Sensores de temperatura. Tercera parte Termopares Efecto Seebeck

Termopar Una breve historia de la creación, dispositivo, principio de funcionamiento.

Externamente, el termopar está dispuesto de manera muy simple: dos alambres finos simplemente se sueldan juntos en forma de una pequeña bola ordenada. Algunos multímetros digitales modernos Fabricado en China equipado con un termopar, que le permite medir la temperatura de no menos de 1000 ° C, lo que permite verificar la temperatura de calentamiento soldador o hierro, que suavizará la impresión láser a fibra de vidrio, así como en muchos otros casos.

El diseño de este termopar es muy simple: ambos cables están ocultos en un tubo de fibra de vidrio e incluso no tienen un aislamiento perceptible a la vista. Por un lado, los cables están bien soldados y, por otro, tienen un enchufe para conectarse al dispositivo. Incluso con un diseño tan primitivo, los resultados de las mediciones de temperatura no están en duda, a menos que, por supuesto, se requiera una precisión de medición de clase 0.5 ° C y superior.

A diferencia de los termopares chinos que acabamos de mencionar, los termopares para uso en plantas industriales tienen una estructura más compleja: la sección de medición del termopar se coloca en una caja metálica. Dentro de la caja, el termopar está ubicado en aisladores, generalmente de cerámica, diseñados para altas temperaturas.

En general el termopar es el sensor de temperatura más común y antiguo. Su acción se basa en Efecto Seebeck, que se inauguró en 1822. Para familiarizarse con este efecto, reuniremos mentalmente el esquema simple que se muestra en la Figura 1.

Figura 1

La figura muestra dos conductores metálicos diferentes M1 y M2, cuyos extremos en los puntos A y B simplemente se sueldan entre sí, aunque en todas partes se llaman uniones por alguna razón. Por cierto, muchos artesanos caseros para termopares caseros, diseñados para trabajar a temperaturas no muy altas, usan solo soldadura en lugar de soldadura.

Volvamos a la Figura 1. Si toda esta construcción simplemente descansa sobre la mesa, entonces no tendrá ningún efecto. Si una de las uniones se calienta con algo, al menos con una cerilla, entonces fluirá una corriente eléctrica desde los conductores M1 y M2 en un circuito cerrado. Que sea muy débil, pero lo seguirá siendo.

Para asegurarse de esto, es suficiente romper un cable en este circuito eléctrico, y cualquiera, e incluir un milivoltímetro en el espacio resultante, preferiblemente con un punto medio, como se muestra en las Figuras 2 y 3.

Figura 2

Figura 3

Si ahora una de las uniones se calienta, por ejemplo, la unión A, la flecha del dispositivo se desviará hacia el lado izquierdo. En este caso, la temperatura de unión A será igual a TA = TB + ΔT. En esta fórmula, ΔT = TA - TB es la diferencia de temperatura entre las uniones A y B.

La Figura 3 muestra lo que sucede si se calienta la unión B. La flecha del dispositivo se desvía hacia el otro lado y, en ambos casos, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre las uniones, mayor es el ángulo de la flecha del dispositivo.

La experiencia descrita solo ilustra el efecto Seebeck, cuyo significado es que Si las uniones de los conductores A y B tienen temperaturas diferentes, entonces surge una energía termoeléctrica entre ellas, cuyo valor es proporcional a la diferencia de temperatura de las uniones.. ¡No olvides que es la diferencia de temperatura, y no algo de temperatura!

Si ambas uniones tienen la misma temperatura, entonces no habrá energía termoeléctrica en el circuito. En este caso, los conductores pueden estar a temperatura ambiente, calentarse a varios cientos de grados, o se verán afectados por una temperatura negativa; de todos modos, no se obtendrá energía termoeléctrica.

¿Qué mide un termopar?

Suponga que una de las uniones, por ejemplo A, (generalmente llamada caliente) se colocó en un recipiente con agua hirviendo, y la otra unión B (fría) permaneció a temperatura ambiente, por ejemplo, 25 ° C. Es 25 ° C en los libros de texto de física que se consideran condiciones normales.

El punto de ebullición del agua en condiciones normales es de 100 ° C, por lo que la potencia térmica generada por el termopar será proporcional a la diferencia de temperatura de las uniones, que en estas condiciones será de solo 100-25 = 75 ° C. Si la temperatura ambiente cambia, los resultados de la medición serán más parecidos al precio de la leña que a la temperatura del agua hirviendo. ¿Cómo obtener los resultados correctos?

La conclusión se sugiere a sí misma: debe enfriar la unión fría a 0 ° C, estableciendo así el punto de referencia más bajo de la escala de temperatura Celsius. La forma más fácil de hacer esto es colocando una unión fría del termopar en un recipiente con hielo derretido, porque es esta temperatura la que se toma como 0 ° C. Luego, en el ejemplo anterior, todo será correcto: la diferencia de temperatura entre las uniones fría y caliente será de 100-0 = 100 ° C.

Por supuesto, la solución es simple y correcta, pero buscar un recipiente con hielo derretido en algún lugar y mantenerlo en esta forma durante mucho tiempo es simplemente técnicamente imposible. Por lo tanto, en lugar de hielo, se utilizan varios esquemas para compensar la temperatura de la unión fría.

En general El sensor de semiconductores mide la temperatura en el área de unión fría, y ya el circuito electrónico agrega este resultado al valor de temperatura general. Actualmente producido microcircuitos de termopar especializados que tienen un circuito integrado de compensación de temperatura de unión fría.

En algunos casos, para simplificar el esquema en su conjunto, uno simplemente puede rechazar la compensación. Ejemplo simple regulador de temperatura para soldador: si el soldador está constantemente en sus manos, ¿qué le impide apretar un poco el regulador, bajar o aumentar la temperatura? Después de todo, el que sabe soldar ve la calidad de la soldadura y toma decisiones a tiempo. El esquema de tal termostato es bastante simple y se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Esquema de un termostato simple (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Como se puede ver en la figura, el circuito es bastante simple y no contiene costosas piezas especializadas. Se basa en el microcircuito doméstico K157UD2, un amplificador operacional dual de bajo ruido. En el amplificador operacional DA1.1, el amplificador de señal de termopar está ensamblado. Cuando se usa un termopar TYPE K cuando se calienta a 200 - 250 ° C, el voltaje de salida del amplificador alcanza aproximadamente 7 - 8V.

En la segunda mitad del amplificador operacional, se ensambla un comparador, a la entrada inversora de la cual se suministra un voltaje desde la salida del amplificador de termopar. Por otro lado, el voltaje de referencia del motor de la resistencia variable R8.

Mientras el voltaje en la salida del amplificador de termopar sea menor que el voltaje de referencia, el voltaje positivo se mantiene en la salida del comparador, por lo que el circuito de disparo funciona triac T1, realizado de acuerdo con el circuito generador de bloqueo en el transistor VT1. Por lo tanto, el triac T1 se abre y una corriente eléctrica pasa a través del calentador EK, lo que aumenta el voltaje a la salida del amplificador de termopar.

Tan pronto como este voltaje excede ligeramente el voltaje de referencia, aparece un voltaje negativo en la salida del comparador. Por lo tanto, el transistor VT1 está bloqueado y el generador de bloqueo deja de generar pulsos de control, lo que conduce al cierre del triac T1 y al enfriamiento del elemento calefactor. Cuando el voltaje en la salida del amplificador de termopar se vuelve ligeramente menor que el voltaje de referencia. todo el ciclo de calentamiento se repite nuevamente.

Para alimentar un regulador de temperatura de este tipo, necesita una unidad de fuente de alimentación de baja potencia con dos voltajes polares +12, -12 V. El transformador Tr1 se fabrica en un anillo de ferrita del tamaño K10 * 6 * 4 de ferrita НМ2000. Los tres devanados contienen 50 vueltas de cable PELSHO-0.1.

A pesar de la simplicidad del circuito, funciona de manera confiable, y ensamblado a partir de piezas reparables solo requiere un ajuste de temperatura que se puede determinar utilizando al menos un multímetro chino con un termopar.

Materiales para la fabricación de termopares.

Como ya se mencionó, un termopar contiene dos electrodos hechos de materiales diferentes. En total hay alrededor de una docena de termopares de varios tipos, que se indican con las letras del alfabeto latino de acuerdo con el estándar internacional.

Cada tipo tiene sus propias características, que se deben principalmente a los materiales de los electrodos.Por ejemplo, el termopar TYPE K, bastante común, está hecho de un par cromo-alumel. Su rango de medición es 200 - 1200 ° C, el coeficiente termoeléctrico en el rango de temperatura 0 - 1200 ° C es 35 - 32 μV / ° C, lo que indica una cierta no linealidad de las características del termopar.

Al elegir un termopar, primero debe guiarse por el hecho de que en el rango de temperatura medido la no linealidad de la característica sería mínima. Entonces el error de medición no será tan notable.

Si el termopar se encuentra a una distancia considerable del dispositivo, entonces la conexión se debe realizar utilizando un cable de compensación especial. Tal cable está hecho de los mismos materiales que el termopar en sí, pero, como regla, es notablemente más grande en diámetro.

Para trabajar a temperaturas más altas, a menudo se utilizan termopares hechos de metales preciosos basados ​​en aleaciones de platino y platino-rodio. Tales termopares son indudablemente más caros. Los materiales para electrodos de termopar se fabrican de acuerdo con las normas. Toda la variedad de termopares se puede encontrar en las tablas correspondientes en cualquier buena referencia.

Sigue leyendo en el próximo artículo - Algunos tipos más de sensores de temperatura: sensores de semiconductores, sensores para microcontroladores

Boris Unladyshkin