Laboratorium Inżynierii Materiałowej Dwiczenie 2. Elementy termoelektryczne Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gdaoska Gdaosk 2011
1. CEL DWICZENIA Celem dwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami i podstawowymi charakterystykami elementów wykorzystujących zjawiska termoelektryczne. 2. ZJAWISKA ERMOELEKRYCZNE Zjawiskami termoelektrycznymi nazywamy grupę zjawisk fizycznych, w których występuje zależnośd pomiędzy procesami cieplnymi i elektrycznymi zachodzącymi w obwodach elektrycznych złożonych z jednorodnych (zjawisko homsona) 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) homsona. Zjawisko Seebecka odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego h. 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 2 i zimnego 1 i wyraża się wzorem: e ( 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. a 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. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 2
Zjawisko Peltiera odkryte w roku 1834 przez francuskiego fizyka J. Ch. Peltiera polega na pochłanianiu ciepła na jednym ze spojeo i wydzielaniu go na drugim pod wpływem przepływającego przez obwód prądu. Ilośd 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 Q 0 jest proporcjonalna do natężenia prądu I przepływającego przez styk, współczynnika termoelektrycznego zależnego od rodzaju stykających się materiałów oraz temperatury bezwzględnej 1 styku zimnego: Q I 0 1 (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: 2 2 2 1 (3) gdzie - współczynnik przewodzenia ciepła, - rezystywnośd (średnia arytmetyczna rezystywności materiałów), = 2-1 - różnica temperatur styków gorącego i zimnego. Zjawisko homsona odkryte w 1856 roku przez W. homsona polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła w jednorodnym przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny (o natężeniu I) i którego kooce znajdują się w różnych temperaturach ( 2 i 1 ). W pierwszym przybliżeniu można przyjąd, że zjawisko to jest powodowane transportem ciepła przez elektrony. Gdy elektrony tworzące prąd elektryczny przepływają od gorącego kooca przewodnika do zimnego to zwiększają swoją energię na koocu gorącym kosztem energii drgao atomów sieci krystalicznej materiału, a następnie oddają ją sieci krystalicznej na koocu zimnym. Gdy zaś elektrony płyną od kooca zimnego do gorącego, to pobierają one energię po dotarciu na koniec gorący. W metalach wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgao atomów będących węzłami sieci krystalicznej co powoduje zwiększenie rozpraszania swobodnych elektronów. Wzrost rozpraszania jest równoznaczny ze wzrostem rezystywności materiału. Należy pamiętad, że w elementach termoelektrycznych, które będą badane w trakcie dwiczenia, 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. ELEMENY ERMOELEKRYCZE ermopary Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 3
Jednymi z najbardziej popularnych termoelementów, w których wykorzystuje się zjawisko Seebecka są termopary. ermoparą 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 kooce (zwane też koocami zimnymi) to pomiędzy nimi wytwarza się siła termoelektryczna. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe charakterystyki typowych termopar. ermopary 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 dokładnośd pomiaru i powtarzalnośd wyników, elektryczny sygnał wyjściowy (jest to szczególnie istotne w elektronicznych układach regulacji i kontroli), duży zakres mierzonych temperatur, powszechna dostępnośd 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 charakteryzowad się one regularną strukturą krystaliczną i brakiem naprężeo. W związku z tym drutów takich nie wolno wyginad, a jeśli jest to niezbędne, promieo gięcia powinien byd jak największy. ermopary należy także zabezpieczad przed wpływami ośrodka w którym pracują ponieważ w niektórych przypadkach może dojśd 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 (ablica 2), tak więc np. termopara Alumel-Chromel jest termoparą typu K. Rys. 2. Zależnośd siły termoelektrycznej wybranych termopar od temperatury Istnieją jeszcze inne zastosowania termopar: w detektorach podczerwieni, miernikach próżni itp. ale wielkością mierzoną jest w tych przypadkach temperatura. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 4
ermoelektryczny 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 Bi 2 e 3 oraz Bi 2 Se 3 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. ermoelektryczny 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. Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 5
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 - współczynnik wydajności cieplnej: Q P Q 0 P (5) 0 1 (6) gdzie Q 0 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 Q 0 będą miały: 1. Zjawisko Peltiera, czyli moc cieplna pompowana przez element, 2. Zjawisko homsona, 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. ermorezystor ermorezystory 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(), zwykle w postaci wielomianu stopnia trzeciego lub czwartego. Najczęściej spotykanym typem termorezystora pomiarowego jest termorezystor platynowy Pt100, zwany też czujnikiem Pt100 (ang. 100 Pt RD). 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). Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 6
ermorezystor 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. ermorezystory 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 EC-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() dla termopar: Fe-CuNi (typ J), Pt PtRh(10%) (typ S), NiCr-NiAl (typ K) oraz charakterystyk R=f() termorezystorów: Pt1000, Pt500, Pt100. Jako źródło odniesienia temperatury dla podanych elementów termoelektrycznych należy zastosowao kalibrator EC-400A. Instrukcja obsługi kalibratora temperatury znajduje się na stanowisku laboratoryjnym (Patrz 4.1.). W drugiej części dwiczenia mierzona jest charakterystyka MCK-48\16\6\2 (Patrz 4.2.). =f(i) termoelektrycznego modułu chłodzącego 4.1. Badanie termopar oraz termorezystorów Zmierzyd charakterystykę napięcia w funkcji temperatury dla termopar oraz charakterystykę R() termorezystorów. Napięcia termopar odczytujemy na miliwoltomierzu (M-4650). Pomiaru rezystancji termorezystora dokonujemy przy pomocy dołączonego omomierza (M-4650). Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 7
4.2. Badanie termoelektrycznego modułu chłodzącego. Pomierzyd temperaturę 4 i 5 (na spoinie zimnej i ciepłej zestawu modułu termoelektrycznego) w funkcji prądu zasilania. Podczas badania termoelektrycznego modułu chłodzącego pomiar temperatury 4 i 5 jest dokonywany w sposób pośredni. Układ termometru elektronicznego umieszczony w obudowie zestawu wytwarza napięcie proporcjonalne do temperatury czujnika. Zależnośd napięcia od temperatury dana jest wzorem : o [ C] U[ V ] 100 o C V Wyboru czujnika 4 i 5 dokonuje się przy pomocy przełącznika na płycie czołowej zestawu: klawisze ermometry nr 4 i 5. Pomiaru należy dokonad w zakresie prądów zasilania od 0 do 2.0A co 0.2A. UWAGA! Przekroczenie wartości maksymalnej prądu zasilania spowoduje nieodwracalne uszkodzenie modułu. Po każdej zmianie prądu należy poczekad na ustabilizowanie się wskazao termometru elektronicznego. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW a) Na podstawie danych pomiarowych uzyskanych w punkcie 4.1. wykreślid w skali lin-lin na wspólnym wykresie charakterystyki e( 2 ) badanych termopar. Wykreślid w skali lin-lin charakterystykę R() badanego termorezystora. b) Na podstawie danych uzyskanych w punkcie 4.2. wykreślid charakterystykę =f(i) w skali lin-lin. c) Na podstawie z danych z punktu 4.1. obliczyd wartości współczynników wszystkich termopar na podstawie wzoru: U U 2 1 2 1 gdzie 2 = 300 C, 1 =100 C zaś U 1 i U 2 odpowiadające im napięcia. d) Porównad wartości obliczone w punkcie c) z wartościami przewidywanymi na podstawie tabeli zamieszczonej w dodatku do dwiczenia. Skomentowad różnice (o ile takowe występują). Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 8
Nazwa metalu lub stopu [ V/ C] Nazwa metalu lub stopu [ V/ C] MEALE Rtęd -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 SOPY 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 ablica 1. Wartości współczynników termoelektrycznych dla wybranych metali i stopów Materiał termopary Chromel-Konstantan Żelazo-Konstantan Chromel-Alumel Miedź-Konstantan Platyna-Platynorod 10% Platyna-Platynorod 13% Oznaczenie E J K S R ablica 2. Oznaczenia wybranych typów termopar Laboratorium Inżynierii Materiałowej Strona 9