Temperaturgivare. Del tre. Termoelement. Seebeck-effekt

Termoelement. En kort historia om skapelse, enhet, princip om operation

Externt är termoelementet anordnat mycket enkelt: två tunna trådar är helt enkelt svetsade ihop i form av en snygg liten boll. några moderna digitala multimetrar Kinesiskt tillverkad utrustad med ett termoelement, som gör att du kan mäta temperaturen på inte mindre än 1000 ° C, vilket gör det möjligt att kontrollera värmetemperaturen lödkolv eller järn, som kommer att jämna ut laserutskriften till glasfiber, såväl som i många andra fall.

Utformningen av ett sådant termoelement är mycket enkelt: båda kablarna är dolda i ett glasfiberrör, och till och med har ingen isolering märkt för ögat. Å ena sidan är trådarna svetsade snyggt, och å andra sidan har de en plugg för anslutning till enheten. Även med en sådan primitiv konstruktion är resultaten av temperaturmätningar inte i tvivel, om inte naturligtvis mätnoggrannhet i klass 0,5 ° C och högre krävs.

Till skillnad från de kinesiska termoelementen som just nämnts har termoelement för användning i industriella anläggningar en mer komplex struktur: mätdelen i själva termoelementet placeras i ett metallhölje. Inuti fallet är termoelementet placerat i isolatorer, vanligtvis keramiska, designade för hög temperatur.

allmänhet termoelement är den vanligaste och äldsta temperatursensorn. Hennes handling bygger på Seebeck-effekt, som öppnades 1822. För att bli bekant med denna effekt kommer vi att montera det enkla schemat som visas i figur 1 mentalt.

Figur 1

Figuren visar två olika metallledare M1 och M2, vars ändar vid punkterna A och B helt enkelt är sammansvetsade, även om dessa punkter överallt och överallt kallas korsningar av någon anledning. Förresten, många hembakade hantverkare för hemmagjorda termoelement, designade för att arbeta vid inte särskilt höga temperaturer, använder bara lödning istället för svetsning.

Låt oss gå tillbaka till figur 1. Om all denna konstruktion helt enkelt kommer att ligga på bordet, kommer det ingen effekt från det. Om en av korsningarna värms upp med något, åtminstone med en matchning, kommer en elektrisk ström att rinna från ledarna M1 och M2 i en stängd krets. Låt det vara väldigt svagt, men ändå blir det.

För att säkerställa detta är det tillräckligt att bryta en tråd i denna elektriska krets, och vilken som helst, och inkludera en millivoltmeter i det resulterande spalten, företrädesvis med en mittpunkt, såsom visas i figurerna 2 och 3.

Figur 2

Figur 3

Om nu en av korsningarna upphettas, till exempel korsning A, kommer enhetens pil att avvika till vänster. I detta fall kommer övergångstemperaturen A att vara lika med TA = TB + ΔT. I denna formel är =T = TA - TB temperaturskillnaden mellan korsningarna A och B.

Figur 3 visar vad som händer om korsningen B. upphettas. Enhetens pil avviker till andra sidan, och i båda fallen, ju större temperaturskillnaden mellan korsningarna är, desto större är vinkeln på enhetens pil.

Den beskrivna erfarenheten illustrerar bara Seebeck-effekten, vars betydelse är den om förbindningarna mellan ledarna A och B har olika temperaturer uppstår en termoelektrisk effekt mellan dem, vars värde är proportionell mot skillnaden i temperaturen på förbindningarna. Glöm inte att det är temperaturskillnaden och inte någon temperatur alls!

Om båda korsningarna har samma temperatur, kommer det inte att finnas någon värmekraft i kretsen. I det här fallet kan ledarna ha rumstemperatur, värmas upp till flera hundra grader, eller så kommer de att påverkas av en negativ temperatur - i alla fall får ingen termoelektrisk effekt.

Vad mäter ett termoelement?

Anta att en av korsningarna, till exempel A, (vanligtvis kallad het) placerades i ett kärl med kokande vatten, och den andra korsningen B (kall) förblev vid rumstemperatur, till exempel 25 ° C. Det är 25 ° C i fysikböcker som anses vara normala förhållanden.

Vattenens kokpunkt under normala förhållanden är 100 ° C, därför kommer termokraften som genereras av termoelementet att vara proportionell mot temperaturskillnaden på korsningarna, som under dessa förhållanden endast är 100-25 = 75 ° C. Om omgivningstemperaturen ändras, kommer mätresultaten att vara mer som priset på ved än temperaturen på kokande vatten. Hur får man rätt resultat?

Slutsatsen föreslår sig själv: du måste kyla den kalla korsningen till 0 ° C och därigenom ställa in den lägre referenspunkten för Celsius temperaturskala. Det enklaste sättet att göra detta är genom att placera en kall korsning av termoelementet i ett kärl med smältande is, eftersom det är denna temperatur som tas som 0 ° C. Sedan i det föregående exemplet kommer allt att vara korrekt: temperaturskillnaden mellan de varma och kalla korsningarna kommer att vara 100 - 0 = 100 ° C.

Naturligtvis är lösningen enkel och korrekt, men varje gång man letar efter någonstans ett fartyg med smältande is och för att hålla det i denna form under lång tid är det helt enkelt tekniskt omöjligt. Därför används istället för is olika scheman för att kompensera temperaturen i den kalla korsningen.

Som regel, halvledarsensor mäter temperaturen i det kalla korsningsområdetoch den elektroniska kretsen lägger redan till detta resultat till det totala temperaturvärdet. För närvarande producerad specialiserade termoelementmikrokretsar med en integrerad kallkopplingstemperaturkompenseringskrets.

I vissa fall kan man helt enkelt vägra ersättning för att förenkla systemet. Enkelt exempel temperaturregulator för lödkolv: om lödkolven ständigt är i dina händer, vad hindrar dig från att dra åt regulatorn lite, sänka eller lägga till temperatur? När allt kommer omkring ser den som vet hur man lodde kvaliteten på lödningen och fattar beslut i tid. Schemat för en sådan termostat är ganska enkelt och visas i figur 4.

Bild 4. Schema för en enkel termostat (Klicka på bilden för att förstora).

Som framgår av figuren är kretsen ganska enkel och innehåller inte dyra specialiserade delar. Den är baserad på den inhemska mikrokretsen K157UD2 - en dubbel lågbrusad operationsförstärkare. På DA1.1 op-förstärkaren monteras själva termoelementets signalförstärkare. Vid användning av ett TYP K-termoelement vid uppvärmning till 200 - 250 ° C når förstärkarens utspänning cirka 7 - 8V.

På den andra hälften av op-förstärkaren är en komparator monterad till den inverterande ingången som en spänning matas från utgången från termoelementförstärkaren. Å andra sidan - referensspänningen från motorn till det variabla motståndet R8.

Så länge spänningen vid termoelementförstärkarens utgång är mindre än referensspänningen hålls den positiva spänningen vid komparatorns utgång, så triggarkretsen fungerar triac T1, tillverkad enligt den blockerande generatorkretsen på transistorn VT1. Därför öppnar triac T1 och en elektrisk ström passerar genom värmaren EK, vilket ökar spänningen vid utgången från termoelementförstärkaren.

Så snart denna spänning överstiger referensspänningen visas en negativ nivåspänning vid komparatorns utgång. Därför är transistorn VT1 låst och blockeringsgeneratorn slutar generera styrpulser, vilket leder till stängning av triac T1 och kylning av värmeelementet. När spänningen vid utgången från termoelementförstärkaren blir något mindre än referensspänningen. hela uppvärmningscykeln upprepas igen.

För att driva en sådan temperaturregulator behöver du en lågeffektströmförsörjning med två polära spänningar +12, -12 V. Transformator Tr1 är tillverkad på en ferritring i storlek K10 * 6 * 4 av ferrit НМ2000. Alla tre lindningarna innehåller 50 varv av PELSHO-0.1-ledningen.

Trots kretsens enkelhet fungerar den tillförlitligt tillräckligt, och monterad från servicerbara delar krävs endast en temperaturinställning som kan bestämmas med minst en kinesisk multimeter med ett termoelement.

Material för tillverkning av termoelement

Som redan nämnts innehåller ett termoelement två elektroder tillverkade av olika material. Totalt finns det ett dussin termoelement av olika slag, enligt den internationella standarden betecknad med bokstäverna i det latinska alfabetet.

Varje typ har sina egna egenskaper, vilket främst beror på materialen i elektroderna.Till exempel är det ganska vanliga TYPE K-termoelementet tillverkat av ett kromel-aluminiumpar. Dess mätområde är 200 - 1200 ° C, den termoelektriska koefficienten i temperaturområdet 0 - 1200 ° C är 35 - 32 μV / ° C, vilket indikerar en viss icke-linearitet i termoelementets egenskaper.

När du väljer ett termoelement, bör du först vägleda det faktum att i det uppmätta temperaturområdet är karakteristikens icke-linearitet minimal. Då kommer mätfelet inte att märkas.

Om termoelementet är beläget på ett betydande avstånd från enheten, måste anslutningen göras med en speciell kompensationstråd. En sådan tråd är tillverkad av samma material som själva termoelementet, men är i regel märkbart större i diameter.

För att arbeta vid högre temperaturer används ofta termoelement tillverkade av ädelmetaller baserade på platina och platina-rodiumlegeringar. Sådana termoelement är utan tvekan dyrare. Material för termoelementelektroder tillverkas enligt standarder. Alla olika termoelement finns i motsvarande tabeller i alla bra referenser.

Läs vidare i nästa artikel - Några fler typer av temperatursensorer: halvledarsensorer, sensorer för mikrokontroller

Boris ENladyshkin