Convertisseurs thermoélectriques (thermocouples)

Comment fonctionne un thermocouple

Déjà en 1821, Seebeck découvrit un phénomène qui porte son nom, qui consiste dans le fait que E. Apparaît dans un circuit fermé composé de différents matériaux conducteurs. etc. (dite thermo-CEM) si les points de contact de ces matériaux sont maintenus à des températures différentes.

Dans sa forme la plus simple, lorsqu'un circuit électrique est constitué de deux conducteurs différents, on l'appelle thermocouple ou thermocouple.

L'essence du phénomène Seebeck réside dans le fait que l'énergie des électrons libres, qui provoquent l'apparition d'un courant électrique dans les fils, est différente et évolue différemment avec la température. Par conséquent, s'il y a une différence de température le long du fil, les électrons à son extrémité chaude auront des énergies et des vitesses plus élevées par rapport à l'extrémité froide, provoquant un flux d'électrons de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide dans le fil. En conséquence, les charges s'accumuleront aux deux extrémités - négatives à froid et positives à chaud.

Étant donné que ces charges sont différentes pour différents fils, lorsque deux d'entre eux sont connectés dans un thermocouple, un thermocouple différentiel apparaît. etc. c) Pour analyser les phénomènes se produisant dans le thermocouple, il convient de supposer que le thermocouple y est généré. etc. c.E est la somme de deux forces électromotrices de contact e, se produisant aux endroits de leur contact et sont fonction de la température de ces contacts (Fig. 1, a).

Riz. 1. Schéma d'un circuit thermoélectrique à deux et trois fils, un schéma pour connecter un appareil de mesure électrique à la jonction et une thermoélectrode avec un thermocouple.

La force thermoélectromotrice apparaissant dans un circuit de deux conducteurs différents est égale à la différence des forces électromotrices à leurs extrémités.

De cette définition il découle qu'à températures égales aux extrémités du thermocouple, son pouvoir thermoélectrique. etc. s sera égal à zéro. On peut en tirer une conclusion extrêmement importante, qui permet d'utiliser un thermocouple comme capteur de température.

La force électromotrice d'un thermocouple ne sera pas modifiée par l'introduction d'un troisième fil dans son circuit si les températures à ses extrémités sont les mêmes.

Ce troisième fil peut être inclus à la fois dans l'une des jonctions et dans la section de l'un des fils (Fig. 1.6, c). Cette conclusion peut être étendue à plusieurs fils introduits dans le circuit du thermocouple, tant que les températures à leurs extrémités sont les mêmes.

Par conséquent, un dispositif de mesure (également constitué de fils) et des fils de connexion qui y mènent peuvent être inclus dans le circuit thermocouple sans provoquer de modification de la puissance thermoélectrique développée par celui-ci. e.c, seulement si les températures des points 1 et 2 ou 3 et 4 (Fig. 1, d et e) sont égales. Dans ce cas, la température de ces points peut différer de la température des bornes de l'appareil, mais la température des deux bornes doit être la même.

Si la résistance du circuit thermocouple reste inchangée, le courant qui le traverse (et donc la lecture de l'appareil) ne dépendra que de la puissance thermoélectrique développée par celui-ci. d., c'est-à-dire des températures des extrémités de travail (chaudes) et libres (froides).

De plus, si la température de l'extrémité libre du thermocouple est maintenue constante, la lecture du compteur dépendra uniquement de la température de l'extrémité de travail du thermocouple. Un tel appareil indiquera directement la température de la jonction de travail du thermocouple.

Par conséquent, un pyromètre thermoélectrique se compose d'un thermocouple (thermoélectrodes), d'un compteur de courant continu et de fils de connexion.

Les conclusions suivantes peuvent être tirées de ce qui précède.

1. La méthode de fabrication de l'extrémité active du thermocouple (soudage, brasage, torsion, etc.) n'affecte pas la puissance thermoélectrique développée par celui-ci. etc. avec, si seulement les dimensions du bout travaillant sont telles que la température en tous ses points soit la même.

2. Parce que le paramètre mesuré par l'appareil n'est pas thermoélectrique. avec et le courant du circuit thermocouple, il faut que la résistance du circuit de fonctionnement reste inchangée et égale à sa valeur lors de l'étalonnage.Mais comme il est pratiquement impossible de le faire, puisque la résistance des thermoélectrodes et des fils de connexion change avec la température, l'une des principales erreurs de la méthode se pose: l'erreur de décalage entre la résistance du circuit et sa résistance lors de l'étalonnage.

Pour réduire cette erreur, les appareils pour les mesures thermiques sont fabriqués avec une résistance élevée (50-100 Ohm pour les mesures approximatives, 200-500 Ohm pour des mesures plus précises) et avec un coefficient électrique à basse température, de sorte que la résistance totale du circuit (et , par conséquent, la relation entre le courant et — e. d. s.) varie au minimum avec les fluctuations de la température ambiante.

3. Les pyromètres thermoélectriques sont toujours étalonnés à une température bien définie de l'extrémité libre du thermocouple - à 0 ° C. Habituellement, cette température diffère de la température d'étalonnage en fonctionnement, ce qui entraîne la deuxième erreur principale de la méthode. : l'erreur sur la température de l'extrémité libre du thermocouple.

Étant donné que cette erreur peut atteindre des dizaines de degrés, il est nécessaire de procéder à une correction appropriée des lectures de l'appareil. Cette correction peut être calculée si la température des risers est connue.

Étant donné que la température de l'extrémité libre du thermocouple lors de l'étalonnage est égale à 0 ° C, et en fonctionnement, elle est généralement supérieure à 0 ° C (les extrémités libres sont généralement dans la pièce, elles sont souvent situées à proximité du four dont la température est mesurée ), le pyromètre donne une sous-estimation par rapport à la température réelle mesurée, l'indication et la valeur de cette dernière doivent être augmentées de la valeur de correction.

Cela se fait généralement graphiquement. Cela est dû au fait qu'il n'y a généralement pas de proportionnalité entre les thermodurcissables.etc. pp. et température. Si la relation entre eux est proportionnelle, alors la courbe d'étalonnage est une droite et dans ce cas la correction de la température de l'extrémité libre du thermocouple sera directement égale à sa température.

Conception et types de thermocouples

Les exigences suivantes s'appliquent aux matériaux des thermoélectrodes :

1) haute thermoélectricité. etc. v. et proche de la nature proportionnelle de son changement de température ;

2) résistance à la chaleur (non-oxydation à haute température) ;

3) constance des propriétés physiques dans le temps aux températures mesurées ;

4) haute conductivité électrique ;

5) coefficient de résistance à basse température ;

6) la possibilité de production en grande quantité avec des propriétés physiques constantes.

La Commission électrotechnique internationale (CEI) a défini certains types de thermocouples normalisés (norme CEI 584-1). Les éléments ont des indices R, S, B, K, J, E, T selon la gamme de températures mesurées.

Dans l'industrie, les thermocouples sont utilisés pour mesurer des températures élevées, jusqu'à 600 — 1000 — 1500˚C. Un thermocouple industriel est constitué de deux métaux ou alliages réfractaires. La jonction chaude (marquée de la lettre «G») est placée à l'endroit où la température est mesurée, et la jonction froide («X») est située dans la zone où se trouve l'appareil de mesure.

Les thermocouples standard suivants sont actuellement utilisés.

Thermocouple platine-rhodium-platine. Ces thermocouples peuvent être utilisés pour mesurer des températures jusqu'à 1300 °C pour une utilisation à long terme et jusqu'à 1600 °C pour une utilisation à court terme, à condition qu'ils soient utilisés dans une atmosphère oxydante.À des températures moyennes, le thermocouple platine-rhodium-platine s'est avéré très fiable et stable, c'est pourquoi il est utilisé comme exemple dans la plage de 630-1064 ° C.

Thermocouple chrome-alumel. Ces thermocouples sont conçus pour mesurer des températures pour une utilisation à long terme jusqu'à 1000 ° C et pour une utilisation à court terme jusqu'à 1300 ° C. Ils fonctionnent de manière fiable dans ces limites dans une atmosphère oxydante (s'il n'y a pas de gaz corrosifs), car lorsque chauffé à la surface des électrodes, un mince film d'oxyde protecteur qui empêche l'oxygène de pénétrer dans le métal.

Thermocouple Chromel-Copel… Ces thermocouples peuvent mesurer des températures jusqu'à 600°C pendant une longue durée et jusqu'à 800°C pendant une courte durée. Ils fonctionnent avec succès dans les atmosphères oxydantes et réductrices, ainsi que dans le vide.

Thermocouple Fer Copel... Les limites de mesure sont les mêmes que pour les thermocouples chromel-copel, les conditions de fonctionnement sont les mêmes. Il donne moins de thermo. etc. vs par rapport au thermocouple XK : 30,9 mV à 500°C, mais sa dépendance à la température est plus proche de la proportionnelle. Un inconvénient important du thermocouple LC est la corrosion de son électrode de fer.

Thermocouple cuivre-cuivre... Étant donné que le cuivre dans une atmosphère oxydante commence à s'oxyder intensément déjà à 350 ° C, la plage d'application de ces thermocouples est de 350 ° C pendant une longue période et de 500 ° C pendant une courte période. Sous vide, ces thermocouples peuvent être utilisés jusqu'à 600 °C.

Courbes de dépendance thermo-e. etc. de température pour les thermocouples les plus courants. 1 - chromel-bâtard; 2 - bâtard de fer; 3 - bâtard de cuivre; 4 — TGBC-350M ; 5 — TGKT-360M ; 6 - chromel-alumel; 7-platine-rhodium-platine; 8 — TMSV-340M ; 9 — PR -30/6.

La résistance des thermoélectrodes des thermocouples standard en métaux communs est de 0,13-0,18 ohms par 1 m de longueur (aux deux extrémités), pour les thermocouples platine-rhodium-platine de 1,5-1,6 ohms par 1 m.Écarts de puissance thermoélectrique admissibles. etc. de l'étalonnage pour les thermocouples non nobles sont de ± 1%, pour le platine-rhodium-platine ± 0,3-0,35%.

Le thermocouple standard est une tige d'un diamètre de 21-29 mm et d'une longueur de 500-3000 mm. Sur le dessus du tube de protection est placée une tête estampée ou coulée (généralement en aluminium) avec une plaque de carbolite ou de bakélite, dans laquelle deux paires de fils sont pressées avec des pinces à vis connectées par paires. La thermoélectrode est fixée à une borne et à l'autre est connecté un fil de connexion qui mène à l'appareil de mesure. Parfois, les fils de connexion sont enfermés dans un tuyau de protection flexible. S'il est nécessaire de sceller le trou dans lequel le thermocouple est installé, ce dernier est muni d'un raccord fileté. Pour les baignoires, les thermocouples sont également fabriqués avec une forme coudée.

Lois des thermocouples

Loi de température interne : La présence d'un gradient de température dans un conducteur homogène ne conduit pas à l'apparition d'un courant électrique (aucune FEM supplémentaire ne se produit).

La loi des conducteurs intermédiaires : Soit deux conducteurs homogènes de métaux A et B formant un circuit thermoélectrique avec des contacts aux températures T1 (jonction chaude) et T2 (jonction froide). Un fil de métal X est inclus dans la rupture du fil A et deux nouveaux contacts sont formés. "Si la température du fil X est la même sur toute sa longueur, la FEM résultante du thermocouple ne changera pas (aucune FEM ne provient de jonctions supplémentaires)."