Snímače teploty. Tretia časť. Termoelektrické články. Seebeckov efekt

Termočlánok. Stručná história stvorenia, zariadenie, princíp činnosti

Externe je termočlánok usporiadaný veľmi jednoducho: dva tenké drôty sú jednoducho zvarené do podoby elegantnej malej gule. niektorí moderné digitálne multimetre Číňan vybavený termočlánkom, ktorý umožňuje merať teplotu najmenej 1000 ° C, čo umožňuje kontrolu teploty ohrevu spájkovačka alebo železo, ktoré vyhladí laserový výtlačok na sklolaminát, ako aj v mnohých iných prípadoch.

Konštrukcia takého termočlánku je veľmi jednoduchá: obidve káble sú ukryté v rúrke zo sklenených vlákien a dokonca nemajú izoláciu, ktorá je viditeľná pre oko. Drôty sú na jednej strane úhľadne zvárané a na druhej strane majú zástrčku na pripojenie k zariadeniu. Aj pri takom primitívnom vyhotovení nie sú pochybnosti o výsledkoch merania teploty, pokiaľ sa samozrejme nevyžaduje presnosť merania triedy 0,5 ° C a vyššej.

Na rozdiel od čínskych termočlánkov, ktoré sa práve uviedli, termočlánky na použitie v priemyselných závodoch majú zložitejšiu štruktúru: meracia časť samotného termočlánku je umiestnená v kovovom puzdre. Vo vnútri puzdra je termočlánok umiestnený v izolátoroch, zvyčajne keramických, určených na vysoké teploty.

všeobecne termočlánok je najbežnejší a najstarší teplotný senzor, Jej činnosť je založená na Seebeckov efekt, ktorá bola otvorená v roku 1822. Aby sme sa oboznámili s týmto účinkom, zostavíme mentálne jednoduchú schému znázornenú na obrázku 1.

Obrázok 1

Obrázok ukazuje dva rôzne kovové vodiče M1 a M2, ktorých konce sú v bodoch A a B jednoducho zvarené dokopy, hoci všade a všade sa tieto body z nejakého dôvodu nazývajú spojmi. Mimochodom, mnoho domácich remeselníkov pre domáce termočlánky, ktoré sú navrhnuté tak, aby pracovali pri veľmi nízkych teplotách, namiesto zvárania používajú iba spájkovanie.

Vráťme sa k obrázku 1. Ak celá táto konštrukcia bude jednoducho ležať na stole, nebude to mať žiadny účinok. Ak je jeden z uzlov zahrievaný niečím, aspoň zhodou, potom prúdi elektrický prúd z vodičov M1 a M2 v uzavretom obvode. Nech je to veľmi slabé, ale stále to bude.

Aby sa to zaistilo, stačí prerušiť jeden vodič v tomto elektrickom obvode a akýkoľvek iný a do výslednej medzery zahrnúť milivoltmeter, výhodne so stredným bodom, ako je znázornené na obrázkoch 2 a 3.

Obrázok 2

Obrázok 3

Ak je teraz jeden z uzlov zahriaty, napríklad križovatka A, šípka zariadenia sa bude líšiť na ľavej strane. V tomto prípade sa teplota spoja A rovná TA = TB + ΔT. V tomto vzorci ΔT = TA - TB je teplotný rozdiel medzi spojmi A a B.

Obrázok 3 ukazuje, čo sa stane, ak sa zahrieva spojenie B. Šípka zariadenia sa odchyľuje na druhú stranu a v oboch prípadoch, čím väčší je teplotný rozdiel medzi spojmi, tým väčší je uhol šípky zariadenia.

Opísaná skúsenosť len ilustruje Seebeckov efekt, ktorého význam je taký ak majú spoje vodičov A a B rôzne teploty, potom medzi nimi vzniká termoelektrický výkon, ktorého hodnota je úmerná rozdielu teploty spojov, Nezabudnite, že ide o teplotný rozdiel a vôbec nie o určitú teplotu!

Ak majú obe križovatky rovnakú teplotu, nebude v okruhu žiadna tepelná energia. V takom prípade môžu byť vodiče pri izbovej teplote, vyhrievané na niekoľko stoviek stupňov, alebo budú ovplyvnené negatívnou teplotou - napriek tomu sa nezíska žiadny termoelektrický výkon.

Čo meria termočlánok?

Predpokladajme, že jeden zo spojov, napríklad A, (zvyčajne nazývaný horúci) bol umiestnený do nádoby s vriacou vodou a druhý spoj B (studený) zostal pri izbovej teplote, napríklad, 25 ° C. Za normálnych podmienok sa v knihách fyziky považuje teplota 25 ° C.

Bod varu vody za normálnych podmienok je 100 ° C, a preto bude tepelná sila generovaná termočlánkom úmerná teplotnému rozdielu spojov, ktorý za týchto podmienok bude iba 100 - 25 = 75 ° C. Ak sa teplota okolia zmení, výsledky merania budú skôr ako cena palivového dreva ako teplota vriacej vody. Ako získať správne výsledky?

Záver sám o sebe naznačuje: musíte chladnú križovatku ochladiť na 0 ° C, čím nastavíte dolný referenčný bod stupnice teploty Celzia. Najjednoduchší spôsob, ako to dosiahnuť, je umiestnenie studeného spojenia termočlánku do nádoby s topiacim sa ľadom, pretože práve táto teplota sa berie ako 0 ° C. Potom v predchádzajúcom príklade bude všetko v poriadku: teplotný rozdiel medzi horúcimi a studenými spojmi bude 100 - 0 = 100 ° C.

Samozrejme, že riešenie je jednoduché a správne, ale zakaždým, keď hľadáme niekde nádobu s topiacim sa ľadom a udržíme ju v tejto podobe po dlhú dobu, je to jednoducho technicky nemožné. Preto sa namiesto ľadu používajú rôzne schémy na kompenzáciu teploty studenej križovatky.

spravidla polovodičový senzor meria teplotu v oblasti studeného uzlua elektronický obvod už tento výsledok pripočítava k celkovej hodnote teploty. V súčasnosti sa vyrába špecializované termočlánkové mikroobvody s integrovaným obvodom kompenzácie teploty za studena.

V niektorých prípadoch je možné zjednodušiť systém ako celok jednoducho odmietnutím kompenzácie. Jednoduchý príklad regulátor teploty pre spájkovačku: ak je spájka neustále v rukách, čo vám bráni v tom, aby ste trochu dotiahli regulátor, znížili alebo zvýšili teplotu? Koniec koncov, ten, kto vie spájkovať, vidí kvalitu spájkovania a rozhoduje o čase. Schéma takého termostatu je pomerne jednoduchá a je znázornená na obr.

Obrázok 4. Schéma jednoduchého termostatu (kliknite na obrázok pre zväčšenie).

Ako je možné vidieť na obrázku, obvod je pomerne jednoduchý a neobsahuje drahé špecializované časti. Je založený na domácom mikroobvode K157UD2 - duálnom nízkošumovom operačnom zosilňovači. Na zosilňovači DA1.1 je zostavený samotný zosilňovač signálu termočlánku. Pri použití termočlánku TYPE K pri zahriatí na 200 - 250 ° C dosahuje výstupné napätie zosilňovača približne 7 - 8V.

V druhej polovici operačného zosilňovača je zostavený komparátor, do ktorého inverzného vstupu je privádzané napätie z výstupu termočlánkového zosilňovača. Na druhej strane - referenčné napätie z motora variabilného odporu R8.

Pokiaľ je napätie na výstupe zosilňovača termočlánkov nižšie ako referenčné napätie, kladné napätie sa udržuje na výstupe z komparátora, takže spúšťací obvod funguje triak Tl, vyrobený podľa obvodu blokovacieho generátora na tranzistore VT1. Preto sa triak T1 otvorí a elektrický ohrievač EK prechádza elektrickým prúdom, ktorý zvyšuje napätie na výstupe zosilňovača termočlánkov.

Len čo toto napätie mierne prekročí referenčné napätie, objaví sa na výstupe z porovnávača záporné napätie. Tranzistor VT1 je preto zablokovaný a blokovací generátor prestane generovať riadiace impulzy, ktoré vedú k uzavretiu triaku Tl a chladeniu vyhrievacieho prvku. Keď sa napätie na výstupe zosilňovača termočlánkov mierne zníži ako referenčné napätie. celý vykurovací cyklus sa opakuje znova.

Na napájanie takéhoto regulátora teploty je potrebný nízkonapäťový napájací zdroj s dvoma polárnymi napätiami +12, -12 V. Transformátor Tr1 sa vyrába na feritovom krúžku K10 * 6 * 4 z feritu НМ2000. Všetky tri vinutia obsahujú 50 závitov drôtu PELSHO-0,1.

Napriek jednoduchosti obvodu to funguje dostatočne spoľahlivo a zostavené z opraviteľných častí vyžaduje iba nastavenie teploty, ktoré je možné určiť pomocou aspoň čínskeho multimetra s termočlánkom.

Materiály na výrobu termočlánkov

Ako už bolo uvedené, termočlánok obsahuje dve elektródy vyrobené z rôznych materiálov. Celkovo existuje asi tucet termočlánkov rôznych typov podľa medzinárodnej normy označenej písmenami latinskej abecedy.

Každý typ má svoje vlastné charakteristiky, čo je spôsobené hlavne materiálmi elektród.Napríklad pomerne častý termočlánok TYPE K je vyrobený z dvojice chromel - alumel. Jeho rozsah merania je 200 - 1200 ° C, termoelektrický koeficient v teplotnom rozsahu 0 - 1200 ° C je 35 - 32 μV / ° C, čo naznačuje určitú nelinearitu charakteristík termočlánkov.

Pri výbere termočlánku by ste sa mali v prvom rade riadiť skutočnosťou, že v meranom teplotnom rozsahu by nelinearita charakteristiky bola minimálna. Potom nebude chyba merania tak zreteľná.

Ak je termočlánok umiestnený v značnej vzdialenosti od zariadenia, musí sa spojenie vykonať pomocou špeciálneho kompenzačného drôtu. Takýto drôt je vyrobený z rovnakých materiálov ako samotný termočlánok, ale spravidla je jeho priemer podstatne väčší.

Na prácu pri vyšších teplotách sa často používajú termočlánky vyrobené z drahých kovov na báze platiny a zliatin platiny a ródia. Takéto termočlánky sú nepochybne drahšie. Materiály pre termočlánkové elektródy sa vyrábajú podľa noriem. Všetky rôzne termočlánky sú uvedené v zodpovedajúcich tabuľkách v akomkoľvek dobrom odkaze.

Čítajte ďalej v ďalšom článku - Niekoľko ďalších typov teplotných senzorov: polovodičové senzory, senzory pre mikrokontroléry

boris ladyshkin