Temperatūros jutikliai. Trečia dalis. Termoelementai. Seebecko efektas

Termoelementas Trumpa kūrimo istorija, įrenginys, veikimo principas

Išoriškai termoelementas yra išdėstytas labai paprastai: du ploni laidai yra tiesiog suvirinami kartu ir sudaro tvarkingą mažą rutulį. Kai kurie modernūs skaitmeniniai multimetrai Kinijoje pagamintas su termopora, kuri leidžia išmatuoti ne žemesnę kaip 1000 ° C temperatūrą, o tai leidžia patikrinti šildymo temperatūrą lituoklis arba geležies, kuri išlygins lazerio atspaudą iki stiklo pluošto, kaip ir daugeliu kitų atvejų.

Tokio termoelemento dizainas yra labai paprastas: abu laidai yra paslėpti stiklo pluošto vamzdyje ir net neturi akiai pastebimos izoliacijos. Viena vertus, laidai yra tvarkingai suvirinti, o kita vertus, jie turi kištuką, skirtą prijungti prie įrenginio. Net esant tokiam primityviam dizainui, temperatūros matavimų rezultatai nekelia abejonių, nebent, žinoma, reikalingas 0,5 ° C ir aukštesnės klasės matavimo tikslumas.

Skirtingai nuo ką tik paminėtų kiniškų termoporų, pramonės įmonėse naudojami termoelementai turi sudėtingesnę struktūrą: paties termoelemento matavimo skyrius yra dedamas į metalinį dėklą. Korpuso viduje termoelementas yra izoliatoriuose, dažniausiai keraminiuose, skirtuose aukštai temperatūrai.

Paprastai termoelementas yra labiausiai paplitęs ir seniausias temperatūros jutiklis. Jos veiksmai yra pagrįsti Seebecko efektas, kuris buvo atidarytas 1822 m. Norėdami susipažinti su šiuo efektu, psichiškai surinksime paprastą schemą, parodytą 1 paveiksle.

1 pav

Paveiksle pavaizduoti du skirtingi metalo laidininkai M1 ir M2, kurių galai taškuose A ir B yra tiesiog suvirinami kartu, nors visur ir visur šie taškai dėl tam tikrų priežasčių vadinami sankryžomis. Beje, daugelis naminių rankdarbių, pagamintų iš naminių termoporų, skirtų dirbti ne labai aukštoje temperatūroje, vietoj suvirinimo naudoja tik litavimą.

Grįžkime prie 1 paveikslo. Jei visa ši konstrukcija tiesiog gulės ant stalo, tada iš jos nebus jokio efekto. Jei viena iš sankryžų yra šildoma kažkuo, bent jau su degtuku, tada iš laidininkų M1 ir M2 uždaroje grandinėje tekės elektros srovė. Tegul būna labai silpna, bet vis tiek bus.

Norėdami tuo įsitikinti, pakanka nutraukti vieną laidą šioje ir bet kurioje elektros grandinėje, o į susidariusį tarpą įtraukti milivoltmetrą, geriausia su viduriu, kaip parodyta 2 ir 3 paveiksluose.

2 pav

3 pav

Jei dabar viena iš sankryžų yra šildoma, pavyzdžiui, sankryža A, tada prietaiso rodyklė nukryps į kairę pusę. Tokiu atveju sankryžos temperatūra A bus lygi TA = TB + ΔT. Šioje formulėje ΔT = TA - TB yra temperatūrų skirtumas tarp sankryžų A ir B.

3 paveiksle pavaizduota, kas nutinka, kai šildoma sankryža B. Įrenginio rodyklė nukrypsta į kitą pusę, ir abiem atvejais, kuo didesnis temperatūrų skirtumas tarp sankryžų, tuo didesnis prietaiso rodyklės kampas.

Apibūdinta patirtis tik iliustruoja Seebecko efektą, kurio prasmė ta jei laidininkų A ir B sankryžose yra skirtingos temperatūros, tada tarp jų atsiranda termoelektrinė galia, kurios vertė yra proporcinga sankryžų temperatūros skirtumui. Nepamirškite, kad tai ne temperatūros skirtumas, o temperatūra!

Jei abiejose sankryžose yra vienoda temperatūra, grandinėje nebus šilumos jėgos. Tokiu atveju laidininkai gali būti kambario temperatūros, įkaitinti iki kelių šimtų laipsnių, arba jiems įtakos turės neigiama temperatūra - bet kokiu atveju termoelektrinė galia nebus gaunama.

Kas išmatuoja termoporą?

Tarkime, kad viena iš sankryžų, pavyzdžiui, A (paprastai vadinama karšta), buvo dedama į indą su verdančiu vandeniu, o kita sankryža B (šalta) liko kambario temperatūroje, pavyzdžiui, 25 ° C. Fizikos vadovėliuose normaliomis sąlygomis laikoma 25 ° C.

Vandens virimo temperatūra normaliomis sąlygomis yra 100 ° C, todėl termoporos sukuriama šiluminė galia bus proporcinga sankryžų temperatūrų skirtumui, kuris tokiomis sąlygomis bus tik 100–25 = 75 ° C. Jei aplinkos temperatūra keičiasi, matavimo rezultatai bus panašesni į malkų kainą, o ne į verdančio vandens temperatūrą. Kaip gauti tinkamus rezultatus?

Išvada rodo pati save: jums reikia atvėsinti šalto sankryžą iki 0 ° C, tokiu būdu nustatant žemiausią Celsijaus temperatūros skalės atskaitos tašką. Lengviausias būdas tai padaryti yra įdėkite į indą su tirpstančiu ledu šaltą termoporos jungtį, nes būtent tokia temperatūra laikoma 0 ° C. Tada ankstesniame pavyzdyje viskas bus teisinga: temperatūros skirtumas tarp karštų ir šaltų sankryžų bus 100 - 0 = 100 ° C.

Žinoma, sprendimas yra paprastas ir teisingas, tačiau kiekvieną kartą ieškoti kažkur laivo, kuriame tirpsta ledas, ir ilgą laiką išlaikyti jį tokios formos, tiesiog techniškai neįmanoma. Todėl vietoj ledo naudojamos įvairios schemos, kaip kompensuoti šalto sankryžos temperatūrą.

Paprastai puslaidininkinis jutiklis matuoja temperatūrą šaltojo sankryžos srityje, o elektroninė grandinė prideda šį rezultatą prie bendros temperatūros vertės. Šiuo metu gaminamas specializuotos termoelementų mikroschemos su integruota šalto sandūros temperatūros kompensavimo grandine.

Kai kuriais atvejais, norint supaprastinti visą schemą, galima tiesiog atsisakyti kompensacijos. Paprastas pavyzdys temperatūros reguliatorius lituokliui: jei lituoklis nuolat yra jūsų rankose, kas jums trukdo šiek tiek priveržti reguliatorių, sumažinti ar pridėti temperatūrą? Galų gale tas, kuris moka lituoti, mato litavimo kokybę ir sprendimus priima laiku. Tokio termostato schema yra gana paprasta ir parodyta 4 paveiksle.

4 pav. Paprasto termostato schema (spustelėkite norėdami padidinti nuotrauką).

Kaip matyti iš paveikslo, grandinė yra gana paprasta ir joje nėra brangių specializuotų dalių. Jos pagrindą sudaro buitinis K157UD2 mikroschema - dvigubas mažo triukšmo operatyvinis stiprintuvas. Ant DA1.1 op stiprintuvo surinktas pats termoelemento signalo stiprintuvas. Kai naudojamas TYPE K termoelementas, kai jis įkaista iki 200 - 250 ° C, stiprintuvo išėjimo įtampa siekia apie 7 - 8 V.

Antroje op-amp stiprintuvo dalyje yra surinktas lygintuvas, į kurio invertuojamą įvestį tiekiama įtampa iš termoelemento stiprintuvo išėjimo. Kita vertus - kintamojo rezistoriaus R8 pamatinė įtampa.

Kol įtampa iš termoelemento stiprintuvo išėjimo yra mažesnė už pamatinę įtampą, teigiama įtampa palaikoma komparatoriaus išvestyje, taigi trigerio grandinė veikia triakas T1, pagamintas pagal blokuojančio generatoriaus grandinę ant tranzistoriaus VT1. Todėl triac T1 atsidaro ir pro šildytuvo EK praeina elektros srovė, kuri padidina įtampą termoporos stiprintuvo išvestyje.

Kai tik ši įtampa šiek tiek viršija pamatinę įtampą, komparatoriaus išvestyje atsiranda neigiama lygio įtampa. Todėl tranzistorius VT1 yra užrakinamas, o blokuojantis generatorius nustoja generuoti valdymo impulsus, kurie veda prie Tiac Tiac uždarymo ir šildymo elemento aušinimo. Kai įtampa termoporinio stiprintuvo išvestyje tampa šiek tiek mažesnė už pamatinę įtampą. visas šildymo ciklas vėl kartojamas.

Norint maitinti tokį temperatūros reguliatorių, jums reikia mažos galios maitinimo bloko, kurio dvi polinės įtampos yra +12, -12 V. Transformatorius Tr1 pagamintas ant ferito žiedo, kurio dydis K10 * 6 * 4 iš ferito НМ2000. Visose trijose apvijose yra 50 posūkių PELSHO-0,1 vielos.

Nepaisant grandinės paprastumo, ji veikia pakankamai patikimai, o surinkti iš eksploatuojamų dalių reikia tik tokios temperatūros nustatymo, kurią galima nustatyti naudojant bent kinišką multimetrą su termopora.

Termoelementų gamybos medžiagos

Kaip jau minėta, termoelemente yra du elektrodai, pagaminti iš skirtingų medžiagų. Iš viso yra apie keliolika įvairių tipų termoporų, pagal tarptautinį standartą, žymimą lotyniškos abėcėlės raidėmis.

Kiekvienas tipas turi savo ypatybes, kurias daugiausia lemia elektrodų medžiagos.Pavyzdžiui, gana įprastas TYPE K termoelementas yra pagamintas iš chromelio-aliuminio poros. Jo matavimo diapazonas yra 200–1200 ° C, o termoelektrinis koeficientas 0–1200 ° C temperatūroje yra 35–32 μV / ° C, tai rodo tam tikrą termoelemento charakteristikų netiesiškumą.

Renkantis termoelementą, pirmiausia turėtumėte vadovautis tuo, kad išmatuotame temperatūros intervale charakteristikos netiesiškumas būtų minimalus. Tada matavimo paklaida nebus tokia pastebima.

Jei termoelementas yra dideliu atstumu nuo prietaiso, tada jungtį reikia atlikti naudojant specialią kompensacinę laidą. Tokia viela pagaminta iš tų pačių medžiagų, kaip ir pats termoelementas, tačiau, kaip taisyklė, jos skersmuo yra pastebimai didesnis.

Norėdami dirbti aukštesnėje temperatūroje, dažnai naudojami termoelementai, pagaminti iš tauriųjų metalų, kurių pagrindas yra platina, ir platinos-rodžio lydiniai. Tokie termoelementai neabejotinai yra brangesni. Termoelementų elektrodų medžiagos gaminamos pagal standartus. Visą įvairių termoporų įvairovę galite rasti atitinkamose lentelėse su bet kuria gera nuoroda.

Skaitykite kitame straipsnyje - Dar keletas temperatūros jutiklių tipų: puslaidininkiniai jutikliai, mikrovaldiklių jutikliai

Borisas Aladyškinas