เซ็นเซอร์อุณหภูมิ ส่วนที่สาม เทอร์โม ผล Seebeck

thermocouple ประวัติโดยย่อของการสร้างอุปกรณ์หลักการของการดำเนินการ

ภายนอกเทอร์โมคัปเปิลนั้นเรียบง่ายมาก: สายไฟเส้นเล็กสองเส้นเชื่อมเข้าด้วยกันในรูปแบบของลูกบอลเล็ก ๆ บางส่วน มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลที่ทันสมัย ผลิตในประเทศจีนพร้อมกับเทอร์โมคับเปิลซึ่งช่วยให้คุณสามารถวัดอุณหภูมิได้ไม่น้อยกว่า 1,000 ° C ซึ่งทำให้สามารถตรวจสอบอุณหภูมิความร้อนได้ หัวแร้ง หรือเหล็กซึ่งจะทำให้การพิมพ์เลเซอร์เป็นไปอย่างราบรื่นไปยังไฟเบอร์กลาสเช่นเดียวกับในกรณีอื่น ๆ

การออกแบบของเทอร์โมคัปเปิลนั้นง่ายมาก: สายไฟทั้งคู่ซ่อนอยู่ในท่อไฟเบอร์กลาสและไม่มีฉนวนกันความร้อนที่เห็นได้ชัดเจน ในอีกด้านหนึ่งสายไฟถูกเชื่อมอย่างเรียบร้อยและอีกด้านหนึ่งมีปลั๊กสำหรับเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ แม้ว่าจะมีการออกแบบดั้งเดิม แต่ผลลัพธ์ของการวัดอุณหภูมินั้นไม่ต้องสงสัยเลยเว้นแต่แน่นอนว่าต้องมีความแม่นยำในการวัดที่ระดับ 0.5 ° C และสูงกว่า

เทอร์โมคับเปิลสำหรับใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมมีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าซึ่งแตกต่างจากเทอร์โมคับเปิลจีนที่มีโครงสร้างซับซ้อนกว่า: ส่วนการวัดเทอร์โมคัปเปิลนั้นวางอยู่ในกล่องโลหะ ภายในตัวเรือนเทอร์โมคัปเปิลตั้งอยู่ในลูกถ้วยซึ่งมักจะเป็นเซรามิกออกแบบมาสำหรับอุณหภูมิสูง

โดยทั่วไป thermocouple เป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่พบมากที่สุดและเก่าแก่ที่สุด. การกระทำของเธอขึ้นอยู่กับ ผล Seebeckซึ่งเปิดในปี 2365 เพื่อทำความคุ้นเคยกับเอฟเฟกต์นี้เราจะรวบรวมโครงร่างอย่างง่ายที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1

ภาพแสดงตัวนำโลหะที่แตกต่างกันสองตัว M1 และ M2 ซึ่งจุดสิ้นสุดที่จุด A และ B นั้นถูกเชื่อมเข้าด้วยกันอย่างเรียบง่ายแม้ว่าทุกที่และทุกที่ในจุดเหล่านี้จะเรียกว่าทางแยกด้วยเหตุผลบางประการ อย่างไรก็ตามช่างฝีมือโฮมเมดหลายคนสำหรับเทอร์โมคับเปิลแบบโฮมเมดที่ออกแบบมาเพื่อทำงานที่อุณหภูมิไม่สูงมากให้ใช้เพียงบัดกรีแทนการเชื่อม

ลองกลับไปที่รูปที่ 1 ถ้าสิ่งก่อสร้างทั้งหมดนี้จะวางบนโต๊ะก็จะไม่มีผลกระทบจากมัน หากหนึ่งในรอยต่อถูกทำให้ร้อนด้วยบางสิ่งอย่างน้อยก็มีการจับคู่จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลจากตัวนำ M1 และ M2 ในวงจรปิด ปล่อยให้มันอ่อนแอมาก แต่ก็ยังจะเป็น

เพื่อให้แน่ใจในเรื่องนี้มันก็เพียงพอที่จะแยกสายไฟหนึ่งเส้นในวงจรไฟฟ้านี้และเส้นลวดใด ๆ และรวมมิลลิโวลต์มิเตอร์ในช่องว่างที่เกิดขึ้นโดยควรมีจุดกึ่งกลางดังแสดงในรูปที่ 2 และ 3

รูปที่ 2

รูปที่ 3

หากหนึ่งในจุดเชื่อมต่อถูกทำให้ร้อนตัวอย่างเช่นทางแยก A ลูกศรของอุปกรณ์จะเบี่ยงเบนไปทางซ้าย ในกรณีนี้อุณหภูมิชุมทาง A จะเท่ากับ TA = TB + ΔT ในสูตรนี้ΔT = TA - TB คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยก A และ B

รูปที่ 3 แสดงว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าทางแยก B ร้อนขึ้นลูกศรของอุปกรณ์เบี่ยงเบนไปทางด้านอื่น ๆ และในทั้งสองกรณียิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยกยิ่งมากเท่าใดมุมของลูกศรของอุปกรณ์ก็จะยิ่งมากขึ้น

ประสบการณ์ที่อธิบายไว้เพียงแสดงให้เห็นถึงผลกระทบ Seebeck ความหมายของมันคือว่า ถ้ารอยต่อของตัวนำ A และ B มีอุณหภูมิแตกต่างกันดังนั้นพลังงานเทอร์โมอิเล็กตริกเกิดขึ้นระหว่างพวกเขาค่าที่เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิของรอยต่อ. อย่าลืมว่ามันเป็นอุณหภูมิที่ต่างกันและไม่ใช่อุณหภูมิเลย!

หากรอยต่อทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันก็จะไม่มีเทอร์โมเพาเวอร์ในวงจร ในกรณีนี้ตัวนำสามารถอยู่ที่อุณหภูมิห้องร้อนถึงหลายร้อยองศาหรือพวกเขาจะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิติดลบ - อย่างไรก็ตามจะไม่ได้รับพลังงานเทอร์โม

เทอร์โมคับเปิลวัดอะไร?

สมมติว่าหนึ่งในทางแยกเช่น A (มักเรียกว่าร้อน) ถูกวางไว้ในภาชนะที่มีน้ำเดือดและอีกทางแยก B (เย็น) อยู่ที่อุณหภูมิห้องเช่น 25 ° C มันเป็น 25 ° C ในตำราฟิสิกส์ที่ถือว่าเป็นเงื่อนไขปกติ

จุดเดือดของน้ำภายใต้สภาวะปกติคือ 100 ° C ดังนั้นเทอร์โมคัปเปิลที่สร้างโดยเทอร์โมคับเปิลจะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิของรอยต่อซึ่งอยู่ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้จะมีอุณหภูมิเพียง 100 -25 = 75 ° C หากอุณหภูมิโดยรอบเปลี่ยนแปลงไปผลการวัดจะเหมือนกับราคาฟืนมากกว่าอุณหภูมิของน้ำเดือด วิธีการรับผลลัพธ์ที่ถูกต้อง?

ข้อสรุปแนะนำตัวเอง: คุณต้องทำให้เย็นต่อเย็นไปที่ 0 ° C ดังนั้นการตั้งค่าจุดอ้างอิงที่ต่ำกว่าของระดับอุณหภูมิเซลเซียส วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือการวางจุดเชื่อมต่อเย็นของเทอร์โมคัปเปิลในภาชนะที่มีน้ำแข็งละลายเพราะมันคืออุณหภูมิที่ถ่ายที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส จากนั้นในตัวอย่างก่อนหน้านี้ทุกอย่างจะถูกต้อง: ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยกร้อนและเย็นจะเป็น 100 - 0 = 100 ° C

แน่นอนทางออกนั้นง่ายและถูกต้อง แต่ทุกครั้งที่มองหาเรือที่มีน้ำแข็งละลายและเก็บไว้ในรูปแบบนี้เป็นเวลานานมันเป็นไปไม่ได้ทางเทคนิค ดังนั้นแทนที่จะใช้น้ำแข็งจึงมีการใช้แผนการต่าง ๆ เพื่อชดเชยอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อเย็น

ตามกฎ เซ็นเซอร์เซมิคอนดักเตอร์วัดอุณหภูมิในบริเวณชุมทางเย็นแล้ววงจรอิเล็กทรอนิกส์จะเพิ่มผลลัพธ์นี้ให้กับค่าอุณหภูมิโดยรวม ผลิตในปัจจุบัน ไมโครเทอร์โมคัปเปิลชนิดพิเศษที่มีวงจรชดเชยอุณหภูมิชุมทางเย็นแบบรวม.

ในบางกรณีเพื่อลดความซับซ้อนของโครงการโดยรวมคุณสามารถปฏิเสธการชดเชยได้ ตัวอย่างง่ายๆ เครื่องควบคุมอุณหภูมิสำหรับหัวแร้ง: หากหัวแร้งอยู่ในมือของคุณตลอดเวลาอะไรที่ทำให้คุณไม่สามารถควบคุมความตึงได้เล็กน้อยลดหรือเพิ่มอุณหภูมิ? ท้ายที่สุดเขาผู้รู้วิธีการประสานเห็นคุณภาพของการบัดกรีและการตัดสินใจในเวลา รูปแบบของเทอร์โมสตัสนั้นค่อนข้างง่ายและแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 โครงการของเทอร์โมง่าย (คลิกที่ภาพเพื่อขยาย)

ดังที่เห็นได้จากรูปวงจรค่อนข้างง่ายและไม่มีชิ้นส่วนพิเศษที่มีราคาแพง มันขึ้นอยู่กับ microcircuit K157UD2 ในประเทศ - เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงานคู่เสียงรบกวนต่ำ บนแอมป์ DA1.1 op, ตัวขยายสัญญาณเทอร์โมคัปเปิลนั้นประกอบขึ้นเอง เมื่อใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด TYPE K เมื่อถูกความร้อนถึง 200 - 250 ° C แรงดันเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงจะมีค่าประมาณ 7 - 8V

ในครึ่งหลังของ op-amp จะมีการเปรียบเทียบตัวเปรียบเทียบกับอินพุตที่กลับด้านซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าจ่ายมาจากเอาท์พุทของแอมป์เทอร์โมคัปเปิล ที่อื่น ๆ - แรงดันอ้างอิงจากเครื่องยนต์ของตัวต้านทานตัวแปร R8

ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้าที่เอาท์พุทของเทอร์โมคับเปิลเทอร์โมคัปเปิลน้อยกว่าแรงดันอ้างอิงแรงดันบวกจะถูกเก็บไว้ที่เอาท์พุทของตัวเปรียบเทียบดังนั้นวงจรทริกเกอร์จะทำงาน Triac T1 ทำตามวงจรตัวสร้างบล็อกบนทรานซิสเตอร์ VT1 ดังนั้น triac T1 จะเปิดขึ้นและกระแสไฟฟ้าจะผ่านฮีตเตอร์ EK ซึ่งจะเพิ่มแรงดันที่เอาต์พุตของตัวขยายสัญญาณเทอร์โมคัปเปิล

ทันทีที่แรงดันไฟฟ้านี้เกินแรงดันอ้างอิงเล็กน้อยแรงดันไฟฟ้าลบจะปรากฏที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ ดังนั้นทรานซิสเตอร์ VT1 จึงถูกล็อคและเครื่องกำเนิดการปิดกั้นหยุดสร้างพัลส์ควบคุมซึ่งนำไปสู่การปิด triac T1 และการระบายความร้อนขององค์ประกอบความร้อน เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแอมป์เทอร์โมคัปเปิลน้อยกว่าแรงดันอ้างอิงเล็กน้อย วงจรความร้อนทั้งหมดจะถูกทำซ้ำอีกครั้ง

คุณต้องใช้แหล่งจ่ายไฟต่ำที่มีแรงดันไฟฟ้าสองขั้ว +12, -12 V. หม้อแปลงหม้อแปลง Tr1 ทำบนเฟอร์ไรท์วงแหวนขนาด K10 * 6 * 4 ของเฟอร์ไรต์НМ2000 ขดลวดทั้งสามนั้นมีลวด PELSHO-0.1 50 รอบ

แม้จะมีความเรียบง่ายของวงจรมันทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและประกอบจากชิ้นส่วนที่ให้บริการได้เพียงต้องการการตั้งค่าอุณหภูมิที่สามารถกำหนดได้โดยใช้อย่างน้อยมัลติมิเตอร์จีนที่มีเทอร์โมคัปเปิล

วัสดุสำหรับการผลิตเทอร์โมคับเปิล

เทอร์โมคับเปิลประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองอันที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน โดยรวมแล้วมีเทอร์โมคัปเปิลชนิดต่าง ๆ ประมาณหนึ่งโหลตามมาตรฐานสากลซึ่งแสดงโดยตัวอักษรของตัวอักษรละติน

แต่ละประเภทมีลักษณะของตัวเองซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากวัสดุของขั้วไฟฟ้าตัวอย่างเช่นเทอร์โมคัปเปิล TYPE K ที่ใช้กันทั่วไปนั้นทำมาจากโครเมท - อลูมิเนียม ช่วงการวัดของมันคือ 200 - 1200 ° C, ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมอิเล็กทริกในช่วงอุณหภูมิ 0 - 1200 ° C คือ 35 - 32 μV / ° C, ซึ่งบ่งบอกถึงความไม่เชิงเส้นของคุณสมบัติเทอร์โมคัปเปิล

เมื่อเลือกเทอร์โมคัปเปิลก่อนอื่นคุณควรได้รับคำแนะนำจากข้อเท็จจริงที่ว่าในช่วงอุณหภูมิที่วัดได้ค่าความไม่เชิงเส้นของคุณลักษณะจะน้อยที่สุด จากนั้นข้อผิดพลาดในการวัดจะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจน

หากเทอร์โมคัปเปิลอยู่ในระยะที่ห่างจากอุปกรณ์มากการเชื่อมต่อจะต้องทำโดยใช้สายชดเชยพิเศษ ลวดดังกล่าวทำจากวัสดุชนิดเดียวกับเทอร์โมคัปเปิลเอง แต่ตามกฎแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าอย่างเห็นได้ชัด

ในการทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นเทอร์โมคัปเปิลที่ทำจากโลหะมีค่าที่ใช้แพลตตินัมและอัลลอยโรเดียมแพลตตินัม เทอร์โมคับเปิลดังกล่าวมีราคาแพงกว่าอย่างแน่นอน วัสดุสำหรับเทอร์โมคัปเปิลถูกผลิตขึ้นตามมาตรฐาน เทอร์โมคัปเปิลทุกชนิดสามารถพบได้ในตารางที่เกี่ยวข้องในการอ้างอิงที่ดี

อ่านต่อไปในบทความถัดไป - เซ็นเซอร์อุณหภูมิอีกสองสามประเภท: เซ็นเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เซ็นเซอร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

บอริส ladyshkin