Анализ приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей

В статье освещены принципы действия преобразователей, основанных на прямом и обратном термоэлектрических эффектах и методы их анализа, основанные на использовании определенной классификационной системы.

Принцип действия преобразователя основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека. Между проводниками, соединёнными друг с другом имеется взаимосвязанная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся в идентичных температурных условиях, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. В стыках же, находящихся при различных температурных условиях, разность потенциалов зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо- ЭДС. Разные металлы обладают разным коэффициентом термо-ЭДС и, соответственно, будет различной разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников,. Если мы поместим в среду с температурой t1 спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре t2, которое будет пропорционально разности температур t1 и t2. Сущность прямого термоэлектрического эффекта состоит в том, что при разной t мест контактов алгебраическая сумма КРП ? 0, что приводит к возникновению ЭДС и тока. Термо ЭДС - это ЭДС в замкнутой цепи, которая состоит из разнородных металлов при различной температуре мест контактов. В ходе ряда экспериментов установлено, что чем больше разность температур между спаями А и В, тем больше ЭДС. a - это коэффициент пропорциональности, который характеризует термоэлектрические особенности, возникающие при контакте металлов.

a численно равен ЭДС, если t АB = 1.

Под действием термо ЭДС возникает термоток, величина которого является мерой разности температуры слоев.

Обратный термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что в спае А направленное движение термоэлектронов совпадает с направленным движением электронов от внешнего источника. При ускорении электронов затрачивается энергия, что приводит к охлаждению спая. В свою очередь движение термоэлектронов в спае В не совпадает с направлением движения ? от внешнего источника. Соответственно, происходит торможение ? и выделяется энергия, приводящая к нагреванию спая В.

Термоэлектрические преобразователи применяются в основном в промышленности, производстве технологического оборудования, машиностроении, строительстве печей и котлов для измерения температуры технологических сред и автоматизации производственных процессов.

Термоэлектрические преобразователи обладают следующими достоинствами:

  • надежность конструкции
  • широкий диапазон применения
  • небольшая стоимость
  • малая инерционность
  • возможность измерения малых разностей температур

Термоэлектрические преобразователи незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне +0,01°С.

Для выявления обобщенных приемов улучшения эксплуатационных характеристик был проведен анализ патентной документации с использованием информационных ресурсов Роспатента (www.fips.ru), Всеми?рной организа?ции интеллектуа?льной со?бственности (http:// patentscope.wipo.int/) и служб международного патентного поиска (www.espacenet.com). Предметом поиска были термоэлектрические преобразователи. Поиск патентов осуществлялся по следующим странам-заявителям: Россия, Япония, Германия, США.

В ходе исследований особое внимание уделялось приемам, которые позволяют улучшать одновременно несколько эксплуатационных характеристик и не ухудшают при этом значения других. [1]

В результате анализа классификационной таблицы выявлены наиболее эффективные приемы одновременного улучшения нескольких эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей:

Изменение конфигурации преобразователя происходит:

- путем установки термочувствительного элемента в заглушенную с одной стороны защитную арматуру, включающую внутреннюю трубу, цельный по всей длине защитной арматуры чехол и компенсатор в виде термокомпенсирующего слоя, расположенного в зазоре между чехлом и внутренней трубой, соединенной в верхней части с чехлом огнеупорной замазкой, термокомпенсирующий слой выполнен из уплотненного порошкообразного огнеупорного материала фракцией не более 0,5-0,6 мм (Рисунок 1) или путем помещен в наружный чехол, который выполнен в виде цельнолитой чугунной трубы, при этом чехол из графитсодержащего материала и цельнолитая чугунная труба соединены между собой слоем термостойкого цемента, из которого может быть сформирована донная часть в полости между нижней поверхностью чехла из графитсодержащего материала и цельнолитой чугунной трубой, установленной заподлицо или с небольшим выступом за поверхность последнего (Рисунок 2) с целью повышения надежности, упрощения конструкции и расширения диапазона применения.

- путем помещения преобразователя в наружный защитный чехол, одиного или двух чувствительных элемента в виде платинородий-платиновых или платинородий-платинородиевых термопар помещенных во внутренний защитный чехол, узел коммутации, позволяющий размещать контрольный или эталонный термоэлектрический преобразователь внутри защитного чехла (рис 3) с целью повышения надежности и точности измерений.

На основе проведенного анализа были выявлены дальнейшие перспективные области исследований:

  • повышение чувствительности и надежности, расширение диапазона преобразования и появление новых сфер применения за счет новых схемных и конструктивных решений;
  • повышение точности и упрощения конструкции за счет использования новых материалов.

Для упрощения анализа и описания принципа действия термоэлектрических преобразователей, а также для улучшения их эксплуатационных характеристик был разработан классификатор приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей. [2]

Данный классификатор основан на применении метода анализа первичных научно-технических текстов (патентная информация) на основе выделения когнитивных структур (приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей). В нем дается комплексная характеристика термоэлектрических преобразователей, классифицированных по приемам, применяемым при их конструировании. Термоэлектрические преобразователи отражены в них по следующим признакам: улучшаемая эксплуатационная характеристика и прием, с помощью которого это достигается. [3, с.863]

В результате изучения патентной документации все приемы были объединены в четыре группы: конструктивные, схемные, технологические, использование новых материалов. [3, с.864]

Каждому приему дается название, заключающее в себе суть влияния данного приема на эксплуатационные характеристики термоэлектрического преобразователя. Приемов может быть использовано несколько, при этом каждый прием соответствует одному из четырех перечисленных типов. [4, с.67]

Далее выбираются обобщенные эксплуатационные характеристики (цели) из спектра представленных, однако в режиме администратора имеется возможность добавления новой эксплуатационной характеристики. К выбранным характеристикам добавляется оценка влияния по шкале от 1 до 10, она показывает, в какой степени каждая из характеристик улучшена в данной полезной модели. Также дается описание обобщенного приема, которое показывает как тот или иной прием применяется в конкретной полезной модели. Описание решения, варианта или аналога дает возможность сравнения аналогичных полезных моделей и служит для выявления различий в проектировании преобразователей одного класса и определения типа приема (или нескольких приемов), примененного в данной полезной модели. [4, с.67]

Классификатор предназначен для анализа известных приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей, выявления тенденций развития технических решений, направлений совершенствования конструкций с применением новых материалов, конструктивных и схемных решений и может быть использован для подбора оптимального сочетания приемов улучшения эксплуатационных характеристик конструктивных решений термоэлектрических преобразователей. [3, с.868]

 

Список литературы:

  1. Зарипова В.М., Фабер Е.Н., Лежнина Ю.А. Классификация приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей (№ 2014621298 от 15.09.2014).
  2. Зарипова В.М., Фабер Е.Н., Лежнина Ю.А. Классификатор приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей (№ 2015611685 от 04.02.2015).
  3. Фабер Е.Н. Разработка классификатора приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей //В мире научных открытий. Естественные и технические науки. - 2015 - № 4.2(64), С. 860-869.
  4. Фабер Е.Н. Классификация приемов улучшения эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей //Инженерностроительный вестник Прикаспия. - 2014 - № 4(10), С. 64-68.
Теги: Анализ
Год: 2017
Город: Караганда
Категория: Физика