Temperatuur sensoren. Deel drie. Thermokoppels. Seebeck effect

Thermokoppel. Een korte geschiedenis van creatie, apparaat, werkingsprincipe

Uitwendig is het thermokoppel heel eenvoudig gerangschikt: twee dunne draden zijn eenvoudig aan elkaar gelast in de vorm van een nette kleine bal. sommige moderne digitale multimeters Chinees gemaakt uitgerust met een thermokoppel, waarmee u de temperatuur van niet minder dan 1000 ° C kunt meten, waardoor het mogelijk is om de verwarmingstemperatuur te controleren soldeerbout of ijzer, dat de laserafdruk gladstrijkt tot glasvezel, en in veel andere gevallen.

Het ontwerp van een dergelijk thermokoppel is heel eenvoudig: beide bedrading zijn verborgen in een glasvezelbuis en hebben zelfs geen isolatie die zichtbaar is voor het oog. Aan de ene kant zijn de draden netjes gelast en aan de andere kant hebben ze een stekker voor aansluiting op het apparaat. Zelfs met een dergelijk primitief ontwerp is er geen twijfel over de resultaten van temperatuurmetingen, tenzij natuurlijk een meetnauwkeurigheid van klasse 0,5 ° C en hoger vereist is.

In tegenstelling tot de zojuist genoemde Chinese thermokoppels, hebben thermokoppels voor gebruik in industriële installaties een complexere structuur: het meetgedeelte van het thermokoppel zelf wordt in een metalen behuizing geplaatst. In de behuizing bevindt het thermokoppel zich in isolatoren, meestal keramisch, ontworpen voor hoge temperaturen.

algemeen thermokoppel is de meest voorkomende en oudste temperatuursensor. Haar actie is gebaseerd op Seebeck effect, die werd geopend in 1822. Om dit effect te leren kennen, zullen we het eenvoudige schema uit figuur 1 mentaal samenstellen.

Figuur 1

De figuur toont twee ongelijksoortige metalen geleiders M1 en M2, waarvan de uiteinden op de punten A en B eenvoudig aan elkaar zijn gelast, hoewel deze punten overal en om welke reden dan ook kruispunten worden genoemd. Trouwens, veel zelfgemaakte handwerkslieden voor zelfgemaakte thermokoppels, ontworpen om te werken bij niet erg hoge temperaturen, gebruiken alleen solderen in plaats van lassen.

Laten we teruggaan naar figuur 1. Als al deze constructie gewoon op de tafel zal liggen, heeft dit geen effect. Als een van de kruispunten met iets wordt verwarmd, althans met een lucifer, zal een elektrische stroom van de geleiders M1 en M2 in een gesloten circuit vloeien. Laat het heel zwak zijn, maar toch zal het zijn.

Om hier zeker van te zijn, is het voldoende om één draad in dit elektrische circuit en om het even welke te breken en een millivoltmeter in de resulterende opening op te nemen, bij voorkeur met een middelpunt, zoals weergegeven in figuren 2 en 3.

Figuur 2

Figuur 3

Als nu een van de knooppunten wordt verwarmd, bijvoorbeeld knooppunt A, wijkt de pijl van het apparaat naar links af. In dit geval zal de junctietemperatuur A gelijk zijn aan TA = TB + ΔT. In deze formule is ΔT = TA - TB het temperatuurverschil tussen de knooppunten A en B.

Figuur 3 laat zien wat er gebeurt als knooppunt B wordt verwarmd.De pijl van het apparaat wijkt af naar de andere kant en in beide gevallen geldt dat hoe groter het temperatuurverschil tussen de knooppunten, hoe groter de hoek van de pijl van het apparaat.

De beschreven ervaring illustreert slechts het Seebeck-effect, waarvan de betekenis dat is als de knooppunten van geleiders A en B verschillende temperaturen hebben, ontstaat er een thermo-elektrisch vermogen waarvan de waarde evenredig is aan het temperatuurverschil van de knooppunten. Vergeet niet dat dit het temperatuurverschil is, en helemaal geen temperatuur!

Als beide knooppunten dezelfde temperatuur hebben, is er geen thermopower in het circuit. In dit geval kunnen de geleiders op kamertemperatuur zijn, tot enkele honderden graden worden verwarmd, of ze worden beïnvloed door een negatieve temperatuur - hoe dan ook, er wordt geen thermo-elektrisch vermogen verkregen.

Wat meet een thermokoppel?

Stel dat een van de knooppunten, bijvoorbeeld A (meestal heet) in een vat met kokend water werd geplaatst en de andere knoop B (koud) op kamertemperatuur bleef, bijvoorbeeld 25 ° C. Het is 25 ° C in natuurkundeboeken die als normale omstandigheden worden beschouwd.

Het kookpunt van water onder normale omstandigheden is 100 ° C, dus de door het thermokoppel gegenereerde thermopower zal evenredig zijn met het temperatuurverschil van de knooppunten, die onder deze omstandigheden slechts 100-25 = 75 ° C zal zijn. Als de omgevingstemperatuur verandert, zullen de meetresultaten meer op de prijs van brandhout lijken dan op de temperatuur van kokend water. Hoe krijg je de juiste resultaten?

De conclusie suggereert zichzelf: je moet de koude overgang afkoelen tot 0 ° C, waardoor het laagste referentiepunt van de temperatuurschaal van Celsius wordt ingesteld. De eenvoudigste manier om dit te doen is door een koude overgang van het thermokoppel in een vat met smeltend ijs te plaatsen, omdat het deze temperatuur is die wordt genomen als 0 ° C. Dan zal in het vorige voorbeeld alles kloppen: het temperatuurverschil tussen de warme en koude overgangen zal 100 - 0 = 100 ° C zijn.

Natuurlijk is de oplossing eenvoudig en correct, maar elke keer om ergens een vat met smeltend ijs te zoeken en het lang in deze vorm te houden, is het gewoon technisch onmogelijk. Daarom worden in plaats van ijs verschillende schema's gebruikt voor het compenseren van de temperatuur van de koude overgang.

In de regel, halfgeleidersensor meet de temperatuur in het koude verbindingsgebieden het elektronische circuit voegt dit resultaat al toe aan de totale temperatuurwaarde. Momenteel geproduceerd gespecialiseerde thermokoppelmicroschakelingen met een geïntegreerd koudeverbindingstemperatuurcompensatiecircuit.

In sommige gevallen kan men, om de regeling als geheel te vereenvoudigen, eenvoudigweg compensatie weigeren. Eenvoudig voorbeeld temperatuurregelaar voor soldeerbout: als de soldeerbout constant in uw handen is, wat voorkomt u dat u de regelaar een beetje aandraait, verlaagt of temperatuur toevoegt? Hij die immers weet hoe te solderen, ziet immers de kwaliteit van solderen en neemt tijdig beslissingen. Het schema van een dergelijke thermostaat is vrij eenvoudig en wordt getoond in figuur 4.

Figuur 4. Schema van een eenvoudige thermostaat (klik op de foto om te vergroten).

Zoals te zien is in de figuur, is het circuit vrij eenvoudig en bevat het geen dure gespecialiseerde onderdelen. Het is gebaseerd op de binnenlandse K157UD2-microschakeling - een dubbele operationele ruisarme versterker. Op de DA1.1 op-versterker wordt de thermokoppel signaalversterker zelf geassembleerd. Bij gebruik van een TYPE K thermokoppel bij verwarming tot 200 - 250 ° C bereikt de uitgangsspanning van de versterker ongeveer 7 - 8V.

Op de tweede helft van de op-amp wordt een comparator geassembleerd, waarvan de inverterende ingang wordt gevoed met spanning van de uitgang van de thermokoppelversterker. Anderzijds - de referentiespanning van de motor van de variabele weerstand R8.

Zolang de spanning aan de uitgang van de thermokoppelversterker lager is dan de referentiespanning, wordt de positieve spanning aan de uitgang van de comparator gehouden, zodat het triggercircuit werkt triac T1, gemaakt volgens het blokkeergeneratorcircuit op de transistor VT1. Daarom gaat de triac T1 open en stroomt een elektrische stroom door de verwarmer EK, die de spanning aan de uitgang van de thermokoppelversterker verhoogt.

Zodra deze spanning de referentiespanning enigszins overschrijdt, verschijnt een negatieve niveauspanning aan de uitgang van de comparator. Daarom is de transistor VT1 vergrendeld en stopt de blokkeergenerator met het genereren van stuurpulsen, wat leidt tot de sluiting van de triac T1 en koeling van het verwarmingselement. Wanneer de spanning aan de uitgang van de thermokoppelversterker iets lager wordt dan de referentiespanning. de hele verwarmingscyclus wordt opnieuw herhaald.

Om een ​​dergelijke temperatuurregelaar te voeden, hebt u een voeding met laag vermogen nodig met twee polaire spanningen +12, -12 V. Transformator Tr1 wordt gemaakt op een ferrietring van maat K10 * 6 * 4 van ferriet НМ2000. Alle drie wikkelingen bevatten 50 windingen van PELSHO-0.1 draad.

Ondanks de eenvoud van het circuit, werkt het betrouwbaar genoeg, en samengesteld uit te onderhouden onderdelen vereist slechts een temperatuurinstelling die kan worden bepaald met behulp van ten minste een Chinese multimeter met een thermokoppel.

Materialen voor de vervaardiging van thermokoppels

Zoals reeds vermeld, bevat een thermokoppel twee elektroden gemaakt van ongelijksoortige materialen. In totaal zijn er ongeveer een dozijn thermokoppels van verschillende typen, volgens de internationale norm aangeduid door de letters van het Latijnse alfabet.

Elk type heeft zijn eigen kenmerken, die voornamelijk te wijten zijn aan de materialen van de elektroden.Het vrij gebruikelijke thermokoppel TYPE K is bijvoorbeeld gemaakt van een paar chroom-aluminium. Het meetbereik is 200 - 1200 ° C, de thermo-elektrische coëfficiënt in het temperatuurbereik 0 - 1200 ° C is 35 - 32 μV / ° C, wat een zekere niet-lineariteit van de thermokoppelkarakteristieken aangeeft.

Bij het kiezen van een thermokoppel moet u zich eerst laten leiden door het feit dat in het gemeten temperatuurbereik de niet-lineariteit van de karakteristiek minimaal zou zijn. Dan zal de meetfout niet zo merkbaar zijn.

Als het thermokoppel zich op een aanzienlijke afstand van het apparaat bevindt, moet de verbinding worden gemaakt met een speciale compensatiedraad. Een dergelijke draad is gemaakt van dezelfde materialen als het thermokoppel zelf, maar heeft in de regel een aanzienlijk grotere diameter.

Om bij hogere temperaturen te werken, worden vaak thermokoppels gemaakt van edele metalen op basis van platina en platina-rhodiumlegeringen. Dergelijke thermokoppels zijn ongetwijfeld duurder. Materialen voor thermokoppelelektroden worden volgens normen vervaardigd. Alle verschillende thermokoppels zijn te vinden in de bijbehorende tabellen in elke goede referentie.

Lees verder in het volgende artikel - Nog een paar typen temperatuursensoren: halfgeleidersensoren, sensoren voor microcontrollers

Boris Eenladyshkin