Термоэлемент Пельтье: принцип охлаждения и применение

Принцип работы термостата

После того как двигатель завели, ему нужно прогреться до рабочей температуры. Чтобы ускорить, этот процесс, охлаждающая жидкость не поступает в радиатор, а циркулирует по малому кругу через рубашку охлаждения и радиатор печки. Блокирует ее поток именно термостат.

Когда же двигатель нагреется до 95 градусов, клапан термостата сработает, и тосол начнет циркулировать уже по большому кругу через радиатор, охлаждая таким образом мотор. Когда открывается клапан основной циркуляции, малый круг перекрывается. Принцип работы термостата основан на физических свойствах воска, который находится у него внутри. При температуре в 82˚С воск плавится.

В жидком состоянии он увеличивается в объеме и выталкивает штырь, который и открывает клапан. При охлаждении двигателя воск в термостате застывает, штырь возвращается на место, клапан закрывается. Воск плавится быстро, благодаря примесям из порошка графита, меди и алюминия.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по иным данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. КПД преобразования составил 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора соперничал с паровыми машинами того времени. Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не начинал эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив собственное открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений исследователь предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Принцип действия термоэлектрического генератора объяснялся магнитной поляризацией. Зеебек исследовал массу образцов, включая полупроводники, и выстроил материалы в ряд по способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и поныне для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как учёные с радиоактивными металлами, так Зеебек обращался с образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, раздался приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы практически руками соударяли куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Большинство в скором времени погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, как некогда Гальвани, наблюдал «животное электричество». Зеебек почти поверил в собственные замечательные трансцендентные способности, но домработница заставила его думать, что причина в нагреве образцов. Когда карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту давали необычное и называли магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить подобную позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании об открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет. Учёный не спешил: заметив странное поведение стрелки морского компаса, долго изучал, оценивал, потом написал нескольким прогрессивно мыслившим современникам… Дальнейшие открытия посыпались чередой:

  1. Закон Ома.
  2. Электромагнит.
  3. Электрокомпас.
  4. Гальванометр.
  5. Индуктивность.
  6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но открытое Зеебеком термоэлектричество оказалось удивительным. Известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали понятия заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора – и все! Неизвестны были понятия разницы потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Это повлияло на название открытия Зеебека.

Накануне Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата, тогда ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса обнаруживал Земной шар. Неудивительно, что Зеебек приписал собственной установке подобное странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса как планета Земля.

В течение года удалось найти правильное объяснение. Георг Ом использует термопару как источник стабилизированного напряжения для открытия известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Пришла пора открывать эру термоэлектричества.

Технические характеристики

Термоэлемент Пельтье: принцип охлаждения и применение

Как и все электронные устройства, элементы Пельтье имеют ряд технических характеристик, которые позволяют выбрать наиболее подходящий прибор. При покупке устройства необходимо обратить внимание на следующие показатели:

  • холодопроизводительность;
  • максимальный температурный перепад между сторонами элемента;
  • допустимую силу тока;
  • максимальное напряжение;
  • внутреннее сопротивление резистора;
  • коэффициент эффективности.

Все эти данные можно получить у производителя или найти в техническом паспорте устройства. Показатели следует подбирать в зависимости от цели, для которой приобретается прибор.

Внутреннее устройство и принцип работы

Элемент Пельтье представляет собой небольшой модуль, состоящий из двух пластин изоляторов, изготовленных из керамики. Между ними располагаются последовательно соединенные термопары. Соединение осуществляется с помощью медных шин. Количество термопар зависит от назначения устройства. Некоторые приборы могут иметь только одну пару, другие – несколько сотен.

Строение элемента Пельтье

Каждая термопара состоит из полупроводников р – типа и n – типа. Одна часть модуля контактирует с p-n парой, другая — с n-p. Сторона с p-n контактами нагревается, а противоположная, соответственно, охлаждается.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Рис. 4. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ТОМСОНА. При пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается – это зависит от направления тока в цепи.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от 160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или 273,16° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T1, а другой – при температуре T2. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Рис. 5. ТЕРМОБАТАРЕЯ из n одинаковых термоэлементов, соединенных последовательно. Термо-ЭДС термобатареи в n раз больше термо-ЭДС одного термоэлемента.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Плюсы и минусы устройства

Элемент Пельтье – это уникальное устройство, имеющее массу преимуществ. Среди них можно выделить следующие:

  • отсутствие движущихся деталей, жидкостей и газов;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность выполнения двух функций: нагревание и охлаждение.

Однако прибор имеет достаточное количество недостатков, из-за которых его нельзя использовать вместо обычного холодильника. Основными недостатками термоэлемета являются:

  • низкий КПД (прибор способен понизить температуру лишь на несколько градусов относительно окружающей среды);
  • отсутствие возможности работы без постоянного источника питания;
  • ограниченное число циклов запуск-отключение;
  • постепенное включение и отключение.

Элемент Пельтье используется во многих современных приборах, предназначенных для регулировки температуры. Устройство одновременно греется и охлаждается с разных сторон. Данный термоэлемент чаще всего используется в переносных или автомобильных холодильниках.

На нашем Портале графики Вы узнаете все о Photoshop и обо всем, что связано с дизайном. Все уроки имеют подробное описание и скриншоты, поэтому будут особенно полезны для начинающих дизайнеров. Вы познакомитесь и с другими программами графики и работой в них. Например, Gimp — отличный бесплатный редактор, в котором вы можете проводить полноценную обработку фото. Наша коллекция дополнений сделает вашу работу более легкой и приятной. Вы можете стать нашим соавтором и заработать. Добавляйте новости на сайт через удобную форму обратной связи, размещать дополнения фотошоп со ссылкой на файлообменники. Если вам понравились наш сайт, то не забудьте подписаться на рассылку или rss, поделиться с друзьями в социальных сетях или добавить в закладки!

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Видео по теме

https://www.youtube.com/watch?v=YN5VryJaanM

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

  • Большой температурный диапазон измерений;
  • Высокая точность;
  • Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

  • Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
  • Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
  • Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
  • Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.

Термоэлемент для измерения высоких температур

Загрузка...

Номер патента: 72814

Опубликовано: 01.01.1948

Автор: Фильцер

МПК: G01K 7/08

Метки: термоэлемент, высоких, температур

…кирпичей имеются пазы.При изготовлении специальных огнеупоров для термоэлемента термоэлектроды снабжаются поясками, запрессовываются при формовке кирпичей и вместе с ними подвергаются обжигу.Надежная электропроводность в местах соединения термоэлектродов (рабочие концы) обеспечивается размягчением и даже жидким состоянием поверхности футеровки, высокой диффузионной способностью атомов термоэлектродов при измеряемых высоких температурах, а также высокими сжимающими напряжениями, обусловливаемыми термическим расширением футеровки и термоэлектродов.При износе (срабатывании) футеровки (например свода мартеновской печи) термоэлемент будет продолжать работать нормально, так как его рабочие концы будут перемещаться вместе с поверхностью…

Термоэлемент и способ соединения его ветвей

Загрузка...

Номер патента: 109343

Опубликовано: 01.01.1957

Автор: Шмелев

МПК: H01L 35/34, H01L 35/16

Метки: соединения, термоэлемент, ветвей

…ветви термоэлемента вместо сернистого свинца теллуристый висмут с примесью иода в количестве до одного процента.Теллуристый висмут в чистом виде, как известно, обладает положительным знаком термоэлектродвижущей силы при сравнительно невысоких термоэлектрических характеристиках — — 500 1 о.п,см. и х=200 ливград хх-:.10 8-«,ом. см. град».Однако вве,»,ение в теллуристый свинец небольших количеств примеси иода (от 0,8 до 1,0″.) приводит к кардинальному изменению механизма злектропроводности (термоэлектродвижущая сила меняет свой знак с положительного на отрицательный) и обеспе и;вает высокие термоэлектрические характеристики теллуристого висмута (коэффициент мощности охв достигает величины 4.10″ Б-,ах сл. град).Мо 109343 Предмет…

Термоэлемент для измерителей свч-мощности

Загрузка...

Номер патента: 266062

Опубликовано: 01.01.1970

Автор: Нодельмаи

МПК: G01R 21/02

Метки: термоэлемент, измерителей, свч-мощности

…вывод 10.Погруженное в волновод или коаксиал сопротивление термоэлемепта поглощает частьпроходящей мощности, пропорциональнуюквадрат напряхкенност 11 поля В ТО 1 ке его5,включения. Рассе 11 ваемал па сопротивлениимощность электрических колебаний преобразуется в тепловую. Тепловой поток, протекаяв сторону корпуса термоэлемспта, имеющеготепловой контакт со стенкой волновода либо0 наружным, проводником коаксиала, создаетна учасгке, на котором расположен блок термопар, перепад температур, пропорциональный мощности этого потока. Блок термопарпреобразует этот перепад в термо э.д.с из 5 мерлемую при помощи инд 1. каторного прибора,Измеритель проходящей мощности содержит не менее двух таких термоэлементов,соединенных последовательно и…

Пироэлектрический термоэлемент

Загрузка...

Номер патента: 309255

Опубликовано: 01.01.1971

Авторы: Кар, Новик, Копцик, Гаврилова

МПК: G01J 5/20

Метки: пироэлектрический, термоэлемент

…коэффициента стибиотанталпта практически постоянна (в пределах 5%) в интервале 20 — 100 С. На 15 личие у материала петель диэлектрическогогистерезиса при комнатной температуре (ве личина коэрцитивного поля менее 2 кв/см позволяет получать монодоменные термоэле менты с равномерной чувствительностью по 20 полю,0,22 10 зобретени П дм ически тело то, с тервал е мон творовПироэлектр25 щий рабочееигийся тем, чратурного инполнено в видтвердых рас Изобретение относится к области приборостроения.Известны пироэлектрические чувствительные элементы (пироэлектрические приемники радиации и пироэлектрические термометры).Материалом (рабочим телом) указанных элементов являются полярные диэлектрики, используемые в виде монокристаллов и керамики.Пр…

Термоэлемент косвенного нагрева теплового реле

Загрузка...

Номер патента: 469158

Опубликовано: 30.04.1975

Авторы: Мельников, Ефимов

МПК: H01H 61/02

Метки: теплового, косвенного, нагрева, реле, термоэлемент

…расположенный на расстоянии от термобиметаллической пластины, 15 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения тепловой связи и упрощения конструкции, термобиметаллическая пластина соединена с нагревателем гибким соединением из материала с высокой теплопроводностью, например из 20 медной ленты. остоит из нагревателя 1иметалличеокой пластиньИзобретение относится к области низковольтного электроаппаратостроения и может найти применение в тепловых реле и автоматических выключателях.Известные термоэлементы косвенного на ва тепловых реле, содержащие термобиме лическую пластину с элементом креплен нагреватель с токоподводами, расположен на расстоянии от термобиметаллической п тины, не позволяют улучшить тепловую с и…

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом