Расширение жидкостей

Жидкостный датчик – термометр (ртуть, керосин, спирт). Визуальный отсчет по уровню жидкости в капилляре возможен по шкале, а также возможен и электрический выход (контактный датчик). Если жидкость (ртуть) достигнет определенного уровня, то цепь замкнется. Можно делать резистивный датчик, поместив в трубку резистор.

Расширение газов

И

Рис. 3.55. Датчик температуры

змерение температуры через расширение газа (фреон) показано на рис. 3.55. С ростом температуры окружающей среды фреон расширяется, увеличивая давление в мембранной коробке, жесткий центр которой изменяет состояние контакта включения компрессора холодильной установки (бытовой холодильник).

Расширение металлов

И змерение температуры через расширение металлов показано на примере бытового электрического утюга, где датчиком температуры является биметаллическая пластина с различным коэффициентом расширения (ТКР) α ее отдельных пластин. Биметаллический датчик показан на рис. 3.56.

При повышении температуры контактная группа из пластин инвара и латуни изгибаются, и размыкается цепь питания нагревательного элемента утюга.

Н

_ > _

Рис. 3.56. Биметаллический

датчик

а рис. 3.57 приведено дилатометрическое реле температуры регулирования температуры в диапазоне –20°С +40°С.

Рис. 3.57. Дилатометрическое реле температуры

Измерение температуры возможно через изменение частоты колебаний струнного датчика, показанного на рис. 3.58. Струна датчика совместно с возбудителем, адаптером и усилителем образует электромеханический генератор синусоидальных колебаний с мягким режимом возбуждения. Частота генератора будет определяться натяжением струны, которое зависит только от расширения латунного корпуса.

Рис. 3.58. Струнный датчик температуры и его статическая характеристика

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия

Явление термоэлектричества (прямой эффект) было открыто в 1823 г. Зеебеком [ ] и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами как показано на рис. 3.59а, причем температуру q₁ одного места соединения сделать отличной от температуры q₀ другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).

Е_АВ(q₁, q₀) = = f(q₁) – f(q₀).

Рис. 3.59а, б, в. Термоэлектрический контур

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения – спаями. У любой пары электродов значение термоЭДС зависит только от природы проводников и разности температур спаев. Так как материал термоэлектродов различный, то и проводимость электродов неодинакова. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединения находятся при одинаковой температуре, то в них не возникает паразитных термоЭДС. Поэтому прибор для измерения термоЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 3.59,б, в).

Принцип действия термопары основан на термоЭДС, которая возникает за счет разной плотности электронов и диффузии электронов. Свободные электроны в металле ведут себя как идеальный газ. Кинетическая энергия электронов определяется температурой материала. Однако в разных металлах энергия и плотность свободных электронов не является одинаковыми. Когда два разных материала, находящихся при равной температуре, соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются через место соединения. Электрический потенциал материала, принявшего электроны, становится более отрицательным, а материал, отдавший электроны, – более положительным. Разные концентрации электронов с двух сторон соединения формируют электрическое поле, уравновешивающее процесс диффузии, в результате чего устанавливается некоторое равновесие. Если контур является замкнутым и оба соединения находятся при одинаковой температуре, электрические поля около них взаимно уничтожаются, чего не происходит, когда место соединений имеет разную температуру. Эффект Зеебека (внутренний фотоэффект) в дальнейшем был изучен Эйнштейном А., который вывел формулу работы выхода

A = hν + .

где h- постоянная Планка, ν – частота, m – масса электрона,V – скорость электрона.

Согласно формуле Эйнштейна каждый металл (сплав) имеет свою работу выхода. Соединяя сплавы между собой с разными значениями работы А, были получены рабочие и образцовые термопары (ХА, ХК и др.). Р азличные термопары имеют разные статические характеристики, которые задаются таблично. Эталонная термопара составляется из двух сплавов: платинародий (90% - платина, 10% - родий) и чистая платина. Такая термопара может измерять длительно температуру до 1400⁰С, кратковременно – 1600⁰С.

Явление термоэлектричества относится к числу обратимых явлений. Обратный эффект был открыт Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в холодном спае и поглощается в горячем спае. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью, нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. КПД термоэлектрического генератора (термопары) очень мал. При Dq = 300°С не превышает 13 %. КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника так же очень мал. При температурном перепаде 5 °С КПД составляет 9 %, а при перепаде 40 °С – только 0,6 %.

В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур. Полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие ток в тепловой поток. Для создания термопар были измерены ЭДС различных металлов и сплавов, причем вторым электродом служила платина. При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС. При этом необходимо учитывать пригодность того или иного электрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектроды среды, температуры и т.д.). Зависимость термоЭДС от температуры обычно нелинейна, поэтому данные табл. 3.2 нельзя распространять на более высокие температуры.