Sensores de temperatura. Parte três. Termopares. Efeito Seebeck

Termopar Uma breve história da criação, dispositivo, princípio de operação

Externamente, o termopar é organizado de maneira muito simples: dois fios finos são simplesmente soldados juntos na forma de uma bolinha bem organizada. Alguns multímetros digitais modernos Fabricado na China, equipado com um termopar, que permite medir a temperatura de pelo menos 1000 ° C, o que possibilita verificar a temperatura do aquecimento ferro de solda ou ferro, que facilitará a impressão a laser em fibra de vidro, assim como em muitos outros casos.

O design de um par termoelétrico é muito simples: as duas ligações estão ocultas em um tubo de fibra de vidro e ainda não possuem isolamento perceptível aos olhos. Por um lado, os fios são bem soldados e, por outro, têm um plugue para conectar ao dispositivo. Mesmo com um projeto tão primitivo, os resultados das medições de temperatura não são duvidosos, a menos que, é claro, a precisão da classe de medição de 0,5 ° C ou mais seja necessária.

Ao contrário dos termopares chineses mencionados acima, os termopares para uso em plantas industriais têm uma estrutura mais complexa: a seção de medição do termopar é colocada em uma caixa de metal. Dentro do gabinete, o termopar está localizado em isoladores, geralmente de cerâmica, projetados para alta temperatura.

Geralmente termopar é o sensor de temperatura mais comum e mais antigo. Sua ação é baseada em Efeito Seebeck, que foi inaugurado em 1822. Para se familiarizar com esse efeito, montaremos mentalmente o esquema simples mostrado na Figura 1.

Figura 1

A figura mostra dois condutores de metal diferentes M1 e M2, cujas extremidades nos pontos A e B são simplesmente soldadas, embora em todos os lugares esses pontos sejam chamados de junções por algum motivo. A propósito, muitos artesãos caseiros para termopares caseiros, projetados para trabalhar em temperaturas não muito altas, usam apenas solda em vez de soldagem.

Vamos voltar à Figura 1. Se toda essa construção simplesmente estiver sobre a mesa, não haverá efeito dela. Se uma das junções for aquecida com alguma coisa, pelo menos com uma partida, uma corrente elétrica fluirá dos condutores M1 e M2 em um circuito fechado. Seja muito fraco, mas ainda será.

Para garantir isso, basta quebrar um fio neste circuito elétrico e qualquer um e incluir um milivolt no intervalo resultante, de preferência com um ponto médio, como mostra as Figuras 2 e 3.

Figura 2

Figura 3

Se agora uma das junções estiver aquecida, por exemplo, a junção A, a seta do dispositivo se desviará para o lado esquerdo. Nesse caso, a temperatura de junção A será igual a TA = TB + ΔT. Nesta fórmula, ΔT = TA - TB é a diferença de temperatura entre as junções A e B.

A Figura 3 mostra o que acontece se a junção B. é aquecida. A seta do dispositivo desvia para o outro lado e, em ambos os casos, quanto maior a diferença de temperatura entre as junções, maior o ângulo da seta do dispositivo.

A experiência descrita ilustra apenas o efeito Seebeck, cujo significado é esse se as junções dos condutores A e B têm temperaturas diferentes, surge uma potência termoelétrica entre elas, cujo valor é proporcional à diferença de temperatura das junções. Não se esqueça de que é a diferença de temperatura, e não de alguma temperatura!

Se ambas as junções tiverem a mesma temperatura, não haverá energia térmica no circuito. Nesse caso, os condutores podem estar à temperatura ambiente, aquecidos a várias centenas de graus, ou serão afetados por uma temperatura negativa - de qualquer maneira, nenhuma energia termoelétrica será obtida.

O que mede um termopar?

Suponha que uma das junções, por exemplo A, (geralmente chamada de quente) foi colocada em um recipiente com água fervente e a outra junção B (fria) permaneceu à temperatura ambiente, por exemplo, 25 ° C. São 25 ° C nos livros de física que são considerados condições normais.

O ponto de ebulição da água em condições normais é de 100 ° C; portanto, o termopoder gerado pelo termopar será proporcional à diferença de temperatura das junções, que nessas condições será de apenas 100 -25 = 75 ° C. Se a temperatura ambiente mudar, os resultados da medição serão mais parecidos com o preço da lenha do que com a temperatura da água fervente. Como obter os resultados certos?

A conclusão sugere-se: você precisa esfriar a junção fria para 0 ° C, definindo assim o ponto de referência mais baixo da escala de temperatura Celsius. A maneira mais fácil de fazer isso é colocando uma junção fria do termopar em um recipiente com gelo derretido, porque é essa temperatura que é considerada 0 ° C. Então, no exemplo anterior, tudo estará correto: a diferença de temperatura entre as junções quente e fria será 100 - 0 = 100 ° C.

Obviamente, a solução é simples e correta, mas procurar um vaso com gelo derretido em algum lugar e mantê-lo nessa forma por um longo tempo é simplesmente tecnicamente impossível. Portanto, em vez de gelo, vários esquemas para compensar a temperatura da junção fria são usados.

Geralmente sensor semicondutor mede a temperatura na área de junção fria, e o circuito eletrônico já adiciona esse resultado ao valor geral da temperatura. Atualmente produzido microcircuitos termopares especializados com um circuito integrado de compensação de temperatura de junção fria.

Em alguns casos, para simplificar o esquema como um todo, pode-se simplesmente recusar a compensação. Exemplo simples regulador de temperatura para ferro de solda: se o ferro de soldar está constantemente em suas mãos, o que impede que você aperte um pouco o regulador, abaixe ou adicione temperatura? Afinal, quem sabe soldar vê a qualidade da solda e toma decisões a tempo. O esquema desse termostato é bastante simples e é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Esquema de um termostato simples (clique na imagem para ampliar).

Como pode ser visto na figura, o circuito é bastante simples e não contém peças especializadas caras. Baseia-se no microcircuito doméstico K157UD2 - um amplificador operacional duplo de baixo ruído. No amplificador operacional DA1.1, o próprio amplificador de sinal do termopar é montado. Ao usar um termopar TYPE K quando aquecido a 200 - 250 ° C, a tensão de saída do amplificador atinge cerca de 7 - 8V.

Na segunda metade do amplificador operacional, é montado um comparador, na entrada inversora cuja tensão é fornecida a partir da saída do amplificador de termopar. Por outro lado - a tensão de referência do motor do resistor variável R8.

Desde que a tensão na saída do amplificador termopar seja menor que a tensão de referência, a tensão positiva é mantida na saída do comparador, portanto, o circuito de disparo triac T1, realizado de acordo com o circuito do gerador de bloqueio no transistor VT1. Portanto, o triac T1 se abre e uma corrente elétrica passa pelo aquecedor EK, o que aumenta a tensão na saída do amplificador do termopar.

Assim que essa tensão exceder levemente a tensão de referência, uma tensão de nível negativo será exibida na saída do comparador. Portanto, o transistor VT1 é bloqueado e o gerador de bloqueio para de gerar pulsos de controle, o que leva ao fechamento do triac T1 e ao resfriamento do elemento de aquecimento. Quando a tensão na saída do amplificador termopar se torna ligeiramente menor que a tensão de referência. todo o ciclo de aquecimento é repetido novamente.

Para alimentar um regulador de temperatura, você precisa de uma fonte de alimentação de baixa potência com duas tensões polares de +12 a -12 V. O transformador Tr1 é feito em um anel de ferrite do tamanho K10 * 6 * 4 de ferrite НМ2000. Todos os três enrolamentos contêm 50 voltas de fio PELSHO-0.1.

Apesar da simplicidade do circuito, ele funciona de maneira confiável e montada a partir de peças que podem ser reparadas apenas requer uma configuração de temperatura que pode ser determinada usando pelo menos um multímetro chinês com um termopar.

Materiais para a fabricação de termopares

Como já mencionado, um termopar contém dois eletrodos feitos de materiais diferentes. No total, existem cerca de uma dúzia de termopares de vários tipos, de acordo com o padrão internacional indicado pelas letras do alfabeto latino.

Cada tipo tem suas próprias características, principalmente devido aos materiais dos eletrodos.Por exemplo, o termopar TYPE K bastante comum é feito de um par de cromo-alumel. Sua faixa de medição é de 200 - 1200 ° C, o coeficiente termoelétrico na faixa de temperatura de 0 - 1200 ° C é de 35 - 32 μV / ° C, o que indica uma certa não linearidade das características do termopar.

Ao escolher um termopar, você deve primeiro ser guiado pelo fato de que, na faixa de temperatura medida, a não linearidade da característica seria mínima. Então o erro de medição não será tão perceptível.

Se o termopar estiver localizado a uma distância considerável do dispositivo, a conexão deverá ser feita usando um fio de compensação especial. Esse fio é feito dos mesmos materiais que o próprio termopar, mas, como regra, é visivelmente maior em diâmetro.

Para trabalhar em temperaturas mais altas, são frequentemente usados ​​termopares feitos de metais preciosos à base de platina e ligas de platina e ródio. Tais termopares são sem dúvida mais caros. Os materiais para eletrodos de termopar são fabricados de acordo com os padrões. Toda a variedade de termopares pode ser encontrada nas tabelas correspondentes em qualquer boa referência.

Leia no próximo artigo - Mais alguns tipos de sensores de temperatura: sensores semicondutores, sensores para microcontroladores

Boris Umladyshkin