LABORATORIUM

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

ĆWICZENIE NR 2

ELEMENTY TERMOELEKTRYCZNE

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami i podstawowymi charakterystykami elementów wykorzystujących zjawiska termoelektryczne.

2. ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

Zjawiskami termoelektrycznymi nazywamy grupę zjawisk fizycznych, w których występuje zależność 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 ćwiczenia.

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 wartość siły termoelektry-cznej e jest proporcjonalna do różnicy temperatur spojeń: gorącego T₂ i zimnego T₁ i wyraża się wzorem:

(1)

Gdzie α jest współczynnikiem termoelektrycznym nazywanym czasami zdolnością termoelektryczną względną materiałów termoelementu. Wartość 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 α_AB i α_BC to współczynnik termoelektryczny termoelementu wykonanego z elementów A i C α_AC jest równy α_AB - α_BC. Ta zależność 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.

Zjawisko Peltiera odkryte w roku 1834 przez francuskiego fizyka J. Ch. Peltiera polega na pochłanianiu ciepła na jednym ze spojeń i wydzielaniu go na drugim pod wpływem przepływającego przez obwód prądu. Ilość 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, współczynnika termoelektrycznego α zależnego od rodzaju stykających się materiałów oraz temperatury bezwzględnej T₁ styku zimnego:

(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:

(3)

gdzie λ - współczynnik przewodzenia ciepła, ρ - rezystywność (średnia arytmetyczna rezystywności materiałów), ΔT = T₂ - T₁ - różnica temperatur styków gorącego i zimnego.

Zjawisko Thomsona odkryte w 1856 roku przez W. Thomsona (tj. Lorda Kelvina) polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła w jednorodnym przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny (o natężeniu I) i którego końce znajdują się w różnych temperaturach (T₂ i T₁). W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że zjawisko to jest powodowane transportem ciepła przez elektrony. Gdy elektrony tworzące prąd elektryczny przepływają od gorącego końca przewodnika do zimnego to zwiększają swoją energię na końcu gorącym kosztem energii drgań atomów sieci krystalicznej materiału, a następnie oddają ją sieci krystalicznej na końcu zimnym. Gdy zaś elektrony płyną od końca zimnego do gorącego, to pobierają one energię po dotarciu na koniec gorący.

W metalach wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań atomów będących węzłami sieci krystalicznej co powoduje zwiększenie rozpraszania swobodnych elektronów. Wzrost rozpraszania jest równoznaczny ze wzrostem rezystywności materiału.

Należy pamiętać, że w elementach termoelektrycznych, które będą badane w trakcie ćwiczenia, 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

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 końce (zwane też końcami 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 dokładność pomiaru i powtarzalność wyników, elektryczny sygnał wyjściowy (jest to szczególnie istotne w elektronicznych układach regulacji i kontroli), duży zakres mierzonych temperatur, powszechna dostępność 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 charakteryzować się one regularną strukturą krystaliczną i brakiem naprężeń. W związku z tym drutów takich nie wolno wyginać, a jeśli jest to niezbędne, promień gięcia powinien być jak największy. Termopary należy także zabezpieczać przed wpływami ośrodka w którym pracują ponieważ w niektórych przypadkach może dojść 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.

Istnieją jeszcze inne zastosowania termopar: w detektorach podczerwieni, miernikach próżni itp. ale wielkością mierzoną jest w tych przypadkach temperatura.

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 pełnić zarówno rolę elementu chłodzącego jak i elementu ogrzewającego. Ma to duże znaczenie dla prostoty systemów kontroli temperatury, ponieważ nie trzeba stosować 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 zastosowań. Obecnie jest on stosowany między innymi w optoelektronice, jako element chłodzący lasery półprzewodnikowe, w medycynie oraz w aparaturze laboratoryjnej, chłodzeniu urządzeń 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 absorbcji termoelektryczne moduły chłodzące mają następujące zalety:

1. Pompują znacznie większy strumień ciepła.

2. Są bezpieczne dla środowiska ze względu na brak cieczy lub gazów roboczych oraz elementów ruchomych.

3. Nie wytwarzają drgań mechanicznych ani zakłóceń elektrycznych.

4. Są bardzo niezawodne. Średni czas pracy do uszkodzenia wynosi ponad 20 lat.

Do porównywania termoelektrycznych modułów chłodzących stosuje się współczynnik efektywności energetycznej 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, zależność pompowanego ciepła od warunków zewnętrznych oraz niezawodność.

Działanie termoelektrycznych modułów chłodzących charakteryzuje się przy pomocy dwóch współczynników zdefiniowanych następująco:

- współczynnik wydajności chłodniczej: (5)

- współczynnik wydajności cieplnej: (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. 100Ω 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).

Termorezystor Pt100 jest stosowany do pomiaru temperatur z zakresu -260°C do 750°C. Zakres temperatur pracy konkretnego wykonania tego typu termorezystora może odbiegać 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 przepuszczać 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 być kalibrowany po każdej zmianie czujnika, ani w miarę upływu czasu jego pracy.

Stosując termorezystory w systemach pomiarowych lub dokonując ich wymiany należy pamiętać o różnicach występujących pomiędzy normami poszczególnych państw (np Niemiec i USA) lub normami specjalistycznymi. Normy te różnią się współczynnikami wielomianu opisującego rezystancję termorezystora w funkcji temperatury.

4. PRZEBIEG POMIARÓW

W pierwszej częsci ćwiczenia mierzone są charakterystyki e = f(T₂) dla termopar: Platynowej (Pt-PtRh 10%) (1), Żelazo-Konstantan (2), oraz charakterystyka R=f(T) termorezystora Pt1000.

W drugiej części ćwiczenia mierzona jest charakterystyka ΔT=f(I) termoelektrycznego modułu chłodzącego TMCK-48\16\6\2.

4.1. Badanie termopar oraz termorezystora Pt1000.

Nie włączać zasilania zestawu pomiarowego. Zdjąć charakterystykę napięcia w funkcji temperatury dla obu termopar oraz jednocześnie charakterystykę R(T) termorezystora. Napięcia termopar odczytujemy na miliwoltomierzu, zaś wyboru termopary dokonujemy przełącznikiem na płycie czołowej zestawu przy pomocy klawiszy oznaczonych: Termopary nr 1, 2. Pomiaru rezystancji termorezystora dokonujemy przy pomocy dołączonego doń omomierza.

4.2. Badanie termoelektrycznego modułu chłodzącego.

Włączyć zasilanie zestawu pomiarowego. Pomierzyć temperaturę T₄ i T₅ (na spoinie zimnej i ciepłej) w funkcji prądu zasilania modułu. Pomiaru dokonać w zakresie od 0 do 2.0A co 0.2A.

UWAGA! Przekroczenie wartości maksymalnej prądu zasilania spowoduje nieodwracalne uszkodzenie modułu.

Po każdej zmianie prądu należy poczekać na ustabilizowanie się wskazań termometru elektronicznego. 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.

Zależność napięcia od temperatury dana jest wzorem :

Wyboru czujnika T₄ i T₅ dokonuje się przy pomocy przełącznika na płycie czołowej zestawu: klawisze Termometry nr 4 i 5.

5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

a) Na podstawie danych pomiarowych uzyskanych w punkcie 5.1. wykreślić w skali lin-lin na wspólnym wykresie charakterystyki e(T₂) badanych termopar. Wykreślić w skali lin-lin charakterystykę R(T) badanego termorezystora.

b) Na podstawie danych uzyskanych w punkcie 5.2. wykreślić charakterystykę ΔT=f(I) w skali lin-lin.

c) Na podstawie z danych z punktu 5.1. obliczyć wartości współczynników α wszystkich termopar na podstawie wzoru:

gdzie T₂ = 300°C, T₁ =100°C zaś U₁ i U₂ odpowiadające im napięcia.

d) Porównać wartości obliczone w punkcie c) z wartościami przewidywanymi na podstawie tabeli zamieszczonej w dodatku do ćwiczenia. Skomentować różnice (o ile takowe występują).

Nazwa metalu lub stopu	α [μV/°C]	Nazwa metalu lub stopu	α [μV/°C]
METALE		Rtęć	-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	STOPY
Złoto	+2.9	Chromel	+24.0
Srebro	+2.7	Nichrom	+18.0
Ołów	0.0	Platynorod	+2.0
Cyna	-0.2	Alumel	-17.3
Magnez	-0.2	Konstantan	-38.0
Glin	-0.4	Kopel	-38.0

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

7

Rys. 2. Zależność siły termoelektrycznej wybranych termopar od temperatury

---