Hőmérséklet-érzékelők. Harmadik rész. Thermocouples. Seebeck-effektus

Hőelem. A létrehozás, az eszköz, a működési elv rövid története

Külsőleg a hőelem nagyon egyszerűen van elrendezve: két vékony huzalt egyszerűen összehegesztenek egy ügyes kis golyó formájában. néhány modern digitális multiméter Kínában gyártott, hőelemmel, amely lehetővé teszi legalább 1000 ° C hőmérséklet mérését, ami lehetővé teszi a fűtési hőmérséklet ellenőrzését forrasztópáka vagy vas, amely simítja a lézernyomtatást üvegszálra, és sok más esetben is.

Egy ilyen hőelem megtervezése nagyon egyszerű: mindkét vezeték egy üvegszál csőbe van rejtve, sőt, még a szemük számára is észrevehető szigetelés nincs. Egyrészt a vezetékek szépen hegesztettek, másrészt vannak dugójuk a készülékhez való csatlakoztatáshoz. Még egy ilyen primitív tervezésnél sem a hőmérséklet-mérés eredményei nem kétséges, kivéve természetesen a 0,5 ° C-os vagy annál magasabb osztálymérési pontosságot.

Az éppen említett ipari kínálatú hőelemtől eltérően az ipari üzemekben használt hőelem sokkal összetettebb felépítésű: maga a hőelem mérőszakasza egy fém tokba van helyezve. A házon belül a hőelem a szigetelőkben található, általában kerámiai, amelyek magas hőmérsékleten vannak kialakítva.

általában A hőelem a leggyakoribb és legrégebbi hőmérséklet-érzékelő. Tevékenysége az alábbiakon alapszik: Seebeck-effektus, amelyet 1822-ben nyitottak meg. Annak érdekében, hogy megismerjük ezt a hatást, szellemileg összeállítjuk az 1. ábrán bemutatott egyszerű sémát.

1. ábra

Az ábra két különféle M1 és M2 fémvezetéket ábrázol, amelyeknek végeit az A és B pontokban egyszerűen összehegesztik, bárhol és mindenhol ezeket a pontokat valamilyen okból összekapcsolásoknak nevezzük. Mellesleg, sok házi kézműves házi készítésű hőelemhez, amelyeket nem túl magas hőmérsékleten dolgoztak, hegesztés helyett csak forrasztást használnak.

Térjünk vissza az 1. ábrához. Ha ez a konstrukció egyszerűen az asztalon fekszik, akkor ennek nincs hatása. Ha az egyik csomópont melegítésre kerül valamivel, legalább egy illesztéssel, akkor elektromos áram folyik az M1 és M2 vezetékekből egy zárt körben. Legyen nagyon gyenge, de így is lesz.

Ennek biztosítása érdekében elegendő egy vezetéket megszakítani ebben az elektromos áramkörben, és egyet is, és a kapott résbe millivoltmérőt kell elhelyezni, lehetőleg egy középponttal, amint azt a 2. és 3. ábra mutatja.

2. ábra

3. ábra

Ha most az egyik csomópont felmelegszik, például az A csomópont, akkor a készülék nyílja bal oldalra tér el. Ebben az esetben az A csomópont hőmérséklete TA = TB + ΔT lesz. Ebben a képletben ΔT = TA - TB az A és B metszéspont közötti hőmérsékleti különbség.

A 3. ábra azt mutatja, hogy mi történik, ha a B kereszteződést melegítik. Az eszköz nyílja a másik oldal felé tolódik, és mindkét esetben minél nagyobb a csomópontok közötti hőmérsékleti különbség, annál nagyobb a készülék nyílának a szöge.

A leírt tapasztalat csak a Seebeck-effektust illusztrálja, amelynek jelentése az ha az A és B vezetékek csomópontjai eltérő hőmérsékleten vannak, akkor közöttük termoelektromos teljesítmény keletkezik, amelynek értéke arányos a csomópontok hőmérsékleti különbségével. Ne felejtsük el, hogy ez a hőmérséklet-különbség, és egyáltalán nem bizonyos hőmérséklet!

Ha mindkét csomópont azonos hőmérsékleten van, akkor az áramkörben nincs hőhatás. Ebben az esetben a vezetők szobahőmérsékleten lehetnek, több száz fokra felmelegíthetők, vagy negatív hőmérséklet befolyásolja őket - egyébként nem lesz termoelektromos teljesítmény.

Mi méri a hőelemet?

Tegyük fel, hogy az egyik csomópontot (például A) (általában melegnek nevezzük) forrásban lévő vízzel ellátott edénybe helyeztük, a másik B csomópontot (hideg) szobahőmérsékleten, például 25 ° C-on. A fizikai tankönyvekben 25 ° C-ot tekintik normális körülményeknek.

A víz forráspontja normál körülmények között 100 ° C, ezért a hőelem által termelt hőteljesítmény arányos lesz a csomópontok hőmérsékleti különbségével, amely ilyen körülmények között csak 100-25 = 75 ° C. Ha a környezeti hőmérséklet megváltozik, akkor a mérési eredmények jobban hasonlítanak a tűzifa árára, mint a forrásban lévő víz hőmérsékletére. Hogyan lehet elérni a megfelelő eredményeket?

A következtetés önmagában sugallja: a hideg csomópontot 0 ° C-ra kell lehűteni, ezáltal beállítva a Celsius-hőmérsékleti skála alsó referenciapontját. Ennek legegyszerűbb módja az, ha a hőelem hideg csomópontját egy olvadó jéggel rendelkező edénybe helyezik, mert ezt a hőmérsékletet veszik 0 ° C-ra. Akkor az előző példában minden rendben lesz: a meleg és a hideg csomópontok hőmérsékleti különbsége 100 - 0 = 100 ° C.

Természetesen a megoldás egyszerű és helyes, de minden alkalommal, amikor valahol keres egy olvadó jéggel rendelkező edényt, és hosszú ideig megőrizni ezt a formát, egyszerűen technikailag lehetetlen. Ezért jég helyett különféle sémákat alkalmaznak a hideg csomópont hőmérsékletének kompenzálására.

Általános szabály, félvezető érzékelő méri a hőmérsékletet a hideg csomópont területén, és az elektronikus áramkör már hozzáadja ezt az eredményt az általános hőmérsékleti értékhez. Jelenleg gyártott speciális hőelem mikroáramkörök, beépített hidegpont-hőmérséklet-kompenzáló áramkörrel.

Bizonyos esetekben a rendszer egészének egyszerűsítése érdekében egyszerűen elutasíthatják a kompenzációt. Egyszerű példa hőmérséklet-szabályozó forrasztópáka: ha a forrasztópáka állandóan a kezedben van, mi akadályozza meg a szabályozó kicsit meghúzását, a hőmérséklet csökkentését vagy hozzáadását? Végül is, aki tudja forrasztani, látja a forrasztás minőségét, és időben hoz döntéseket. Az ilyen termosztát vázlata meglehetősen egyszerű, és a 4. ábrán látható.

4. ábra: Egy egyszerű termosztát vázlata (kattintson a képre a nagyításhoz).

Az ábrából látható, hogy az áramkör meglehetősen egyszerű, és nem tartalmaz drága speciális alkatrészeket. A háztartási K157UD2 mikroáramkörön alapul - egy kettős, alacsony zajszintű operációs erősítő. A DA1.1 op erősítőn a hőelem jel erősítője összeszerelt. TYPE K hőelem használatakor, amikor 200 - 250 ° C-ra hevítik, az erősítő kimeneti feszültsége megközelíti a 7 - 8 V-ot.

Az op-amp erősítő második felében egy komparátor van felszerelve, amelynek invertáló bemenetére a hőelem erősítő kimenetének feszültsége van. Másrészt - az R8 változó ellenállás motorjának referenciafeszültsége.

Mindaddig, amíg a hőelem-erősítő kimenetén a feszültség kisebb, mint a referenciafeszültség, a pozitív feszültséget a komparátor kimenetén tartják, tehát az indítóáramkör működik triac T1, a VT1 tranzisztoron lévő blokkoló generátor áramkör szerint készülve. Ezért a T1 triac kinyílik, és egy elektromos áram halad át az EK melegítőn, ami növeli a feszültséget a hőelem erősítő kimenetén.

Amint ez a feszültség kissé meghaladja a referenciafeszültséget, negatív szintű feszültség jelenik meg a komparátor kimenetén. Ezért a VT1 tranzisztor zárolva van, és a blokkoló generátor leállítja a vezérlő impulzusok generálását, ami a T1 triac bezárásához és a fűtőelem lehűtéséhez vezet. Amikor a hőelem erősítő kimenetén a feszültség valamivel alacsonyabb lesz, mint a referenciafeszültség. a teljes fűtési ciklust megismételjük.

Egy ilyen hőmérsékletszabályozó táplálásához kis teljesítményű tápegységre van szükség, két +12, -12 V poláris feszültséggel. A Tr1 transzformátort a НМ2000 ferrit K10 * 6 * 4 méretű ferritgyűrűjén készítik. Mindhárom tekercs 50 fordulatot tartalmaz a PELSHO-0.1 huzalból.

Az áramkör egyszerűsége ellenére elég megbízhatóan működik, és a szervizelhető alkatrészekből összeszereléshez csak egy hőmérsékleti beállítást kell elvégezni, amelyet legalább egy hőelemmel ellátott kínai multiméterrel lehet meghatározni.

Anyagok hőelem gyártásához

Mint már említettük, egy hőelem két, eltérő anyagból készült elektródot tartalmaz. Összességében körülbelül egy tucat különféle típusú hőelem van a latin ábécé betűivel jelölt nemzetközi szabvány szerint.

Mindegyik típusnak megvannak a saját jellemzői, ami elsősorban az elektródák anyagának köszönhető.Például a meglehetősen általános TYPE K hőelem króm-alumínium párból készül. Mérési tartománya 200 - 1200 ° C, a termoelektromos együttható a 0 - 1200 ° C hőmérsékleti tartományban 35 - 32 μV / ° C, ami a hőelem jellemzőinek bizonyos nemlinearitását jelzi.

A hőelem kiválasztásakor először azt a tényt kell vezérelnie, hogy a mért hőmérsékleti tartományban a jellemző nemlinearitása minimális lenne. Akkor a mérési hiba nem lesz olyan észrevehető.

Ha a hőelem jelentős távolságra van a készüléktől, akkor a csatlakoztatást egy speciális kompenzációs huzallal kell elvégezni. Az ilyen huzal ugyanabból az anyagból készül, mint maga a hőelem, de általában átmérője észrevehetően nagyobb.

A magasabb hőmérsékleten történő munkavégzéshez gyakran használnak platina és platina-ródium ötvözet alapú nemesfémekből készült hőelemeket. Az ilyen hőelem kétségtelenül drágább. A hőelem-elektródák anyagait a szabványoknak megfelelően gyártják. A hőelemek különféle változatai megtalálhatók a megfelelő táblázatokban, jó referenciákkal.

Olvassa el a következő cikkben - Néhány további típusú hőmérséklet-érzékelő: félvezető érzékelők, mikrovezérlők érzékelői

Boris Aladyshkin