Пьезоэлектрические преобразователи. ток электронов металлический стержень У

Та

Источник

|

ток электронов металлический стержень

У

охлаждение - нагревание

нагреватель

Рисунок 7.21—Электротермический эффект Томсона

Т.о., при пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается (рис. 7.21). Какой именно нагревается, а какой охлаждается - это зависит от направления тока в цепи.

Коэффициент Зеебека α для пары проводников связан с коэффициентом Томсона г следующим соотношением:

da/dT = (t₁- t₂)/T. (7.26)

В первом приближении явление Томсона можно объяснить следующим образом: в условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, то при совпадении направления тока с температурным градиентом (соответ­ствует движению электронов от горячего участка к холодному) электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота). В противном случае, электроны, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счѐт окружающих атомов (теплота поглощается) и ускоряются.

Таким образом, причина всех термоэлектрических явлений ─ нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми). Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей, поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

Термоэлектрические приборы.

1)термопары

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип дейст­вия которых основан на явлении Зеебека. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 7.22), либо в разрыв одного из них (рис. 7.19).

Рисунок 7.22—Конструкция термоэлектрического термометра

Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой Т ₁ на рис. 7.19) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре Т ₂ другого спая. При этом контакты, которые подключаются к объекту измерения называют рабочими концами термопар, а контакты, к которым подключается измерительный прибор - свободными концами.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие - одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом - мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов, которые начинают распространяться в сторону более холодного конца. В этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов - колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, - величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобраз­ователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 7.23). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре Т ₁, а другой - при температуре Т₂. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

проводник В

1---------------------------------------------------------------- '

тл

Вольтметр

Рисунок 7.23—Термобатарея из N одинаковых термоэлементов, соединенных

последовательно

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры. Главные преимущества термопар: ─ широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков;

─ спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с

измеряемым объектом; ─ простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар: ─ необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС; ─ возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов; ─ материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.; ─ на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект

«антенны» для существующих электромагнитных полей; ─ зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S (Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая термо-ЭДС (около 10 мкВ/К при 1000 °С). В таблице 7.2 приведены типы наиболее распространенных тстандартных термопар

Таблица 7.2— Стандартные термопары

Тип термопары по МЭК	Материал положительного контакта	Материал отрицательного контакта	Рабочий диапазон температур, °С
J	Железо	Константан	-210 ÷ +1200
K	Хромель	Алюмель	-270 ÷ +1372
T	Медь	Константан	-270 ÷ +400
E	Хромель	Константан	-270 ÷ +1000
B	Платина + 30% родий	Платина + 6% родий	0 ÷ +1820
S	Платина + 10% родий	Платина	-50 ÷ +1768
R	Платина + 13% родий	Платина	-50 ÷ +1768
C	Вольфрам + 5% рений	Вольфрам + 26% рений	0 ÷ + 2315

Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных

исследований можно сделать вывод о их лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые
термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения

окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна. Так, например, если для термопары типа S используется компенсационный провод, температура которого изменяется от 23 °С (головка термопары) до 0 °С (лед), то возникает дополнительная ЭДС около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4 °С для температуры 900 °С.

Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от -160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или -273,16° C).

2) Термоэлектрические генераторы и холодильники

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Термоэлементы делаются из полупроводнков, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупроводника. Если выбрать такое направление тока (рис. 7), при котором на

контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника). Температура спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (p) в другую (n), переходят в новое состояние с более высокой энергией. Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай охлаждается. При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь п) на низкий энергетический уровень (ветвь p) электроны отдают часть своей энергии атомам спая термоэлемента, который начинает нагреваться.

Рисунок 7.24—Принципиальная схема термоэлектрического холодильника

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства - это эффективность охлаждения:

Z = 2а / р- к_т, (7.27)

где а - коэффициент термо-ЭДС; р ─ удельное сопротивление; к _T - удельная теплопровод­ность полупроводника.

Т.о., параметр Z - функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Целесообразно выбирать полупроводники с наибольшими значениями подвижности и с минимальной теплопроводностью. Введение в полупроводник тех или иных примесей - основное доступное средство изменять его показатели (а, р, к _T ) в желательную сторону.

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20ºС до ‒200ºС; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств - малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».

Термоэлектрические охлаждающие устройства применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, для управления процессом кристаллизации, в медико-биологических приборах и т.д.

Пьезоэлектрический преобразователь (ПП), как и тензорезистор, представляет разновидность преобразователей электромеханического типа.

В основе работы ПП лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, которое подводится к электродам, нанесенных на чувствительный элемент преобразователя (обычно это прямоугольная пластина, диск, стержень и т.д.) из кристаллического или поликристаллического материала в механическое напряжение (обратный

пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций элемента под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект). Обратимость пьезоэлементов позволяет выполнять преобразователь в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционального их амплитуде. Для соединения с источником электрической энергии ПП снабжается токоподводами, а для фиксации в присоединенной конструкции - элементами крепления.

Пьезоэффект характеризуется пьезомодулем, определяющим зависимость величины заряда на гранях кристалла от величины деформации, и обладает знакочувствительностью, т. е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария,титанат свинца, цирконат свинца и т. д. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упругие свойства. Модуль упругости пьезокерамических материалов Е = (0,65 ÷ 1,3)×10^-11 Па. Добротность, определяемая только механическими потерями, лежит в диапазоне Q = 100 ÷ 300. Тангенс угла потерь (при электрической напряженности Е < 25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg δ = 0,02 ч 0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точке Кюри соответствует температура Т_К = 530°С, для пьезокерамик эта температура, зависимости от типа, находится в пределах 100 ‒ 420°С.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

• Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

• Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов, обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т. д.

• Преобразователи, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, —пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты, применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот.

• Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т. д.), величин в частоту.

9.1 Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения Устройство и измерительные цепи. На рис. 7.25 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, пред­ставляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины Х- среза 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным

сопротивлением. Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной
цепью, представлена на рис. 7.26 на котором С ₀ — емкость между гранями пьезоэлектрика

(емкость преобразователя); С _к — емкость кабеля между жилой и экраном и С _вх — входная емкость измерительной цепи; R ₀ — сопротивление преобразователя; R _к — сопротивление изоляции кабеля; R _вх—входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 7.25— Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Изм. цепь

Дата добавления: 2014-12-08