Температурни сензори. Част трета. Термо-двойки. Ефект на Зеебек

Термодвойка. Кратка история на създаването, устройството, принципа на работа

Външно термодвойката е подредена много просто: две тънки проводници са просто заварени заедно под формата на спретнато малко топче. някои модерни цифрови мултиметри Китайско оборудване, оборудвано с термодвойка, която ви позволява да измервате температурата не по-малко от 1000 ° C, което дава възможност да се провери температурата на отопление поялник или желязо, което ще изглади лазерния отпечатък до фибростъкло, както и в много други случаи.

Дизайнът на такава термодвойка е много прост: и двете проводници са скрити в тръба от фибростъкло и дори нямат изолация, забележима за окото. От една страна, проводниците са добре заварени, а от друга - имат щепсел за свързване към устройството. Дори при такъв примитивен дизайн резултатите от измерванията на температурата не са под въпрос, освен ако, разбира се, не се изисква точност на измерване от клас 0,5 ° C и по-висока.

За разлика от току-що споменатите китайски термодвойки, термодвойките за използване в промишлени предприятия имат по-сложна структура: измервателната секция на самата термодвойка е поставена в метален корпус. Вътре в корпуса термодвойката е разположена в изолатори, обикновено керамични, проектирани за висока температура.

обикновено термодвойката е най-често срещаният и най-стар сензор за температура, Действието й се основава на Ефект на Зеебек, която е открита през 1822г. За да се запознаем с този ефект, мислено ще сглобим простата схема, показана на фигура 1.

Фигура 1

Фигурата показва два различни метални проводника М1 и М2, чиито краища в точки А и В са просто заварени заедно, въпреки че навсякъде и навсякъде тези точки се наричат ​​кръстовища по някаква причина. Между другото, много домашни занаятчии за домашни термодвойки, предназначени да работят при не много високи температури, използват само запояване, вместо заваряване.

Да се ​​върнем към Фигура 1. Ако цялата тази конструкция просто ще лежи на масата, тогава няма да има ефект от нея. Ако един от кръстовищата се нагрява с нещо, поне със съвпадение, тогава от проводниците М1 и М2 ще се изтича електрически ток в затворен кръг. Нека е много слаб, но все пак ще бъде.

За да се уверите в това, достатъчно е да прекъснете една жица в тази електрическа верига и която и да е и да включите миливолтметър в получената междина, за предпочитане със средна точка, както е показано на фигури 2 и 3.

Фигура 2

Фигура 3

Ако сега един от кръстовищата се нагрее, например кръстовище A, стрелката на устройството ще се отклони в лявата страна. В този случай температурата на съединението A ще бъде равна на TA = TB + ΔT. В тази формула ΔT = TA - TB е температурната разлика между връзките A и B.

Фигура 3 показва какво се случва, ако кръстовището B. се нагрява.Стрелката на устройството се отклонява от другата страна и в двата случая колкото е по-голяма температурната разлика между кръстовищата, толкова по-голям е ъгълът на стрелката на устройството.

Описаният опит просто илюстрира ефекта на Зеебек, смисълът на който е това ако кръстовищата на проводниците А и В имат различни температури, тогава между тях възниква термоелектрическа мощност, чиято стойност е пропорционална на разликата в температурата на кръстовищата, Не забравяйте, че това е температурната разлика, а не някаква температура изобщо!

Ако и двете кръстовища имат една и съща температура, тогава във веригата няма да има термосила. В този случай проводниците могат да бъдат на стайна температура, загряти до няколкостотин градуса, или те ще бъдат повлияни от отрицателна температура - така или иначе няма да се получи термоелектрическа мощност.

Какво измерва термодвойката?

Да предположим, че едно от кръстовищата, например А, обикновено наричано горещо, се поставя в съд с вряла вода, а другото съединение В (студено) остава при стайна температура, например, 25 ° С. Това е 25 ° C в учебниците по физика, което се счита за нормални условия.

Точката на кипене на водата при нормални условия е 100 ° C, така че термоенергията, генерирана от термодвойката, ще бъде пропорционална на температурната разлика на кръстовищата, която при тези условия ще бъде само 100 -25 = 75 ° C. Ако температурата на околната среда се промени, резултатите от измерванията ще приличат повече на цената на дърва за огрев, отколкото на температурата на врялата вода. Как да постигнем правилните резултати?

Изводът сам по себе си предполага: трябва да охладите студения възел до 0 ° C, като по този начин зададете долната базова точка на температурната скала на Целзий. Най-лесният начин да направите това е като поставите студен кръстовище на термодвойката в съд с топящ се лед, защото именно тази температура се приема като 0 ° C. Тогава в предишния пример всичко ще бъде правилно: температурната разлика между горещите и студените кръстовища ще бъде 100 - 0 = 100 ° C.

Разбира се, решението е просто и правилно, но всеки път да се търси някъде съд с топящ се лед и да се запази в тази форма за дълго време, това е технически просто невъзможно. Затова вместо лед се използват различни схеми за компенсиране на температурата на студения възел.

Като правило, полупроводников сензор измерва температурата в зоната на студеното кръстовищеи вече електронната верига добавя този резултат към общата стойност на температурата. В момента се произвежда специализирани микросхеми с термодвойка с интегрирана верига за компенсиране на температурата на студен възел.

В някои случаи, за да се опрости схемата като цяло, човек може просто да откаже обезщетение. Прост пример регулатор на температурата за поялник: ако поялникът е постоянно във вашите ръце, какво ви пречи да затегнете малко регулатора, понижавате или добавяте температура? В края на краищата, който знае как да запоява, вижда качеството на запояване и взема решения навреме. Схемата на такъв термостат е доста проста и е показана на фигура 4.

Фигура 4. Схема на обикновен термостат (кликнете върху снимката, за да я увеличите).

Както се вижда от фигурата, схемата е доста проста и не съдържа скъпи специализирани части. Той се базира на вътрешния микросхем K157UD2 - двоен операционен усилвател с нисък шум. На усилвателя DA1.1 op се сглобява самият усилвател на сигнала на термодвойката. При използване на термодвойка TYPE K при нагряване до 200 - 250 ° C, изходното напрежение на усилвателя достига около 7 - 8V.

На втората половина на усилвателя се сглобява сравнител, чийто инвертиращ вход се захранва с напрежение от изхода на усилвателя на термодвойката. От друга - референтното напрежение от двигателя на променливия резистор R8.

Докато напрежението на изхода на усилвателя на термодвойката е по-малко от референтното напрежение, положителното напрежение се задържа на изхода на сравнителя, така че задействащата верига работи триак Т1, направен според блокиращата верига на генератора на транзистора VT1. Следователно триакът Т1 се отваря и електрически ток преминава през нагревателя ЕК, което увеличава напрежението на изхода на усилвателя на термодвойката.

Щом това напрежение леко надвиши референтното напрежение, на изхода на сравнителя се появява отрицателно напрежение. Следователно транзисторът VT1 се заключва и блокиращият генератор спира да генерира контролни импулси, което води до затваряне на триака Т1 и охлаждане на нагревателния елемент. Когато напрежението на изхода на усилвателя на термодвойката става малко по-малко от референтното напрежение. целият цикъл на отопление се повтаря отново.

За да захранвате такъв температурен регулатор, се нуждаете от захранване с ниска мощност с две полярни напрежения +12, -12 V. Трансформаторът Tr1 е направен на феритен пръстен с размер K10 * 6 * 4 от ферит НМ2000. И трите намотки съдържат 50 оборота на проводник PELSHO-0.1.

Въпреки простотата на веригата, тя работи достатъчно надеждно, а сглобената от обслужващи се части изисква само настройка на температурата, която може да бъде определена с помощта на поне китайски мултицет с термодвойка.

Материали за производство на термодвойки

Както вече споменахме, термодвойката съдържа два електрода, изработени от различни материали. Общо има около дузина термодвойки от различни видове, според международния стандарт, обозначен с буквите на латинската азбука.

Всеки тип има свои собствени характеристики, което се дължи главно на материалите на електродите.Например, доста често срещаната термодвойка TYPE K е направена от двойка хром - алуминий. Диапазонът му на измерване е 200 - 1200 ° C, термоелектричният коефициент в температурния диапазон 0 - 1200 ° C е 35 - 32 μV / ° C, което показва известна нелинейност на характеристиките на термодвойката.

Когато избирате термодвойка, първо трябва да се ръководите от факта, че в измерения температурен диапазон нелинейността на характеристиката би била минимална. Тогава грешката в измерването няма да бъде толкова забележима.

Ако термодвойката е разположена на значително разстояние от устройството, тогава връзката трябва да се извърши с помощта на специален компенсационен проводник. Такава жица е направена от същите материали като самата термодвойка, но като правило е осезаемо по-голям диаметър.

За работа при по-високи температури често се използват термодвойки, изработени от благородни метали на базата на платина и платиново-родиеви сплави. Такива термодвойки несъмнено са по-скъпи. Материалите за термодвойките електроди се произвеждат в съответствие със стандартите. Цялото разнообразие от термодвойки може да се намери в съответните таблици във всяка добра справка.

Прочетете в следващата статия - Още няколко типа сензори за температура: полупроводникови сензори, сензори за микроконтролери

Борис Аladyshkin