Pobierz Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne i więcej Prezentacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Laboratorium Inżynierii Materiałowej Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdaosk 2011 Dwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona | 2 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska 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 T T( )2 1 (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 AC 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. Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona | 5 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska 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. Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona | 6 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska Do porównywania termoelektrycznych modułów chłodzących stosuje się współczynnik efektywności energetycznej Z. Z 2 (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 0Q P (5) - współczynnik wydajności cieplnej: Q P 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). Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona | 7 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska 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 T=f(I) termoelektrycznego modułu chłodzącego TMCK-48\16\6\2 (Patrz 4.2.). 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).