Temperatursensorer. Del tre. Termo. Seebeck-effekt

Termoelement. En kort historie om skapelse, enhet, prinsipp for drift

Eksternt er termoelementet anordnet veldig enkelt: to tynne ledninger er ganske enkelt sveiset sammen i form av en fin liten ball. noen moderne digitale multimetre Kinesiskprodusert utstyrt med et termoelement, som lar deg måle temperaturen på ikke mindre enn 1000 ° C, noe som gjør det mulig å sjekke oppvarmingstemperaturen loddejern eller jern, som kommer til å glatte laserutskriften til glassfiber, så vel som i mange andre tilfeller.

Utformingen av et slikt termoelement er veldig enkelt: begge ledningene er skjult i et glassfiberrør, og har til og med ikke isolasjon som er synlig for øyet. På den ene siden er ledningene sveiset pent, og på den andre har de en plugg for tilkobling til enheten. Selv med en slik primitiv utforming er ikke resultatene av temperaturmålinger i tvil, med mindre naturligvis nøyaktigheten til målingsklasse 0,5 ° C og høyere er nødvendig.

I motsetning til de kinesiske termoelementene som nettopp er nevnt, har termoelementer for bruk i industrielle anlegg en mer kompleks struktur: måleseksjonen til selve termoelementet er plassert i et metallhus. Inni i saken er termoelementet plassert i isolatorer, vanligvis keramisk, designet for høy temperatur.

generelt termoelement er den vanligste og eldste temperatursensoren. Handlingen hennes er basert på Seebeck-effekt, som ble åpnet i 1822. For å bli kjent med denne effekten, vil vi mentalt sette sammen det enkle skjemaet som er vist i figur 1.

Figur 1

Figuren viser to forskjellige metallledere M1 og M2, hvis ender på punktene A og B ganske enkelt er sveiset sammen, selv om overalt og overalt disse punktene kalles kryss for en eller annen grunn. Forresten, mange hjemmelagde håndverkere for hjemmelagde termoelementer, designet for å arbeide ved ikke veldig høye temperaturer, bruker bare lodding i stedet for sveising.

La oss gå tilbake til figur 1. Hvis all denne konstruksjonen ganske enkelt vil ligge på bordet, vil det ikke være noen effekt av det. Hvis en av veikryssene varmes opp med noe, i det minste med en fyrstikk, vil en elektrisk strøm strømme fra lederne M1 og M2 i en lukket krets. La det være veldig svakt, men likevel vil det være.

For å være sikker på dette er det nok å bryte en ledning i denne elektriske kretsen, og hvilken som helst, og inkludere et millivoltmeter i det resulterende spalten, fortrinnsvis med et midtpunkt, som vist i figur 2 og 3.

Figur 2

Figur 3

Hvis nå en av veikryssene blir oppvarmet, for eksempel veikryss A, vil pilen på enheten avvike til venstre side. I dette tilfellet vil forbindelsestemperaturen A være TA = TB + ΔT. I denne formelen er =T = TA - TB temperaturforskjellen mellom veikryssene A og B.

Figur 3 viser hva som skjer hvis krysset B. blir oppvarmet. Pilen til enheten avviker til den andre siden, og i begge tilfeller, jo større temperaturforskjell mellom kryssene, desto større er vinkelen på pilen til enheten.

Den beskrevne opplevelsen illustrerer bare Seebeck-effekten, som betydningen er den hvis forbindelsene til lederne A og B har forskjellige temperaturer, oppstår det en termoelektrisk kraft mellom dem, hvis verdi er proporsjonal med temperaturforskjellen på kryssene. Ikke glem at det er temperaturforskjellen, og ikke noen temperatur i det hele tatt!

Hvis begge veikryssene har samme temperatur, vil det ikke være noen termokraft i kretsen. I dette tilfellet kan lederne være i romtemperatur, oppvarmet til flere hundre grader, eller de vil bli påvirket av en negativ temperatur - uansett vil ingen termoelektrisk kraft oppnås.

Hva måler et termoelement?

Anta at et av kryssene, for eksempel A, (vanligvis kalt varmt) ble plassert i et kar med kokende vann, og det andre krysset B (kaldt) forble ved romtemperatur, for eksempel 25 ° C. Det er 25 ° C i fysikk lærebøker som regnes som normale forhold.

Vannets kokepunkt under normale forhold er 100 ° C, så termokraften som genereres av termoelementet vil være proporsjonal med temperaturforskjellen på kryssene, som under disse forholdene bare vil være 100-25 = 75 ° C. Hvis omgivelsestemperaturen endres, vil måleresultatene være mer som prisen på ved enn temperaturen på kokende vann. Hvordan få de riktige resultatene?

Konklusjonen antyder seg selv: du må avkjøle det kalde krysset til 0 ° C, og dermed sette det nedre referansepunktet for Celsius temperaturskala. Den enkleste måten å gjøre dette på er ved å plassere et kaldt kryss av termoelementet i et kar med smeltende is, fordi det er denne temperaturen som blir tatt som 0 ° C. Da i forrige eksempel vil alt være riktig: temperaturforskjellen mellom de varme og kalde kryssene vil være 100 - 0 = 100 ° C.

Naturligvis er løsningen enkel og riktig, men å lete etter et fartøy med smeltende is et sted og å holde det i denne formen i lang tid er ganske enkelt teknisk umulig. I stedet for is brukes derfor forskjellige ordninger for å kompensere temperaturen i det kalde krysset.

Som regel halvlederføler måler temperaturen i det kalde kryssområdet, og allerede den elektroniske kretsen tilfører dette resultatet til den totale temperaturverdien. Foreløpig produsert spesialiserte termoelementmikrokretser som har en integrert temperaturkompenseringskrets for kaldt kryss.

I noen tilfeller kan man ganske enkelt nekte erstatning for å forenkle ordningen som helhet. Enkelt eksempel temperaturregulator for loddejern: hvis loddejernet konstant er i hendene, hva forhindrer deg i å stramme regulatoren litt, senke eller legge til temperatur? Tross alt, han som vet å lodde, ser kvaliteten på lodding og tar avgjørelser i tide. Opplegget med en slik termostat er ganske enkelt og er vist i figur 4.

Figur 4. Skjema for en enkel termostat (Klikk på bildet for å forstørre).

Som det fremgår av figuren, er kretsen ganske enkel og inneholder ikke dyre spesialiserte deler. Den er basert på den innenlandske K157UD2-mikrokretsen - en dobbel lavstøy operasjonsforsterker. På DA1.1 op-forsterkeren er selve termoelementets signalforsterker montert. Når du bruker et TYPE K-termoelement når det varmes opp til 200 - 250 ° C, når utgangsspenningen til forsterkeren omtrent 7 - 8V.

På den andre halvdelen av op-forsterkeren er en sammenligning montert, til den inverterende inngangen som en spenning tilføres fra utgangen fra termoelementforsterkeren. På den andre - referansespenningen fra motoren til den variable motstanden R8.

Så lenge spenningen ved utgangen til termoelementforsterkeren er mindre enn referansespenningen, holdes den positive spenningen ved utgangen fra komparatoren, så triggerkretsen fungerer triac T1, laget i henhold til blokkeringsgeneratorkretsen på transistoren VT1. Derfor åpnes triac T1 og en elektrisk strøm går gjennom varmeren EK, noe som øker spenningen ved utgangen fra termoelementforsterkeren.

Så snart denne spenningen overskrider referansespenningen, vises en negativ nivåspenning ved komparatorens utgang. Derfor er transistoren VT1 låst og blokkeringsgeneratoren slutter å generere kontrollpulser, noe som fører til lukking av triac T1, og avkjøling av varmeelementet. Når spenningen ved utgangen fra termoelementforsterkeren blir litt mindre enn referansespenningen. hele varmesyklusen gjentas igjen.

For å drive en slik temperaturregulator trenger du en lav strømforsyning med to polare spenninger +12, -12 V. Transformator Tr1 er laget på en ferrittring i størrelse K10 * 6 * 4 av ferritt НМ2000. Alle tre viklingene inneholder 50 omdreininger av PELSHO-0.1 ledning.

Til tross for enkelhet i kretsen, fungerer den pålitelig nok, og montert fra serviceverdige deler krever bare en temperaturinnstilling som kan bestemmes ved bruk av minst et kinesisk multimeter med et termoelement.

Materialer for fremstilling av termoelementer

Som allerede nevnt inneholder et termoelement to elektroder laget av forskjellige materialer. Totalt er det omtrent et dusin termoelementer av forskjellige typer, i henhold til den internasjonale standarden angitt med bokstavene i det latinske alfabetet.

Hver type har sine egne egenskaper, noe som hovedsakelig skyldes materialene til elektrodene.For eksempel er den ganske vanlige TYPE K termoelementet laget av et krom-alumel par. Måleområdet er 200 - 1200 ° C, den termoelektriske koeffisienten i temperaturområdet 0 - 1200 ° C er 35 - 32 μV / ° C, noe som indikerer en viss ikke-linearitet i termoelementets egenskaper.

Når du velger et termoelement, bør du først veilede av at i det målte temperaturområdet ikke-lineariteten til karakteristikken vil være minimal. Da vil ikke målefeilen bli så merkbar.

Hvis termoelementet er plassert i betydelig avstand fra enheten, må tilkoblingen gjøres ved hjelp av en spesiell kompensasjonstråd. En slik ledning er laget av de samme materialene som selve termoelementet, men er som regel merkbart større i diameter.

For å arbeide ved høyere temperaturer brukes ofte termoelementer laget av edle metaller basert på platina og platina-rhodium-legeringer. Slike termoelementer er utvilsomt dyrere. Materialer for termoelementelektroder er produsert i henhold til standarder. Alle de forskjellige termoelementene finner du i de tilsvarende tabeller i enhver god referanse.

Les videre i neste artikkel - Noen flere typer temperatursensorer: halvleder sensorer, sensorer for mikrokontrollere

Boris Enladyshkin 

Comments

[#1]

Takk for artikkelen! Mye er avklart for meg (nå jobber jeg med spørsmålet om automatisk justering av ovnstemperaturen). Den eneste ordningen er dårlig lesbar, detaljene i detaljene er nesten ikke synlige. Kunne du sette kretsen i den beste oppløsningen?
På forhånd takk.
Hilsen Maxim.

[#2]

Boris!

Hvorfor velge et termoelement med minimal ikke-linearitet? Og hvordan gjøre dette i praksis? Hvor får jeg installasjonen for kalibrering?

Hvis du snakker om å velge type termoelement, så vil jeg fortelle deg en hemmelighet: De har lenge lært å kompensere for ikke-linearitet på forskjellige måter. Dette gjøres lettest programmatisk i en en-dollar mikroprosessor.

Neste. Veiledet av din anbefaling, bør en nybegynner finne standarder for typer termoelementer, velge de som har minst ikke-linearitet ... Og hva så? Er valget over?