Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne - ETI PG

Laboratorium
Inżynierii Materiałowej
Dwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Katedra Optoelektroniki i
Systemów
Elektronicznych, WETI,
Politechnika Gdaoska
Gdaosk 2011
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
1. CEL DWICZENIA
Celem dwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami i podstawowymi charakterystykami elementów
wykorzystujących zjawiska termoelektryczne.
2. ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE
Zjawiskami termoelektrycznymi nazywamy grupę zjawisk fizycznych, w których występuje zależnośd pomiędzy
procesami cieplnymi i elektrycznymi zachodzącymi w obwodach elektrycznych złożonych z jednorodnych (zjawisko
Thomsona) bądź różnorodnych (zjawisko Seebecka i zjawisko Peltiera) przewodników lub półprzewodników. Spośród
wielu zjawisk tej grupy omówione zostaną trzy zjawiska (rys. 1), które są podstawą działania elementów badanych w
trakcie dwiczenia.
Rys. 1. Zjawiska termoelektryczne: a) Seebecka b) Peltiera c) Thomsona.
Zjawisko Seebecka odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego Th. J. Seebecka, polega na powstawaniu siły
elektromotorycznej (nazywanej niekiedy siłą termoelektryczną lub termoelektromotoryczną) w obwodzie
elektrycznym utworzonym z dwóch różnych przewodników (termoelemencie). W małym zakresie temperatur
wartośd siły termoelektry-cznej e jest proporcjonalna do różnicy temperatur spojeo: gorącego T2 i zimnego T1 i
wyraża się wzorem:
e
(T2
T1 )
(1)
Gdzie
jest współczynnikiem termoelektrycznym nazywanym czasami zdolnością termoelektryczną względną
materiałów termoelementu. Wartośd tego współczynnika zależy od rodzaju przewodników oraz od zakresu
temperatur w jakim pracuje termoelement.
Współczynniki termoelektryczne wszystkich metali i stopów spełniają następujące twierdzenie: Jeżeli współczynniki
termoelektryczne termoelementów wykonanych z materiałów A i B oraz B i C wynoszą odpowiednio AB i BC to
współczynnik termoelektryczny termoelementu wykonanego z elementów A i C A C jest równy AB - BC. Ta zależnośd
pozwala na obliczanie współczynnika termoelektrycznego dowolnego termoelementu na podstawie danych
współczynników termoelektrycznych jego materiałów względem materiału odniesienia, którym przeważnie jest ołów
(Pb). W tablicy 1 podano wartości współczynnika termoelektrycznego dla wybranych materiałów względem ołowiu
dla temperatur 0 - 100 C.
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 2
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Zjawisko Peltiera odkryte w roku 1834 przez francuskiego fizyka J. Ch. Peltiera polega na pochłanianiu ciepła na
jednym ze spojeo i wydzielaniu go na drugim pod wpływem przepływającego przez obwód prądu. Ilośd
transportowanego ciepła zależy od materiałów złącza, jego temperatury i gęstości prądu. Przyczyną występowania
zjawiska Peltiera jest to, że średnia energia elektronów uczestniczących w przewodzeniu prądu zależy od struktury
pasmowej materiału, koncentracji elektronów oraz mechanizmu ich rozpraszania i dlatego jest różna w różnych
przewodnikach. Przy przejściu z jednego przewodnika do drugiego elektrony albo oddają nadmiar energii
otaczającym je atomom, albo uzupełniają niedobór energii ich kosztem (w zależności od kierunku prądu). W
pierwszym wypadku w pobliżu styku ciepło Peltiera jest wydzielane, a w drugim - pochłaniane.
Moc pochłaniana przez styk zimny Q0 jest proporcjonalna do natężenia prądu I przepływającego przez styk,
zależnego od rodzaju stykających się materiałów oraz temperatury
współczynnika termoelektrycznego
bezwzględnej T1 styku zimnego:
Q0
T1 I
(2)
Przy przepływie prądu w zamkniętym obwodzie utworzonym z dwóch przewodników jeden z kontaktów nagrzewa
się, drugi - ochładza. Maksymalna różnica temperatur jest ograniczona właściwościami materiałów i jest równa:
2
T
2
T12
(3)
gdzie - współczynnik przewodzenia ciepła, - rezystywnośd (średnia arytmetyczna rezystywności materiałów), T
= T2 - T1 - różnica temperatur styków gorącego i zimnego.
Zjawisko Thomsona odkryte w 1856 roku przez W. Thomsona polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła w
jednorodnym przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny (o natężeniu I) i którego kooce znajdują się w różnych
temperaturach (T2 i T1). W pierwszym przybliżeniu można przyjąd, że zjawisko to jest powodowane transportem
ciepła przez elektrony. Gdy elektrony tworzące prąd elektryczny przepływają od gorącego kooca przewodnika do
zimnego to zwiększają swoją energię na koocu gorącym kosztem energii drgao atomów sieci krystalicznej materiału,
a następnie oddają ją sieci krystalicznej na koocu zimnym. Gdy zaś elektrony płyną od kooca zimnego do gorącego, to
pobierają one energię po dotarciu na koniec gorący.
W metalach wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgao atomów będących węzłami sieci krystalicznej
co powoduje zwiększenie rozpraszania swobodnych elektronów. Wzrost rozpraszania jest równoznaczny ze
wzrostem rezystywności materiału.
Należy pamiętad, że w elementach termoelektrycznych, które będą badane w trakcie dwiczenia, oprócz zjawisk
opisanych powyżej występują jeszcze inne, nie opisane tu zjawiska fizyczne takie jak przewodzenie i promieniowanie
ciepła oraz wydzielanie się ciepła Joule'a - Lenza.
3. ELEMENTY TERMOELEKTRYCZE
Termopary
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 3
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Jednymi z najbardziej popularnych termoelementów, w których wykorzystuje się zjawisko Seebecka są termopary.
Termoparą nazywamy element składający się z dwóch różnych metali lub stopów połączonych ze sobą przy pomocy
lutowania, spawania lub skręcania.
Gdy złącze termopary znajduje się w innej temperaturze niż jej kooce (zwane też koocami zimnymi) to pomiędzy
nimi wytwarza się siła termoelektryczna. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe charakterystyki typowych termopar.
Termopary są stosowane głównie jako czujniki służące do pomiaru temperatury w zakresie od -200 C do 2500 C w
przemysłowych i laboratoryjnych systemach pomiaru temperatury. Ich podstawowe zalety to: duża dokładnośd
pomiaru i powtarzalnośd wyników, elektryczny sygnał wyjściowy (jest to szczególnie istotne w elektronicznych
układach regulacji i kontroli), duży zakres mierzonych temperatur, powszechna dostępnośd oraz precyzyjne
określenie parametrów termopar poprzez normy krajowe i międzynarodowe. Mimo, że sama idea pomiaru jest
prosta to przeprowadzenie pomiarów z dokładnością większą niż 1 C jest rzeczą trudną. Szczególnie trudnymi do
spełnienia są wymagania dotyczące drutów, z których wykonuje się termopary. Powinny charakteryzowad się one
regularną strukturą krystaliczną i brakiem naprężeo. W związku z tym drutów takich nie wolno wyginad, a jeśli jest to
niezbędne, promieo gięcia powinien byd jak największy. Termopary należy także zabezpieczad przed wpływami
ośrodka w którym pracują ponieważ w niektórych przypadkach może dojśd do ich zniszczenia lub wydatnego
pogorszenia parametrów na skutek reakcji materiałów termopar z otoczeniem.
W praktyce przemysłowej do opisu typu termopary stosuje się znormalizowane oznaczenia literowe (Tablica 2), tak
więc np. termopara Alumel-Chromel jest termoparą typu K.
Rys. 2. Zależnośd siły termoelektrycznej wybranych termopar od temperatury
Istnieją jeszcze inne zastosowania termopar: w detektorach podczerwieni, miernikach próżni itp. ale wielkością
mierzoną jest w tych przypadkach temperatura.
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 4
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Termoelektryczny moduł chłodzący
Elementem wykorzystującym zjawisko Peltiera jest termoelektryczny moduł chłodzący zwany również elementem
Peltiera. Widok jego przekroju poprzecznego przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Przekrój poprzeczny termoelektryczneego modułu chłodzącego.
Z punktu widzenia konstruktora termoelektryczny moduł chłodzący jest pompą cieplną, która po doprowadzeniu do
niej pewnej mocy przepompowuje ciepło w kierunku zależnym od kierunku prądu. Może on zatem pełnid zarówno
rolę elementu chłodzącego jak i elementu ogrzewającego. Ma to duże znaczenie dla prostoty systemów kontroli
temperatury, ponieważ nie trzeba stosowad oddzielnych elementów grzejnych i chłodzących.
Do jego wytwarzania używa się specjalnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak tellurek i selenek bizmutu
Bi2Te3 oraz Bi2Se3 domieszkowanych antymonem. Materiały te uzyskuje się w procesie kierunkowej krystalizacji lub
metalurgii proszków otrzymując polikrystaliczny materiał półprzewodnikowy o bardzo silnym efekcie Peltiera i bardzo
słabym przewodnictwie cieplnym (co jest nie mniej ważną cechą termoelektrycznego modułu chłodzącego) w postaci
prostopadłościennych kostek (wlewków), które lutuje się do miedzianych mostków. Na powstałą w wyniku lutowania
konstrukcję z obu stron nakleja się ceramiczne płytki, spełniające rolę elementów nośnych i usztywniających.
Termoelektryczny moduł chłodzący był początkowo stosowany jedynie w technice wojskowej i kosmicznej, ze
względu na swoją wysoką cenę. Postęp, jaki dokonał się w inżynierii materiałowej spowodował znaczne obniżenie
ceny tego elementu, a tym samym rozszerzenie zakresu zastosowao. Obecnie jest on stosowany między innymi w
optoelektronice, jako element chłodzący lasery półprzewodnikowe, w medycynie oraz w aparaturze laboratoryjnej,
chłodzeniu urządzeo elektroniki przemysłowej, czy też w przenośnych lodówkach i chłodziarkach do wina lub piwa.
W porównaniu z urządzeniami chłodniczymi działającymi w oparciu o zjawiska sprężania lub absorpcji
termoelektryczne moduły chłodzące mają następujące zalety:
1. Pompują znacznie większy strumieo ciepła.
2. Są bezpieczne dla środowiska ze względu na brak cieczy lub gazów roboczych oraz elementów ruchomych.
3. Nie wytwarzają drgao mechanicznych ani zakłóceo elektrycznych.
4. Są bardzo niezawodne. Średni czas pracy do uszkodzenia wynosi ponad 20 lat.
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 5
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Do porównywania termoelektrycznych modułów chłodzących stosuje się współczynnik efektywności energetycznej Z.
2
Z
(4)
Zauważmy, że wzór ten jest bardzo podobny do wzoru (3) na maksymalną różnicę temperatur styków
termoelementu. Maksymalna różnica temperatur jest jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących
termoelement. Pozostałe istotne parametry to: wymiary geometryczne, maksymalny prąd zasilania, zakres
temperatur pracy, napięcie znamionowe, zależnośd pompowanego ciepła od warunków zewnętrznych oraz
niezawodnośd.
Działanie termoelektrycznych modułów chłodzących charakteryzuje się przy pomocy dwóch współczynników
zdefiniowanych następująco:
- współczynnik wydajności chłodniczej: 0
- współczynnik wydajności cieplnej:
Q0
P
Q
P
(5)
0
1
(6)
gdzie Q0 jest mocą chłodniczą czyli mocą, jaka w ustalonych warunkach zewnętrznych pochłaniana jest przez spoinę
zimną, Q jest mocą grzania, która wydzielana jest przez spoinę gorącą a P jest mocą zasilania modułu.
Analiza termodynamiczna termoelektrycznego modułu chłodzącego wymaga uwzględnienia wszystkich zjawisk
cieplnych zachodzących w tym elemencie w trakcie jego pracy. Wkład do wartości Q0 będą miały:
1. Zjawisko Peltiera, czyli moc cieplna pompowana przez element,
2. Zjawisko Thomsona, czyli moc cieplna oddawana przez elektrony podczas przemieszczania się od spoiny
gorącej do zimnej,
3. Zjawisko Joule'a-Lenza, czyli moc cieplna wydzielana w elemencie podczas przepływu prądu I,
4. Zjawisko przewodnictwa ciepła, czyli moc cieplna wydzielana na spoinie zimnej wskutek przewodnictwa
cieplnego elementu Peltiera.
Termorezystor
Termorezystory są bardzo powszechnie stosowanymi czujnikami temperatury. Wykorzystują one zjawisko zmian
rezystancji jednorodnego przewodnika pod wpływem temperatury. Charakterystyki termorezystorów podawane są
zwykle w postaci tabelarycznej lub poprzez podanie zależności R(T), zwykle w postaci wielomianu stopnia trzeciego
lub czwartego.
Najczęściej spotykanym typem termorezystora pomiarowego jest termorezystor platynowy Pt100, zwany też
czujnikiem Pt100 (ang. 100 Pt RTD). Oprócz niego są stosowane inne termorezystory: niklowe Ni100 i miedziane Cu.
Liczba podana po oznaczeniu materiału podaje rezystancję elementu przy temperaturze 0 C (rezystancję
nominalną).
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 6
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Termorezystor Pt100 jest stosowany do pomiaru temperatur z zakresu -260 C do 750 C. Zakres temperatur pracy
konkretnego wykonania tego typu termorezystora może odbiegad od podanego powyżej.
Istnieją dwa sposoby wykonania termorezystorów. Pierwszy z nich polega na nawinięciu na ceramicznym korpusie
odcinka drutu platynowego o średnicy 0.03…0.05mm. Drugi polega na umieszczeniu na podłożu ceramicznym ścieżki
oporowej metodą naparowania w próżni lub technologii grubowarstwowej.
Pomiar temperatury realizuje się poprzez pomiar rezystancji termorezystora, przeważnie przy pomocy układu
mostkowego. Ostatnio w coraz większej liczbie przypadków stosuje się bezpośredni cyfrowy pomiar rezystancji.
Przez termorezystor nie można przepuszczad zbyt dużych prądów ponieważ powoduje to wydzielanie ciepła Joule'a Lenza które zwiększa temperaturę termorezystora. Przeważnie maksymalny prąd, który nie powoduje zbyt dużego
błędu pomiaru zawiera się w granicach 1..10 mA.
Termorezystory charakteryzują się dobrą stałością (małymi zmianami starzeniowymi) oraz dobrą powtarzalnością
parametrów. Dzięki temu system pomiarowy nie musi byd kalibrowany po każdej zmianie czujnika, ani w miarę
upływu czasu jego pracy.
Stosując termorezystory w systemach pomiarowych lub dokonując ich wymiany należy pamiętad o różnicach
występujących pomiędzy normami poszczególnych paostw (np Niemiec i USA) lub normami specjalistycznymi. Normy
te różnią się współczynnikami wielomianu opisującego rezystancję termorezystora w funkcji temperatury.
4. PRZEBIEG POMIARÓW
Laboratoryjne stanowisko pomiarowe składa się z : kalibratora temperatury ETC-400A, mierników uniwersalnych
Metex M-4650, zasilacza LPS-302, zestawu czujników termoelektrycznych oraz laboratoryjnego modułu
termoelektrycznego.
W pierwszej części dwiczenia mierzone są charakterystyki e = f(T) dla termopar:
Fe-CuNi (typ J),
Pt –PtRh(10%) (typ S),
NiCr-NiAl (typ K)
oraz charakterystyk R=f(T) termorezystorów: Pt1000, Pt500, Pt100. Jako źródło odniesienia temperatury dla
podanych elementów termoelektrycznych należy zastosowao kalibrator ECT-400A. Instrukcja obsługi kalibratora
temperatury znajduje się na stanowisku laboratoryjnym (Patrz 4.1.).
W drugiej części dwiczenia mierzona jest charakterystyka
TMCK-48\16\6\2 (Patrz 4.2.).
T=f(I) termoelektrycznego modułu chłodzącego
4.1. Badanie termopar oraz termorezystorów
Zmierzyd charakterystykę napięcia w funkcji temperatury dla termopar oraz charakterystykę R(T) termorezystorów.
Napięcia termopar odczytujemy na miliwoltomierzu (M-4650). Pomiaru rezystancji termorezystora dokonujemy przy
pomocy dołączonego omomierza (M-4650).
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 7
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
4.2. Badanie termoelektrycznego modułu chłodzącego.
Pomierzyd temperaturę T4 i T5 (na spoinie zimnej i ciepłej zestawu modułu termoelektrycznego) w funkcji prądu
zasilania. Podczas badania termoelektrycznego modułu chłodzącego pomiar temperatury T4 i T5 jest dokonywany w
sposób pośredni. Układ termometru elektronicznego umieszczony w obudowie zestawu wytwarza napięcie
proporcjonalne do temperatury czujnika.
Zależnośd napięcia od temperatury dana jest wzorem :
o
o
T[ C ] U [V ] 100
C
V
Wyboru czujnika T4 i T5 dokonuje się przy pomocy przełącznika na płycie czołowej zestawu: klawisze Termometry nr 4
i 5.
Pomiaru należy dokonad w zakresie prądów zasilania od 0 do 2.0A co 0.2A.
UWAGA! Przekroczenie wartości maksymalnej prądu zasilania spowoduje nieodwracalne uszkodzenie modułu. Po
każdej zmianie prądu należy poczekad na ustabilizowanie się wskazao termometru elektronicznego.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
a) Na podstawie danych pomiarowych uzyskanych w punkcie 4.1. wykreślid w skali lin-lin na wspólnym wykresie
charakterystyki e(T2) badanych termopar. Wykreślid w skali lin-lin charakterystykę R(T) badanego
termorezystora.
b) Na podstawie danych uzyskanych w punkcie 4.2. wykreślid charakterystykę T=f(I) w skali lin-lin.
c) Na podstawie z danych z punktu 4.1. obliczyd wartości współczynników
wzoru:
U2
T2
wszystkich termopar na podstawie
U1
T1
gdzie T2 = 300 C, T1 =100 C zaś U1 i U2 odpowiadające im napięcia.
d) Porównad wartości obliczone w punkcie c) z wartościami przewidywanymi na podstawie tabeli zamieszczonej
w dodatku do dwiczenia. Skomentowad różnice (o ile takowe występują).
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 8
Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne
Nazwa metalu
lub stopu
[ V/ C]
METALE
Nazwa metalu
lub stopu
[ V/ C]
Rtęd
-4.4
Antymon
+43.0
Platyna
-4.4
Żelazo
+15.0
Sód
-6.5
Molibden
+7.6
Pallad
-8.9
Kadm
+4.6
Potas
-13.8
Wolfram
+3.6
Nikiel
-20.8
Miedź
+3.2
Bizmut
-68.0
Cynk
+3.1
Złoto
+2.9
Chromel
+24.0
Srebro
+2.7
Nichrom
+18.0
Ołów
0.0
Cyna
-0.2
Alumel
-17.3
Magnez
-0.2
Konstantan
-38.0
Glin
-0.4
Kopel
-38.0
STOPY
Platynorod
+2.0
Tablica 1. Wartości współczynników termoelektrycznych dla wybranych metali i stopów
Materiał termopary
Oznaczenie
Chromel-Konstantan
E
Żelazo-Konstantan
J
Chromel-Alumel
K
Miedź-Konstantan
T
Platyna-Platynorod 10%
S
Platyna-Platynorod 13%
R
Tablica 2. Oznaczenia wybranych typów termopar
Laboratorium Inżynierii Materiałowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 9