Αισθητήρες θερμοκρασίας. Μέρος τρίτο. Θερμοστοιχεία. Effect Seebeck

Θερμοστοιχείο Σύντομο ιστορικό δημιουργίας, συσκευής, αρχής λειτουργίας

Εξωτερικά, ο θερμοστοιχείο είναι διατεταγμένος πολύ απλά: δύο λεπτά σύρματα είναι απλά συγκολλημένα μεταξύ τους με τη μορφή μιας τακτοποιημένης μικρής σφαίρας. Κάποιοι σύγχρονα ψηφιακά πολύμετρα Κινέζικα κατασκευασμένο με θερμοστοιχείο, το οποίο σας επιτρέπει να μετρήσετε τη θερμοκρασία τουλάχιστον 1000 ° C, που επιτρέπει τον έλεγχο της θερμοκρασίας θέρμανσης συγκολλητικό σίδερο ή σιδήρου, το οποίο θα εξομαλύνει την εκτύπωση λέιζερ σε γυαλί, καθώς και σε πολλές άλλες περιπτώσεις.

Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου θερμοστοιχείου είναι πολύ απλός: και οι δύο καλωδιώσεις είναι κρυμμένες σε ένα σωλήνα fiberglass, ακόμη και δεν έχουν μόνωση που να είναι ορατή στο μάτι. Από τη μία πλευρά, τα καλώδια είναι καλά συγκολλημένα και από την άλλη έχουν ένα βύσμα για τη σύνδεση με τη συσκευή. Ακόμη και με ένα τέτοιο πρωτόγονο σχεδιασμό, τα αποτελέσματα των μετρήσεων θερμοκρασίας δεν αμφισβητούνται, εκτός αν, βεβαίως, απαιτείται ακρίβεια μέτρησης τάξης 0,5 ° C και υψηλότερης.

Σε αντίθεση με τα κινέζικα θερμοστοιχεία που μόλις αναφέρθηκαν, τα θερμοστοιχεία για χρήση σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις έχουν πιο σύνθετη δομή: το τμήμα μέτρησης του ίδιου του θερμοστοιχείου τοποθετείται σε μεταλλική θήκη. Εντός του πλαισίου, το θερμοστοιχείο βρίσκεται σε μονωτήρες, συνήθως κεραμικά, σχεδιασμένα για υψηλή θερμοκρασία.

Γενικά ο θερμοστοιχείο είναι ο πιο συνηθισμένος και παλαιότερος αισθητήρας θερμοκρασίας. Η δράση της βασίζεται Effect Seebeck, το οποίο άνοιξε το 1822. Προκειμένου να εξοικειωθούμε με αυτό το αποτέλεσμα, θα συναντήσουμε διανοητικά το απλό σχήμα που φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1

Το σχήμα δείχνει δύο ανόμοια μεταλλικά αγωγούς Μ1 και Μ2, τα άκρα των οποίων στα σημεία Α και Β είναι απλά συγκολλημένα μαζί, αν και παντού και παντού αυτά τα σημεία ονομάζονται κόμβους για κάποιο λόγο. Παρεμπιπτόντως, πολλοί σπιτικές χειροτεχνίες για σπιτικά θερμοστοιχεία, σχεδιασμένες να λειτουργούν σε όχι πολύ υψηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιούν μόνο συγκόλληση αντί συγκόλλησης.

Ας επιστρέψουμε στο Σχήμα 1. Εάν όλη αυτή η κατασκευή απλά βρίσκεται στο τραπέζι, τότε δεν θα υπάρξει καμία επίδραση από αυτό. Εάν ένας από τους κόμβους θερμαίνεται με κάτι, τουλάχιστον με έναν αγώνα, τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει από τους αγωγούς Μ1 και Μ2 σε κλειστό κύκλωμα. Αφήστε να είναι πολύ αδύναμη, αλλά ακόμα θα είναι.

Για να σιγουρευτεί αυτό, αρκεί να σπάσει ένα σύρμα σε αυτό το ηλεκτρικό κύκλωμα και οποιοδήποτε από αυτά και να περιλαμβάνει ένα χιλιοστόλιτρο στο προκύπτον κενό, κατά προτίμηση με ένα μέσο, ​​όπως φαίνεται στα Σχήματα 2 και 3.

Σχήμα 2

Σχήμα 3

Αν τώρα θερμαίνεται ένας από τους κόμβους, για παράδειγμα η διασταύρωση Α, τότε το βέλος της συσκευής θα αποκλίνει προς την αριστερή πλευρά. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία σύνδεσης Α θα είναι ίση με ΤΑ = ΤΒ + ΔΤ. Στον τύπο αυτό, ΔT = TA - TB είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των κόμβων Α και Β.

Το σχήμα 3 δείχνει τι συμβαίνει εάν θερμαίνεται η διασταύρωση Β. Το βέλος της συσκευής αποκλίνει στην άλλη πλευρά και σε αμφότερες τις περιπτώσεις όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των συνδέσεων τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία του βέλους της συσκευής.

Η περιγραφείσα εμπειρία απεικονίζει ακριβώς το φαινόμενο Seebeck, το νόημα του οποίου είναι αυτό εάν οι διασταυρώσεις των αγωγών Α και Β έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε υπάρχει μια θερμοηλεκτρική ισχύς μεταξύ τους, η τιμή της οποίας είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας των συνδέσεων. Μην ξεχνάτε ότι είναι η διαφορά θερμοκρασίας, και όχι κάποια θερμοκρασία σε όλα!

Εάν και οι δύο κόμβοι έχουν την ίδια θερμοκρασία, τότε δεν θα υπάρχει θερμοστοιχείο στο κύκλωμα. Σε αυτή την περίπτωση, οι αγωγοί μπορούν να είναι σε θερμοκρασία δωματίου, θερμαίνονται σε αρκετές εκατοντάδες μοίρες, ή θα επηρεαστούν από αρνητική θερμοκρασία - ούτως ή άλλως, δεν θα επιτευχθεί θερμοηλεκτρική ισχύς.

Τι μετρά ένα θερμοστοιχείο;

Ας υποθέσουμε ότι ένας από τους κόμβους, για παράδειγμα το Α (που ονομάζεται συνήθως ζεστό), τοποθετήθηκε σε ένα δοχείο με βραστό νερό και ο άλλος κόμβος Β (κρύο) παρέμεινε σε θερμοκρασία δωματίου, για παράδειγμα 25 ° C. Είναι 25 ° C στα βιβλία φυσικής που θεωρούνται φυσιολογικές συνθήκες.

Το σημείο βρασμού του νερού υπό κανονικές συνθήκες είναι 100 ° C, οπότε η θερμοδυναμική ισχύς που παράγεται από το θερμοστοιχείο θα είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας των συνδέσεων, η οποία κάτω από αυτές τις συνθήκες θα είναι μόνο 100-25 = 75 ° C. Εάν αλλάξει η θερμοκρασία περιβάλλοντος, τότε τα αποτελέσματα των μετρήσεων θα είναι περισσότερο όπως η τιμή του καυσόξυλα από τη θερμοκρασία του βρασμού νερού. Πώς να αποκτήσετε τα σωστά αποτελέσματα;

Το συμπέρασμα υποδηλώνει: πρέπει να ψύξετε την ψυχρή σύνδεση σε 0 ° C, ρυθμίζοντας έτσι το χαμηλότερο σημείο αναφοράς της κλίμακας θερμοκρασίας Κελσίου. Ο ευκολότερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι η τοποθέτηση μιας ψυχρής σύνδεσης του θερμοηλεκτρικού κυκλώματος σε ένα δοχείο με τήξη πάγου, επειδή αυτή η θερμοκρασία λαμβάνεται ως 0 ° C. Στη συνέχεια, στο προηγούμενο παράδειγμα τα πάντα θα είναι σωστά: η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των ζεστών και κρύων διασταυρώσεων θα είναι 100 - 0 = 100 ° C.

Φυσικά, η λύση είναι απλή και σωστή, αλλά για να αναζητήσουμε ένα πλοίο με πάγο που λιώνει κάπου και να το κρατήσουμε σε αυτή τη μορφή για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι απλώς τεχνικά αδύνατο. Επομένως, αντί του πάγου, χρησιμοποιούνται διάφορα σχήματα για την αντιστάθμιση της θερμοκρασίας της κρύου διακλάδωσης.

Γενικά ο αισθητήρας ημιαγωγών μετρά τη θερμοκρασία στην περιοχή ψυχρού συνδέσμου, και ήδη το ηλεκτρονικό κύκλωμα προσθέτει αυτό το αποτέλεσμα στη συνολική τιμή θερμοκρασίας. Παρασκευάζεται επί του παρόντος εξειδικευμένα μικροκυκλώματα θερμοηλεκτρικών κυκλωμάτων με ενσωματωμένο κύκλωμα αντιστάθμισης θερμοκρασίας κρύου συνδέσμου.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, για την απλοποίηση του συστήματος στο σύνολό του, μπορεί κανείς απλώς να αρνηθεί την αποζημίωση. Απλό παράδειγμα ρυθμιστής θερμοκρασίας για συγκολλητικό σίδερο: αν ο συγκολλητικός χάλυβας βρίσκεται συνεχώς στα χέρια σας, τι σας εμποδίζει να σφίξετε λίγο το ρυθμιστή, χαμηλώστε ή προσθέστε τη θερμοκρασία; Μετά από όλα, αυτός που ξέρει πώς να συγκολλήσει βλέπει την ποιότητα της συγκόλλησης και λαμβάνει αποφάσεις έγκαιρα. Το σχήμα ενός τέτοιου θερμοστάτη είναι αρκετά απλό και φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4. Σχέδιο ενός απλού θερμοστάτη (κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση).

Όπως φαίνεται από το σχήμα, το κύκλωμα είναι αρκετά απλό και δεν περιέχει ακριβό εξειδικευμένο τμήμα. Βασίζεται στο οικιακό μικροκυκλώμα K157UD2 - ένας διπλός λειτουργικός ενισχυτής χαμηλού θορύβου. Στον ενισχυτή DA1.1 op, ο ίδιος ο ενισχυτής σήματος θερμοστοιχείου συναρμολογείται. Όταν χρησιμοποιείτε θερμοστοιχείο TYPE K όταν θερμαίνεται στους 200 - 250 ° C, η τάση εξόδου του ενισχυτή φθάνει τα 7 - 8V.

Στο δεύτερο μισό του op-amp, συναρμολογείται ένας συγκριτής, του οποίου η αντίστροφη είσοδος τροφοδοτείται με τάση από την έξοδο του ενισχυτή θερμοστοιχείου. Από την άλλη - η τάση αναφοράς από τον κινητήρα του μεταβλητού αντιστάτη R8.

Όσο η τάση στην έξοδο του ενισχυτή θερμοστοιχείου είναι μικρότερη από την τάση αναφοράς, η θετική τάση διατηρείται στην έξοδο του συγκριτή, έτσι λειτουργεί το κύκλωμα σκανδάλης τριακ Τ1, κατασκευασμένο σύμφωνα με το κύκλωμα γεννήτριας μπλοκαρίσματος στο τρανζίστορ VT1. Επομένως, ανοίγει το τριακ Τ1 και ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από τον θερμαντήρα EK, το οποίο αυξάνει την τάση στην έξοδο του ενισχυτή θερμοστοιχείου.

Μόλις η τάση αυτή υπερβαίνει ελαφρώς την τάση αναφοράς, εμφανίζεται μια τάση αρνητικής στάθμης στην έξοδο του συγκριτή. Συνεπώς, το τρανζίστορ VT1 είναι κλειδωμένο και η γεννήτρια μπλοκαρίσματος σταματά να παράγει παλμούς ελέγχου, ο οποίος οδηγεί στο κλείσιμο του τριακτικού Τ1 και στην ψύξη του θερμαντικού στοιχείου. Όταν η τάση στην έξοδο του ενισχυτή θερμοηλεκτρικού κυκλώματος καθίσταται ελαφρώς μικρότερη από την τάση αναφοράς. ολόκληρος ο κύκλος θέρμανσης επαναλαμβάνεται και πάλι.

Για να τροφοδοτήσετε έναν τέτοιο ρυθμιστή θερμοκρασίας, χρειάζεστε μια τροφοδοσία χαμηλής κατανάλωσης με δύο πολικές τάσεις +12, -12 V. Ο μετασχηματιστής Tr1 κατασκευάζεται σε δακτύλιο φερρίτη μεγέθους K10 * 6 * 4 φερρίτη ΗΜ2000. Και οι τρεις περιελίξεις περιέχουν 50 σπείρες σύρματος PELSHO-0.1.

Παρά την απλότητα του κυκλώματος, λειτουργεί αρκετά αξιόπιστα και συναρμολογείται από εξαρτήματα που απαιτούνται για επισκευή, απαιτεί μόνο μια ρύθμιση θερμοκρασίας που μπορεί να καθοριστεί χρησιμοποιώντας τουλάχιστον ένα κινεζικό πολύμετρο με θερμοστοιχείο.

Υλικά για την κατασκευή θερμοστοιχείων

Όπως ήδη αναφέρθηκε, ένα θερμοστοιχείο περιέχει δύο ηλεκτρόδια από ανόμοια υλικά. Συνολικά, υπάρχουν περίπου δώδεκα θερμοστοιχεία διαφόρων τύπων, σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο που υποδηλώνεται με τα γράμματα του λατινικού αλφάβητου.

Κάθε τύπος έχει τα δικά του χαρακτηριστικά, τα οποία οφείλονται κυρίως στα υλικά των ηλεκτροδίων.Για παράδειγμα, το αρκετά κοινό θερμοστοιχείο ΤΥΠΟΥ K είναι κατασκευασμένο από ζεύγος χρωμελίου - αλουμινίου. Η περιοχή μέτρησης είναι 200 ​​- 1200 ° C, ο θερμοηλεκτρικός συντελεστής στην περιοχή θερμοκρασιών 0 - 1200 ° C είναι 35 - 32 μV / ° C, πράγμα που δείχνει κάποια μη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων.

Όταν επιλέγετε ένα θερμοστοιχείο, θα πρέπει πρώτα απ 'όλα να καθοδηγείται από το γεγονός ότι στη μετρούμενη περιοχή θερμοκρασιών η μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού θα ήταν ελάχιστη. Στη συνέχεια, το σφάλμα μέτρησης δεν θα είναι τόσο αισθητό.

Αν το θερμοζεύγος βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τη συσκευή, τότε η σύνδεση πρέπει να γίνει χρησιμοποιώντας ένα ειδικό καλώδιο αντιστάθμισης. Ένα τέτοιο σύρμα είναι κατασκευασμένο από τα ίδια υλικά με το ίδιο το θερμοστοιχείο, αλλά, κατά κανόνα, είναι αισθητά μεγαλύτερο σε διάμετρο.

Για να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, χρησιμοποιούνται συχνά θερμοστοιχεία από πολύτιμα μέταλλα με βάση πλατίνα και κράματα πλατίνας-ρόδιο. Τέτοια θερμοστοιχεία είναι αναμφίβολα πιο ακριβά. Τα υλικά για ηλεκτρόδια θερμοστοιχείων κατασκευάζονται σύμφωνα με τα πρότυπα. Όλη η ποικιλία των θερμοστοιχείων μπορεί να βρεθεί στους αντίστοιχους πίνακες σε οποιαδήποτε καλή αναφορά.

Διαβάστε παρακάτω στο επόμενο άρθρο - Λίγα περισσότερα είδη αισθητήρων θερμοκρασίας: αισθητήρες ημιαγωγών, αισθητήρες για μικροελεγκτές

Μπόρις Αladyshkin