Состав пояснительной записки

Титульный лист

Задание

Содержание

Введение

В настоящее время трудно себе представить область деятельности человека, где бы ни приходилось сталкиваться с температурными процессами. Температурные технологии объединяют в себе способы и средства измерения температуры, методы регулирования температуры, приборы и оборудование, реализующие эти методы, системы управления температурными процессами. Актуальной научно-технической задачей является создание прецизионных методов стабилизации и программного регулирования температуры, что требует развитие современной науки и техники.

В подавляющем большинстве случаев для получения температур выше температуры окружающей среды используются электрические резистивные нагреватели. Низкие температуры часто получают компрессионным методом охлаждения.

Активно развивающейся областью электроники в настоящее время становится термоэлектрическое приборостроение. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) используются для регулирования и стабилизации температуры, в основном, для диапазона -120ºС ÷ +120ºС. В электронной технике по ряду причин для этого интервала температур ТЭУ являются наиболее эффективными [ ]. Особым преимуществом термоэлектрических систем является то, что изменением полярности питания термоэлектрического устройства можно регулировать температуру как выше, так и ниже температуры окружающей среды. Таким образом, основной диапазон температурных исследований в электронной технике от -60º до +120º С реализуется с помощью одного термоэлектрического устройства, работающего на эффекте Пельтье.

В настоящее время в большинстве прецизионных систем управления различными объектами предпочтение отдается цифровым методам и средствам, в том числе высокоскоростным аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и цифровым процессорам. Создаются конструкции регуляторов с переменной структурой, адаптивные или с самонастройкой, а также с так называемым нечетким законом управления [ ]. Наиболее значительные успехи в подобных разработках были достигнуты в тех случаях, когда регуляторы систем выполнялись на основе цифровых спецпроцессоров. В тех случаях, когда частота информационного сигнала мала, вполне оправдано использование для цифровой обработки сигнала микропроцессора общего назначения [ ].

Для управления современным термическим оборудованием, в большинстве случаев, также целесообразно применение микропроцессорных систем управления (МПСУ). Одной из наиболее сложных задач при создании таких систем управления является учет динамики термического объекта управления, получения математических моделей термоэлектрического оборудования, как объектов управления, учет запаздывания таких инерционных объектов.

1. Краткая историческая справка

Термоэлементы, в основе работы которых лежат термоэлектрические эффекты, являются одними из первых электронных приборов, созданных человеком. История открытия термоэлектрических явлений насчитывает более 180 лет. Начало открытию и исследованиям было положено Томасом Иоганном Зеебеком (1770 - 1831) - немецким физиком, членом Берлинской академии наук (1814) [ ].

Зеебек припаивал друг к другу два разнородных металла, соединял их медным проводником и помещал внутрь петли, образованной проводником, магнитную стрелку. Случайно он обнаружил, что стрелка отклонялась при прикосновении к одному из контактов. После долгих экспериментов выяснилось, что угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи. В физике данное явление получило название "эффекта Зеебека". Зеебек изготовил термопару и пользовал ее для измерения температуры.

В 1821 г. Томас Зеебек выступил с докладом в Берлинской академии наук, а позднее опубликовал в "Известиях Прусской академии наук" результаты своих опытов в статье "К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур".

Зеебек назвал открытое явление "термомагнетизмом". Впоследствии аналогичные эксперименты были проведены Эрстедом, который связал отклонение стрелки компаса с возникновением тока в цепи, состоящей из разных проводников, при наличии разности температур на контактах. Он первым употребил термин "термоэлектрическое явление", который укоренился до наших дней.

Через 12 лет после открытия Зеебека был открыт обратный "эффекту Зеебека" - "эффект Пельтье", названный по имени французского физика, метеоролога Жана Шарля Пельтье. По настоянию отца он изучил часовое производство и работал часовщиком фирмы А.Л. Бреге. Однако, получив наследство в 1815 г., полностью посвятил себя науке - экспериментам в области физики и наблюдению за метеорологическими явлениями.

В ходе экспериментальных исследований проводимости сурьмы и висмута Жан Пельтье намеревался определить, как изменяется температура вдоль однородного или разнородного проводника, по которому проходит ток. В связи с этим Пельтье исследовал температуру в разных точках термоэлектрической цепи с помощью термопары, соединенной с гальванометром. Он обнаружил, что в местах спаев разных металлов температура резко меняется, имеются даже случаи охлаждения. Наибольшего эффекта ему удалось добиться с парой висмут - сурьма. Работа Пельтье о температурных аномалиях вблизи контакта двух различных проводников при прохождении через них электрического тока была опубликована в 1834 г. в "Анналах физики и химии".

Беккерель, Де ла Рив и другие физики отнеслись с недоверием к опытам Пельтье, отчасти, вероятно, потому, что он был в науке, так сказать, случайным человеком. Чтобы исключить всякие сомнения, Пельтье подтвердил открытое им явление непосредственно с помощью воздушного термометра. Именно этот метод и сейчас описывается в учебниках.

Петербургский академик Эмилий Ленц только в 1838 г. доказал, что "эффект Пельтье" является самостоятельным физическим явлением, заключающимся в выделении и поглощении на спаях цепи добавочного тепла при прохождении постоянного тока. При этом характер процесса (поглощение или выделение) зависит от направления тока. Он показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном - охлаждается.

Двадцать лет спустя Уильям Томсон (лорд Кельвин), после того как был сформулирован второй закон термодинамики, дал исчерпывающее объяснение эффектам Зеебека и Пельтье и взаимосвязи между ними. Полученные Томсоном термодинамические соотношения позволили ему предсказать третий термоэлектрический эффект, названный впоследствии его именем.

В 1909 - 1911 гг. возможности применения термоэлектричества в технике были подробно рассмотрены немецким физиком Альтенкирхом. В результате своих исследований он сделал заключение, что хороший термоэлектрический материал должен обладать не только высоким значением коэффициента Зеебека (или коэффициента Пельтье), но и высокой электропроводимостью для уменьшения джоулева тепла и низкой теплопроводностью для снижения обратного переноса тепла от нагретой области термоэлемента к охлажденной. Эксперименты, проведенные в то время, не дали положительных результатов, поскольку в качестве материалов термоэлементов использовались лишь металлы.

Практическое использование термоэлектрические явления нашли только спустя 130 лет после открытия - в середине XX в., благодаря работам выдающегося советского ученого - физика, академика А. Ф. Иоффе.

Успехи в области физики полупроводников, достигнутые в конце 40-х годов XX в., значительно увеличили возможности практического применения термоэлектричества. В 1950 г. академиком А.Ф. Иоффе была разработана теория энергетических применений полупроводниковых термоэлементов, которая положила начало активному практическому использованию термоэлектричества.

Прямое преобразование энергии с помощью термоэлектричества имеет колоссальные возможности. Приборы, работающие на эффекте Пельтье и Зеебека, нашли широкое распространение. В настоящее время продолжаются работы по конструктивному и технологическому совершенствованию этих приборов и выявлению новых областей их применения.

Термоэлектрическое приборостроение в последние годы становится наиболее активно развивающейся областью электроники. Преимущества, а также расширение сферы применения термоэлектрического способа охлаждения, привлекают к нему все больший интерес.