熱電変換器（熱電対）

熱電対の仕組み

すでに 1821 年に、ゼーベックは、e. 異なる導電性材料からなる閉回路に現れるという事実からなる、彼にちなんで名付けられた現象を発見しました。等(いわゆる熱EMC) これらの材料の接触点が異なる温度に維持される場合。

最も単純な形式では、電気回路が 2 つの異なる導体で構成されている場合、それは熱電対、または熱電対と呼ばれます。

ゼーベック現象の本質は、電線に電流を発生させる自由電子のエネルギーが異なり、温度によって変化するという事実にあります。したがって、ワイヤに沿って温度差がある場合、そのホットエンドの電子はコールドエンドに比べてより高いエネルギーと速度を持ち、ワイヤ内でホットエンドからコールドエンドへの電子の流れが生じます。その結果、両端に電荷が蓄積されます。低温ではマイナス、高温ではプラスになります。

これらの電荷はワイヤごとに異なるため、そのうちの 2 つが熱電対に接続されると、差動熱電対が表示されます。等c. 熱電対内で発生する現象を分析するには、熱電対内で発生すると仮定すると便利です。等c. E は、接触箇所で発生する 2 つの接触起電力 e の合計であり、これらの接触の温度の関数です (図 1、a)。

米。 1. 2 線式および 3 線式熱電回路の図。電気測定装置を熱電対を使用して接点および熱電極に接続するための図。

2 つの異なる導体の回路で発生する熱起電力は、それらの端での起電力の差に等しくなります。

この定義から、熱電対の両端の温度が等しい場合、その熱起電力は次のようになります。等sはゼロになります。このことから、熱電対を温度センサーとして使用できるという非常に重要な結論が得られます。

熱電対の起電力は、その端の温度が同じであれば、回路に 3 本目のワイヤを導入しても変化しません。

この 3 番目のワイヤは、接合部の 1 つとワイヤの 1 つのセクションの両方に含めることができます (図 1.6、c)。この結論は、端の温度が同じである限り、熱電対回路に導入された複数のワイヤに拡張できます。

したがって、測定装置 (これもワイヤで構成されます) とそれにつながる接続ワイヤを、それによって発生する熱起電力に変化を引き起こすことなく、熱電対回路に含めることができます。 e.c、点 1 と 2、または点 3 と 4 (図 1、d と e) の温度が等しい場合のみ。この場合、これらの点の温度はデバイスの端子の温度と異なる場合がありますが、両方の端子の温度は同じでなければなりません。

熱電対回路の抵抗が変化しない場合、回路を流れる電流 (したがってデバイスの読み取り値) は、回路によって発生する熱起電力のみに依存します。 d. つまり、作動端（高温）と自由端（低温）の温度から。

また、熱電対の自由端の温度が一定に保たれる場合、メーターの読み取り値は熱電対の動作端の温度のみに依存します。このようなデバイスは、熱電対の動作接点の温度を直接示します。

したがって、熱電高温計は、熱電対 (熱電極)、直流計、および接続ワイヤで構成されます。

以上のことから、次の結論が導き出されます。

1. 熱電対の動作端の製造方法 (溶接、はんだ付け、ねじりなど) は、熱電対によって発生する熱起電力に影響を与えません。等ただし、作業端の寸法がそのすべての点の温度が同じになるようなものである場合のみです。

2. デバイスによって測定されるパラメータは熱電変換ではないため。熱電対回路電流を考慮すると、動作回路の抵抗が変化せず、校正中の値と等しいことが必要です。しかし、熱電極と接続ワイヤの抵抗が温度とともに変化するため、これを行うことは事実上不可能であるため、この方法の主なエラーの1つが発生します。つまり、回路の抵抗と校正中の抵抗との間の不一致のエラーです。

この誤差を減らすために、熱測定用のデバイスは高抵抗 (大まかな測定の場合は 50 ～ 100 オーム、より正確な測定の場合は 200 ～ 500 オーム) と低い温度電気係数で作られています。したがって、電流と - e. d. s.) の関係は、周囲温度の変動に応じて最小限に変化します。

3. 熱電高温計は常に、熱電対の自由端の明確に定義された温度 (0 °C) で校正されます。通常、この温度は動作時の校正温度とは異なり、その結果、この方法の 2 番目の主なエラーが発生します。 : 自由熱電対端の温度の誤差。

この誤差は数十度に達する可能性があるため、デバイスの読み取り値を適切に補正する必要があります。ライザーの温度がわかっていれば、この補正を計算できます。

校正中の熱電対の自由端の温度は 0 °C に等しく、動作中は通常 0 °C を超えるため (自由端は通常室内にあり、温度が測定されるオーブンの近くにあることがよくあります) )、高温計は実際に測定された温度と比較して過小評価を与えるため、後者の表示と値は補正値によって増加する必要があります。

これは通常、グラフィカルに行われます。これは、通常、熱硬化性樹脂間に比例関係がないためです。等pp.と温度。それらの間の関係が比例する場合、校正曲線は直線となり、この場合、熱電対の自由端の温度の補正はその温度に直接等しくなります。

熱電対の設計と種類

熱電極材料には次の要件が適用されます。

1) 高い熱電性。等v. 温度による変化は比例する性質に近い。

２）耐熱性（高温でも酸化しない）。

3) 測定温度内での物理的特性の経時的不変性。

4) 高い導電性。

5) 低い温度抵抗係数。

6) 一定の物理的特性を備えた大量生産の可能性。

国際電気標準会議 (IEC) は、いくつかの標準タイプの熱電対を定義しています (標準 IEC 584-1)。要素には、測定された温度範囲に応じたインデックス R、S、B、K、J、E、T があります。

産業では、熱電対は最大 600 ～ 1000 ～ 1500 °C の高温を測定するために使用されます。工業用熱電対は 2 つの高融点金属または合金で構成されます。熱接点 («G» の文字が付いている) は温度が測定される場所に配置され、冷接点 («X») は測定デバイスが配置されている領域に配置されます。

現在、次の標準熱電対が使用されています。

白金-ロジウム-白金熱電対。これらの熱電対は、酸化雰囲気で使用する場合に限り、長期使用の場合は 1300 °C まで、短期間の使用の場合は 1600 °C までの温度を測定することができます。中温では、白金-ロジウム-白金熱電対は非常に信頼性が高く安定していることが証明されているため、630 ～ 1064 °C の範囲で例として使用されます。

クロムアルメル熱電対。これらの熱電対は、長期使用では 1000 °C まで、短期使用では 1300 °C までの温度を測定するように設計されています。これらの熱電対は、酸化雰囲気 (腐食性ガスがない場合) においてこれらの制限内で確実に動作します。電極の表面で加熱されると、酸素が金属に浸透するのを防ぐ薄い保護酸化膜が形成されます。

Cromel-Copel 熱電対… これらの熱電対は、長時間では最大 600°C、短時間では最大 800°C の温度を測定できます。これらは、真空だけでなく、酸化雰囲気と還元雰囲気の両方で正常に動作します。

鉄コペル熱電対...測定限界はクロメルコペル熱電対と同じであり、動作条件も同じです。熱が少なくなります。等XK 熱電対との比較: 500 °C で 30.9 mV ですが、温度に対する依存性は比例に近くなります。 LC 熱電対の重大な欠点は、鉄電極の腐食です。

銅-銅熱電対...酸化雰囲気中の銅は350℃ですでに激しく酸化し始めるため、これらの熱電対の適用範囲は長時間では350℃、短時間では500℃となります。真空中では、これらの熱電対は 600 °C まで使用できます。

Thermo-e 依存曲線。等最も一般的な熱電対の温度。 1 — クロメル野郎; 2 — 鉄の野郎; 3 — 銅野郎; 4 — TGBC -350M; 5 — TGKT-360M; 6 - クロメルアルメル; 7-プラチナ-ロジウム-プラチナ; 8 — TMSV-340M; 9 — PR -30/6。

卑金属で作られた標準熱電対の熱電極の抵抗は、長さ 1 m (両端) あたり 0.13 ～ 0.18 オーム、白金 - ロジウム - 白金熱電対の場合、1 m あたり 1.5 ～ 1.6 オームです。等非貴金属熱電対の校正からの誤差は ± 1%、白金-ロジウム-白金の場合は ± 0.3 ～ 0.35% です。

標準の熱電対は、直径 21 ～ 29 mm、長さ 500 ～ 3000 mm の棒です。保護チューブの上部には、カーボライトまたはベークライトのプレートを備えた打ち抜きまたは鋳造（通常はアルミニウム）のヘッドが配置され、その中に2対のワイヤがペアで接続されたネジクランプで圧入されます。熱電極は一方の端子に取り付けられ、もう一方の端子には測定装置につながる接続線が接続されます。場合によっては、接続ワイヤが柔軟な保護ホースに包まれていることがあります。熱電対が取り付けられている穴を密閉する必要がある場合は、熱電対にネジ付きフィッティングが提供されます。浴槽用の熱電対もエルボ形状で製作しております。

熱電対の法則

内部温度の法則: 均質な導体に温度勾配が存在しても、電流は発生しません (追加の EMF は発生しません)。

中間導体の法則: 金属 A と B の 2 つの均質な導体が、温度 T1 (熱接点) と T2 (冷接点) の接点を持つ熱電回路を形成するとします。ワイヤ A の破断部分には金属 X のワイヤが含まれており、2 つの新しい接点が形成されます。 「ワイヤ X の温度がその長さ全体にわたって同じである場合、熱電対の結果として生じる EMF は変化しません (追加の接点から EMF は発生しません)。」