Температурни сензори. Трећи део Термопарови. Сеебецк ефекат

Термоелемент Кратка историја стварања, уређаја, принципа рада

Споља је термоелемент постављен веома једноставно: две танке жице су једноставно заварене заједно у облику уредне мале куглице. Неки савремени дигитални мултиметри Кинески производи опремљени са термоелементом, који вам омогућава мерење температуре не мање од 1000 ° Ц, што омогућава проверу температуре грејања лемљење или гвожђе, које ће ласерско исписати стаклопластике, као и у многим другим случајевима.

Дизајн таквог термоелемента је веома једноставан: оба ожичења скривена су у цеви од фибергласа и чак немају изолацију која је видљива оку. С једне стране су жице уредно заварене, а с друге имају утикач за повезивање с уређајем. Чак и код тако примитивног дизајна, резултати мерења температуре нису доведени у питање, осим ако се, наравно, не захтева тачност мерења класе од 0,5 ° Ц и више.

За разлику од управо споменутих кинеских термоелемената, термопарови за употребу у индустријским постројењима имају сложенију структуру: мерни део самог термоелемента постављен је у метални кофер. Унутар кућишта се термоелемент налази у изолаторима, обично керамичким, дизајнираним за високе температуре.

Генерално термоелемент је најчешћи и најстарији сензор температуре. Њено деловање је засновано на Сеебецк ефекат, која је отворена 1822. године. Да бисмо се упознали са тим ефектом, ментално ћемо саставити једноставну шему приказану на слици 1.

Слика 1

На слици су приказана два различита метална проводника М1 и М2, чији су крајеви у тачкама А и Б једноставно заварени заједно, мада се свуда и свугде из тих разлога неки називи спајају. Успут, многи домаћи рукотворци за домаће термопарове, дизајниране да раде на не баш високим температурама, користе само лемљење уместо заваривања.

Вратимо се слици 1. Ако ће сва ова конструкција једноставно лежати на столу, онда од тога неће бити ефекта. Ако се неко од спајања загрева нечим, барем шибицом, тада ће из проводника М1 и М2 у затвореном кругу струјати електрична струја. Нека буде веома слаб, али свеједно биће.

Да бисте се уверили у то, довољно је да прекинете једну жицу у овом електричном кругу, и било коју другу, и да у добијени размак укључите миливолтметар, по могућности са средином, као што је приказано на сликама 2 и 3.

Слика 2

Слика 3

Ако се сада загрева један од прикључака, на пример спој А, стрелица уређаја ће одступити у леву страну. У овом случају, температура спајања А биће једнака ТА = ТБ + ΔТ. У овој формули, ΔТ = ТА - ТБ је температурна разлика између спојева А и Б.

На слици 3 је приказано шта се догађа ако се спој Б загрева. Стрелица уређаја одступа на другу страну, а у оба случаја већа је разлика у температури између спојева, већи је и угао стрелице уређаја.

Описана искуства само илуструју Сеебецков ефекат, чије је значење то ако спојеви проводника А и Б имају различите температуре, тада између њих настаје термоелектрична снага чија је вредност пропорционална разлици температуре спојева. Не заборавите да је разлика у температури, а не нека температура!

Ако оба споја имају исту температуру, тада у кругу неће бити термоелектране. У овом случају, проводници могу бити на собној температури, загревани на неколико стотина степени, или ће на њих утицати негативна температура - ионако се неће добити термоелектрична снага.

Шта мери термоелемент?

Претпоставимо да је један од спојева, на пример А (обично назван врућим), смештен у посуду са кипућом водом, а други спој Б (хладан) је остао на собној температури, на пример, 25 ° Ц. То је 25 ° Ц у уџбеницима физике што се сматра нормалним условима.

Тачка кључања воде у нормалним условима је 100 ° Ц, па ће термоенергија коју генерише термоелемент бити пропорционална температурној разлици спојева, која ће под тим условима бити само 100 -25 = 75 ° Ц. Ако се температура околине промени, резултати мерења биће више као цена огревног дрвета него температуре кључале воде. Како доћи до правих резултата?

Закључак сам за себе сугерира: хладни спој морате охладити на 0 ° Ц и на тај начин поставити доњу референтну тачку Целзијусове температурне скале. Најлакши начин за то је постављањем хладног споја термоелемента у посуду са топљеним ледом, јер се ова температура узима као 0 ° Ц. Тада ће у претходном примеру све бити тачно: температурна разлика између врућих и хладних спојева ће бити 100 - 0 = 100 ° Ц.

Наравно, решење је једноставно и тачно, али сваки пут када бисте негде тражили посуду са леденом која се топи и задржали је у овом облику дуже време, једноставно је технички немогуће. Због тога се уместо леда користе разне шеме за компензацију температуре хладног прикључка.

Генерално полуводички сензор мери температуру у подручју хладног спајања, а већ електронски круг додаје овај резултат укупној вредности температуре. Тренутно се производи специјализовани термоелемент микроциркуни са интегрисаним кругом компензације температуре хладног споја.

У неким случајевима, да би се поједноставила шема у целини, једноставно се може одбити компензација. Једноставан пример регулатор температуре за лемљење: ако је лемљење стално у вашим рукама, шта вас спречава да мало стежете регулатор, снизите или додате температуру? Уосталом, онај ко зна лемљење види квалитет лемљења и доноси одлуке на време. Шема таквог термостата је прилично једноставна и приказана је на слици 4.

Слика 4. Шема једноставног термостата (кликните на слику да је повећате).

Као што се види на слици, склоп је прилично једноставан и не садржи скупе специјализоване делове. Заснован је на домаћем микро-кругу К157УД2 - двоструком оперативном појачало са малим нивоом шума. На ДА1.1 оп појачало монтира се сам појачавач термоелемента сигнала. Када користите термоелемент ТИПЕ К када се загрева на 200 - 250 ° Ц, излазни напон појачала достиже око 7 - 8В.

На другој половини оп-ампера монтира се компаратор, чији се инвертирани улаз напаја напоном из излаза појачала термоелемента. С друге стране - референтни напон од мотора променљивог отпорника Р8.

Све док је напон на излазу појачала термоелемента мањи од референтног напона, позитивни напон се држи на излазу компаратора, тако да склоп покретања ради триац Т1, израђен према блокатору блокаде на транзистору ВТ1. Стога се отвара триац Т1 и кроз гријач ЕК пролази електрична струја, која повећава напон на излазу појачала термоелемента.

Чим овај напон мало премаши референтни напон, на излазу компаратора појављује се негативни напонски ниво. Стога је транзистор ВТ1 закључан и блокирајући генератор престаје да генерише контролне импулсе, што доводи до затварања тријачног Т1 и хлађења грејног елемента. Када напон на излазу појачала термоелемента постане нешто мањи од референтног напона. цео циклус грејања се понавља.

Да бисте напајали такав регулатор температуре, потребно вам је напајање мале снаге са два поларна напона +12, -12 В. Трансформатор Тр1 израђен је на феритном прстену величине К10 * 6 * 4 од ферита НМ2000. Сва три намотаја садрже 50 окрета жице ПЕЛСХО-0.1.

Упркос једноставности круга, он ради довољно поуздано, а састављен из делова који се могу сервисирати захтева само подешавање температуре која се може одредити коришћењем најмање кинеског мултиметра са термоелементом.

Материјали за производњу термоелемера

Као што је већ споменуто, термоелемент садржи две електроде начињене од различитих материјала. Укупно постоји десетак термоелемената различитих врста, према међународном стандарду означеном словима латиничне абецеде.

Свака врста има своје карактеристике, што се углавном односи на материјале електрода.На пример, прилично уобичајен термоелемент ТИП К је направљен од пара кромел - алумел. Његов опсег мерења је 200 - 1200 ° Ц, термоелектрични коефицијент у температурном опсегу 0 - 1200 ° Ц је 35 - 32 μВ / ° Ц, што указује на одређену нелинеарност карактеристика термоелемента.

Када бирате термоелемент, пре свега се треба водити чињеницом да би у измереном температурном опсегу нелинеарност карактеристика била минимална. Тада грешка мерења неће бити толико уочљива.

Ако се термоелемент налази на значајној удаљености од уређаја, тада се веза мора извршити помоћу посебне компензацијске жице. Таква жица је израђена од истих материјала као и сам термоелемент, само по правилу знатно већег пречника.

За рад на вишим температурама често се користе термоелементи направљени од племенитих метала на бази платине и платине-родијумске легуре. Такви термопарови су несумњиво скупљи. Материјали за термоелементичке електроде производе се према стандардима. Сва разноликост термоелемера може се наћи у одговарајућим табелама у било којој доброј референци.

Прочитајте у следећем чланку - Још неколико врста сензора температуре: полуводички сензори, сензори за микроконтролере

Борис Аладисхкин