עקרון העבודה של המדחום האלקטרוני

המדחום התרמו-אלקטרי משתמש בצמד תרמי כאלמנט למדידת הטמפרטורה למדידת הכוח התרמו-חשמלי המתאים לטמפרטורה וערך הטמפרטורה מוצג על ידי המד. נעשה בו שימוש נרחב למדידת הטמפרטורה בטווח של -200 ℃ ~ 1300 ℃, ובנסיבות מיוחדות, הוא יכול למדוד את הטמפרטורה הגבוהה של 2800 ℃ או את הטמפרטורה הנמוכה של 4K. יש לו את המאפיינים של מבנה פשוט, מחיר נמוך, דיוק גבוה וטווח מדידת טמפרטורות רחב. מכיוון שהצמד התרמי ממיר את הטמפרטורה לחשמל לזיהוי, נוח למדוד ולשלוט בטמפרטורה ולהגביר ולהפוך אותות טמפרטורה. הוא מתאים למדידה למרחקים ארוכים ובקרה אוטומטית. בשיטת מדידת טמפרטורת המגע, היישום של מדחומים תרמואלקטריים הוא הנפוץ ביותר.

DS-1
(1) עקרון מדידת טמפרטורה של צמד תרמי
העיקרון של מדידת טמפרטורה של צמד תרמי מבוסס על האפקט התרמו-אלקטרי.
חבר את המוליכים A ו- B של שני חומרים שונים בסדרה ללולאה סגורה. כאשר הטמפרטורה של שני המגעים 1 ו -2 שונה, אם T> T0, נוצר בלולאה כוח תרמו-חשמלי, ולולאה תהיה כמות מסוימת. זרמים גדולים וקטנים, תופעה זו נקראת אפקט פירואלקטרי. כוח אלקטרומטרטיבי זה הוא הידוע "כוח תרמו-אלקטרומטרטיבי Seebeck", המכונה "כוח תרמו-חשמל", המסומן כ- EAB, ומוליכים A ו- B נקראים תרמו-אלקטרודות. מגע 1 בדרך כלל מולחם יחד, והוא ממוקם במקום מדידת הטמפרטורה כדי להרגיש את הטמפרטורה הנמדדת במהלך המדידה, ולכן הוא נקרא סוף המדידה (או הקצה החם של סוף העבודה). צומת 2 דורש טמפרטורה קבועה, הנקראת צומת התייחסות (או צומת קר). חיישן המשלב שני מוליכים והופך את הטמפרטורה לכוח תרמו-חשמלי נקרא צמד תרמי.

הכוח התרמו-חשמלי מורכב מפוטנציאל המגע של שני מוליכים (פוטנציאל Peltier) ופוטנציאל הפרש הטמפרטורה של מוליך יחיד (פוטנציאל תומסון). גודל הכוח התרמו-חשמלי קשור לתכונות של שני חומרי המוליך וטמפרטורת הצומת.
צפיפות האלקטרונים בתוך המוליך שונה. כאשר שני מוליכים A ו- B עם צפיפות אלקטרונים שונים נמצאים במגע, מתרחש דיפוזיה אלקטרונית על פני המגע, והאלקטרונים זורמים מהמוליך עם צפיפות אלקטרונים גבוהה למוליך עם צפיפות נמוכה. קצב דיפוזיית האלקטרונים קשור לצפיפות האלקטרונים של שני המוליכים והוא פרופורציונלי לטמפרטורה של אזור המגע. בהנחה שצפיפות האלקטרונים החופשיים של מוליכים A ו- B הם NA ו- NB, ו- NA> NB, כתוצאה מפיזור אלקטרונים, מוליך A מאבד אלקטרונים ונעשה טעון חיובי, בעוד שמוליך B צובר אלקטרונים ונעשה טעון שלילי ויוצר חשמל שדה על משטח המגע. שדה חשמלי זה מעכב את התפשטות האלקטרונים, וכשמגיעים לשיווי משקל דינמי נוצר הבדל פוטנציאלי יציב באזור המגע, כלומר פוטנציאל המגע שגודלו הוא

(8.2-2)

כאשר קבוע k – Boltzmann, k = 1.38 × 10-23J / K;
כמות המטען האלקטרוני, e = 1.6 × 10-19 C;
T – הטמפרטורה בנקודת המגע, K;
NA, NB - הם צפיפות האלקטרונים החופשית של מוליכים A ו- B, בהתאמה.
הכוח החשמלי המופק על ידי הפרש הטמפרטורה בין שני קצוות המוליך נקרא פוטנציאל תרמו-אלקטרי. בשל שיפוע הטמפרטורה, חלוקת האנרגיה של האלקטרונים משתנה. האלקטרונים של הטמפרטורה הגבוהה (T) יתפזרו לקצה הטמפרטורה הנמוכה (T0), ויגרמו לקצה הטמפרטורה הגבוה להיות טעון באופן חיובי בגלל אובדן אלקטרונים, והקצה לטמפרטורה נמוכה יהיה טעון שלילי עקב אלקטרונים. לכן, נוצר הבדל פוטנציאלי גם בשני הקצוות של אותו מוליך ומונע התפשטות אלקטרונים מקצה הטמפרטורה הגבוה לקצה הטמפרטורה הנמוכה. ואז האלקטרונים מתפזרים ליצירת שיווי משקל דינמי. ההבדל הפוטנציאלי שנקבע בשלב זה נקרא פוטנציאל תרמו-אלקטרי או פוטנציאל תומסון, שקשור לטמפרטורה עבור

(8.2-3)

JDB-23 (2)

בנוסחה, σ הוא מקדם תומסון, המייצג את ערך הכוח החשמלי המופק על ידי הפרש טמפרטורה של 1 מעלות צלזיוס, וגודלו קשור לתכונות החומר והטמפרטורה בשני הקצוות.
המעגל הסגור של הצמד התרמי המורכב ממוליכים A ו- B כולל שני פוטנציאלים במגע eAB (T) ו- eAB (T0) בשני המגעים, ומכיוון ש T> T0, קיים גם פוטנציאל תרמו-אלקטרי בכל אחד מהמוליכים A ו- B. לכן, סך הכוח החשמלי-תרמי EAB (T, T0) של הלולאה הסגורה צריך להיות הסכום האלגברי של כוח החשמל המגע וההפרש הטמפרטורי החשמלי, כלומר:

(8.2-4)

עבור הצמד התרמי שנבחר, כאשר טמפרטורת הייחוס קבועה, הכוח הכולל של תרמו-חשמל הופך לפונקציה חד-ערכית של טמפרטורת מסוף המדידה T, כלומר EAB (T, T0) = f (T). זהו העיקרון הבסיסי של מדידת טמפרטורה של צמד תרמי.


זמן ההודעה: יוני-11-2021