Термопара тха характеристики: Термопары ТХА-11, ТХК-11, технические характеристики .особенности

(J) –Iron vs Constantan (наиболее распространенный)

Может использоваться в вакууме, окислительной, восстановительной и инертной атмосфере.Проволока большего сечения рекомендуется для длительного срока службы при температуре выше 1000 ° F, поскольку железный элемент быстро окисляется при этих температурах.

(T) — Медь против константана (самая распространенная простуда)

Может использоваться в вакууме, окислительной, восстановительной и инертной атмосфере. Он устойчив к коррозии в большинстве атмосфер. Высокая стабильность при отрицательных температурах и пределы погрешности гарантированы при криогенных температурах.

(K) -Chromel vs Alumel (наиболее распространенный настоящий горячий)

Рекомендуется для непрерывного использования в окислительной или инертной атмосфере до 2300 ° F (1260 ° C), особенно выше 1000 ° F.Цикл выше и ниже 1800 ° F (1000 ° C) не рекомендуется из-за изменения ЭДС из-за эффектов гистерезиса. Не следует использовать в сернистой или чередующейся восстановительной и окислительной атмосферах, если он не защищен защитными трубками. Достаточно надежный и точный при высоких температурах.

(E) –Chromel vs Constantan

Может использоваться в окислительной или инертной атмосфере, но не рекомендуется для чередования окислительной или инертной атмосферы. Не подвержен коррозии в большинстве атмосферных условий.Имеет самую высокую производимую ЭДС на градус, чем любая другая стандартная термопара, и должна быть защищена от сернистой атмосферы.

(S, R) — платина против платинового родия (наиболее распространенный настоящий, настоящий горячий)

Рекомендуется для использования в окислительной или инертной атмосфере. Уменьшение атмосферного давления может вызвать чрезмерный рост зерна и смещение калибровки.

(N) –Nicrosil vs Nisil (Новый… лучше, чем «K»)

Может использоваться в окислительной, сухой восстановительной или инертной атмосфере.Необходимо защищать от сернистой атмосферы. Очень надежен и точен при высоких температурах. Может заменить термопары типа К. во многих приложениях.

(Вт) –Вольфрам против рения

Рекомендуется для использования в вакууме, водороде высокой чистоты или чистой инертной атмосфере. Может использоваться при очень высоких температурах (2316 ° C), однако по своей природе хрупкий.

ТИП E — Отрицательный провод имеет меньшее сопротивление в Ом на фут, чем положительный элемент для провода того же размера.

ТИП J — Положительный элемент часто ржавый и магнитный. Он имеет меньшее сопротивление в Ом на фут для провода того же диаметра.

TYPE K -Отрицательный элемент слегка магнитный. Он имеет меньшее сопротивление в Ом на фут для положительного провода того же диаметра.

TYPE R или S -Отрицательный провод более мягкий. Положительный провод имеет меньшее сопротивление в Ом на фут для провода того же размера.

TYPE T -Отрицательный провод серебристого цвета.Положительный провод имеет меньшее сопротивление в Ом на фут для провода того же размера и обычно имеет медный цвет.

ТИП N — Положительный вывод имеет более высокое сопротивление в Ом на фут для провода того же размера.

Примечание. В случае сомнений скрутите провода вместе и подключите противоположные концы к вольтметру. Нагрейте скрученный конец зажигалкой. Если напряжение повышается — полярность правильная…

Примечание. Чтобы определить пределы погрешности в градусах Цельсия, умножьте пределы погрешности в градусах F на 5/9.

Для высокотемпературных применений от 1000 ° F до 2300 ° F были разработаны новые запатентованные материалы, которые работают лучше, чем сплавы, которые использовались в прошлом.

U = HOSKINS 2300: «… сохраняет особые пределы точности до 10 раз дольше, чем датчики, изготовленные из другого кабеля».

V = NICROBELL: «Защищенный тип N может использоваться для замены платиновых / родиевых датчиков до максимальной постоянной температуры 2280 ° F…»

Что такое термопара? Типы, работа, 4 основных преимущества

— Реклама —

Термопара — это прибор, обычно содержащий два разных металлических сплава, генерирующих напряжение на основе разницы температур между обеими сторонами проводников.Термопары имеют автономное питание и не нуждаются во внешней форме индукции, в отличие от других методов измерения. У них есть соединительная часть, которая является точкой измерения системы, где совмещены отрицательная и положительная части провода термопары. Они состоят из этих переходов, в которых для определения температуры используется процедура эффекта Зеебека. Обычно их можно назвать холодным и горячим переходом, но это общий термин.

Термопара — это датчик для измерения температуры.Этот датчик имеет два разных металлических провода, приваренных к одной части и подключенных к определенному устройству на другой части. При соответствующей настройке они могут отображать измерения в широком диапазоне температур.

Еще в 1821 году немецкий исследователь Томас Иоганн Зеебек обнаружил поведение различных металлов при их сочетании. Он определил, что температура изменяется между частями и определенным магнитным полем.Это представлено как феномен Seeback.

Позже было обнаружено, что магнитное поле является частью термоэлектрического процесса. Напряжение, создаваемое двумя видами проводов, используется для определения температуры в широком диапазоне. Уровень чувствительности к температуре зависит от материала используемого провода. Питание может производиться от спая термопары при очень низком токе.

Другие ученые, такие как Майкл Фарадей и Георг Ом, использовали эффект Зеебэка для проведения новых экспериментов, чтобы лучше понять влияние измерения температуры.

Термопары были сконструированы в начале 1900-х годов на основе этой идентификации и после многочисленных исследований на протяжении всей истории. Эта технология улучшилась до сегодняшнего уровня. В настоящее время они используются во многих различных областях, от медицинского производства до промышленного приготовления.

Открытие измерения температуры продолжило конструкцию прибора, чтобы сделать его простым, но более эффективным. Два металлических сплава соединяются для образования стыка.Одна часть разветвления расположена на основном источнике для измерения температуры. Во второй части спая поддерживается постоянная температура. Кроме того, измерение температуры зависит от типа металла, используемого при производстве термопары.

Изготовить термопару слишком просто. Изготовители изготавливают датчики температуры из специальных проводов. Наконец, эти провода покрывают защитной изолированной трубкой. Разработчики термопар иногда принимают решение о соединении различных металлов и нуждаются в новой калибровке для сборки.Использование термопары зависит от окружающей среды. При производстве термопары определенного типа учитываются различные материалы и размеры. Однако в некоторых случаях установка термопары связана с уже существующей системой.

Они слишком популярны среди датчиков температуры из-за их универсальности в широком спектре приложений, от промышленного использования до бытовых приборов. Слишком важно знать его основные характеристики, принцип работы и диапазоны, в соответствии с его широкими моделями и техническими характеристиками, чтобы лучше указать, какая модель и материал термопары лучше всего подходят для вашего конкретного применения.Посетите здесь, чтобы узнать больше о различных типах термопар.

Существуют различные типы термопар с различными характеристиками в зависимости от их стабильности, устойчивости к вибрации, температурного диапазона, долговечности, химической стойкости и конкретных применений. Наиболее распространены следующие их типы:

Бисерная проволока — самый распространенный вид из них. Он состоит из двух частей проволоки, соединенных с приварным валиком.Однако существует множество ограничений применения, поскольку валик термопары ограничен. Например, бортовую проволоку нельзя использовать с жидкостями, которые могут окислять или разъедать сплав термопары.

Термопара с бисером и проволокой (Ссылка: newark.com )

Металлические поверхности тоже могут иметь трудности; особенно трубы используются для заземления электрических устройств. Непрямое соединение с электрическим устройством может повлиять на восприятие. Проволока из бисера обычно является хорошим вариантом для определения температуры газа.Поскольку они могут быть слишком маленькими, они также сразу показывают время отклика.

Зонд термопары имеет провод, помещенный в металлическую трубку. Бока трубки вводятся как оболочка. Обычными материалами оболочки обычно являются нержавеющая сталь и редко — инконель. Инконель обеспечивает более высокие уровни температуры, чем нержавеющая сталь, в то время как нержавеющая сталь обычно выбирается из-за ее широкой химической приспособляемости. Другие экзотические вещества оболочки также присутствуют при очень высоких температурах.

Зонды для термопар (Ссылка: globalgilson.com )

Измерение температуры твердой поверхности слишком проблематично для большинства датчиков температуры. Вся площадь датчика должна находиться в непосредственном контакте с поверхностью, чтобы гарантировать точность измерения. Это сложнее при работе со строгим датчиком и жесткой плоскостью.

Поверхностный зонд термопары (каталожный номер: для подключения датчика.com )

Они изготовлены из определенных металлов, поэтому стык можно сделать плоским, чтобы обеспечить максимальный контакт с твердой плоскостью. Это лучшие варианты для измерения поверхности. Датчик может даже быть сконструирован в режиме циркуляции, что делает его желательным для измерения температуры вращающейся поверхности.

Термопары бывают разных составов металлов и имеют разные калибровки.Самыми популярными типами являются «основные металлы», представленные как типы K, J, E, T и N. Существуют также термопары из благородных металлов, которые проходят высокотемпературную калибровку, включая типы R, S и B.

Все калибровки имеют разный уровень температуры, тогда как максимальная температура изменяется в зависимости от размера используемой в них проволоки. Следовательно, очень маленькая термопара не может достичь полного температурного режима.

Это самая обычная форма, которая представляет самый широкий рабочий диапазон температур.Термопары типа K обычно используются во многих областях, поскольку они основаны на никеле и обладают надлежащей коррозионной стойкостью. Кроме того, они точные, недорогие, надежные и имеют широкий диапазон температур.

Термопары типа k (Ссылка: thethermocoupleinfo.com )

• Самый распространенный вариант из недрагоценных металлов для высокотемпературных применений.
• Его положительная часть немагнитна с желтым знаком, а отрицательная часть — магнитная с красным знаком.
• Подходит для использования в условиях коррозии или внутренней атмосферы при температурах около 2500 ° F.
• Лучшая работа в чистой окислительной атмосфере, при этом чувствительна к воздействию серы или серосодержащей атмосфере.
• Не рекомендуется для использования в условиях частичного окисления в вакууме.
• Его стандартная точность составляет +/- 2,2 ° C, а диапазон пределов погрешности составляет +/- 1,1 ° C или 0,4%.

Диапазон его класса проводов составляет от –270 до 1260 ° C, а диапазон удлинительных проводов — от 0 до 200 ° C.

Это второй по популярности тип термопар. Это подходящий вариант для обычных применений при отсутствии влажности. Он аналогичен типу K по стоимости и стабильности, но имеет более короткий диапазон и более короткий жизненный цикл, чем тип K при высоких температурах.

• Подходит для использования в восстановительной и окислительной атмосфере или в вакууме до 760 ° C.
• Его ожидаемый срок службы для проволоки меньшего размера ограничен из-за быстрой коррозии железной проволоки при температурах более 540 ° C.
• Не следует использовать в сернистых средах с температурой выше 540 ° C.
• Его положительный железный провод является магнитным с белым знаком, а его отрицательный провод немагнитным с красным знаком.
• Его стандартная точность составляет +/- 2,2 ° C или +/- 0,75%, а его специальные пределы погрешности составляют +/- 1,1 ° C или 0,4%.

Его класс качества провода составляет от -210 до 760 ° C, а диапазон его удлинительного провода — от 0 до 200 ° C.

Тип E имеет более высокое разрешение и более мощный сигнал, чем Тип K и Тип J при ограниченных температурах.

• Обе части немагнитны, но отрицательная часть имеет красный знак, а положительная часть — фиолетовый.
• Обычно рекомендуется для использования в окислительной атмосфере до 900 ° C.
• Подходит для низких температур около -230 ° C.
• Он имеет самую высокую выходную ЭДС (электромагнитное поле) среди всех распространенных типов.
• Он уязвим к воздействию серы.
• Он может отлично работать в чистой коррозионной атмосфере, хотя обычно не рекомендуется для использования в окислительных состояниях.
• Его стандартная точность составляет +/- 1,7 ° C или +/- 0,5%, а его специальные пределы погрешности составляют +/- 1,0 ° C или 0,4%.

Диапазон его класса проводов составляет от –270 до 870 ° C, а диапазон удлинительных проводов — от 0 до 200 ° C.

Тип T — очень надежная термопара, которая часто используется в низкотемпературных условиях, например, в морозильных камерах со сверхнизкой температурой или криогенной технике.

• Обе части немагнитны, но отрицательная часть имеет красный знак, а положительная часть — синий.
• Они очень надежны и устойчивы к влажности при использовании на воздухе.
• Они полезны при температуре около 370 ° C.
• Они могут использоваться при более высоких температурах при использовании в вакууме или в восстановительной среде.
• Их можно использовать при температурах до -200 ° C; однако для конкретных приложений требуются особые материалы.
• Его стандартная точность составляет +/- 1,0 ° C или +/- 0,75%, а его специальные пределы погрешности составляют +/- 0,5 ° C или 0,4%.

Диапазон его класса проводов составляет от -270 до 370 ° C, а диапазон удлинительного провода — от 0 до 200 ° C.

Тип N имеет такую ​​же точность и температурный уровень, что и Тип К. Однако этот тип обычно более дорогой.

Диапазон его класса проводов составляет от -270 до 392 ° C, а диапазон его удлинительного провода — от 0 до 200 ° C.

выбираются в соответствии с их способностью выдерживать высокие температуры, сохраняя при этом срок службы и точность.Тем не менее, они, как правило, дороже, чем типы из недрагоценных металлов.

Тип S используется в приложениях с очень высокими температурами. Обычно он используется в фармацевтической промышленности и биотехнологических технологиях. Кроме того, он иногда используется в условиях более низких температур из-за его высокой надежности и точности. Его стандартная точность составляет +/- 1,5 ° C или +/- 0,25%, а его специальные пределы погрешности +/- 0.6С или 0,1%.

Диапазон его класса проводов составляет от -50 до 1480 ° C, а диапазон удлинительного провода — от 0 до 200 ° C.

Тип R может использоваться в условиях очень высоких температур. В нем больше родия, чем в типе S, что делает его более дорогим. Этот тип аналогичен типу S по своим характеристикам. Его стандартная точность составляет +/- 1,5 ° C или +/-.25%, а его специальные пределы погрешности составляют +/- 0,6 ° C или 0,1%.

Диапазон его класса проводов составляет от -50 до 1480 ° C, а диапазон удлинительного провода — от 0 до 200 ° C.

Термопара типа B обычно используется в высокотемпературных приложениях. У него самый высокий температурный диапазон среди всех описанных ранее термопар. Он отличается высокой точностью и надежностью при высоких температурах.Его стандартная точность составляет +/- 0,5%, а специальные пределы погрешности +/- 0,25%.

Диапазон его класса проводов составляет от 0 до 1700 ° C, а диапазон удлинительного провода — от 0 до 100 ° C.

Термопара работает как электрический прибор, измеряющий температуру. Они могут выдерживать высокие температуры, сильные вибрации и экстремальное давление благодаря своей точности и быстрому отклику.Эти особенности делают их пригодными для различных приложений. Тем не менее, как работает термопара?

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте или эффекте Зеебека. Это особый феномен преобразования тепловой энергии в электрическую. Эффект объясняет процесс электрического напряжения при соединении двух разных металлов и то, как генерируемое напряжение изменяется с температурой.

Эффект Зеебека термопары (Ссылка: Expainthatstuff.com )

Их основная конструкция включает две разнородные проволоки, которые соприкасаются, скручиваются или свариваются в одну деталь с разными электрическими характеристиками при различных температурах. Эта часть вводится как точка измерения. Другая часть, подключаемая к датчику напряжения, — это точка подключения. Электронная плотность обеих металлических проволок различается при изменении температуры в точке измерения.Эта модификация электронной плотности представляет собой разницу напряжений, которая регистрируется в точке соединения.

Важно учитывать, что они не чувствуют абсолютную температуру. Они обнаруживают разницу температур между измерительным участком и участком подключения. В результате им также требуется альтернатива холодного спая, которая гарантирует, что измерение температуры на соединительных клеммах не влияет на результат измерения и позволяет более точное измерение.

Измерение температуры с помощью термопары (Ссылка: поясните, что материал.com )

То, что вы видите выше, является функцией термопары, которая определяет неизвестную температуру. Он объединен в более крупную систему с некоторыми выходами питания и практически с электронным усилителем. Это увеличивает очень небольшие значения напряжения между различными частями цепи, такими как верхняя и нижняя части. Таким образом, он может более точно определять температуру.

На диаграмме показаны особенности и свойства зависимости температуры отВыход мВ для всех типов термопар из недрагоценных металлов и термопар Nobel. Можно сделать вывод, что эти датчики имеют примерно линейный выход.

(Ссылка: sterlingsensors.com )

всегда используются в промышленности, поскольку они работают в широком диапазоне температур. При выборе конкретной термопары учитываются следующие факторы:

• Химическая стойкость или вещество оболочки
• Диапазон температур
• Рекомендации по установке, поскольку они должны быть совместимы с существующими системами
• Вибростойкость и атмосферное давление

Обратите внимание на особенности и стоимость различных детекторов и конкретных систем.Обычно они могут определять температуру в широком диапазоне, но они не так точны, как термисторы и термометры сопротивления. Термисторы — самые точные преобразователи, но они не имеют широкого диапазона температур. У них тоже есть проблема самонагрева.

более надежны и имеют широкий температурный режим, но не так дешевы, как термопары. Им нужен электрический ток, чтобы определять температуру. Тем не менее есть неточности из-за самонагрева. Инфракрасные датчики могут использоваться для определения температуры выше, чем любой другой датчик.Они могут работать без прямого контакта с измеряемыми устройствами. Тем не менее, они обычно неточны и влияют на эффективность излучения. Они могут обнаруживать устройства, которые не имеют прямой видимости, с помощью оптоволоконных кабелей.

Временной коэффициент был введен как время, необходимое детектору для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры при определенных условиях. Пятикратные коэффициенты необходимы для того, чтобы датчик был на 100% в значении изменения шага.

Открытый тип соединения представляет наиболее немедленную реакцию между всеми типами. Кроме того, следует сказать, что зонды с наименьшим диаметром оболочки могут обеспечить самые быстрые отклики, но максимальная температура должна быть снижена. Однако оболочки зонда в целом не выдерживают полного температурного режима.

Они не всегда используются для обеспечения высокой точности и отличной производительности в промышленности и науке. Многие разработчики термопар применяют определенные провода и методы для обеспечения уровней точности, близких к недорогим термисторам.Тем не менее, для некоторых приложений требуются провода термопар из специальных сортов, которые обеспечивают точность сменных датчиков лучше, чем ± 0,9 ° F в диапазоне от 32 ° F до 212 ° F. Это более уместно, чем у большинства термисторов того же диапазона.

Их точность можно повысить, подключив датчик к конкретной электронной схеме и оценив их в «калибровке системы». Это явление снижает проблемную ошибку отдельной термопары и помогает снизить точность измерения до нескольких десятых градуса.Новые производители демонстрируют точность, превышающую ± 0,5 ° F для некоторых датчиков термопар.

Провода для термопар обычно выдерживают температуры выше 0 ° C. Для их веществ могут потребоваться некоторые особые требования и испытания, чтобы они могли работать в пределах допустимых значений ниже нуля.

Для защиты систем предусмотрены некоторые ограничения.Например, некоторые термопары сконструированы в защитных трубках и обычных закрытых оболочках.

Спаи термопар подразделяются на 4 группы:

Это самая обычная форма развязок. Устройство называется заземленным, когда обе части термопары и оболочка объединены, чтобы создать одно соединение на зонде. Эти типы имеют мгновенное время отклика, потому что термопара находится в прямом контакте с целью, просто передавая тепло.

Проблема в том, что он более чувствителен к электрическим помехам. Это связано с тем, что оболочка обычно контактирует с окружающей секцией, вызывая помехи.

Термопара называется незаземленной, если ее провода объединены, но они отделены от оболочки. Провода обычно изолируют минеральными методами.

Устройство представляет собой открытый тип, когда его провода соединяются и вставляются напрямую в систему.Их время отклика слишком короткое, но они более чувствительны к окислению и коррозии. В результате эта форма обычно не предлагается.

Необычный незаземленный тип включает двойную термопару, которая отделена от оболочки. Каждая из частей также отделена от другой.

Он основан на определенных системах. Например, в контроллерах с неизолированными входами существует вероятность соединения с землей, поэтому необходим незаземленный зонд.В противном случае в приборах с портативным измерителем следует использовать заземленный тип.

используются в различных научных и промышленных приложениях. Их можно увидеть на всех промышленных рынках, включая горнодобывающую промышленность, бумагу, биотехнологии, цемент, производство электроэнергии, нефть / газ, фармацевтику, стекло и другие. Они также широко используются в печах, печах, печах для пиццы и обжиговых печах.

обычно выбираются из-за их 1-высоких температурных пределов, 2-низкой стоимости, 3-х широких температурных уровней и 4-естественной стабильности.Обычно они используются в биотехнологиях и промышленности, потому что они от природы слишком точны и могут работать в широком диапазоне действительно холодных и жарких условий.

Они производят электрический ток, поэтому полезны для работы автоматических органов чувств. Проще использовать электронную схему или компьютер для определения температуры при постоянных процессах, чем делать это вручную с помощью термометра. Они также недороги по сравнению с другими преобразователями и достаточно долговечны, чтобы выдерживать суровые условия окружающей среды, поскольку они отделены от массивов металлических полос, как и другие датчики.

Производство термопары слишком сложно и основано на других требованиях. Существуют различные металлы и материалы, из которых можно сделать идеальный вид от низких до высоких температур. Тем не менее, общая стоимость их производства зависит от некоторых переменных и постоянных затрат в процессе.

Между этими переменными основными факторами, которые следует учитывать при завершении производства продукта, являются инвестиции в оборудование, заработная плата персонала, стоимость основных веществ и расходы на тестирование.Дизайнеры часто стараются снизить стоимость производства и добиться более долговечного качества конечного продукта. Но иногда результатом является более низкая точность и немедленная коррозия проволоки даже при нормальном использовании.

Наконец, когда мы хотим выбрать идеальный вариант, более важны исследования и знания вашего конструктора. Правильный температурный диапазон любого производства важен для работы всех датчиков температуры.

— Объявление —

Термопара — обзор | Темы ScienceDirect

1.14.3.1.2 Детекторы с термопарами и термобатареями

В детекторах с термопарами разница температур между поглотителем и подложкой определяется с помощью эффекта Зеебека (например, см. Fellgett, 1949). В детекторах на термоэлементах используются несколько последовательно соединенных спаев термопар для увеличения как напряжения сигнала, так и импеданса источника; иногда дополнительные спая подключаются в обратном порядке и остаются темными для температурной компенсации. Чувствительный спай термически связан с поглотителем, а опорный спай привязан к подложке.

Базовый анализ производительности был опубликован Birkholz et al. (1987) для идеализированных детекторов термопар типа Хильгера – Шварца (Strachan, Goodyear, 1973; Strachan, 1973; Schwarz, 1949). Такие детекторы состоят из вертикальных ножек из монокристаллического термоэлектрического материала, приваренных к тонкому фольговому поглотителю, замыкающему чувствительный переход. В идеальном случае теплопроводность подложки определяется проводимостью через ножки термопары.

Следуя Birkholz et al.(1987) мы определяем свойства термоэлектрических материалов следующим образом: Коэффициенты Зеебека для полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа равны α _p и α _n , соответственно. , дающий термоЭДС α _te = α _p — α _n ; термическое сопротивление ножек определяется выражением R _л = л κ ^{— 1} A _л ^{— 1} = G ^{— 1} = G ^{— 1} л и 0.5 A _l — длина и площадь поперечного сечения каждой ветви, соответственно, а κ — теплопроводность материала, которая считается одинаковой для p-типа и n-типа; а электрическое сопротивление определяется выражением R _E = 4 l σ _e ^{— 1} A _l ^{— 1} 907, где ₂ ^{— 1} 907 e — это электрическая проводимость (обратите внимание, что для теплопроводности ветви параллельны, а для электропроводности — последовательно).

Можно определить эффективную теплопроводность для радиационного обмена с окружающей средой, сделав упрощающие предположения, что поглотитель абсолютно черный и что разница температур между поглотителем и окружающей средой мала. Отмечая, что мощность Q , проводимая между резервуарами при температурах T и T + Δ T , связанных тепловой связью с проводимостью G , определяется соотношением Q = G Δ T и что для радиационного обмена между черными телами при тех же двух температурах передаваемая полезная мощность определяется как Q = σ _s A [( T + Δ T ) ⁴ — T ⁴ ] ≈ 4 σ _с AT ³ Δ T ; получаем эффективную радиационную теплопроводность G _r = 4 σ _s AT ³ , где σ _s = 5.67051 × 10 ^{— 8} Вт м ^{— 2} K ^{— 4} — постоянная Стефана – Больцмана (Андерсон, 1989) и A — площадь поглотителя. Поскольку излучение и теплопроводность через термопару действуют параллельно, общее тепловое сопротивление R _H определяется как

(16) RH = 14σsAT3 + κAll − 1

Выходное напряжение на детекторе определяется выражением V _s = α _te ∆ T = α _te Q _{a R a — поглощенная оптическая мощность (эквивалентная падающей мощности, поскольку мы предположили идеальный поглотитель для этого анализа).Обратите внимание, что детекторы термопар являются устройствами с очень низким импедансом, поэтому усилитель первого каскада должен разрабатываться с осторожностью, чтобы избежать значительного увеличения шума. Чувствительность просто S = V s / Q a = α te R H . NEP для детектора с ограничением шума Джонсона составляет NEP = 4kTReΔf / S = 4kTlΔf0.5σeAl − 0.5αteRH − 1. Одним из стандартных показателей качества детекторов является удельная обнаруживающая способность D ^* , определяемая как NEP-1AΔf.Подставляя вместо R H , получаем}

(17) D ∗ = αteAσeAl / l44σsAT3 + κAl / lkT

Birkholz et al. (1987) отмечают, что D ^∗ максимизируется, когда тепловые потери из-за теплопроводности и излучения одинаковы или когда 4 σ _s AT ³ = κA _l / л . Также обратите внимание, что при замене α _te = 2 α Ур.(17) эквивалентно выражению в Birkholz et al. (1987). Исключая в числителе и знаменателе A _l / l , получаем

(18) Dmox ∗ = M8kσsT5

, где безразмерное число M = (0,5 α 907 te ) ² σ _e Tκ ^{— 1} — показатель качества термоэлектрических устройств. Доступны материалы с M ≈ 1 при комнатной температуре (Birkholz et al., 1987), что приводит к D _mox ^∗ ≈ 1 × 10 ¹⁰ см Гц ^0,5 W ^{— 1} при 300 К. Реальные ограничения препятствуют достижению теоретического максимума удельной обнаруживаемость, но были продемонстрированы значения 3,2 × 10 ⁹ см Гц ^0,5 Вт ^{— 1} (Ando, ​​1974).

Постоянная времени определяется как τ _th = CG ^{— 1} = CR _H , где термическое сопротивление определяется уравнением.(16). В теплоемкости термопарных детекторов Хильгера – Шварца, как правило, преобладает поглотитель. Постоянные времени 10 мс были продемонстрированы только для термопары и 20 мс для всего детектора, включая поглотитель (Birkholz et al., 1987; Ando, ​​1974).

Несмотря на то, что термопарные детекторы Hilger – Schwarz обладают высокими характеристиками для неохлаждаемых детекторов, они хрупки и сложны в производстве. Современные технологии обработки полупроводников позволяют изготавливать детекторы термобатарей с микромашинной обработкой, в которых поглотитель представляет собой отдельно стоящую мембрану, а термобатарея состоит из последовательно соединенных термопар, проходящих по краю мембраны (Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003). Микромашинные детекторы на термобатареях доступны в виде линейных массивов, которые выполняли полеты на Луну и Марс (Foote et al., 2003). Микромеханические устройства не работают так же хорошо, как старые модели по ряду причин, даже при сравнении устройств, изготовленных из тех же термоэлектрических материалов, хотя есть потенциал для дальнейшего улучшения (Foote and Jones, 1998).

Детекторы термобатареи производятся в виде одиночных детекторов, линейных решеток (Kunde et al., 1996; Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003) и небольшие двумерные массивы. Обработка материалов и компоновка остаются сложными для больших двумерных массивов. Были продемонстрированы микромашинные детекторы на термобатареях с постоянными времени порядка 10 мс с удельной детектирующей способностью около 10 ⁹ см Гц ^0,5 W ^{— 1} (Foote and Jones, 1998).

Материал термопары — обзор

Поскольку этот результат достаточно сложно получить, может быть проще решить проблему методом проб и ошибок, используя электронную таблицу.

Пример 5.2

Нам нужен холодильник, способный отводить 10 Вт из холодильной камеры при -5 C, отводя тепло в окружающую среду при 30 C.

Из-за перепадов температуры в теплообменниках, холодный спай должен быть при –15 C и горячем при 40 C.

Материалы термопары имеют следующие характеристики:

1.

α = 0,0006V / K,

2.

λA = 0,015 Вт см -1К-1,

3.

ρA = 0,002 Ом · см,

4.

λB = 0,010 Вт · см-1K-1,

5.

ρB = 0,003 Ом · см.

Температуры равны

1.

TH = 313K (40 C),

2.

TC = 258K (-15C).

Для оптимальной геометрии

(5,99) ΛR≡β = 0,015 × 0,002 + 0,010 × 0,0032 = 120 × 10-6V2 / K.

Применение уравнений 5.96, 5.97 и

(5.100) TA = 55 + 2 × 258 = 571 кельвин

(5.101) B = 4 × 120 × 10-6 + 2 × 0,00062 × 571 = 0,02985V / K-1/2

(5,102) R = -2 × 552 × 120 × 10-62 × 120 × 10-6 + 0,00062 × 571 + 0,029850,00062 × (120 × 10-6) 1/2 × 55 × 258 × 571-2 × (120 × 10-6) 3/2 × 552 / 0,00062 × 5712PC = 0,00335PC

Для этого В этом случае одна термопара будет потреблять слишком большой ток и требовать слишком низкого напряжения. Лучшей стратегией было бы использовать 100 термопар, соединенных последовательно электрически и параллельно термически. Следовательно, мы хотим накачать 0,1 Вт на термопару. (ПК = 0,1 Вт),

(5.103) R = 0,0335 Ом.

Соответствующая теплопроводность равна по уравнению 5.99

(5.104) Λ = βR = 120 × 10-60,0335 = 0,00358 Вт / K