Lämpötila-anturit. Kolmas osa. Lämpöparit. Seebeck-vaikutus

Termopari. Lyhyt historia luomisesta, laite, toimintaperiaate

Ulkoisesti termoelementti on järjestetty hyvin yksinkertaisesti: kaksi ohutta lankaa hitsataan yksinkertaisesti yhteen komean pienen pallon muodossa. jotkut modernit digitaaliset yleismittarit Kiinalainen, varustettu lämpöparilla, jonka avulla voit mitata vähintään 1000 ° C lämpötilan, mikä mahdollistaa lämmityksen lämpötilan tarkistamisen juotin tai rautaa, joka tasoittaa lasertulostusta lasikuituun, samoin kuin monissa muissa tapauksissa.

Tällaisen lämpöparin suunnittelu on hyvin yksinkertainen: molemmat johdot on piilotettu lasikuituputkeen, eikä niissä edes ole silmälle havaittavaa eristystä. Toisaalta johdot on hitsattu siististi, ja toisaalta niissä on pistoke laitteen kytkemistä varten. Jopa tällaisella primitiivisellä suunnittelulla lämpötilamittausten tulokset eivät ole epäilyksiä, ellei tietenkään vaadi luokan 0.5 ° C tai korkeampaa mittaustarkkuutta.

Toisin kuin juuri mainitut kiinalaiset lämpöparit, teollisuuslaitoksissa käytettävillä lämpöparilla on monimutkaisempi rakenne: itse lämpöparin mittausosa on sijoitettu metallikoteloon. Kotelon sisällä lämpöpari sijaitsee eristeissä, yleensä keraamisissa, jotka on suunniteltu korkeisiin lämpötiloihin.

yleensä termoelementti on yleisin ja vanhin lämpötila-anturi. Hänen toiminta perustuu Seebeck-vaikutus, joka avattiin vuonna 1822. Tutustuaksesi tähän efektiin kokoamme henkisesti yksinkertaisen kuvan 1 kuvan.

Kuvio 1

Kuvassa on esitetty kaksi erilaista metallijohdinta M1 ja M2, joiden päät pisteissä A ja B on yksinkertaisesti hitsattu yhteen, vaikka näitä pisteitä kutsutaan jostakin syystä kaikkialla ja kaikkialla. Muuten, monet kotitekoiset käsityöntekijät kotitekoisille lämpöparille, jotka on suunniteltu toimimaan ei kovin korkeissa lämpötiloissa, käyttävät hitsauksen sijasta vain juottamista.

Palatkaamme takaisin kuvaan 1. Jos kaikki tämä rakenne on vain pöydällä, siitä ei ole mitään vaikutusta. Jos yhtä risteyksistä lämmitetään jollain, ainakin ottelulla, niin sähkövirta virtaa johtimista M1 ja M2 suljetussa piirissä. Olkoon se hyvin heikko, mutta silti se tulee olemaan.

Tämän tarkistamiseksi riittää, että katkaistaan ​​yksi johto tässä sähköpiirissä ja mikä tahansa johdin, ja sisällytetään tuloksena olevaan aukkoon millivoltimetri, mieluiten keskipisteellä, kuten kuvioissa 2 ja 3 esitetään.

Kuvio 2

Kuvio 3

Jos nyt yksi risteyksistä lämmitetään, esimerkiksi risteys A, laitteen nuoli poikkeaa vasemmalle puolelle. Tässä tapauksessa liitoslämpötila A on yhtä suuri kuin TA = TB + AT. Tässä kaavassa ΔT = TA - TB on lämpötilaero risteyksien A ja B välillä.

Kuviosta 3 nähdään, mitä tapahtuu, jos risteystä B. lämmitetään. Laitteen nuoli poikkeaa toiselle puolelle, ja kummassakin tapauksessa mitä suurempi lämpötilaero risteyksien välillä, sitä suurempi laitteen nuolen kulma on.

Kuvattu kokemus kuvaa vain Seebeck-vaikutusta, jonka tarkoitus on se jos johtimien A ja B risteyksissä on erilaiset lämpötilat, niin niiden välillä syntyy termoelektrinen teho, jonka arvo on verrannollinen risteyksien lämpötilaeroon. Älä unohda, että se on lämpötilaero eikä mikään lämpötila ollenkaan!

Jos molemmilla liitännöillä on sama lämpötila, piirissä ei ole lämpövoimaa. Tässä tapauksessa johtimet voivat olla huoneenlämpötilassa, lämmitetty useisiin satoihin asteisiin, tai negatiivinen lämpötila vaikuttaa niihin - muutenkin, lämpöä ei saada.

Mikä mittaa termoelementtiä?

Oletetaan, että yksi risteyksistä, esimerkiksi A (kutsutaan yleensä kuumana), asetettiin kiehuvan veden astiaan ja toinen risteys B (kylmä) pysyi huoneenlämpötilassa, esimerkiksi 25 ° C. Fysiikan oppikirjoissa lämpötilaa pidetään 25 ° C normaalina.

Veden kiehumispiste normaaleissa olosuhteissa on 100 ° C, joten termoelementin tuottama lämpövoima on verrannollinen liitosten lämpötilaeroon, joka näissä olosuhteissa on vain 100 - 25 = 75 ° C. Jos ympäristön lämpötila muuttuu, mittaustulokset muistuttavat enemmän polttopuun hintaa kuin kiehuvan veden lämpötilaa. Kuinka saada oikeat tulokset?

Päätelmässä esitetään itsestään: sinun on jäähdytettävä kylmä risteys 0 ° C: seen, asettamalla siten Celsiuksen lämpötila-asteikon alempi vertailupiste. Helpoin tapa tehdä tämä on sijoittaa termoelementin kylmä risteys astiaan, jolla on sulavaa jäätä, koska juuri tätä lämpötilaa pidetään 0 ° C: na. Sitten edellisessä esimerkissä kaikki on oikein: Lämpimän ja kylmän liittymän lämpötilaero on 100 - 0 = 100 ° C.

Ratkaisu on tietysti yksinkertainen ja oikea, mutta joka kerta etsiä jonnekin aluksen sulaa jäätä ja pitää se tässä muodossa pitkään on yksinkertaisesti teknisesti mahdotonta. Siksi jään sijasta käytetään erilaisia ​​järjestelmiä kylmän liittymän lämpötilan kompensoimiseksi.

Pääsääntöisesti puolijohdeanturi mittaa lämpötilaa kylmän liittymän alueella, ja jo elektroninen piiri lisää tämän tuloksen kokonaislämpötila-arvoon. Tuotettu tällä hetkellä erikoistuneet termoelementtien mikropiirit, joissa on integroitu kylmäkohtien lämpötilan kompensointipiiri.

Joissain tapauksissa järjestelmän yksinkertaistamiseksi kokonaan voidaan yksinkertaisesti kieltäytyä korvaamasta. Yksinkertainen esimerkki juotosraudan lämpötilansäädin: Jos juotosrauta on jatkuvasti käsissäsi, mikä estää sinua kiristämästä säädintä hiukan, alentamasta tai lisäämästä lämpötilaa? Loppujen lopuksi se, joka osaa juottaa, näkee juotoslaadun ja tekee päätökset ajoissa. Tällaisen termostaatin kaavio on melko yksinkertainen, ja se on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4. Kaavio yksinkertaisesta termostaatista (napsauta kuvaa suurentaaksesi).

Kuten kuvasta voidaan nähdä, piiri on melko yksinkertainen eikä sisällä kalliita erikoisosia. Se perustuu kotimaiseen K157UD2-mikropiiriin - kahteen matalaan kohinaan liittyvään operaatiovahvistimeen. DA1.1-op-vahvistimeen itse parikytketty signaalivahvistin on koottu. Käytettäessä TYPE K -paria lämmitettäessä 200 - 250 ° C: seen, vahvistimen lähtöjännite saavuttaa noin 7 - 8 V.

Op-amp: n toisella puoliskolla on koottu vertailulaite, jonka käänteiseen sisääntuloon syötetään jännite termoelementtivahvistimen ulostulosta. Toisaalta - muuttuvan vastuksen R8 moottorin vertailujännite.

Niin kauan kuin termoelementtivahvistimen ulostulossa oleva jännite on pienempi kuin vertailujännite, positiivinen jännite pidetään vertailijan ulostulossa, joten liipaisupiiri toimii triac T1, tehty transistorin VT1 estävän generaattoripiirin mukaisesti. Siksi triac T1 avautuu ja lämmittimen EK läpi kulkee sähkövirta, mikä lisää jännitettä termoelementtivahvistimen ulostulossa.

Heti kun tämä jännite ylittää hiukan referenssijännitteen, komparaattorin ulostulossa ilmestyy negatiivinen tasojännite. Siksi transistori VT1 on lukittu ja estogeneraattori lopettaa säätöpulssien generoinnin, mikä johtaa triac T1: n sulkemiseen ja lämmityselementin jäähtymiseen. Kun jännite termoelementtivahvistimen ulostulossa tulee hieman pienemmäksi kuin vertailujännite. koko lämmityssykli toistetaan uudelleen.

Tällaisen lämpötilansäätimen virran kytkemiseen tarvitaan pienitehoinen virtalähde, jolla on kaksi napajännitettä +12, -12 V. Muuntaja Tr1 tehdään ferriittirenkaalle, jonka koko on K10 * 6 * 4 ferriitistä НМ2000. Kaikki kolme käämiä sisältävät 50 kierrosta PELSHO-0.1 lankaa.

Piirin yksinkertaisuudesta huolimatta se toimii riittävän luotettavasti ja huollettavista osista koottu vaatii vain lämpötilan asettamisen, joka voidaan määrittää käyttämällä ainakin kiinalaista multimetriä ja lämpöparia.

Materiaalit lämpöparien valmistukseen

Kuten jo mainittiin, termoelementti sisältää kaksi elektrodia, jotka on tehty erilaisista materiaaleista. Yhteensä on noin tusina erityyppistä lämpöparia kansainvälisen standardin mukaan, jota merkitään latinalaisen aakkosen kirjaimilla.

Jokaisella tyypillä on omat ominaisuutensa, mikä johtuu pääasiassa elektrodien materiaaleista.Esimerkiksi melko yleinen TYPE K -termoelementti on valmistettu kromi-alumiini-parista. Sen mittausalue on 200 - 1200 ° C, termoelektrinen kerroin lämpötila-alueella 0 - 1200 ° C on 35 - 32 μV / ° C, mikä osoittaa lämpöparin ominaisuuksien tietyn epälineaarisuuden.

Termoelementtiä valittaessa on ensinnäkin ohjattava tosiasiaa, että mitatulla lämpötila-alueella ominaisuuden epälineaarisuus olisi minimaalinen. Silloin mittausvirhe ei ole niin havaittavissa.

Jos termoelementti sijaitsee huomattavan etäisyyden päässä laitteesta, kytkentä on tehtävä erityisellä kompensointijohdolla. Tällainen lanka on valmistettu samoista materiaaleista kuin itse lämpöpari, mutta se on yleensä halkaisijaltaan huomattavasti suurempi.

Korkeammissa lämpötiloissa työskentelemiseksi käytetään usein jalometalleista valmistettuja termoelementtejä, jotka perustuvat platinaan ja platina-rodiumseoksiin. Tällaiset lämpöparit ovat epäilemättä kalliimpia. Termoparielektrodien materiaalit valmistetaan standardien mukaisesti. Kaikki erilaisia ​​lämpöparia löytyy vastaavista taulukoista kaikista hyvistä viitteistä.

Lue seuraava artikkeli - Muutama muuta lämpötila-anturityyppiä: puolijohdeanturit, mikro-anturien anturit

Boris ladyshkin