Capteurs de température. Troisième partie. Thermocouples. Effet Seebeck

Thermocouple Une brève histoire de la création, de l'appareil, du principe de fonctionnement

Extérieurement, le thermocouple est arrangé très simplement: deux fils fins sont simplement soudés ensemble sous la forme d'une petite boule soignée. Certains multimètres numériques modernes Fabriqué en Chine équipé d'un thermocouple, qui vous permet de mesurer la température d'au moins 1000 ° C, ce qui permet de vérifier la température de chauffage fer à souder ou le fer, qui va lisser l'impression laser sur la fibre de verre, ainsi que dans de nombreux autres cas.

La conception d'un tel thermocouple est très simple: les deux câblages sont cachés dans un tube en fibre de verre, et n'ont même pas d'isolation perceptible à l'oeil. D'une part, les fils sont parfaitement soudés, et d'autre part ils ont une fiche pour se connecter à l'appareil. Même avec une conception aussi primitive, les résultats des mesures de température ne font aucun doute, à moins, bien sûr, que la précision de la mesure de classe 0,5 ° C et plus soit requise.

Contrairement aux thermocouples chinois que nous venons de mentionner, les thermocouples destinés aux installations industrielles ont une structure plus complexe: la section de mesure du thermocouple lui-même est placée dans un boîtier métallique. À l'intérieur du boîtier, le thermocouple est situé dans des isolateurs, généralement en céramique, conçus pour des températures élevées.

Généralement le thermocouple est le capteur de température le plus courant et le plus ancien. Son action est basée sur Effet Seebeck, qui a été ouvert en 1822. Afin de se familiariser avec cet effet, nous allons assembler mentalement le schéma simple illustré à la figure 1.

Figure 1

La figure montre deux conducteurs métalliques différents M1 et M2, dont les extrémités aux points A et B sont simplement soudées ensemble, bien que partout et partout ces points soient appelés jonctions pour une raison quelconque. Soit dit en passant, de nombreux artisans artisanaux pour les thermocouples maison, conçus pour fonctionner à des températures pas très élevées, utilisent uniquement la soudure au lieu de la soudure.

Revenons à la figure 1. Si toute cette construction repose simplement sur la table, elle n'aura aucun effet. Si l'une des jonctions est chauffée avec quelque chose, au moins avec une allumette, alors un courant électrique s'écoulera des conducteurs M1 et M2 en circuit fermé. Que ce soit très faible, mais ça le sera toujours.

Pour s'en assurer, il suffit de casser un fil dans ce circuit électrique, et n'importe lequel, et d'inclure un millivoltmètre dans l'espace résultant, de préférence avec un point médian, comme le montrent les figures 2 et 3.

Figure 2

Figure 3

Si maintenant l'une des jonctions est chauffée, par exemple la jonction A, la flèche de l'appareil déviera vers la gauche. Dans ce cas, la température de jonction A sera égale à TA = TB + ΔT. Dans cette formule, ΔT = TA - TB est la différence de température entre les jonctions A et B.

La figure 3 montre ce qui se passe si la jonction B est chauffée. La flèche de l'appareil dévie de l'autre côté, et dans les deux cas, plus la différence de température entre les jonctions est grande, plus l'angle de la flèche de l'appareil est grand.

L'expérience décrite illustre simplement l'effet Seebeck, dont le sens est que si les jonctions des conducteurs A et B ont des températures différentes, alors une puissance thermoélectrique se produit entre elles, dont la valeur est proportionnelle à la différence de température des jonctions. N'oubliez pas que c'est la différence de température, et pas du tout une température!

Si les deux jonctions ont la même température, il n'y aura pas de thermopuissance dans le circuit. Dans ce cas, les conducteurs peuvent être à température ambiante, chauffés à plusieurs centaines de degrés, ou ils seront affectés par une température négative - de toute façon, aucune puissance thermoélectrique ne sera obtenue.

Que mesure un thermocouple?

Supposons que l'une des jonctions, par exemple A, (généralement appelée chaude) soit placée dans un récipient rempli d'eau bouillante et que l'autre jonction B (froide) reste à température ambiante, par exemple 25 ° C. Il fait 25 ° C dans les manuels de physique, ce qui est considéré comme des conditions normales.

Le point d'ébullition de l'eau dans des conditions normales est de 100 ° C, donc la puissance thermique générée par le thermocouple sera proportionnelle à la différence de température des jonctions, qui dans ces conditions ne sera que de 100 à 25 = 75 ° C. Si la température ambiante change, les résultats de mesure ressembleront davantage au prix du bois de chauffage qu'à la température de l'eau bouillante. Comment obtenir les bons résultats?

La conclusion se suggère: vous devez refroidir la jonction froide à 0 ° C, fixant ainsi le point de référence inférieur de l'échelle de température Celsius. La façon la plus simple de le faire est de placer une jonction froide du thermocouple dans un récipient avec de la glace fondante, car c'est cette température qui est prise à 0 ° C. Ensuite, dans l'exemple précédent, tout sera correct: la différence de température entre les jonctions chaude et froide sera de 100 à 0 = 100 ° C.

Bien sûr, la solution est simple et correcte, mais chercher un récipient avec de la glace fondante quelque part et le garder longtemps sous cette forme est tout simplement techniquement impossible. Par conséquent, au lieu de la glace, divers schémas de compensation de la température de la jonction froide sont utilisés.

Généralement capteur à semi-conducteur mesure la température dans la zone de jonction froide, et déjà le circuit électronique ajoute ce résultat à la valeur de température globale. Actuellement produit microcircuits de thermocouple spécialisés ayant un circuit intégré de compensation de température à jonction froide.

Dans certains cas, pour simplifier le régime dans son ensemble, on peut simplement refuser une compensation. Exemple simple régulateur de température pour fer à souder: si le fer à souder est constamment entre vos mains, qu'est-ce qui vous empêche de serrer un peu le régulateur, d'abaisser ou d'augmenter la température? Après tout, celui qui sait souder voit la qualité de la soudure et prend des décisions à temps. Le schéma d'un tel thermostat est assez simple et est illustré à la figure 4.

Figure 4. Schéma d'un thermostat simple (cliquez sur l'image pour agrandir).

Comme le montre la figure, le circuit est assez simple et ne contient pas de pièces spécialisées coûteuses. Il est basé sur le microcircuit domestique K157UD2 - un double amplificateur opérationnel à faible bruit. Sur l'ampli opérationnel DA1.1, l'amplificateur de signal du thermocouple lui-même est assemblé. Lorsque vous utilisez un thermocouple TYPE K lorsqu'il est chauffé à 200 - 250 ° C, la tension de sortie de l'amplificateur atteint environ 7 - 8V.

Sur la seconde moitié de l'ampli-op, un comparateur est assemblé, à l'entrée inverseuse dont une tension est fournie par la sortie de l'amplificateur à thermocouple. De l'autre - la tension de référence du moteur de la résistance variable R8.

Tant que la tension à la sortie de l'amplificateur de thermocouple est inférieure à la tension de référence, la tension positive est maintenue à la sortie du comparateur, de sorte que le circuit de déclenchement fonctionne triac T1, réalisé selon le circuit générateur de blocage sur le transistor VT1. Par conséquent, le triac T1 s'ouvre et un courant électrique traverse le réchauffeur EK, ce qui augmente la tension à la sortie de l'amplificateur à thermocouple.

Dès que cette tension dépasse légèrement la tension de référence, une tension de niveau négatif apparaît en sortie du comparateur. Par conséquent, le transistor VT1 est verrouillé et le générateur de blocage arrête de générer des impulsions de commande, ce qui conduit à la fermeture du triac T1 et au refroidissement de l'élément chauffant. Lorsque la tension à la sortie de l'amplificateur thermocouple devient légèrement inférieure à la tension de référence. tout le cycle de chauffage est répété à nouveau.

Pour alimenter un tel régulateur de température, vous avez besoin d'une alimentation basse consommation avec deux tensions polaires +12, -12 V. Le transformateur Tr1 est réalisé sur un anneau en ferrite de taille K10 * 6 * 4 en ferrite НМ2000. Les trois enroulements contiennent 50 tours de fil PELSHO-0,1.

Malgré la simplicité du circuit, il fonctionne de manière suffisamment fiable et assemblé à partir de pièces réparables ne nécessite qu'un réglage de température qui peut être déterminé en utilisant au moins un multimètre chinois avec un thermocouple.

Matériaux pour la fabrication de thermocouples

Comme déjà mentionné, un thermocouple contient deux électrodes faites de matériaux différents. Au total, il existe une dizaine de thermocouples de différents types, selon la norme internationale désignée par les lettres de l'alphabet latin.

Chaque type a ses propres caractéristiques, qui sont principalement dues aux matériaux des électrodes.Par exemple, le thermocouple TYPE K assez courant est constitué d'une paire chromel-alumel. Sa plage de mesure est de 200 à 1200 ° C, le coefficient thermoélectrique dans la plage de température de 0 à 1200 ° C est de 35 à 32 μV / ° C, ce qui indique une certaine non-linéarité des caractéristiques du thermocouple.

Lors du choix d'un thermocouple, vous devez tout d'abord être guidé par le fait que dans la plage de température mesurée, la non-linéarité de la caractéristique serait minimale. Ensuite, l'erreur de mesure ne sera pas aussi perceptible.

Si le thermocouple est situé à une distance considérable de l'appareil, la connexion doit être effectuée à l'aide d'un fil de compensation spécial. Un tel fil est fait des mêmes matériaux que le thermocouple lui-même, mais, en règle générale, il a un diamètre sensiblement plus grand.

Pour travailler à des températures plus élevées, des thermocouples en métaux précieux à base de platine et d'alliages platine-rhodium sont souvent utilisés. De tels thermocouples sont sans aucun doute plus chers. Les matériaux pour les électrodes de thermocouple sont fabriqués conformément aux normes. Toute la variété des thermocouples se trouve dans les tableaux correspondants en toute bonne référence.

Lisez la suite dans le prochain article - Quelques autres types de capteurs de température: capteurs semi-conducteurs, capteurs pour microcontrôleurs

Boris Unladyshkin