Senzori temperature. Treći dio. Termoparova. Seebeckov efekt

Termoelement. Kratka povijest stvaranja, uređaja, principa rada

Izvana je termoelement smješten vrlo jednostavno: dvije tanke žice su jednostavno zavarene zajedno u obliku uredne male kuglice. neki moderni digitalni multimetri Kineski proizvodi opremljeni termoelementom koji vam omogućuje mjerenje temperature ne manje od 1000 ° C, što omogućuje provjeru temperature grijanja lemljenje željeza ili željezo, koje će lasersko ispisati stakloplastiku, kao i u mnogim drugim slučajevima.

Dizajn takvog termoelementa vrlo je jednostavan: oba ožičenja skrivena su u cijevi od stakloplastike, pa čak i nemaju izolaciju vidljivu oku. S jedne strane su žice uredno zavarene, a s druge imaju utikač za spajanje na uređaj. Čak i kod tako primitivnog dizajna, rezultati mjerenja temperature nisu dvojbeni, osim ako se, naravno, ne zahtijeva točnost mjerenja klase 0,5 ° C i više.

Za razliku od upravo spomenutih kineskih termoparova, termoparovi za uporabu u industrijskim postrojenjima imaju složeniju strukturu: mjerni dio samog termoelementa nalazi se u metalnom kućištu. Unutar kućišta se termoelement nalazi u izolatorima, obično keramičkim, dizajniranim za visoke temperature.

obično termoelement je najčešći i najstariji senzor temperature, Njeno djelovanje temelji se Seebeckov efekt, koja je otvorena 1822. godine. Da bismo se upoznali s tim učinkom, mentalno ćemo sastaviti jednostavnu shemu prikazanu na slici 1.

Slika 1

Na slici su prikazana dva različita metalna vodiča M1 i M2, čiji su krajevi u točkama A i B jednostavno zavareni zajedno, mada se svugdje i svugdje iz tih razloga neki nazivi spajaju. Usput, mnogi domaći rukotvorci za domaće termoparove, dizajnirani za rad na ne baš visokim temperaturama, umjesto zavarivanja koriste samo lemljenje.

Vratimo se na sliku 1. Ako će sva ova konstrukcija jednostavno ležati na stolu, od toga neće biti učinka. Ako se jedan od spojeva zagrijava nečim, barem šibicom, tada će iz vodiča M1 i M2 u zatvorenom krugu strujati električna struja. Neka bude vrlo slab, ali svejedno bit će.

Da biste se uvjerili u to, dovoljno je da prekinete jednu žicu u ovom električnom krugu i bilo kojoj i da u rezultirajući razmak uključite milivoltmetar, po mogućnosti s sredinom, kao što je prikazano na slikama 2 i 3.

Slika 2

Slika 3

Ako se sada jedan od spojeva zagrijava, na primjer spoj A, strelica uređaja će odstupiti na lijevu stranu. U tom će slučaju temperatura spajanja A biti jednaka TA = TB + ΔT. U ovoj je formuli ΔT = TA - TB temperaturna razlika između spojeva A i B.

Na slici 3. prikazano je što se događa ako se spoj B zagrijava. Strelica uređaja odstupa na drugu stranu, a u oba slučaja veća je temperaturna razlika između spojeva, veći je kut strelice uređaja.

Opisana iskustva samo ilustriraju Seebeckov efekt, čije je značenje to ako spojevi vodiča A i B imaju različite temperature, tada između njih nastaje termoelektrična snaga čija je vrijednost proporcionalna razlici temperature spojeva, Ne zaboravite da je to temperaturna razlika, a ne neka temperatura uopće!

Ako oba spoja imaju istu temperaturu, tada u krugu neće biti termoelektrane. U ovom slučaju, vodiči mogu biti na sobnoj temperaturi, zagrijani na nekoliko stotina stupnjeva ili na njih će utjecati negativna temperatura - svejedno, neće se dobiti termoelektrična snaga.

Što mjeri termoelement?

Pretpostavimo da je jedan spoj, na primjer A, (obično nazvan vrućim), stavljen u posudu s kipućom vodom, a drugi spoj B (hladan) ostao na sobnoj temperaturi, na primjer, 25 ° C. To je 25 ° C u udžbenicima fizike što se smatra normalnim uvjetima.

Vrelište vode u normalnim uvjetima je 100 ° C, pa će toplotna snaga koju generira termoelement biti proporcionalna razlici temperature spojeva, koja će pod tim uvjetima biti samo 100 -25 = 75 ° C. Ako se temperatura okoline promijeni, tada će rezultati mjerenja biti više poput cijene ogrjevnog drva nego temperature kipuće vode. Kako doći do pravih rezultata?

Zaključak sam za sebe sugerira: hladni spoj trebate ohladiti na 0 ° C i na taj način postaviti donju referentnu točku Celzijeve temperaturne skale. Najlakši način za to je postavljanje hladnog spoja termoelementa u posudu s ledom koji se topi, jer se ta temperatura uzima kao 0 ° C. Tada će u prethodnom primjeru sve biti točno: temperaturna razlika između vrućih i hladnih spojeva bit će 100 - 0 = 100 ° C.

Naravno, rješenje je jednostavno i ispravno, ali svaki put potražiti negdje posudu s ledenom koja se topi i zadržati je u ovom obliku duže vrijeme, jednostavno je tehnički nemoguće. Stoga se umjesto leda koriste razne sheme za kompenzaciju temperature hladnog spoja.

U pravilu, poluvodički senzor mjeri temperaturu u području hladnog spoja, i već elektronički krug dodaje ovaj rezultat ukupnoj vrijednosti temperature. Trenutno se proizvodi specijalizirana termoelementna mikrocirkula koja imaju integrirani kompenzacijski krug temperature hladnog spoja.

U nekim slučajevima se za pojednostavljenje programa u cjelini može jednostavno odbiti naknada. Jednostavan primjer regulator temperature za lemljenje: ako je lemljenje stalno u vašim rukama, što vas sprečava da malo stežete regulator, snizite ili dodate temperaturu? Uostalom, tko zna kako lemiti vidi kvalitetu lemljenja i donosi odluke na vrijeme. Shema takvog termostata prilično je jednostavna i prikazana je na slici 4.

Slika 4. Shema jednostavnog termostata (kliknite na sliku za povećanje).

Kao što se može vidjeti na slici, krug je prilično jednostavan i ne sadrži skupe specijalizirane dijelove. Zasnovan je na domaćem mikro-krugu K157UD2 - dvostrukom operativnom pojačalo niske razine buke. Na DA1.1 op pojačalo montira se sam pojačavač termoelementa signala. Kada koristite termoelement TYPE K pri zagrijavanju na 200 - 250 ° C, izlazni napon pojačala doseže oko 7 - 8V.

Na drugoj polovici op-pojačala montira se komparator, čiji se invertirani ulaz napaja naponom s izlaza pojačala termoelementa. S druge strane - referentni napon od motora varijabilnog otpornika R8.

Sve dok je napon na izlazu pojačala termoelementa manji od referentnog napona, pozitivni napon se drži na izlazu komparatora, pa se aktivirački krug dvosmjerni tiristor T1, izrađen prema blokadu kruga generatora na tranzistoru VT1. Stoga se otvara triac T1 i kroz grijač EK prolazi električna struja, koja povećava napon na izlazu pojačala termoelementa.

Čim ovaj napon malo premaši referentni napon, na izlazu komparatora pojavljuje se napon negativne razine. Stoga je tranzistor VT1 zaključan, a blokirajući generator prestaje stvarati kontrolne impulse, što dovodi do zatvaranja trijačnog T1 i hlađenja grijaćeg elementa. Kad napon na izlazu pojačala termoelementa postane nešto manji od referentnog napona. cijeli se ciklus grijanja iznova ponavlja.

Za napajanje takvog regulatora temperature potrebna vam je jedinica za napajanje male snage s dva polarna napona +12, -12 V. Transformator Tr1 izrađen je na feritnom prstenu veličine K10 * 6 * 4 od ferita NM2000. Sva tri namota sadrže 50 okretaja PELSHO-0,1 žice.

Unatoč jednostavnosti kruga, djeluje dovoljno pouzdano, a sastavljen od servisnih dijelova zahtijeva samo podešavanje temperature koja se može odrediti pomoću najmanje kineskog multimetra s termoparom.

Materijali za izradu termoelemera

Kao što je već spomenuto, termoelement sadrži dvije elektrode načinjene od različitih materijala. Ukupno postoji desetak termoelemenata različitih vrsta, prema međunarodnom standardu označenom slovima latinične abecede.

Svaka vrsta ima svoje karakteristike, što se uglavnom događa zbog materijala elektroda.Na primjer, prilično uobičajeni termoelement tipa TIP izrađen je od para kromel - alumel. Njegov opseg mjerenja je 200 - 1200 ° C, termoelektrični koeficijent u temperaturnom području 0 - 1200 ° C je 35 - 32 μV / ° C, što ukazuje na određenu nelinearnost karakteristika termoelementa.

Pri odabiru termoelementa prije svega trebate voditi činjenicom da bi u izmjerenom temperaturnom rasponu nelinearnost karakteristika bila minimalna. Tada pogreška mjerenja neće biti toliko uočljiva.

Ako se termoelement nalazi na značajnoj udaljenosti od uređaja, tada se veza mora uspostaviti pomoću posebne kompenzacijske žice. Takva žica izrađena je od istih materijala kao i sam termoelement, ali u pravilu je primjetno većeg promjera.

Za rad na višim temperaturama često se koriste termoparovi izrađeni od plemenitih metala na bazi platine i platine-rodijeve legure. Takvi su termoparovi nesumnjivo skuplji. Materijali za termoelementičke elektrode proizvode se prema standardima. Sva raznolikost termoparova može se naći u odgovarajućim tablicama u bilo kojoj dobroj referenci.

Pročitajte u sljedećem članku - Još nekoliko vrsta osjetnika temperature: poluvodički senzori, senzori za mikrokontrolere

Boris ladyshkin