Czujniki temperatury. Część trzecia. Termopary. Efekt Seebecka

Termopara Krótka historia powstania, urządzenie, zasada działania

Zewnętrznie termopara jest ułożona bardzo prosto: dwa cienkie druty są po prostu zespawane w formie zgrabnej kulki. Niektóre nowoczesne multimetry cyfrowe Wykonany w Chinach wyposażony w termoparę, która pozwala zmierzyć temperaturę nie mniejszą niż 1000 ° C, co umożliwia sprawdzenie temperatury ogrzewania lutownica lub żelazo, które wygładzi wydruk laserowy do włókna szklanego, a także w wielu innych przypadkach.

Konstrukcja takiego termopary jest bardzo prosta: oba przewody są ukryte w rurce z włókna szklanego, a nawet nie mają zauważalnej izolacji dla oka. Z jednej strony druty są starannie zgrzane, az drugiej mają wtyczkę do podłączenia do urządzenia. Nawet przy tak prymitywnym projekcie wyniki pomiarów temperatury nie budzą wątpliwości, chyba że wymagana jest oczywiście dokładność pomiaru klasy 0,5 ° C i wyższej.

W przeciwieństwie do wspomnianych wcześniej chińskich termopar, termopary do użytku w zakładach przemysłowych mają bardziej złożoną strukturę: sekcja pomiarowa samej termopary jest umieszczona w metalowej obudowie. Wewnątrz obudowy termopara znajduje się w izolatorach, zwykle ceramicznych, zaprojektowanych do pracy w wysokiej temperaturze.

Ogólnie termopara jest najczęstszym i najstarszym czujnikiem temperatury. Jej działanie opiera się na Efekt Seebecka, który został otwarty w 1822 roku. Aby zapoznać się z tym efektem, zmontujemy mentalnie prosty schemat pokazany na rycinie 1.

Rycina 1

Na rysunku pokazano dwa odmienne przewodniki metalowe M1 i M2, których końce w punktach A i B są po prostu zespawane, choć wszędzie i wszędzie te punkty są z jakiegoś powodu nazywane złączami. Nawiasem mówiąc, wielu domowych rzemieślników do domowych termopar, zaprojektowanych do pracy w niezbyt wysokich temperaturach, używa po prostu lutowania zamiast spawania.

Wróćmy do rysunku 1. Jeśli cała ta konstrukcja po prostu położy się na stole, nie będzie z tego żadnego efektu. Jeśli jedno z połączeń jest ogrzewane czymś, przynajmniej za pomocą zapałki, wówczas prąd elektryczny płynie z przewodów M1 i M2 w obwodzie zamkniętym. Niech będzie bardzo słaby, ale nadal będzie.

Aby się tego upewnić, wystarczy przerwać jeden drut w tym obwodzie elektrycznym i dowolny oraz włączyć miliwoltomierz do powstałej szczeliny, najlepiej z punktem środkowym, jak pokazano na rysunkach 2 i 3.

Rycina 2

Rycina 3

Jeśli teraz jedno z węzłów jest rozgrzane, na przykład złącze A, wówczas strzałka urządzenia odchyli się w lewą stronę. W takim przypadku temperatura złącza A będzie równa TA = TB + ΔT. W tym wzorze ΔT = TA - TB jest różnicą temperatur między skrzyżowaniami A i B.

Rycina 3 pokazuje, co się stanie, gdy rozgrzane jest złącze B. Strzałka urządzenia odchyla się na drugą stronę, aw obu przypadkach im większa różnica temperatur między skrzyżowaniami, tym większy kąt strzałki urządzenia.

Opisane doświadczenie ilustruje efekt Seebecka, którego znaczenie jest takie jeśli złącza przewodów A i B mają różne temperatury, wówczas powstaje między nimi moc termoelektryczna, której wartość jest proporcjonalna do różnicy temperatur połączeń. Nie zapominaj, że jest to różnica temperatur, a wcale nie temperatura!

Jeśli oba złącza mają tę samą temperaturę, wówczas w obwodzie nie będzie żadnej mocy termicznej. W takim przypadku przewodniki mogą być w temperaturze pokojowej, podgrzane do kilkuset stopni, lub wpłynie na nich temperatura ujemna - w każdym razie nie uzyskamy mocy termoelektrycznej.

Co mierzy termoparę?

Załóżmy, że jedno z połączeń, na przykład A, (zwykle nazywane gorącym) zostało umieszczone w naczyniu z wrzącą wodą, a drugie złącze B (zimne) pozostawało w temperaturze pokojowej, na przykład 25 ° C. W podręcznikach fizyki temperatura wynosi 25 ° C, co jest uważane za normalne warunki.

Temperatura wrzenia wody w normalnych warunkach wynosi 100 ° C, więc moc termiczna wytwarzana przez termoparę będzie proporcjonalna do różnicy temperatur na złączach, która w tych warunkach będzie wynosić tylko 100-25 = 75 ° C. Jeśli temperatura otoczenia ulegnie zmianie, wówczas wyniki pomiaru będą bardziej podobne do ceny drewna opałowego niż temperatury wrzącej wody. Jak uzyskać właściwe wyniki?

Wniosek nasuwa się sam: musisz schłodzić zimne złącze do 0 ° C, tym samym ustawiając dolny punkt odniesienia skali temperatury Celsjusza. Najłatwiej to zrobić, umieszczając zimne złącze termopary w naczyniu z topniejącym lodem, ponieważ jest to temperatura przyjmowana jako 0 ° C. Wtedy w poprzednim przykładzie wszystko będzie poprawne: różnica temperatur między skrzyżowaniem gorącym a zimnym wyniesie 100 - 0 = 100 ° C.

Oczywiście rozwiązanie jest proste i poprawne, ale szukanie naczynia z topiącym się lodem i utrzymywanie go w tej formie przez długi czas jest po prostu technicznie niemożliwe. Dlatego zamiast lodu stosuje się różne schematy kompensacji temperatury zimnego złącza.

Ogólnie czujnik półprzewodnikowy mierzy temperaturę w obszarze zimnego złącza, a już obwód elektroniczny dodaje ten wynik do ogólnej wartości temperatury. Obecnie produkowany wyspecjalizowane mikroukłady termoparowe ze zintegrowanym obwodem kompensacji temperatury zimnego złącza.

W niektórych przypadkach, aby uprościć system jako całość, można po prostu odmówić odszkodowania. Prosty przykład regulator temperatury do lutownicy: jeśli lutownica jest ciągle w twoich rękach, co uniemożliwia ci trochę dokręcenie regulatora, obniżenie lub dodanie temperatury? W końcu ten, kto umie lutować, widzi jakość lutowania i podejmuje decyzje na czas. Schemat takiego termostatu jest dość prosty i pokazano na rycinie 4.

Ryc. 4. Schemat prostego termostatu (kliknij na zdjęcie, aby powiększyć).

Jak widać na rysunku, obwód jest dość prosty i nie zawiera drogich specjalistycznych części. Opiera się na krajowym mikroukładzie K157UD2 - podwójnym, cichym wzmacniaczu operacyjnym. We wzmacniaczu operacyjnym DA1.1 montowany jest sam termoparowy wzmacniacz sygnału. Przy zastosowaniu termopary TYPU K po podgrzaniu do 200–250 ° C napięcie wyjściowe wzmacniacza osiąga około 7–8 V.

W drugiej połowie wzmacniacza operacyjnego zamontowany jest komparator, do którego wejścia odwracającego doprowadzane jest napięcie z wyjścia wzmacniacza termopary. Z drugiej - napięcie odniesienia z silnika rezystora zmiennego R8.

Dopóki napięcie na wyjściu wzmacniacza termopary jest niższe niż napięcie odniesienia, napięcie dodatnie jest utrzymywane na wyjściu komparatora, więc obwód wyzwalający działa triak T1, wykonany zgodnie z blokującym obwodem generatora na tranzystorze VT1. Dlatego triak T1 otwiera się i przez grzałkę EK przepływa prąd elektryczny, który zwiększa napięcie na wyjściu wzmacniacza termopary.

Gdy tylko napięcie nieznacznie przekroczy napięcie odniesienia, na wyjściu komparatora pojawia się napięcie poziomu ujemnego. Dlatego tranzystor VT1 jest zablokowany, a generator blokujący przestaje generować impulsy sterujące, co prowadzi do zamknięcia triaka T1 i ochłodzenia elementu grzejnego. Gdy napięcie na wyjściu wzmacniacza termopary staje się nieco niższe niż napięcie odniesienia. cały cykl grzania powtarza się ponownie.

Aby zasilić taki regulator temperatury, potrzebujesz zasilacza o niskiej mocy z dwoma napięciami biegunowymi +12, -12 V. Transformator Tr1 wykonany jest na pierścieniu ferrytowym o wielkości K10 * 6 * 4 z ferrytu НМ2000. Wszystkie trzy uzwojenia zawierają 50 zwojów drutu PELSHO-0,1.

Pomimo prostoty obwodu obwód działa wystarczająco niezawodnie, a montaż z części serwisowych wymaga jedynie ustawienia temperatury, które można określić za pomocą co najmniej chińskiego multimetru z termoparą.

Materiały do ​​produkcji termopar

Jak już wspomniano, termopara zawiera dwie elektrody wykonane z różnych materiałów. W sumie istnieje około tuzina termopar różnych typów, zgodnie z międzynarodowym standardem oznaczonym literami alfabetu łacińskiego.

Każdy typ ma swoją własną charakterystykę, która wynika głównie z materiałów elektrod.Na przykład dość powszechna termopara TYPU K jest wykonana z pary chromel - ałun. Jego zakres pomiarowy wynosi 200 - 1200 ° C, współczynnik termoelektryczny w zakresie temperatur 0 - 1200 ° C wynosi 35 - 32 μV / ° C, co wskazuje na pewną nieliniowość właściwości termopary.

Wybierając termoparę należy przede wszystkim kierować się faktem, że w mierzonym zakresie temperatur nieliniowość charakterystyki byłaby minimalna. Wtedy błąd pomiaru nie będzie tak zauważalny.

Jeśli termopara znajduje się w znacznej odległości od urządzenia, połączenie należy wykonać za pomocą specjalnego przewodu kompensacyjnego. Taki drut jest wykonany z tych samych materiałów, co sam termopara, ale z reguły ma zauważalnie większą średnicę.

Do pracy w wyższych temperaturach często stosuje się termopary wykonane z metali szlachetnych na bazie platyny i stopów platynowo-rodowych. Takie termopary są niewątpliwie droższe. Materiały na elektrody termoparowe są produkowane zgodnie ze standardami. Całą różnorodność termopar można znaleźć w odpowiednich tabelach w dowolnym dobrym odnośniku.

Czytaj dalej w następnym artykule - Kilka innych rodzajów czujników temperatury: czujniki półprzewodnikowe, czujniki do mikrokontrolerów

Boris Aladyshkin