Senzori de temperatură. Partea a treia. Termocuple. Efect de seebeck

Termocuplu. O scurtă istorie a creației, dispozitivului, principiului funcționării

Exterior, termocupla este aranjată foarte simplu: două fire subțiri sunt pur și simplu sudate împreună sub forma unei bile mici. unele multimetre digitale moderne Chinezesc echipat cu un termopar, care vă permite să măsurați temperatura nu mai puțin de 1000 ° C, ceea ce face posibilă verificarea temperaturii de încălzire fier de lipit sau fier, care va netezi imprimarea cu laser la fibra de sticlă, precum și în multe alte cazuri.

Designul unui astfel de termocuplu este foarte simplu: ambele cablaje sunt ascunse într-un tub din fibră de sticlă și chiar nu au o izolare vizibilă pentru ochi. Pe de o parte, firele sunt bine sudate, iar pe de altă parte, au un conector pentru conectarea la dispozitiv. Chiar și cu un astfel de design primitiv, rezultatele măsurătorilor de temperatură nu sunt fără îndoială, cu excepția cazului în care, desigur, este necesară precizia măsurării clasei 0,5 ° C și mai mare.

Spre deosebire de termocuplele chinezești menționate anterior, termocuple pentru utilizare în instalații industriale au o structură mai complexă: secțiunea de măsurare a termocuplei în sine este plasată într-o carcasă metalică. În interiorul carcasei, termocupla este amplasată în izolatoare, de obicei ceramice, proiectate pentru temperaturi ridicate.

în general termocupla este cel mai comun și mai vechi senzor de temperatură. Acțiunea ei se bazează pe Efect de seebeck, care a fost deschis în 1822. Pentru a face cunoștință cu acest efect, vom asambla mental schema simplă prezentată în figura 1.

Figura 1

Figura prezintă doi conductori metalici diferiți M1 și M2, ale căror capete în punctele A și B sunt sudate pur și simplu, deși peste tot și pretutindeni aceste puncte sunt numite joncțiuni dintr-un anumit motiv. Apropo, mulți meșteșugari de casă pentru termocuple, concepute pentru a lucra la temperaturi nu foarte ridicate, folosesc doar lipire în loc de sudare.

Să revenim la figura 1. Dacă toată această construcție va sta pur și simplu pe masă, atunci nu va avea efect. Dacă una dintre joncțiuni este încălzită cu ceva, cel puțin cu o potrivire, atunci un curent electric va curge din conductoarele M1 și M2 într-un circuit închis. Să fie foarte slab, dar tot așa va fi.

Pentru a vă asigura de acest lucru, este suficient să spargeți un fir în acest circuit electric și oricare, și să includeți un milivoltmetru în golul rezultat, de preferință cu un punct intermediar, așa cum se arată în Figurile 2 și 3.

Figura 2

Figura 3

Dacă acum una dintre joncțiuni este încălzită, de exemplu joncțiunea A, atunci săgeata dispozitivului va devia spre partea stângă. În acest caz, temperatura de joncțiune A va fi TA = TB + ΔT. În această formulă, ΔT = TA - TB este diferența de temperatură dintre joncțiunile A și B.

Figura 3 arată ce se întâmplă dacă joncțiunea B. Se săgește săgeata dispozitivului de partea cealaltă și, în ambele cazuri, cu cât este mai mare diferența de temperatură între joncțiuni, cu atât unghiul săgeții dispozitivului este mai mare.

Experiența descrisă ilustrează doar efectul Seebeck, al cărui sens este acela dacă joncțiunile conductoarelor A și B au temperaturi diferite, atunci între ele se produce o putere termoelectrică, a cărei valoare este proporțională cu diferența de temperatură a joncțiunilor. Nu uitați că este diferența de temperatură, și nu o temperatură deloc!

Dacă ambele joncțiuni au aceeași temperatură, atunci nu va exista nicio termopentru în circuit. În acest caz, conductoarele pot fi la temperatura camerei, încălzite la câteva sute de grade sau vor fi afectate de o temperatură negativă - oricum nu se va obține nicio putere termoelectrică.

Ce măsoară un termocuplu?

Să presupunem că una dintre joncțiuni, de exemplu A, (de obicei numită fierbinte) a fost plasată într-un vas cu apă clocotită, iar cealaltă joncțiune B (rece) a rămas la temperatura camerei, de exemplu, 25 ° C. În manualele de fizică sunt 25 ° C, care sunt considerate condiții normale.

Punctul de fierbere al apei în condiții normale este de 100 ° C, deci termoporul generat de termocupla va fi proporțional cu diferența de temperatură a joncțiunilor, care în aceste condiții va fi de doar 100-25 = 75 ° C. Dacă temperatura mediului se schimbă, atunci rezultatele măsurătorilor vor fi mai asemănătoare cu prețul lemnului de foc decât al temperaturii apei clocotite. Cum să obții rezultate corecte?

Concluzia se sugerează: trebuie să răciți joncțiunea rece la 0 ° C, setând astfel punctul de referință inferior al scării de temperatură Celsius. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin plasarea unei joncțiuni reci a termocuplei într-un vas cu gheață topită, deoarece temperatura aceasta este luată ca 0 ° C. Apoi, în exemplul precedent, totul va fi corect: diferența de temperatură dintre joncțiunile fierbinți și reci va fi de 100 - 0 = 100 ° C.

Desigur, soluția este simplă și corectă, dar să cauți undeva un vas cu gheață care se topește și să-l păstrezi în această formă mult timp este pur și simplu imposibil din punct de vedere tehnic. Prin urmare, în loc de gheață, sunt utilizate diferite scheme de compensare a temperaturii joncțiunii la rece.

Ca o regulă, senzorul semiconductor masoara temperatura in zona jonctiunii reciși deja circuitul electronic adaugă acest rezultat la valoarea totală a temperaturii. În prezent produs microcircuite termocuple specializate cu circuit integrat de compensare a temperaturii joncțiunilor la rece.

În unele cazuri, pentru a simplifica schema în ansamblu, se poate refuza pur și simplu compensația. Exemplu simplu regulator de temperatura pentru fierul de lipit: dacă fierul de lipit este permanent în mâinile tale, ce te împiedică să strângi puțin regulatorul, să scadă sau să adaugi temperatura? La urma urmei, cel care știe să lipească vede calitatea de lipit și ia decizii la timp. Schema unui astfel de termostat este destul de simplă și este prezentată în figura 4.

Figura 4. Schema unui termostat simplu (click pe imagine pentru a-l mări).

După cum se poate observa din figură, circuitul este destul de simplu și nu conține piese specializate costisitoare. Se bazează pe microcircuitul K157UD2 intern - un amplificator operațional dublu cu zgomot redus. Pe amplificatorul de operare DA1.1, este amplasat însuși amplificatorul de semnal cu termopar. Când utilizați un termocuplu de tip K, încălzit la 200 - 250 ° C, tensiunea de ieșire a amplificatorului atinge aproximativ 7 - 8V.

Pe a doua jumătate a amplificatorului op, este montat un comparator, la intrarea inversă a cărei tensiune este furnizată de la ieșirea amplificatorului de termopar. Pe de altă parte - tensiunea de referință de la motorul rezistenței variabile R8.

Atât timp cât tensiunea la ieșirea amplificatorului de termocuple este mai mică decât tensiunea de referință, tensiunea pozitivă este menținută la ieșirea comparatorului, deci circuitul de declanșare funcționează triac T1, realizat conform circuitului generatorului de blocare pe tranzistorul VT1. Prin urmare, triac T1 se deschide și un curent electric trece prin încălzitorul EK, ceea ce crește tensiunea la ieșirea amplificatorului de termopar.

Imediat ce această tensiune depășește ușor tensiunea de referință, la ieșirea comparatorului apare o tensiune de nivel negativ. Prin urmare, tranzistorul VT1 este blocat și generatorul de blocare nu mai generează impulsuri de control, ceea ce duce la închiderea triac T1 și la răcirea elementului de încălzire. Când tensiunea la ieșirea amplificatorului de termopar devine puțin mai mică decât tensiunea de referință. întregul ciclu de încălzire se repetă din nou.

Pentru a alimenta un astfel de regulator de temperatură, aveți nevoie de o alimentare cu putere redusă cu două tensiuni polare +12, -12 V. Transformatorul Tr1 este realizat pe un inel de ferită cu dimensiunea K10 * 6 * 4 din ferită НМ2000. Toate cele trei înfășurări conțin 50 de rotații de sârmă PELSHO-0.1.

În ciuda simplității circuitului, acesta funcționează suficient de fiabil, iar asamblarea din piese funcționale necesită doar o setare a temperaturii care poate fi determinată folosind cel puțin un multimetru chinezesc cu un termopar.

Materiale pentru fabricarea de termocuple

Așa cum am menționat deja, un termocuplu conține doi electrozi din materiale diferite. În total, există aproximativ o duzină de termocuple de diferite tipuri, conform standardului internațional notat cu literele alfabetului latin.

Fiecare tip are propriile sale caracteristici, care se datorează în principal materialelor electrozilor.De exemplu, termocupla destul de obișnuită de tip TIP K este realizată dintr-o pereche crom - alumel. Domeniul său de măsurare este de 200 - 1200 ° C, coeficientul termoelectric în intervalul de temperatură 0 - 1200 ° C este de 35 - 32 μV / ° C, ceea ce indică o anumită neliniaritate a caracteristicilor termocuplei.

Atunci când alegeți un termocuplu, în primul rând, trebuie să vă ghidați de faptul că în intervalul măsurat de temperatură, neliniaritatea caracteristicii ar fi minimă. Atunci eroarea de măsurare nu va fi atât de sesizabilă.

Dacă termocupla este amplasată la o distanță considerabilă de dispozitiv, atunci conexiunea trebuie făcută folosind un fir special de compensare. Un astfel de fir este realizat din aceleași materiale ca și termocupla în sine, dar, de regulă, are un diametru vizibil mai mare.

Pentru a lucra la temperaturi mai ridicate, se folosesc deseori termocuple din metale prețioase pe bază de platină și aliaje de platină-rodiu. Astfel de termocuple sunt, fără îndoială, mai scumpe. Materialele pentru electrozi termocuplați sunt fabricate conform standardelor. Toată varietatea de termocuple se găsește în tabelele corespunzătoare, în orice referință bună.

Citiți mai departe în următorul articol - Alte câteva tipuri de senzori de temperatură: senzori semiconductori, senzori pentru microcontrolere

Boris Aladyshkin