Temperatūras sensori. Trešā daļa. Termoelementi. Seebeka efekts

Termoelements Īsa radīšanas vēsture, ierīce, darbības princips

Ārēji termopāri ir sakārtoti ļoti vienkārši: divas plānas stieples ir vienkārši sametinātas kopā glītas, mazu bumbiņu veidā. Daži moderni digitālie multimetri Ķīnā ražots aprīkots ar termopāri, kas ļauj izmērīt temperatūru ne zemāku par 1000 ° C, kas ļauj pārbaudīt sildīšanas temperatūru lodāmurs vai dzelzs, kā arī daudzos citos gadījumos izlīdzinās lāzera izdruku uz stiklplasta.

Šāda termopāra dizains ir ļoti vienkāršs: abas elektroinstalācijas ir paslēptas stiklplasta caurulē, un tām pat nav acij pamanāmas izolācijas. No vienas puses, vadi ir glīti metināti, no otras puses, tiem ir spraudnis savienošanai ar ierīci. Pat ar tik primitīvu dizainu temperatūras mērījumu rezultāti netiek apšaubīti, ja vien, protams, nav nepieciešama 0,5 ° C un augstākas klases mērījumu precizitāte.

Atšķirībā no tikko pieminētajiem ķīniešu termopāriem, rūpnieciskajās rūpnīcās izmantojamiem termopāriem ir sarežģītāka uzbūve: paša termopāra mērīšanas daļa ir ievietota metāla korpusā. Korpusa iekšpusē termopārs atrodas izolatoros, parasti keramikas, kas paredzēti augstas temperatūras iedarbībai.

Parasti termopārs ir visizplatītākais un vecākais temperatūras sensors. Viņas rīcība ir balstīta uz Seebeka efekts, kas tika atvērts 1822. gadā. Lai iepazītos ar šo efektu, mēs garīgi saliksim vienkāršo shēmu, kas parādīta 1. attēlā.

1. attēls

Attēlā parādīti divi atšķirīgi metāla vadītāji M1 un M2, kuru galus punktos A un B vienkārši metina kopā, lai gan visur un visur šos punktus kaut kādu iemeslu dēļ sauc par krustojumiem. Starp citu, daudzi mājās gatavotu termopāru rokdarbi, kas paredzēti darbam ne pārāk augstā temperatūrā, metināšanas vietā izmanto tikai lodēšanu.

Atgriezīsimies 1. attēlā. Ja visa šī konstrukcija vienkārši gulēs uz galda, tad no tās nebūs nekādas ietekmes. Ja viens no krustojumiem tiek sildīts ar kaut ko, vismaz ar sērkociņu, tad slēgtā ķēdē no vadītājiem M1 un M2 plūst elektriskā strāva. Ļaujiet tai būt ļoti vājai, bet tomēr tā būs.

Lai to pārbaudītu, pietiek ar to, ka šajā elektriskajā ķēdē tiek salauzts viens vads un jebkurš vads, un iegūtajā spraugā jāiekļauj milivoltmetrs, vēlams ar viduspunktu, kā parādīts 2. un 3. attēlā.

2. attēls

3. attēls

Ja tagad viens no krustojumiem tiek uzkarsēts, piemēram, krustojums A, tad ierīces bultiņa novirzīsies uz kreiso pusi. Šajā gadījumā krustojuma temperatūra A būs vienāda ar TA = TB + ΔT. Šajā formulā ΔT = TA - TB ir temperatūras starpība starp krustojumiem A un B.

3. attēlā parādīts, kas notiek, ja tiek uzkarsēts krustojums B. Ierīces bultiņa novirzās uz otru pusi, un abos gadījumos, jo lielāka ir temperatūras starpība starp krustojumiem, jo ​​lielāks ir ierīces bultiņas leņķis.

Aprakstītā pieredze tikai ilustrē Seebeka efektu, kura nozīme ir šāda ja vadītāju A un B krustojumiem ir atšķirīga temperatūra, tad starp tiem rodas termoelektriskā jauda, ​​kuras vērtība ir proporcionāla krustojumu temperatūras starpībai. Neaizmirstiet, ka tā ir temperatūras starpība, nevis kāda temperatūra!

Ja abos krustojumos ir vienāda temperatūra, tad ķēdē nebūs termopower. Šajā gadījumā vadītāji var būt istabas temperatūrā, uzsildīti līdz vairākiem simtiem grādu, vai arī tos ietekmēs negatīva temperatūra - jebkurā gadījumā termoelektriskā jauda netiks iegūta.

Kas mēra termopāri?

Pieņemsim, ka viens no krustojumiem, piemēram, A (parasti sauc par karstu), tika ievietots traukā ar verdošu ūdeni, bet otrs krustojums B (auksts) palika istabas temperatūrā, piemēram, 25 ° C. Fizikas mācību grāmatās to uzskata par 25 ° C.

Ūdens viršanas temperatūra normālos apstākļos ir 100 ° C, tāpēc termopāra ģenerētais spēks būs proporcionāls krustojumu temperatūras starpībai, kas šajos apstākļos būs tikai 100 -25 = 75 ° C. Ja apkārtējās vides temperatūra mainās, tad mērījumu rezultāti vairāk līdzinās malkas cenai, nevis verdoša ūdens temperatūrai. Kā iegūt pareizos rezultātus?

Secinājums pats par sevi liek domāt: jums ir nepieciešams atdzesēt auksto krustojumu līdz 0 ° C, tādējādi iestatot zemāko temperatūras skalas atskaites punktu. Vienkāršākais veids, kā to izdarīt, ir novietot termopāra aukstu krustojumu traukā ar kūstošu ledu, jo tieši šī temperatūra tiek uzskatīta par 0 ° C. Tad iepriekšējā piemērā viss būs pareizi: temperatūras starpība starp karsto un auksto krustojumu būs 100 - 0 = 100 ° C.

Protams, risinājums ir vienkāršs un pareizs, taču katru reizi meklēt kaut kur trauku ar kūstošu ledu un ilgstoši turēt to šādā formā, tas ir vienkārši tehniski neiespējami. Tāpēc ledus vietā tiek izmantotas dažādas shēmas aukstā krustojuma temperatūras kompensēšanai.

Parasti pusvadītāju sensors mēra temperatūru aukstā krustojuma zonā, un jau elektroniskā shēma šo rezultātu pievieno kopējai temperatūras vērtībai. Pašlaik tiek ražots specializētas termoelementu mikroshēmas ar integrētu aukstā mezgla temperatūras kompensācijas ķēdi.

Dažos gadījumos, lai vienkāršotu shēmu kopumā, var vienkārši atteikties no kompensācijas. Vienkāršs piemērs temperatūras regulators lodāmurs: ja lodāmurs pastāvīgi atrodas jūsu rokās, kas neļauj jums nedaudz pievilkt regulatoru, pazemināt vai pievienot temperatūru? Galu galā tas, kurš zina, kā lodēt, redz lodēšanas kvalitāti un lēmumus pieņem savlaicīgi. Šāda termostata shēma ir diezgan vienkārša, un tā ir parādīta 4. attēlā.

4. attēls. Vienkārša termostata shēma (noklikšķiniet uz attēla, lai palielinātu).

Kā redzams attēlā, ķēde ir diezgan vienkārša un nesatur dārgas specializētas detaļas. Tās pamatā ir vietējā K157UD2 mikroshēma - divkāršs zema trokšņa līmeņa darbības pastiprinātājs. Uz DA1.1 op pastiprinātāja tiek montēts pats termopāra signāla pastiprinātājs. Lietojot TYPE K termopāri, kad tā tiek uzkarsēta līdz 200 - 250 ° C, pastiprinātāja izejas spriegums sasniedz aptuveni 7 - 8 V.

Op ampēra otrajā pusē ir samontēts salīdzinātājs, kura invertējošajai ieejai no termopāra pastiprinātāja izejas tiek piegādāts spriegums. No otras - atsauces spriegums no mainīgā rezistora R8 motora.

Kamēr spriegums termopāra pastiprinātāja izejā ir mazāks par atskaites spriegumu, pozitīvais spriegums tiek turēts pie salīdzinātāja izejas, tāpēc sprūda ķēde darbojas triac T1, kas izgatavots saskaņā ar bloķējošā ģeneratora ķēdi uz tranzistora VT1. Tāpēc triac T1 atveras un caur sildītāju EK iziet elektriskā strāva, kas palielina spriegumu termopāra pastiprinātāja izejā.

Tiklīdz šis spriegums nedaudz pārsniedz atsauces spriegumu, salīdzinātāja izejā parādās negatīvs līmeņa spriegums. Tāpēc tranzistors VT1 tiek bloķēts, un bloķējošais ģenerators pārtrauc ģenerēt vadības impulsus, kas noved pie Tiac Tiac slēgšanas un sildelementa atdzišanas. Kad spriegums termopāra pastiprinātāja izejā kļūst nedaudz mazāks par atsauces spriegumu. visu apkures ciklu atkārto vēlreiz.

Lai darbinātu šādu temperatūras regulatoru, jums ir nepieciešams mazjaudas barošanas avots ar diviem polāriem spriegumiem +12, -12 V. Transformators Tr1 tiek izgatavots uz ferīta gredzena K10 * 6 * 4 no ferīta НМ2000. Visos trīs tinumos ir 50 PELSHO-0.1 stieples pagriezieni.

Neskatoties uz shēmas vienkāršību, tā darbojas pietiekami ticami, un, lai samontētu no izmantojamām detaļām, ir nepieciešams tikai temperatūras iestatījums, kuru var noteikt, izmantojot vismaz ķīniešu multimetru ar termopāri.

Materiāli termopāru ražošanai

Kā jau minēts, termoelementā ir divi elektrodi, kas izgatavoti no atšķirīgiem materiāliem. Kopumā saskaņā ar starptautisko standartu, kas apzīmēts ar latīņu alfabēta burtiem, ir aptuveni duci dažādu veidu termopāri.

Katram tipam ir savas īpašības, kas galvenokārt ir saistīts ar elektrodu materiāliem.Piemēram, diezgan parastais TYPE K termopāris ir izgatavots no hroma un alumēla pāra. Tās mērījumu diapazons ir 200 - 1200 ° C, termoelektriskais koeficients temperatūras diapazonā no 0 - 1200 ° C ir 35 - 32 μV / ° C, kas norāda uz noteiktu termopāra raksturlielumu zināmu nelinearitāti.

Izvēloties termopāri, vispirms jāvadās no tā, ka izmērītajā temperatūras diapazonā raksturlieluma nelinearitāte būtu minimāla. Tad mērījumu kļūda nebūs tik pamanāma.

Ja termopārs atrodas ievērojamā attālumā no ierīces, tad savienojums jāveic, izmantojot īpašu kompensācijas vadu. Šāda stieple ir izgatavota no tiem pašiem materiāliem kā pats termopārs, bet, kā likums, tā diametrs ir ievērojami lielāks.

Lai strādātu augstākā temperatūrā, bieži tiek izmantoti termopāri, kas izgatavoti no dārgmetāliem, pamatojoties uz platīnu un platīna-rodija sakausējumiem. Šādi termopāri neapšaubāmi ir dārgāki. Materiāli termoelementu elektrodiem tiek ražoti atbilstoši standartiem. Visas dažādas termopāri ir atrodami atbilstošajās tabulās ar labu atsauci.

Lasiet nākamajā rakstā - Vēl daži temperatūras sensoru veidi: pusvadītāju sensori, mikrokontrolleru sensori

Boriss Aladyshkin