параметром устройства термоэлектрического преобразования, и сначала необходимо определить значение коэффициента оптимизации Z.Следовательно, необходимо найти взаимосвязь между эффективностью и коэффициентом оптимизации Z, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 . Связь между КПД и оптимизированным коэффициентом.

Из рисунка видно, что с увеличением Z КПД термоэлектрика выше, поэтому лучше выбрать более высокий Z . Деталь делает выбор между ценой и массой и, наконец, находит полупроводник с относительно высоким оптимизированным коэффициентом.И окончательный Z равен 0,00336. Параметры полупроводника приведены в таблице 1.

Таблица 1 . Параметры полупроводника.

После определения оптимизированного коэффициента Z и параметров полупроводника нам необходимо найти взаимосвязь между КПД, мощностью и высокотемпературной зоной Tc. Выходное напряжение — U. Соотношения между КПД, мощностью и высокотемпературной зоной Tc показаны на рисунках 4, 5.

Рисунок 4 . Связь между КПД и высокотемпературной зоной.

Рисунок 5 . Связь между мощностью и высокотемпературной зоной.

Из рисунков видно, что с увеличением зоны высоких температур пиковая мощность и КПД становятся выше. Здесь выберите Tc = 1500 К. Соотношения между КПД, мощностью и давлением пара редких паров показаны на рисунках 6, 7.

Рисунок 6 .Связь между эффективностью и редким давлением пара.

Рисунок 7 . Связь между мощностью и редким давлением пара.

Видно, что чем меньше давление пара редкого пара, тем выше КПД и мощность. Давление связано со свойствами материала. Выбран Cs, давление которого составляет 1,4 эВ.

Приобретены изделия термоэлектрического преобразователя. Это необходимо для определения взаимосвязи между КПД, мощностью и низкотемпературной зоной.Как показано на рисунках 8, 9.

Рисунок 8 . Взаимосвязь между КПД и низкотемпературной зоной.

Рисунок 9 . Связь между мощностью и низкотемпературной зоной.

Как видно из рисунков 8, 9, при постоянном выходном напряжении, чем выше температура в низкотемпературной зоне, тем выше соответствующий КПД и мощность. При разных температурах разница в пиковом КПД небольшая.По мере увеличения выходного напряжения выходная мощность и КПД сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. В реальных условиях температура в низкотемпературной зоне обычно не превышает 800 К. При постоянном выходном напряжении пиковая мощность при 800 К в низкотемпературной зоне примерно на 15–20% выше, чем при других температурах. Температура в низкотемпературной зоне составляет 800 К. Параметры всей модели приведены в таблице 2.

Таблица 2 .Параметры модели.

Выводы

В статье в основном исследуются анализ производительности и оптимизация термоэлектронно-термоэлектрических генераторов. В сочетании с фактическими условиями работы выбираются соответствующие параметры ограничений и делаются следующие выводы. КПД термоэлектронно-термоэлектрического генератора на 12% выше, чем у одного только термоэлектрического генератора. Согласно прошлому опыту, температура передающего каскада не выше 1800 К, а температура приемного каскада не выше 800 К.В этом диапазоне повышение температуры излучателя и приемника может улучшить выходную мощность и эффективность системы. Фактически, когда коэффициент качества Z составляет около 0,00336, экономичность и эффективность всей системы являются лучшими. Сравнивая давление нескольких обычных редких паров, чем ниже давление паров редких паров, тем выше эффективность системы.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительный материал.

Авторские взносы

HZ задумал и разработал исследование. DY проанализировал данные. XC, BK и XL оказали помощь.

Финансирование

Работа поддержана Ключевой лабораторией технологии проектирования реакторных систем (гранты № SQKFKT-02-2016005 и HT-KFKT-10-2018004).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Альбертони, Р., Педрини, Д., Пагануччи, Ф., и Андренуччи, М. (2013). Модель пониженного порядка для термоэмиссионных полых катодов. IEEE Trans. Плазма. Sci. 41, 1731–1745. DOI: 10.1109 / TPS.2013.2266512