أجهزة استشعار درجة الحرارة. الجزء الثالث. المزدوجات الحرارية. تأثير Seebeck

الحرارية. نبذة تاريخية عن الخلق ، الجهاز ، مبدأ التشغيل

خارجيا ، يتم ترتيب المزدوجات الحرارية ببساطة شديدة: يتم ببساطة لحام اثنين من الأسلاك الرفيعة معا في شكل كرة صغيرة أنيقة. بعض متعدد الرقمية الحديثة صيني الصنع مزود بحرارية ، والتي تتيح لك قياس درجة حرارة 1000 درجة مئوية على الأقل ، مما يجعل من الممكن التحقق من درجة حرارة التدفئة لحام الحديد أو الحديد ، الذي سيسهل عملية طباعة الليزر بالألياف الزجاجية ، وكذلك في العديد من الحالات الأخرى.

تصميم مثل هذا المزدوج الحرارية بسيط للغاية: يتم إخفاء كل من الأسلاك في أنبوب من الألياف الزجاجية ، وحتى لا يكون لها عزل ملحوظ للعين. من ناحية ، تكون الأسلاك ملحومة بدقة ، ومن ناحية أخرى تحتوي على قابس للاتصال بالجهاز. حتى مع مثل هذا التصميم البدائي ، فإن نتائج قياسات درجة الحرارة ليست موضع شك ، إلا إذا كانت دقة قياس الفئة 0.5 درجة مئوية وما هو أعلى مطلوبة.

على عكس المزدوجات الصينية المذكورة للتو ، فإن المزدوجات الحرارية للاستخدام في المنشآت الصناعية لديها هيكل أكثر تعقيدًا: يتم وضع قسم القياس في المزدوجات الحرارية نفسها في علبة معدنية. داخل العلبة ، يوجد المزدوج الحراري في عوازل ، عادة من السيراميك ، مصممة لدرجة الحرارة العالية.

عموما الحرارية هي استشعار درجة الحرارة الأكثر شيوعا وأقدم. ويستند عملها على تأثير Seebeck، الذي افتتح في عام 1822. من أجل التعرف على هذا التأثير ، سوف نقوم بتجميع عقلي المخطط البسيط الموضح في الشكل 1.

الشكل 1

يوضح الشكل اثنين من الموصلات المعدنية المتباينة M1 و M2 ، نهاياتهما في النقطتين A و B ملحومة ببساطة معًا ، على الرغم من أن هذه النقاط تسمى في كل مكان وفي كل مكان الوصلات لسبب ما. بالمناسبة ، يستخدم العديد من الحرفيين المصنوعين في المنزل للمزدوجات الحرارية في المنزل ، المصممين للعمل في درجات حرارة غير عالية ، اللحام بدلاً من اللحام.

دعنا نعود إلى الشكل 1. إذا كان كل هذا البناء سيكون ببساطة على الطاولة ، فلن يكون هناك أي تأثير منه. إذا تم تسخين أحد الوصلات بشيء ، على الأقل بمطابقة ، فإن التيار الكهربائي سوف يتدفق من الموصلات M1 و M2 في دائرة مغلقة. فليكن ضعيفا جدا ، ولكن لا يزال سيكون.

للتأكد من ذلك ، يكفي تكسير سلك واحد في هذه الدائرة الكهربائية وأي سلك آخر ، وإدراج مقياس الميليفولت في الفجوة الناتجة ، ويفضل أن يكون ذلك بنقطة منتصف ، كما هو مبين في الشكلين 2 و 3.

الشكل 2

الشكل 3

إذا تم الآن تسخين أحد الوصلات ، على سبيل المثال ، الوصلة أ ، فسوف ينحرف سهم الجهاز إلى الجانب الأيسر. في هذه الحالة ، تكون درجة حرارة الوصلة A مساوية لـ TA = TB + ΔT. في هذه الصيغة ، ΔT = TA - TB هو الفرق في درجة الحرارة بين الوصلات A و B.

يوضح الشكل 3 ما يحدث في حالة تسخين الوصلة B. ينحرف سهم الجهاز إلى الجانب الآخر ، وفي كلتا الحالتين ، كلما كان الفرق في درجة الحرارة بين الوصلات أكبر ، زادت زاوية سهم الجهاز.

توضح التجربة الموضحة تأثير Seebeck ، ومعنى ذلك إذا كانت الوصلات بين الموصلات A و B لها درجات حرارة مختلفة ، فستنشأ قوة كهروضوئية بينهما ، والتي تتناسب قيمتها مع الفرق في درجة حرارة الوصلات. لا تنس أن هذا هو الفرق في درجة الحرارة ، وليس بعض درجة الحرارة على الإطلاق!

إذا كانت كلتا الوصلتين تتمتعان بنفس درجة الحرارة ، فلن يكون هناك دارة حرارية في الدائرة. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون الموصلات في درجة حرارة الغرفة ، أو تسخينها إلى عدة مئات من درجات ، أو سوف تتأثر درجة حرارة سلبية - على أي حال ، لن يتم الحصول على الطاقة الحرارية الكهربائية.

ما يقيس الحرارية؟

لنفترض أن أحد الوصلات ، على سبيل المثال A ، (عادة ما يطلق على الساخن) قد تم وضعه في وعاء به ماء مغلي ، وأن الوصلة الأخرى B (الباردة) ظلت في درجة حرارة الغرفة ، على سبيل المثال ، 25 درجة مئوية. إنها 25 درجة مئوية في كتب الفيزياء التي تعتبر ظروفًا طبيعية.

درجة غليان الماء في الظروف العادية هي 100 درجة مئوية ، وبالتالي فإن الطاقة الحرارية الناتجة عن المزدوج سوف تكون متناسبة مع الفرق في درجة الحرارة من التقاطعات ، والتي في هذه الظروف ستكون فقط 100 -25 = 75 درجة مئوية. إذا تغيرت درجة الحرارة المحيطة ، فستكون نتائج القياس أشبه بسعر الحطب مقارنة بدرجة حرارة الماء المغلي. كيف تحصل على النتائج الصحيحة؟

الاستنتاج يشير إلى نفسه: تحتاج إلى تبريد الوصل البارد إلى 0 درجة مئوية ، وبالتالي تحديد النقطة المرجعية الدنيا لمقياس درجة حرارة مئوية. أسهل طريقة للقيام بذلك هي عن طريق وضع تقاطع بارد من المزدوجات الحرارية في وعاء مع ذوبان الجليد ، لأن هذه درجة الحرارة التي يتم اعتبارها 0 درجة مئوية. ثم في المثال السابق ، سيكون كل شيء صحيحًا: سيكون الفرق في درجة الحرارة بين الوصلات الساخنة والباردة 100 - 0 = 100 درجة مئوية.

بالطبع ، الحل بسيط وصحيح ، لكن البحث عن وعاء به ذوبان الجليد في مكان ما والاحتفاظ به في هذا النموذج لفترة طويلة أمر مستحيل تقنياً. لذلك ، بدلاً من الجليد ، يتم استخدام مخططات مختلفة لتعويض درجة حرارة الوصلة الباردة.

وكقاعدة عامة، جهاز استشعار أشباه الموصلات يقيس درجة الحرارة في منطقة التقاطع الباردةوتضيف الدائرة الإلكترونية بالفعل هذه النتيجة إلى قيمة درجة الحرارة الكلية. المنتجة حاليا دوائر كهربائية دقيقة متخصصة لها دائرة تعويض درجة الحرارة الباردة المتكاملة.

في بعض الحالات ، لتبسيط المخطط ككل ، يمكن للمرء ببساطة رفض التعويض. مثال بسيط منظم درجة الحرارة لحام الحديد: إذا كان مكواة اللحام في يديك باستمرار ، فما الذي يمنعك من إحكام ضبط منظم درجة الحرارة قليلاً أو مخفضًا أو مضافًا؟ بعد كل شيء ، من يعرف كيفية اللحام يرى نوعية اللحام ويتخذ القرارات في الوقت المحدد. مخطط ترموستات كهذا بسيط للغاية ويظهر في الشكل 4.

الشكل 4. مخطط ترموستات بسيط (انقر على الصورة للتكبير).

كما يتضح من الشكل ، فإن الدائرة بسيطة للغاية ولا تحتوي على أجزاء متخصصة باهظة الثمن. إنه يعتمد على الدائرة المحلية الصغيرة K157UD2 - مكبر صوت تشغيلي منخفض الضوضاء. على DA1.1 المرجع أمبير ، يتم تجميع مكبر للصوت إشارة الحرارية نفسها. عند استخدام TYPE K الحرارية عند تسخينها إلى 200 - 250 درجة مئوية ، فإن الجهد الناتج من مكبر للصوت يصل إلى حوالي 7 - 8V.

في النصف الثاني من op-amp ، يتم تجميع المقارنة ، والتي يتم توفير مدخلات معكوسة مع الجهد من إخراج مكبر للصوت الحرارية. من ناحية أخرى - الجهد المرجعي من محرك متغير المقاوم R8.

طالما أن الجهد عند إخراج مضخم الصوت المزدوج أقل من الجهد المرجعي ، يتم الاحتفاظ بالجهد الإيجابي عند إخراج المقارنة ، لذلك تعمل دائرة الزناد صمام تحكم كهربائي T1 ، مصنوعة وفقًا لدائرة مولد الحجب في الترانزستور VT1. لذلك ، يتم فتح triac T1 ويمر تيار كهربائي عبر السخان EK ، مما يزيد من الجهد عند خرج مضخم الصوت المزدوج.

بمجرد أن يتجاوز هذا الجهد قليلاً الجهد الكهربائي المرجعي ، يظهر جهد سالب المستوى عند إخراج المقارنة. لذلك ، يتم تأمين الترانزستور VT1 ويتوقف مولد الحظر عن توليد نبضات التحكم ، مما يؤدي إلى إغلاق التيراك T1 ، وتبريد عنصر التسخين. عندما يصبح الجهد عند إخراج مضخم الصوت المزدوج أقل قليلاً من الجهد المرجعي. تتكرر دورة التدفئة بأكملها مرة أخرى.

لتشغيل منظم درجة الحرارة هذا ، تحتاج إلى وحدة تزويد طاقة منخفضة الطاقة مع اثنين من الفولتية القطبية +12 ، -12 V. يتم تصنيع المحول Tr1 على حلقة من الفريت بحجم K10 * 6 * 4 من الفريت НМ2000. جميع اللفات الثلاثة تحتوي على 50 المنعطفات من الأسلاك PELSHO-0.1.

على الرغم من بساطة الدائرة ، فهي تعمل بشكل موثوق بما فيه الكفاية ، وتجميعها من أجزاء قابلة للخدمة لا تتطلب سوى إعداد درجة الحرارة التي يمكن تحديدها باستخدام ما لا يقل عن متر صيني مع المزدوج الحرارية.

مواد لصناعة المزدوجات الحرارية

كما ذكرنا سابقًا ، تحتوي المزدوجات الحرارية على قطبين مصنوعين من مواد مختلفة. في المجموع ، هناك حوالي عشرة من المزدوجات الحرارية من أنواع مختلفة ، والتي يشار إليها بأحرف الأبجدية اللاتينية وفقا للمعايير الدولية.

كل نوع له خصائصه الخاصة ، والذي يرجع أساسًا إلى مواد الأقطاب الكهربائية.على سبيل المثال ، يتكون TYPE K المزدوج الشائع إلى حد ما من زوج كروم ألوميل. يتراوح نطاق القياس من 200 - 1200 درجة مئوية ، ويبلغ معامل الحرارة الحرارية في نطاق درجة الحرارة من 0 إلى 1200 درجة مئوية 35 - 32 فولت / درجة مئوية ، مما يشير إلى عدم خطية معينة لخصائص المزدوجات الحرارية.

عند اختيار المزدوجات الحرارية ، يجب أن تسترشد أولاً وقبل كل شيء بحقيقة أنه في نطاق درجة الحرارة المقاسة سيكون الحد الأدنى للخطية لهذه الخاصية. ثم لن يكون خطأ القياس ملحوظًا.

إذا كان المزدوج يقع على مسافة كبيرة من الجهاز ، فيجب إجراء الاتصال باستخدام سلك تعويض خاص. يتكون هذا السلك من نفس المواد التي تستخدمها الطبقة الحرارية نفسها ، ولكن كقاعدة عامة ، يكون قطرها أكبر بشكل ملحوظ.

للعمل في درجات حرارة أعلى ، غالباً ما يتم استخدام المزدوجات الحرارية المصنوعة من المعادن الثمينة القائمة على خلائط البلاتين والروديوم البلاتينيوم. هذه المزدوجات الحرارية هي بلا شك أكثر تكلفة. يتم تصنيع مواد الأقطاب الكهربائية الحرارية وفقًا للمعايير. يمكن العثور على مجموعة متنوعة من المزدوجات الحرارية في الجداول المقابلة في أي إشارة جيدة.

اقرأ في المقال التالي - وهناك عدد قليل من أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة: أجهزة استشعار أشباه الموصلات ، وأجهزة استشعار ميكروكنترولر

بوريس Aladyshkin