РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ОТ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Нурахмет Е.Е.¹, Руди Д.Ю.¹, Халитов Н.А.¹, Руденок А. И.¹, Шарков Н.В.¹ Нифонтова Л.С.¹, Бубенчиков А.А.²

¹Магистрант, ²Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ОТ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Аннотация

В статье рассмотрено – определение электрического термопреобразователя для осуществления измерения температуры, основные выполняемые задачи, основное предназначение, указаны отрасли различных областей, и технологические установки, где они успешно применяются и какую задачу выполняют, составлена основная формула определения величины термоэлектродвижущей силы, указаны основные характеристики и чем они характеризуются в целом, рассмотрен ряд основных достоинств и недостатков с подробным рассмотрением.

Ключевые слова: электрический термопреобразователь, термопара, измерение температуры.

Nurakhmet Y.Y.¹, Rudi D.Yu.¹, Khalitov N.A.¹, Rudenok A.I.¹, Sharkov N.V.¹, Nifontova L.S.¹, Bubenchikov A.A.²

¹Undergraduate student, ²PhD in Engineering, Omsk State Technical University

DEVELOPMENT OF ELECTRIC THERMAL CONVERTER FROM A SOLAR COLLECTER

Abstract

The article considers definition of electric thermocouple for temperature measurement, the main tasks performed, the main purpose, given the industry a variety of areas and processing plants, where they successfully applied what task is performed, composed the basic formula for determining the value of the thermoelectric power, shows the main features and what they characterized as a whole , addressed a number of key advantages and disadvantages of a detailed examination.

Keywords: electric thermocouple, thermocouple, temperature measurement.

Развитие альтернативной энергетики ставит новые задачи в разработке способов и конструкций для преобразования, и хранения электрической энергии [1-3]. Основой большинства солнечных коллекторов явялется электрический термопреобразователь [4]. Он представляет собой устройство для измерения температуры, в составе которого находится два разнородных проводника, имеющие контакт друг с другом в одной или нескольких точках одновременно, которые в некоторых случаях образовывают связь между компенсационными проводами. При переменах температуры в одном из таких зон, параллельно в этот же момент появляется установленное напряжение.

Электрические термопреобразователи также имеющие другое название как, термопары [4] либо термопреобразователь, предназначение которых заключается в осуществлении контролирования и измерения температуры твердых, жидких, газообразных состояний вещества, имеющих неагрессивную реакцию непосредственно к материалу [5] корпуса самого преобразователя, а также конвертации температуры в энергию, в частности, в электрический ток.

Существует два типовых вида подключения термопары к приборам измерительного и преобразовательного действия (рис. 1). В первом случае термопары подключаются к свободным концам термоэлектродов (а), или же в разрыв одной из дуг датчика (б).

                                                                а)                                   б)

Рис. 1 - Типы подключения термопары к измерительным и преобразовательным приборам

1- измерительный прибор; 2,3 – термоэлектроды; 4 – соединительные провода; Т1, Т2 – температуры «горячего» и «холодного» спаев температуры

Определить величину термо-ЭДС, произведённой термопарой, можно по следующей формуле [7]:

где  – постоянный коэффициент пропорциональности^[2].

Обычной задачей электрических термопреобразователей является осуществление измерения температур объектов различного типа и сред с различными агрегатными состояниями, также немаловажным стоит отметить, что термопары еще применяются в системах управления и контроля, большая доля которых является автоматизированной. Термопары, изготовляемые из сплава вольфрам-рения в настоящее время являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры [6]. Для постоянного контроля температуры расплавленных металлов в отрасли черной и цветной металлургии, применение термопар такого исполнения является незаменим.

Термопары применяются в самых широких отраслях, так например, они применяются в газовых котлах, где непрерывно контролируют пламя и защищают котел от излишней загазованности. Происходит это следующим образом, газовый клапан удерживается в открытом состоянии при помощи собственного тока термопары, который нагревается непосредственно от самой горелки. В случае затухания пламени, ток термопары снижается, и клапан перекрывает подачу газа. Обратный процесс осуществляется примерно таким же образом, при затухании пламени, ток вырабатываемый термопарой будет снижаться, и далее сам клапан будет перекрываться, и подача газа будет прекращена.

В 20—30-х годах прошлого столетия термопары имели совсем необычное применение. Они питали радиоприемники простейшего исполнения, а также некоторые другие приборы имеющие малый ток.

Электрические термопреобразователи используются в насадочных колоннах, где они измеряют температуру разделяемого либо перерабатываемого вещества [7]. Применяется также в установках для исследования термоосмотического течения воды в пористых стеклах [8]. В установках для измерения токов разрядки, где термопара измеряет температуру в измерительной ячейке установки [9].

Применяется в схемах для исследования температурных параметров корпуса вращающейся содовой печи, где они привариваются к наружной стенке печи [10]. Используются в технологических трубопроводах, где как соответственно измеряют температуру [11]. В схемах для определения влажности газов, термопара измеряет температуру полированных поверхностей, где накопляется влага [12].

Электрические термопреобразователи как, и устройство имеет свои основные характеристики, которыми являются:

- градуировочная характеристика – обуславливает значение зависимости между температурой рабочего спая и значением термоЭДС термопары;

- чувствительность;

- погрешность. Термопара имеет следующие причины погрешности: отклонение от стандарта характеристик термопары; непостоянство характеристики термопары с течением времени; у защитной арматуры в процессе лучеиспускания и теплопроводности происходит потеря тепла; температура свободных концов отклоняется от градуировочных значений; инерция, происходящая от тепла;

От стандартных значений характеристик термопары отклоненные характеристики, обуславливаются следующими причинами: термоэлектроды имеют в составе разнородные сплавы, напряжениями, вызванными механическими способами и др. В соответствии с ГОСТ для промышленных термопар допускаются отклонения реальных значений термоЭДС от градуировочных значений допускаются в диапазоне от сотых до десятых долей милливольта.

- показатель тепловой инерции (постоянная времени) - определяется показателем тепловой инерции, и описывается следующим образом: термопара, имеющая постоянную времени, определяется из процесса внедрения термопары в исследуемую среду. Постоянная времени определяет быстродействие электрического термопреобразователя, которое может находиться от в диапазоне от миллисекунд до минут;

Постоянная времени зависит от конструктивной особенности термопары и толщи проводов.

Как и любое техническое устройство электрические термопреобразователи имеют свой ряд достоинств и недостатков, которые указаны ниже.

Достоинство электрических термопреобразователей заключается в следующем:

- высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С), что позволяет точно определять температуру;

- большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C, применение возможно при любом агрегатном состоянии вещества;

- простота конструкции, не будет возникать затруднений при установке;

- низкая стоимость, что существенно облегчает ее внедрение;

- высокая надежность, что означает выход устройства из эксплуатации сведено к минимуму.

Электрический термопреобразователь является не до конца совершенным устройством, и также как любое устройство имеет свои недостатки. Недостатками является следующее:

- необходима индивидуальная градуировка термопары для произведения высокоточного измерения температуры (до ±0,01 °С);

- нелинейная зависимость термоЭДС от температуры. Возникают проблемы при выработке вторичных преобразователей сигнала;

- в результате резких перепадов температур появляются термоэлектрические неоднородности, напряжения, вызванные механически;

- появляется эффект «антенны» при значительной длине термопарных и удлинительных проводов, для уже существующих электромагнитных полей.

Литература

1. Бубенчиков А.А., Николаев М.И., Киселёв Г.Ю., Есипович Н.В., Феофанов М.К., Шкандюк Д.О. Возможность применения солнечной энергии на территории России и омской области // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 85-89.
2. Бубенчиков А.А., Дайчман Р.А., Артамонова Е.Ю. Анализ генераторов для систем автономного электроснабжения // Научный аспект. 2015. Т. 2. № 4. С. 201-207.
3. Бубенчиков А.А., Дайчман Р.А., Артамонова Е.Ю. Выбор аккумуляторных батарей для систем автономного питания // Научный аспект. 2015. Т. 2. № 4. С. 208-215.
4. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар: справочное издание. М.: Металлургия, 1983, 360 с.
5. Черепанов В.А. Методы измерений электрических и магнитных свойств функциональных материалов: Учебное пособие. – «Уральский государственный университет им. А.М. Горького», 2008, 143 с.
6. Данишевский С.К., Гуревич А.М., Смирнова Н.И., Павлова Е.И., Ипатова С.И., Константинов В.И. Термопары для измерения высоких температур с применением термоэлементов на молибденовой или вольфрамовой основе. АС СССР №108438 (опубл. В «Бюллетень изобретений», №4, 1958), приоритет 1957 г.
7. Вольфкович, С. И., Жаворонков, Н. М. Поспелов, И. А. Методы и процессы химической технологии., Москва - Ленинград - «Академия наук СССР», 1955, 234 с.
8. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностые силы. – М.; Наука, 1985. – 389 с.
9. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. М, «Химия», 1976. – 224 с.
10. Абдеев Р.Г., Рамазанов Р.Г., Рыскулов Р.Г., Инсафутдинов А.Ф. Обеспечение работоспособности содовых печей повышением точности и технологичности при сборке на стадии эксплуатации. – Уфа: БашНИИстрой, 1988. – 222 с.: ил.
11. Наумов В.Г., Орлов В.М. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов. – Москва: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. – 276 с.
12. Ничуговский Г.Ф. Определение влажности химических веществ. Л., «Химия», 1977. – 200 с.

References

1. Bubenchikov A.A., Nikolaev M.I., Kiselyov G.YU., Esipovich N.V., Feofanov M.K., SHkandyuk D.O. Vozmozhnost' primeneniya solnechnoj ehnergii na territorii Rossii i omskoj oblasti // Sovremennaya nauka i praktika. 2015. № 4 (4). S. 85-89.
2. Bubenchikov A.A., Dajchman R.A., Artamonova E.YU. Analiz generatorov dlya sistem avtonomnogo ehlektrosnabzheniya // Nauchnyj aspekt. 2015. T. 2. № 4. S. 201-207.
3. Bubenchikov A.A., Dajchman R.A., Artamonova E.YU. Vybor akkumulyatornyh batarej dlya sistem avtonomnogo pitaniya // Nauchnyj aspekt. 2015. T. 2. № 4. S. 208-215.
4. Rogel'berg I.L., Bejlin V.M. Splavy dlya termopar: spravochnoe izdanie. M.: Metallurgiya, 1983, 360 s.
5. CHerepanov V.A. Metody izmerenij ehlektricheskih i magnitnyh svojstv funkcional'nyh materialov: Uchebnoe posobie. – «Ural'skij gosudarstvennyj universitet im. A.M. Gor'kogo», 2008, 143 s.
6. Danishevskij S.K., Gurevich A.M., Smirnova N.I., Pavlova E.I., Ipatova S.I., Konstantinov V.I. Termopary dlya izmereniya vysokih temperatur s primeneniem termoehlementov na molibdenovoj ili vol'framovoj osnove. AS SSSR №108438 (opubl. V «Byulleten' izobretenij», №4, 1958), prioritet 1957 g.
7. Vol'fkovich, S. I., ZHavoronkov, N. M. Pospelov, I. A. Metody i processy himicheskoj tekhnologii., Moskva - Leningrad - «Akademiya nauk SSSR», 1955, 234 s.
8. Deryagin B.V., CHuraev N.V., Muller V.M. Poverhnostye sily. – M.; Nauka, 1985. – 389 s.
9. Lushchejkin G.A. Polimernye ehlektrety. M, «Himiya», 1976. – 224 s.
10. Abdeev R.G., Ramazanov R.G., Ryskulov R.G., Insafutdinov A.F. Obespechenie rabotosposobnosti sodovyh pechej povysheniem tochnosti i tekhnologichnosti pri sborke na stadii ehkspluatacii. – Ufa: BashNIIstroj, 1988. – 222 s.: il.
11. Naumov V.G., Orlov V.M. Izgotovlenie i montazh tekhnologicheskih truboprovodov. – Moskva: Gosudarstvennoe izdatel'stvo literatury po stroitel'stvu, arhitekture i stroitel'nym materialam, 1961. – 276 s.
12. Nichugovskij G.F. Opredelenie vlazhnosti himicheskih veshchestv. L., «Himiya», 1977. – 200 s.