Sensor suhu. Bahagian tiga. Thermocouples. Kesan Seebeck

Thermocouple Sejarah ringkas penciptaan, peranti, prinsip operasi

Secara eksternal, termokopel disusun dengan sangat ringkas: dua kabel nipis hanya dikimpal bersama dalam bentuk bola kecil yang kemas. Beberapa multimeter digital moden Buatan Cina dilengkapi dengan termoskopi, yang membolehkan anda mengukur suhu tidak kurang daripada 1000 ° C, yang memungkinkan untuk memeriksa suhu pemanasan besi pematerian atau besi, yang akan melancarkan cetakan laser untuk gentian kaca, serta dalam banyak kes lain.

Reka bentuk termokopel semacam itu sangat mudah: kedua-dua pendawaian tersembunyi di dalam tiub gentian kaca, dan bahkan tidak mempunyai penebat yang ketara pada mata. Di satu pihak, wayar itu dikimpang dengan kemas, dan di sisi lain mereka mempunyai palam untuk menyambung ke peranti. Walaupun dengan reka bentuk primitif sedemikian, hasil pengukuran suhu tidak ragu-ragu, kecuali, tentu saja, ketepatan pengukuran kelas 0.5 ° C dan lebih tinggi diperlukan.

Tidak seperti thermocouples Cina yang disebut-sebut sahaja, termokopel untuk digunakan dalam tumbuhan industri mempunyai struktur yang lebih kompleks: bahagian pengukuran termokopel itu sendiri diletakkan dalam kes logam. Di dalamnya, termokopel terletak di dalam penebat, biasanya seramik, direka untuk suhu tinggi.

Secara amnya termokopel adalah sensor suhu yang paling biasa dan tertua. Tindakannya didasarkan pada Kesan Seebeck, yang dibuka pada tahun 1822. Untuk mengenali kesan ini, kita akan secara mental memasang skema mudah yang ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1

Angka ini menunjukkan dua konduktor logam berbeza M1 dan M2, hujung di mana titik A dan B hanya dikimpal bersama, walaupun di mana-mana dan di mana-mana titik ini dipanggil persimpangan atas sebab tertentu. Dengan cara ini, banyak tukang kraftangan buatan sendiri untuk termokopel buatan sendiri, yang direka untuk bekerja pada suhu yang tidak terlalu tinggi, hanya menggunakan pematerian bukan kimpalan.

Mari kita kembali ke Rajah 1. Jika semua pembinaan ini hanya akan terletak di atas meja, maka tidak akan ada kesan daripadanya. Jika salah satu persimpangan dipanaskan dengan sesuatu, sekurang-kurangnya dengan perlawanan, arus elektrik akan mengalir dari konduktor M1 dan M2 dalam litar tertutup. Biarlah sangat lemah, tetapi tetap saja.

Untuk memastikan ini, sudah cukup untuk memecahkan satu dawai dalam litar elektrik ini, dan mana-mana satu, dan memasukkan millivoltmeter dalam jurang yang terhasil, sebaiknya dengan titik tengah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 3.

Rajah 2

Rajah 3

Jika sekarang salah satu persimpangan dipanaskan, contohnya persimpangan A, maka anak panah peranti akan menyimpang ke sebelah kiri. Dalam kes ini, persimpangan suhu A akan sama dengan TA = TB + ΔT. Dalam formula ini, ΔT = TA - TB ialah perbezaan suhu antara persimpangan A dan B.

Rajah 3 menunjukkan apa yang berlaku jika simpang B dipanaskan. Anak panah peranti menyimpang ke sisi yang lain, dan dalam kedua-dua kes, semakin besar perbezaan suhu di antara simpang, semakin besar sudut anak panah peranti.

Pengalaman yang dijelaskan hanya menggambarkan kesan Seebeck, makna yang mana itu jika persimpangan konduktor A dan B mempunyai suhu yang berbeza, maka kuasa thermoelectric timbul di antara mereka, nilai yang berkadaran dengan perbezaan suhu persimpangan. Jangan lupa bahawa ia adalah perbezaan suhu, dan tidak sedikit suhu sama sekali!

Jika kedua-dua persimpangan mempunyai suhu yang sama, maka tidak akan ada termopower dalam litar. Dalam kes ini, konduktor boleh berada pada suhu bilik, dipanaskan hingga beberapa ratus darjah, atau ia akan dipengaruhi oleh suhu negatif - bagaimanapun, tiada kuasa thermoelektrik akan diperolehi.

Apakah langkah-langkah termokopel?

Katakan bahawa salah satu persimpangan, misalnya A, (biasanya dipanggil panas) diletakkan di dalam sebuah kapal dengan air mendidih, dan simpang lain B (sejuk) kekal pada suhu bilik, contohnya, 25 ° C Ia adalah 25 ° C dalam buku teks fizik yang dianggap keadaan biasa.

Titik mendidih air di bawah keadaan normal adalah 100 ° C, jadi termopower yang dihasilkan oleh termokopel akan berkadaran dengan perbezaan suhu persimpangan, yang di bawah syarat-syarat ini akan hanya 100 -25 = 75 ° C. Jika suhu ambien berubah, maka hasil pengukuran akan menjadi lebih seperti harga kayu bakar daripada suhu air mendidih. Bagaimana untuk mendapatkan hasil yang betul?

Kesimpulannya mencadangkan dirinya sendiri: anda perlu menyejukkan persimpangan sejuk ke 0 ° C, dengan itu menetapkan titik rujukan yang lebih rendah dalam skala suhu Celsius. Cara termudah untuk melakukan ini adalah dengan meletakkan persimpangan sejuk termokopel dalam sebuah kapal dengan lebur lebur, kerana suhu ini diambil sebagai 0 ° C. Kemudian pada contoh sebelumnya semuanya akan betul: perbezaan suhu antara persimpangan panas dan sejuk akan menjadi 100 - 0 = 100 ° C.

Sudah tentu, penyelesaiannya adalah mudah dan betul, tetapi untuk mencari kapal dengan lebur ais di suatu tempat dan untuk menyimpannya dalam bentuk ini untuk masa yang lama adalah secara teknikal mustahil. Oleh itu, bukannya ais, pelbagai skim untuk mengimbangi suhu persimpangan sejuk digunakan.

Secara amnya Sensor semikonduktor mengukur suhu di kawasan persimpangan sejuk, dan sudah litar elektronik menambah hasil ini kepada nilai suhu keseluruhan. Sedang dihasilkan khusus mikrosirkuit termokopel mempunyai lekapan suhu persimpangan suhu terpadu sejuk.

Dalam sesetengah kes, untuk memudahkan skim secara keseluruhan, seseorang hanya boleh menolak pampasan. Contoh mudah pengatur suhu untuk besi pematerian: Sekiranya besi pematerian sentiasa berada di tangan anda, apa yang menghalang anda daripada mengetatkan pengawal selia sedikit, menurunkan atau menambah suhu? Lagipun, dia yang tahu cara paterinya melihat kualiti pematerian dan membuat keputusan tepat pada waktunya. Skim termostat seperti itu agak mudah dan ditunjukkan dalam Rajah 4.

Rajah 4. Skema termostat mudah (klik pada gambar untuk membesarkannya).

Seperti yang dapat dilihat dari angka, litar ini agak mudah dan tidak mengandungi bahagian khusus mahal. Ia berasaskan microcircuit K157UD2 domestik - penguat operasi bunyi rendah dua. Pada op amp DA1.1, penguat isyarat termokopel itu sendiri dipasang. Apabila menggunakan thermocouple TYPE K apabila dipanaskan hingga 200 - 250 ° C, voltan keluaran penguat mencapai kira-kira 7 - 8V.

Pada separuh kedua op-amp, komparator dipasang, ke input pembalik yang mana voltan dibekalkan dari output penguat termokopel. Pada yang lain - voltan rujukan dari enjin perintang variabel R8.

Selagi voltan di keluaran penguat termokopel kurang daripada voltan rujukan, voltan positif diadakan pada output komparator, maka kerja litar pencetus triac T1, dibuat mengikut litar penjana menyekat pada transistor VT1. Oleh itu, trias T1 dibuka dan arus elektrik melalui EK pemanas, yang meningkatkan voltan pada output penguat termokopel.

Sebaik sahaja voltan ini sedikit melebihi voltan rujukan, voltan tahap negatif muncul pada output komparator. Oleh itu, transistor VT1 dikunci dan penjana penghalang berhenti menghasilkan denyutan kawalan, yang membawa kepada penutupan triac T1, dan penyejukan elemen pemanasan. Apabila voltan pada output penguat termokopel menjadi sedikit kurang daripada voltan rujukan. kitaran pemanasan keseluruhan diulang lagi.

Untuk kuasa pengatur suhu seperti itu, anda memerlukan bekalan kuasa kuasa rendah dengan dua tegangan polar +12, -12 V. Pengubah Tr1 dibuat pada cincin ferit yang bersaiz K10 * 6 * 4 ferit NM2000. Semua tiga belitan mengandungi 50 pusingan wayar PELSHO-0.1.

Walaupun kesederhanaan litar, ia berfungsi dengan cukup dipercayai, dan dipasang dari bahagian yang boleh digunakan hanya memerlukan tetapan suhu yang boleh ditentukan menggunakan sekurang-kurangnya multimeter Cina dengan termokopel.

Bahan untuk pembuatan termokopel

Seperti yang telah disebutkan, termokopel mengandungi dua elektrod yang diperbuat daripada bahan yang berbeza. Secara keseluruhannya terdapat kira-kira sedozen termokopel pelbagai jenis, mengikut piawaian antarabangsa yang ditandakan dengan huruf abjad Latin.

Setiap jenis mempunyai ciri-ciri sendiri, yang disebabkan terutamanya oleh bahan-bahan elektrod.Sebagai contoh, termokopel TYPE K yang agak biasa dibuat daripada pasangan chromel - alumel. Julat pengukurannya ialah 200 - 1200 ° C, pekali thermoelektrik dalam julat suhu 0 - 1200 ° C adalah 35 - 32 μV / ° C, yang menunjukkan linieriti tertentu ciri-ciri termokopel tertentu.

Apabila memilih thermocouple, anda harus terlebih dahulu dipandu oleh hakikat bahawa dalam julat suhu yang diukur, garis lurus ciri tidak akan minimum. Kemudian ralat pengukuran tidak akan begitu ketara.

Jika termokopel terletak pada jarak yang jauh dari peranti, maka sambungan mesti dibuat menggunakan wayar pampasan khas. Kawat sedemikian diperbuat daripada bahan yang sama seperti termokopel itu sendiri, tetapi, sebagai peraturan, ternyata lebih besar diameternya.

Untuk bekerja pada suhu yang lebih tinggi, termokopel terbuat dari logam berharga berdasarkan aloi platinum dan platinum-rhodium sering digunakan. Termokopel sedemikian pasti lebih mahal. Bahan-bahan untuk elektrod termokopel dihasilkan mengikut piawaian. Semua pelbagai termokopel boleh didapati dalam jadual yang sepadan dalam sebarang rujukan yang baik.

Baca di dalam artikel seterusnya - Beberapa lagi jenis sensor suhu: sensor semikonduktor, sensor untuk mikrokontroler

Boris Aladyshkin