Snímače teploty. Část třetí. Termočlánky. Seebeckův efekt

Termočlánek Stručná historie tvorby, zařízení, princip fungování

Externě je termočlánek uspořádán velmi jednoduše: dva tenké dráty jsou jednoduše svařeny dohromady ve formě úhledné kuličky. Některé moderní digitální multimetry Číňan vybavený termočlánkem, který umožňuje měřit teplotu nejméně 1000 ° C, což umožňuje kontrolu teploty topení páječka nebo železo, které bude vyhlazovat laserový tisk na sklolaminát, stejně jako v mnoha jiných případech.

Konstrukce takového termočlánku je velmi jednoduchá: obě zapojení jsou skryta v trubici ze skleněných vláken a dokonce nemají izolaci, která je na očích patrná. Na jedné straně jsou dráty úhledně svařeny a na druhé straně mají konektor pro připojení k zařízení. I při tak primitivním provedení nejsou pochybnosti o výsledcích měření teploty, ledaže se samozřejmě vyžaduje přesnost měření třídy 0,5 ° C a vyšší.

Na rozdíl od právě zmíněných čínských termočlánků mají termočlánky pro použití v průmyslových závodech složitější strukturu: měřící část samotného termočlánku je umístěna v kovové skříni. Uvnitř pouzdra je termočlánek umístěn v izolátorech, obvykle keramických, určených pro vysoké teploty.

Obecně termočlánek je nejčastější a nejstarší teplotní senzor. Její jednání je založeno na Seebeckův efekt, která byla otevřena v roce 1822. Abychom se seznámili s tímto účinkem, sestavíme mentálně jednoduché schéma znázorněné na obrázku 1.

Obrázek 1

Obrázek ukazuje dva odlišné kovové vodiče M1 a M2, jejichž konce jsou v bodech A a B jednoduše svařeny dohromady, ačkoli všude a všude se tyto body z nějakého důvodu nazývají spojovacími body. Mimochodem, mnoho domácích řemeslníků pro domácí termočlánky, konstruované pro práci při velmi nízkých teplotách, místo svařování používají jen pájení.

Vraťme se k obrázku 1. Pokud celá tato konstrukce bude jednoduše ležet na stole, nebude to mít žádný účinek. Je-li jedna z křižovatek zahřívána něčím, alespoň shodou, bude proudit elektrický proud z vodičů M1 a M2 v uzavřeném obvodu. Ať je to velmi slabé, ale stále to bude.

Aby se to zajistilo, stačí prolomit jeden vodič v tomto elektrickém obvodu a jakýkoli jeden a do výsledné mezery přidat milivoltmetr, pokud možno se středem, jak je znázorněno na obrázcích 2 a 3.

Obrázek 2

Obrázek 3

Pokud je nyní jeden z křižovatek zahříván, například křižovatka A, šipka zařízení se bude lišit od levé strany. V tomto případě bude teplota spoje A rovna TA = TB + ΔT. V tomto vzorci je ΔT = TA - TB teplotní rozdíl mezi spoji A a B.

Obrázek 3 ukazuje, co se stane, když se zahřívá křižovatka B. Šipka zařízení se odchyluje od druhé strany a v obou případech, čím větší je teplotní rozdíl mezi křižovatkami, tím větší je úhel šipky zařízení.

Popsaná zkušenost pouze ilustruje Seebeckův efekt, jehož význam je to pokud mají spoje vodičů A a B různé teploty, vzniká mezi nimi termoelektrický výkon, jehož hodnota je úměrná rozdílu teploty spojů. Nezapomeňte, že se jedná o teplotní rozdíl a vůbec o nějakou teplotu!

Pokud mají obě křižovatky stejnou teplotu, nebude v okruhu žádná tepelná energie. V tomto případě mohou být vodiče při pokojové teplotě, zahřáté na několik stovek stupňů, nebo budou ovlivněny zápornou teplotou - stejně tak nebude získána žádná termoelektrická energie.

Co měří termočlánek?

Předpokládejme, že jeden ze spojů, například A, (obvykle nazývaný horký), byl umístěn do nádoby s vroucí vodou a druhý spoj B (studený) zůstal při pokojové teplotě, například 25 ° C. V učebnicích fyziky je to 25 ° C, což je považováno za normální podmínky.

Bod varu vody za normálních podmínek je 100 ° C, a proto bude tepelná energie generovaná termočlánkem úměrná teplotnímu rozdílu spojů, který za těchto podmínek bude pouze 100 - 25 = 75 ° C. Pokud se změní okolní teplota, budou výsledky měření spíše jako cena palivového dříví než teplota vroucí vody. Jak získat správné výsledky?

Závěr sám o sobě naznačuje: musíte chladnou křižovatku ochladit na 0 ° C, čímž nastavíte spodní referenční bod stupnice teploty Celsia. Nejjednodušší způsob, jak toho dosáhnout, je umístění studeného spoje termočlánku do nádoby s tajícím ledem, protože právě tato teplota se bere jako 0 ° C. Pak v předchozím příkladu bude vše v pořádku: teplotní rozdíl mezi horkými a studenými křižovatkami bude 100 - 0 = 100 ° C.

Řešení je samozřejmě jednoduché a správné, ale pokaždé, když hledáme někde nádobu s tajícím ledem a udržíme ji v této formě po dlouhou dobu, je to prostě technicky nemožné. Proto se místo ledu používají různá schémata pro kompenzaci teploty studeného přechodu.

Obecně polovodičový senzor měří teplotu v oblasti studeného spoje, a elektronický obvod již tento výsledek přidá k celkové hodnotě teploty. V současné době se vyrábí specializované termočlánkové mikroobvody s integrovaným obvodem kompenzace teploty za studena.

V některých případech lze ke zjednodušení systému jako celku jednoduše odškodnit. Jednoduchý příklad regulátor teploty pro páječku: pokud je páječka neustále ve vašich rukou, co vám brání v tom, aby regulátor trochu dotáhl, snížil nebo přidal teplotu? Koneckonců, kdo ví, jak pájet, vidí kvalitu pájení a rozhoduje včas. Schéma takového termostatu je poměrně jednoduchá a je znázorněna na obrázku 4.

Obrázek 4. Schéma jednoduchého termostatu (klikněte na obrázek pro zvětšení).

Jak je vidět z obrázku, obvod je poměrně jednoduchý a neobsahuje drahé specializované části. Je založen na domácím mikroobvodu K157UD2 - duálním nízkošumovém operačním zesilovači. Na zesilovači DA1.1 je sestaven samotný zesilovač signálu termočlánku. Při použití termočlánku TYPE K při zahřátí na 200 - 250 ° C dosahuje výstupní napětí zesilovače přibližně 7 - 8V.

Ve druhé polovině operačního zesilovače je sestaven komparátor, jehož invertující vstup je napájen napětím z výstupu termočlánkového zesilovače. Na druhé straně - referenční napětí z motoru variabilního rezistoru R8.

Dokud je napětí na výstupu termočlánkového zesilovače menší než referenční napětí, kladné napětí se udržuje na výstupu komparátoru, takže spouštěcí obvod funguje triak T1, vyrobený podle obvodu blokovacího generátoru na tranzistoru VT1. Proto se triak T1 otevře a elektrický ohřívač EK prochází elektrickým proudem, který zvyšuje napětí na výstupu zesilovače termočlánku.

Jakmile toto napětí mírně překročí referenční napětí, objeví se na výstupu komparátoru záporné napětí. Tranzistor VT1 je proto blokován a blokovací generátor přestane generovat řídicí impulsy, které vedou k uzavření triaku T1 a chlazení topného prvku. Když se napětí na výstupu zesilovače termočlánku mírně sníží než referenční napětí. celý topný cyklus se opakuje znovu.

K napájení takového regulátoru teploty potřebujete nízkoenergetický napájecí zdroj se dvěma polárními napětími +12, -12 V. Transformátor Tr1 je vyroben na feritovém prstenci velikosti K10 * 6 * 4 z feritu НМ2000. Všechna tři vinutí obsahují 50 závitů drátu PELSHO-0,1.

Navzdory jednoduchosti obvodu to funguje dostatečně spolehlivě a sestavené z opravitelných dílů vyžaduje pouze nastavení teploty, které lze určit pomocí alespoň čínského multimetru s termočlánkem.

Materiály pro výrobu termočlánků

Jak již bylo zmíněno, termočlánek obsahuje dvě elektrody vyrobené z různých materiálů. Celkově existuje asi tucet termočlánků různých typů, podle mezinárodní normy označené písmeny latinské abecedy.

Každý typ má své vlastní vlastnosti, což je způsobeno hlavně materiály elektrod.Například běžný termočlánek TYPE K je vyroben z dvojice chromel - alumel. Rozsah jeho měření je 200 - 1200 ° C, termoelektrický koeficient v teplotním rozsahu 0 - 1200 ° C je 35 - 32 μV / ° C, což ukazuje na určitou nelinearitu charakteristik termočlánku.

Při výběru termočlánku byste se měli nejprve řídit skutečností, že v měřeném teplotním rozsahu by nelinearita charakteristiky byla minimální. Potom nebude chyba měření tak znatelná.

Pokud je termočlánek umístěn ve značné vzdálenosti od zařízení, musí být spojení provedeno pomocí speciálního kompenzačního drátu. Takový drát je vyroben ze stejných materiálů jako samotný termočlánek, ale zpravidla má zřetelně větší průměr.

Pro práci při vyšších teplotách se často používají termočlánky vyrobené z drahých kovů na bázi platiny a slitin platiny a rhodia. Takové termočlánky jsou nepochybně dražší. Materiály pro termočlánkové elektrody jsou vyráběny podle norem. Všechny různé termočlánky lze nalézt v odpovídajících tabulkách v jakémkoli dobrém odkazu.

Přečtěte si v dalším článku - Několik dalších typů teplotních senzorů: polovodičové senzory, senzory pro mikrokontroléry

Boris Aladyshkin