2. Termocuplul

Materialele care puse impreuna manifesta efect Seebeck formeaza un termocuplu . Intr-un fir metalic ale carui capete se afla la temperaturi diferite TA > TB apare o diferenta de potential electric UAB cauzata de faptul ca electronii de conductie din capatul cu temperatura mai mare au o energie cinetica mai mare si vor difuza catre capatul mai rece. In acest fel capatul cald se va incarca pozitiv iar capatul rece al firului se va incarca negativ. De remercat ca in cazul in care purtatorii mobili de sarcina sunt golurile, sarcini pozitive, atunci capatul cald se incarca negativ iar cel rece pozitiv. Din aceasta cauza efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de purtatori de sarcina liberi dintr-un semiconductor.

Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care apare UAB este direct proportionala cu diferenta de temperatura dintre capetele firului:

UAB = VA – VB = S·( TA – TB )                             (14)

unde S este coeficientul Seebeck, o proprietate a materialului din care este facut firul.

In cazul concret in care firul este din cupru si plecam din A si B tot cu fire din cupru catre un instrument de masura sensibil, vom constata ca tensiunea indicata va fi zero. Cauza este aceea ca din tensiunea initiala UAB se scade tensiunea termoelectrica a firelor de legatura, in cazul de fata identica cu tensiunea initiala. Este ca si cum am lega doua baterii identice cu bornele "+" impreuna si bornele "-" impreuna, oriunde intrerupem circuitul si masuram tensiunea, aceasta va fi zero.

Situatia se schimba daca intre punctele A si B avem un fir de nichel, iar de la punctele A si B plecam catre instrumentul de masura cu un fir din cupru, atunci voltmetrul va indica o diferenta de potential. In acest caz fiind vorba de metale diferite, cu coeficienti Seebeck diferiti, diferenta de potential masurata va fi:

U = UAB(Ni) – UAB(Cu) = SNi·(TA – TB) – SCu·(TA – TB) =

= (SNi – SCu)·(TA – TB) (15)

De regula se dau in tabele coeficientii Seebeck relativi, masurati pentru materialul respectiv fata de un material de referinta (de cele mai multe ori platina). Coeficientul Seebeck al unui material nu ramane constant in functie de temperatura. Doua materiale poat fi folosite impreuna intr-un termocuplu doar daca coeficientul Seebeck al cuplului este relativ constant pe domeniul de temperaturi in care se lucreaza.

In aplicatiile practice este necesara cunoasterea urmatoarelor trei legi referitoare la utilizarea fenomenelor termoelectrice [3] pentru masurarea temperaturii:

  1. legea circuitului omogen,
  2. legea metalelor intermediare,
  3. legea temperaturilor succesive.
1. Legea circuitului omogen. Intr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferente de temperatura in circuit. Aceasta lege se mai poate formula astfel: suma algebrica a fortei electromotoare intr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen, cu sau fara variatii de sectiune si temperatura, este zero. Rezulta ca in cazul unui circuit compus din doua metale diferite omogene, cu punctele de sudura la temperaturile T1 si T2 ,diferite, tensiunea electromotoare nu depinde de distributia si gradientul de temperatura in lungul circuitului.

2. Legea metalelor intermediare. Suma algebrica a tensiunii termoelectromotoare intr-un circuit compus dintr-un numar oarecare de metale omogene si diferite este egala cu zero daca intreg circuitul se afla la aceeasi temperatura. Rezulta ca tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un numar de metale diferite se obtine din suma algebrica a tensiunilor termoelectromotoare corespunzatoare fiecarui metal fata de un metal de referinta. In consecinta, cand se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare directa, fie prin lipire cu un metal oarecare, care sa nu se topeasca pana la temperatura de utilizare, deoarece elementele componente ale sudurii se gasesc la aceeasi temperatura. Din acelasi motiv cand se masoara temperatura unei bai de metal topit, conductoarele metalice constituind sudura calda a termocuplului pot fi izolate electric intre ele. In momentul masurarii prin imersare, metalul topit din baie realizeaza contactul electric jucand rolul de metal de lipire a conductoarelor. Introducand un al treilea conductor in circuitul unui termocuplu, forta termoelectromotoare nu se modifica daca ambele capete ale celui de-al treilea conductor se gasesc la aceeasi temperatura.

3. Legea temperaturilor succesive sau intermediare. Tensiunea termoelectromotoare produsa de un termocuplu alcatuit din metale omogene cu punctele sale de sudura la temperaturile T1 si T3 este egala cu suma tensiunilor termoelectromotoare ale aceluiasi termocuplu cu punctele de sudura o data la temperaturile T1 si T2 si o data la temperaturile T2 si T3. Aceasta lege isi gaseste aplicatii in utilizarea practica a termocuplurilor.

Termocuplul se compune din doua fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capat 1. Capatul sudat se numeste sudura calda, iar celelalte capete 2 si 3, numite capete libere ale termocuplului, se leaga prin conductoarele de legatura c la aparatul electric pentru masurarea fortei termoelectromotoare. Legaturile dintre capetele libere si conductoarele de legatura constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie mentinuta la o valoare constanta.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maxima de 200 cm, din care 2/3 intra in cuptorul in care se masoara temperatura, sudura rece se va gasi totdeauna in apropierea cuptorului. Acesta fiind la temperatura ridicata, degaja caldura si creeaza in jurul lui o temperatura mai ridicata decat a camerei si variabila in timp. Din acest motiv, cat si pentru ca este incomod sa se realizeze sudura rece in imediata apropiere a cuptorului, s-a cautat sa se deplaseze sudura rece in alta parte, unde se poate mentine o temperatura constanta.

Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de aceeasi natura, in general chiar din acelasi material. In felul acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire si firele termocuplului nu se formeaza un termocuplu, deci nu ia nastere forta termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare si sunt complet separate de termocuplu, legatura executandu-se numai la montarea termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului intr-un loc cu temperatura constanta. Sudura rece se va forma acum la legatura dintre cablul de compensare si cablul de legatura.

Termocuplurile se executa din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atat de materialul din care sunt executati termoelectrozii, cat si de temperatura sudurilor calde si reci. Relatia dintre temperatura si forta termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuatie de gradul al doilea de forma:

E=a+bt+ct2             (16)

in care E este forta termoelectromotoare rezultanta, atunci cand t este temperatura sudurii calde, iar temperatura sudurii reci este constanta (in general 0 oC); a, b si c sunt trei constante ale caror valori se determina prin masurarea tensiunii termoelectromotoare la temperaturi fixe cunoscute (temperatura de solidificare a stibiului, a argintului si a aurului). Valoarea constantelor a, b si c depinde numai de materialul termoelectrozilor din care s-a executat termocuplul.

Curbele care reprezinta legatura dintre temperatura si tensiunea termoelectromotoare se numesc curbe internationale. Fiecare tip de termocuplu are curba internationala proprie. Pentru a usura utilizarea acestor curbe internationale valorile corespunzatoare sunt tabelate.

Tabel t.t.e.m. fata de Platina (Driver-Harris) [4]
 
Temp

oC

 Cu

(+)

 Const.

(-)

 Fe

(+)

 Cromel

(T1)(+)

 Alumel

T2(-)

 Nicrosil

(+)

 Nisil

(-)

 Ni

(-)
-200
 -0,195 5,408            
-100
 -0,369 3,009            
0
 0 0 0 0 0 0 0 0
100
 0,773 -3,504 1,87 2,813 -1,282 1,784 0,989 -1,94
200
 1,836 -7,450 2,8? 5,969 -2,168 2,942 -1,970  
300
 3,149 -11,711   9,322 -2,885 6,348 -2,993  
400
 4,689 -16,180 5? 12,762 -3,633 8,918 -4,055  
500
   -20,789   16,210 -4,430 11,601 -5,144  
600
   -25,469   19,615 -5,286 14,367 -6,262  
700
   -30,160 9,9 22,950 -6,178 17,202 -8,324  
800
   -34,816   26,206 -7,071 20,096 -8,361  
900
   -39,3   29,385 -7,940 23,044 -8,326  
1000
       32,494 -8,775 26,040 -10,208  
1100
       35,535 -9,573 29,074 -11,002  
1200
 38,500 -10,328 32,136 -11,700
1300
           35,211 -12,271  

Curbele obtinute cu sudura rece la 0 oC sunt reprezentate in figura alaturata.

Materiale intrebuintate la constructia termocuplurilor Ca electrozi se utilizeaza in special metale si aliaje, care in afara de faptul ca satisfac unele conditii impuse acestora dezvolta in acelasi timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale sau aliaje care satisfac urmatoarele conditii:

  1. sa aibe o compozitie omogena si constanta;
  2. sa dezvolte o tensiune termoelectromotoare stabila la temperaturi ridicate;
  3. curba tensiunii termoelectromotoare in functie de temperatura sa fie cat se poate de liniara;
  4. sa aibe o buna conductivitate electrica;
  5. proprietatile electrice ale metalului sau aliajului sa nu se modifice in urma oxidarii;
  6. forta electromotoare sa fie constanta in timp;
  7. sa fie posibila fabricarea unor materiale identice care sa asigure intersanjabilitatea termocuplurilor.
Cele mai bune termocupluri se cauta pe cale experimentala. Se studiaza proprietatile electrice ale diferitelor metale sau aliaje si se selectioneaza acelea care satisfac cel mai mult conditiile de mai sus. Pentru a gasi combinatia cea mai buna din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare in functie de temperatura pentru o serie de metale si aliaje care formeaza termocupluri cu platina. S-a ales platina ca metal de referinta deoarece ea se poate obtine in stare foarte pura si are o mare stabilitate electrica si chimica. Cele mai raspandite materiale care se intrebuinteaza la executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate in continuare.

Platina. Datorita calitatilor chimice si electrice, platina (Pt) impreuna cu aliajele de platina cu rhodiu PtRh(10 % Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina avand o mare stabilitate chimica si o temperatura de topire ridicata (1769 oC) se intrebuinteaza la masurarea temperaturilor inalte, devenind chiar un instrument etalon pentru masurarea acestor temperaturi. Termocuplul platina-platina rhodiu masoara temperaturi intre 0 si 1600 oC. Se mai obisnuieste formarea termocuplului platina cu platin-iridiu (10% Ir). Platina trebuie ferita insa de carbon, hidrogen si vapori de metale, care au efecte daunatoare asupra ei. In mod special trebuie evitata utilizarea platinei in atmosfera oxidanta sau reducatoare in care se gasesc oxizi metalici.

Constantanul este un aliaj care contine 40 % Ni si 60% Cu. El se intrebuinteaza in combinatie cu fierul pur pentru termocuplul Fe-Constantan care poate masura temperaturi de la - 200 oC pana la 900 oC, iar cu cuprul pur termocuplul Cu-Constantan pentru temperaturi de la – 200 oC pana la 600 oC. Constantanul se poate obtine destul de usor si are proprietati electrice suficient de stabile.

Cromelul este un aliaj avand compozitia 89,0% Ni, 9,8% Cr, 1,0% Fe si 0,2 % Mn. Se utilizeaza in combinatie cu alumelul (94%Ni, 0,5% Fe, 2% Al, 2,5 % Mn si 1 % Si) formand un termocuplu tehnic pentru domeniul de la 0 oC la 1 200 oC, foarte des folosit.

Copelul (45% Ni , 55% Cu) si cromelul realizeaza un termocuplu care serveste la masurarea temperaturii intre 0 si 900 oC. Termocuplul cromel-copel are avantajul ca dezvolta o forta electromotoare mare, ceea ce este uneori o calitate foarte pretioasa .

Nichelul este unul dintre cele mai vechi metale utilizate la formarea termocuplului, mai ales cu nichelcrom (84,6 % Ni , 12,4 % Cr , 3 % Fe) sau cu grafit (carbune). Termocuplurile formate in ambele cazuri masoara temperatura in domeniul 0¸ 1200 oC. Nichelul are avantajul ca se poate obtine sub forma de fire foarte omogene.

Nicrosil este un aliaj de Ni 84 %, Cr 14,2%, Si 1,4% folosit ca electrod pozitiv la termocuplele moderne in combinatie cu nisil (Ni 95%, Si 4,3%) ca electrod negativ in termocuplul de tip N.