Effetto Seebeck: Termocoppie

(1)

Enrico Silva - proprietà intellettuale non ceduta

Non è permessa, in particolare, la riproduzione anche parziale della presente opera.

Per l’autorizzazione a riprodurre in parte o in tutto la presente opera è richiesto il permesso scritto dell’autore (E. Silva)

Effetto Seebeck:

Termocoppie

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Termocoppie

(2)

Circuito bimetallico

(anche con due semiconduttori)

V₃ −V₀ =

! _T₁

T2

[S_A(T ) − SB(T )]dT Tensione utilizzabile

!"#$%&'()))*&+#,-.*%"/0

Coefﬁcienti Seebeck

Dati a 0°C

(3)

Termocoppie

Necessità di un punto di riferimento a temperatura nota

Esempio: ghiaccio fondente, 0°C

!"#$%$&'(

)''*'+, +"'--$+$'.%

/'01%$&' )''*'+, +"'--$+$'.%

2'34'51%65' 3'1#65'3'.%

76.+%$".

!

"

8".#%1.%1.

8"44'5

#$%&'()*%+%&,-*.)/0 12345678

9:345678

;)%<=&><()*<$(&,%*<(&&>%&*'/?%'%+=

@A23B5678

Termocoppie

Schema di principio

(nell’esempio, termocoppia Cu/costantana: sensibilità +41.5μV/°C a 0°C)

(4)

Termocoppie: giunzioni

Diversi tipi di giunzione fra materiali

Giunto caldo esposto

• tempo di risposta molto breve

• esposto a possibili agressivi chimici

Giunto caldo a massa

• formato con la guaina di protezione (ceramica)

• tempo di risposta breve

• piuttosto robusto, anche per alte pressioni

Giunto caldo isolato

• isolato dalla guaina di protezione

• evita disturbi elettrici

• robusto

• tempo di risposta lungo

Tempo di risposta

Giunto a massa Giunto isolato

Tipologie di termocoppie

Co, Al e Cr → leghe particolari: costantana, Alumel®, Chromel®

(5)

Proprietà delle termocoppie

T (Cu/costantana): • resistente alla corrosione in ambiente umido

• usi anche criogenici; a temperature elevate il Cu si ossida

• non magnetica

Tipo J (Fe/costantana): • Fe ossida sopra ~ 540°C

Tipo E (Chromel®/costantana): • elevato coefﬁciente di Seebeck → elevata sensibilità Tipo K (Chromel®/Alumel®): • resistenti ad ambienti ossidanti, anche T>600°C.

• non adatte al vuoto (il Chromel® perde Cr

→ scalibrazione)

Tipo N (nicrosil/nisil): simile alla K

Tipo R e S (Pt, Rh): • T da ~ –10°C a ~ 1500°C.

Tipo B (Pt, Rh <30%): • alte T

Inoltre vi sono numerose termocoppie non standard, l’effetto Seebeck è ubiquo!

Standardizzazione delle connessioni

United States ASTM e ANSI:

British BS1843: 1952:

British BS4937: Part 30: 1993:

French NFE:

German DIN:

(6)

Risposta delle termocoppie

!""#$%&'()#&("*+,'(#+-#./0#&(1(&(2$(Tabella U.S., riferita a 0 ma in gradi Fahreneit....

Compensazione del punto a freddo

La giunzione di riferimento e un punto del conduttore verso J2 sono ancorati termicamente.

La temperatura del blocco isotermo è monitorata da un sensore (RTD, Thermistor...) e la variazione del riferimento è compensata da

circuiteria analogica o via software.

!"#$%&"'"()*

+%(,)-.(

!"

#$%&'()*+, -,%./0

1 1(*20$(3$435

&)+3$67.()

!

8

9 9

:(3$(0;*2,4<4()

(7)

Effetto Seebeck:

Generatori termolettrici (GTE)

Circuito bimetallico

(anche con due semiconduttori)

V₃

−V₀ =

! _T₁

T2

[S_A(T ) − S_B(T )]dT Tensione utilizzabile

(8)

Generalità

!

Serie elettrica, parallelo termico DUE

circuiti bimetallici, con Sn = –Sp!

Generatore

!"#$%&'()'

(9)

Generatori: microharvesting

!"#$%&$'#$&(#))*%+&,!&$-&$.-&/*()-!%"$&

0%+*12#$%0&#!!"*(#$*-23&42&#",5*2,5&

!"#$%&'()*+,"))

February 18, 2009

Micropelt Introduces World’s First Thermoharvester-Driven Wireless Sensor Node Enables battery-free operation of sensor nodes

60 mm 27 mm

Generatori: microharvesting

The Electrochemical Society Interface • Fall 2008 FIG. 5. Seiko Thermic, a wristwatch powered by body heat using a thermoelectric

generator; (a) the watch, (b) cross-sectional diagram.¹⁴ (Copyright by Seiko Instruments Incorporated, reproduced with permission.)

(fuori produzione)

(10)

Generatori: recupero di energia

The Electrochemical Society Interface • Fall 2008

FIG. 2. Conceptual design of thermoelectric generator producing electricity from waste heat in the engine exhaust. Copyright BMW, reprinted by permission.

+ calore prodotto dall’immondizia, ...

(11)

Generatori: applicazioni spaziali

!"#$%&'$()*+$,-)&

!.#$%&'$()*+$,-)&

./0&

1)2$,-)&

./,30&

045,

MMRTG:

• 8 General Purpose Heat Source (GPHS) modules.

• 3.52 kg Pu-238: 2000 W di potenza termica, 110 W of potenza elettrica nello spazio.

• PbSnTe, PbTe, usati sin dai Viking (atterrati su Marte nel 1976) e Pioneer.

• 64 cm dia. 66 cm L

• 45 kg

https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm

Generatori: applicazioni spaziali

!"#$%$&'()%%*"("+,'-.$/'012/.34',1$'5"62+

725(23$3,0'28',1$'99:;<='2+'9)%,.*9.00.23 :"&.2.02,2($';1$+52$%$7,+.7'<$3$+",2+>

?5"4$'7+$&.,@'ABCB https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm

(12)

Generatori: applicazioni spaziali

MHWRTG:

• 158 W

• operativo dopo > 30 anni!

https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm