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Sensori di temperatura Terza parte. Termocoppie. Effetto Seebeck
Termocoppia. Una breve storia di creazione, dispositivo, principio di funzionamento
Esternamente, la termocoppia è disposta in modo molto semplice: due fili sottili sono semplicemente saldati insieme sotto forma di una pallina pulita. un po ' multimetri digitali moderni Fabbricato in Cina dotato di una termocoppia, che consente di misurare la temperatura non inferiore a 1000 ° C, che consente di controllare la temperatura di riscaldamento saldatore o ferro, che leviga la stampa laser su fibra di vetro, così come in molti altri casi.
Il design di una tale termocoppia è molto semplice: entrambi i cavi sono nascosti in un tubo di fibra di vetro e non hanno nemmeno un isolamento evidente alla vista. Da un lato, i fili sono ben saldati e dall'altro hanno una spina per il collegamento al dispositivo. Anche con un design così primitivo, i risultati delle misurazioni della temperatura non sono in dubbio, a meno che, ovviamente, non sia richiesta una precisione di misurazione di classe 0,5 ° C e superiore.
A differenza delle termocoppie cinesi appena menzionate, le termocoppie per l'uso in impianti industriali hanno una struttura più complessa: la sezione di misurazione della termocoppia stessa è collocata in una custodia di metallo. All'interno della custodia, la termocoppia si trova in isolanti, generalmente in ceramica, progettati per alte temperature.
generalmente la termocoppia è il sensore di temperatura più comune e più antico. La sua azione si basa su Effetto Seebeck, che fu aperto nel 1822. Per conoscere questo effetto, creeremo mentalmente il semplice schema mostrato in Figura 1.
Figura 1
La figura mostra due diversi conduttori metallici M1 e M2, le cui estremità nei punti A e B sono semplicemente saldate insieme, anche se ovunque e ovunque questi punti sono chiamati giunzioni per qualche motivo. A proposito, molti artigiani artigianali per termocoppie fatte in casa, progettate per funzionare a temperature non molto elevate, usano solo la saldatura invece della saldatura.
Torniamo alla Figura 1. Se tutta questa costruzione si troverà semplicemente sul tavolo, allora non ci saranno effetti. Se una delle giunzioni viene riscaldata con qualcosa, almeno con una corrispondenza, allora una corrente elettrica fluirà dai conduttori M1 e M2 in un circuito chiuso. Lascia che sia molto debole, ma lo sarà comunque.
Per essere sicuri di ciò, è sufficiente rompere un filo in questo circuito elettrico, e uno qualsiasi, e includere un millivoltmetro nello spazio risultante, preferibilmente con un punto medio, come mostrato nelle Figure 2 e 3.
Figura 2
Figura 3
Se ora una delle giunzioni viene riscaldata, ad esempio la giunzione A, la freccia del dispositivo devia sul lato sinistro. In questo caso, la temperatura di giunzione A sarà uguale a TA = TB + ΔT. In questa formula, ΔT = TA - TB è la differenza di temperatura tra le giunzioni A e B.
La Figura 3 mostra cosa succede se la giunzione B. viene riscaldata. La freccia del dispositivo devia dall'altro lato e, in entrambi i casi, maggiore è la differenza di temperatura tra le giunzioni, maggiore è l'angolo della freccia del dispositivo.
L'esperienza descritta illustra solo l'effetto Seebeck, il cui significato è quello se le giunzioni dei conduttori A e B hanno temperature diverse, allora tra loro sorge una potenza termoelettrica, il cui valore è proporzionale alla differenza di temperatura delle giunzioni. Non dimenticare che è la differenza di temperatura, e non un po 'di temperatura!
Se entrambe le giunzioni hanno la stessa temperatura, allora non vi sarà alcuna potenza termica nel circuito. In questo caso, i conduttori possono essere a temperatura ambiente, riscaldati a diverse centinaia di gradi, oppure saranno influenzati da una temperatura negativa - comunque, non verrà ottenuta energia termoelettrica.
Cosa misura una termocoppia?
Supponiamo che una delle giunzioni, ad esempio A, (di solito chiamata calda) sia stata collocata in una nave con acqua bollente e l'altra giunzione B (fredda) rimanga a temperatura ambiente, ad esempio 25 ° C. Sono 25 ° C nei manuali di fisica che sono considerati condizioni normali.
Il punto di ebollizione dell'acqua in condizioni normali è di 100 ° C; pertanto, la potenza termica generata dalla termocoppia sarà proporzionale alla differenza di temperatura delle giunzioni, che in queste condizioni sarà solo 100 -25 = 75 ° C. Se la temperatura ambiente cambia, i risultati della misurazione saranno più simili al prezzo della legna che alla temperatura dell'acqua bollente. Come ottenere i risultati giusti?
La conclusione suggerisce se stessa: è necessario raffreddare la giunzione fredda a 0 ° C, impostando in tal modo il punto di riferimento inferiore della scala della temperatura Celsius. Il modo più semplice per farlo è posizionare una giunzione fredda della termocoppia in una nave con ghiaccio che si scioglie, perché è questa temperatura che viene presa come 0 ° C. Quindi nell'esempio precedente tutto sarà corretto: la differenza di temperatura tra le giunzioni calda e fredda sarà 100 - 0 = 100 ° C.
Certo, la soluzione è semplice e corretta, ma ogni volta cercare da qualche parte una nave con ghiaccio che si scioglie e mantenerlo in questa forma per lungo tempo, è semplicemente tecnicamente impossibile. Pertanto, al posto del ghiaccio, vengono utilizzati vari schemi per compensare la temperatura della giunzione fredda.
Come regola generale, il sensore a semiconduttore misura la temperatura nell'area di giunzione freddae già il circuito elettronico aggiunge questo risultato al valore di temperatura generale. Attualmente prodotto microcircuiti di termocoppia specializzati con circuito di compensazione della temperatura di giunzione fredda integrato.
In alcuni casi, per semplificare il sistema nel suo insieme, si può semplicemente rifiutare un risarcimento. Semplice esempio regolatore di temperatura per saldatore: se il saldatore è costantemente nelle tue mani, cosa ti impedisce di stringere leggermente il regolatore, abbassare o aggiungere temperatura? Dopotutto, chi sa come saldare vede la qualità della saldatura e prende decisioni in tempo. Lo schema di un tale termostato è abbastanza semplice ed è mostrato in Figura 4.
Figura 4. Schema di un semplice termostato (clicca sull'immagine per ingrandirla).
Come si può vedere dalla figura, il circuito è abbastanza semplice e non contiene costose parti specializzate. Si basa sul microcircuito domestico K157UD2, un doppio amplificatore operazionale a basso rumore. Sull'amplificatore operazionale DA1.1 viene assemblato l'amplificatore del segnale della termocoppia stesso. Quando si utilizza una termocoppia di TIPO K quando riscaldata a 200 - 250 ° C, la tensione di uscita dell'amplificatore raggiunge circa 7 - 8 V.
Nella seconda metà dell'amplificatore operazionale, viene assemblato un comparatore, il cui ingresso di inversione viene alimentato con tensione dall'uscita dell'amplificatore della termocoppia. Dall'altro, la tensione di riferimento dal motore del resistore variabile R8.
Finché la tensione all'uscita dell'amplificatore della termocoppia è inferiore alla tensione di riferimento, la tensione positiva viene mantenuta all'uscita del comparatore, quindi il circuito di trigger funziona triac T1, realizzato secondo il circuito del generatore di blocco sul transistor VT1. Pertanto, il triac T1 si apre e una corrente elettrica passa attraverso il riscaldatore EK, il che aumenta la tensione all'uscita dell'amplificatore della termocoppia.
Non appena questa tensione supera leggermente la tensione di riferimento, all'uscita del comparatore appare una tensione di livello negativo. Pertanto, il transistor VT1 è bloccato e il generatore di blocco smette di generare impulsi di controllo, il che porta alla chiusura del triac T1 e al raffreddamento dell'elemento riscaldante. Quando la tensione all'uscita dell'amplificatore della termocoppia diventa leggermente inferiore alla tensione di riferimento. l'intero ciclo di riscaldamento viene ripetuto di nuovo.
Per alimentare un tale regolatore di temperatura, è necessario un alimentatore a bassa potenza con due tensioni polari +12, -12 V. Il trasformatore Tr1 è realizzato su un anello di ferrite di dimensioni K10 * 6 * 4 di ferrite НМ2000. Tutti e tre gli avvolgimenti contengono 50 giri di filo PELSHO-0,1.
Nonostante la semplicità del circuito, funziona in modo abbastanza affidabile e assemblato da parti riparabili richiede solo un'impostazione della temperatura che può essere determinata usando almeno un multimetro cinese con una termocoppia.
Materiali per la fabbricazione di termocoppie
Come già accennato, una termocoppia contiene due elettrodi realizzati con materiali diversi. In totale, ci sono circa una dozzina di termocoppie di vario tipo, secondo lo standard internazionale indicato dalle lettere dell'alfabeto latino.
Ogni tipo ha le sue caratteristiche, principalmente a causa dei materiali degli elettrodi.Ad esempio, la termocoppia TYPE K abbastanza comune è composta da una coppia cromel - alumel. Il suo campo di misura è 200 - 1200 ° C, il coefficiente termoelettrico nell'intervallo di temperatura 0 - 1200 ° C è 35 - 32 μV / ° C, che indica una certa non linearità delle caratteristiche della termocoppia.
Quando si sceglie una termocoppia, è innanzitutto necessario essere guidati dal fatto che nell'intervallo di temperatura misurato la non linearità della caratteristica sarebbe minima. Quindi l'errore di misurazione non sarà così evidente.
Se la termocoppia si trova a una distanza considerevole dal dispositivo, la connessione deve essere effettuata utilizzando un cavo di compensazione speciale. Tale filo è realizzato con gli stessi materiali della termocoppia stessa, ma, di regola, ha un diametro notevolmente maggiore.
Per lavorare a temperature più elevate, vengono spesso utilizzate termocoppie in metalli preziosi a base di platino e leghe di platino-rodio. Tali termocoppie sono senza dubbio più costose. I materiali per gli elettrodi per termocoppia sono fabbricati secondo gli standard. Tutta la varietà di termocoppie può essere trovata nelle tabelle corrispondenti in qualsiasi buon riferimento.
Continua a leggere nel prossimo articolo - Alcuni altri tipi di sensori di temperatura: sensori a semiconduttore, sensori per microcontrollori
Boris laladyshkin
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