Thể loại: Bài viết nổi bật » Tự động hóa nhà
Số lượt xem: 116550
Bình luận về bài viết: 2
Cảm biến nhiệt độ. Phần ba. Cặp nhiệt điện. Hiệu ứng Seebeck
Cặp nhiệt điện Sơ lược về lịch sử sáng tạo, thiết bị, nguyên tắc hoạt động
Bên ngoài, cặp nhiệt điện được bố trí rất đơn giản: hai dây mỏng được hàn đơn giản với nhau dưới dạng một quả bóng nhỏ gọn. Một số vạn năng kỹ thuật số hiện đại Được sản xuất tại Trung Quốc được trang bị một cặp nhiệt điện, cho phép bạn đo nhiệt độ không dưới 1000 ° C, giúp kiểm tra nhiệt độ sưởi ấm hàn sắt hoặc sắt, sẽ làm mịn bản in laser thành sợi thủy tinh, cũng như trong nhiều trường hợp khác.
Thiết kế của một cặp nhiệt điện như vậy rất đơn giản: cả hai hệ thống dây điện được giấu trong một ống sợi thủy tinh, và thậm chí không có lớp cách nhiệt đáng chú ý cho mắt. Một mặt, dây được hàn gọn gàng và mặt khác chúng có phích cắm để kết nối với thiết bị. Ngay cả với thiết kế nguyên thủy như vậy, kết quả của các phép đo nhiệt độ không còn nghi ngờ gì nữa, trừ khi, tất nhiên, trừ khi, độ chính xác của phép đo loại 0,5 ° C và cao hơn là bắt buộc.
Không giống như các cặp nhiệt điện Trung Quốc vừa đề cập, các cặp nhiệt điện để sử dụng trong các nhà máy công nghiệp có cấu trúc phức tạp hơn: phần đo của chính cặp nhiệt điện được đặt trong vỏ kim loại. Bên trong vỏ, cặp nhiệt điện được đặt trong các chất cách điện, thường là gốm, được thiết kế cho nhiệt độ cao.
Nói chung cặp nhiệt điện là cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất và lâu đời nhất. Hành động của cô dựa trên Hiệu ứng Seebeck, được khai trương vào năm 1822. Để làm quen với hiệu ứng này, chúng tôi sẽ lắp ráp sơ đồ đơn giản như trong Hình 1.
Hình 1
Hình trên cho thấy hai dây dẫn kim loại khác nhau là M1 và M2, hai đầu của chúng tại các điểm A và B được hàn đơn giản với nhau, mặc dù ở mọi nơi và mọi nơi, các điểm này được gọi là mối nối vì một số lý do. Nhân tiện, nhiều thợ thủ công tự chế cho cặp nhiệt điện tự chế, được thiết kế để làm việc ở nhiệt độ không quá cao, chỉ sử dụng hàn thay vì hàn.
Chúng ta hãy quay lại Hình 1. Nếu tất cả các công trình này sẽ chỉ nằm trên bàn, thì sẽ không có hiệu lực từ nó. Nếu một trong các mối nối được làm nóng bằng một cái gì đó, ít nhất là với một trận đấu, thì một dòng điện sẽ chạy từ các dây dẫn M1 và M2 trong một mạch kín. Hãy để nó rất yếu, nhưng nó vẫn sẽ như vậy.
Để chắc chắn về điều này, nó đủ để phá vỡ một dây trong mạch điện này và bất kỳ dây nào, và bao gồm một millivoltmeter trong khoảng cách kết quả, tốt nhất là với một điểm giữa, như trong Hình 2 và 3.
Hình 2
Hình 3
Nếu bây giờ một trong các mối nối được làm nóng, ví dụ đường giao nhau A, thì mũi tên của thiết bị sẽ lệch sang bên trái. Trong trường hợp này, nhiệt độ đường giao nhau A sẽ bằng TA = TB + T. Trong công thức này, T = TA - TB là chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nối A và B.
Hình 3 cho thấy điều gì xảy ra nếu ngã ba B bị nung nóng. Mũi tên của thiết bị lệch sang phía bên kia và trong cả hai trường hợp, chênh lệch nhiệt độ giữa các mối nối càng lớn, góc mũi tên của thiết bị càng lớn.
Trải nghiệm được mô tả chỉ minh họa hiệu ứng Seebeck, ý nghĩa của nó là nếu các điểm nối của dây dẫn A và B có nhiệt độ khác nhau, thì nhiệt điện phát sinh giữa chúng, giá trị của nó tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ của mối nối. Đừng quên rằng đó là sự chênh lệch nhiệt độ, và không phải là nhiệt độ nào cả!
Nếu cả hai mối nối có cùng nhiệt độ, thì sẽ không có nhiệt kế trong mạch. Trong trường hợp này, các dây dẫn có thể ở nhiệt độ phòng, được làm nóng đến vài trăm độ, hoặc chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ âm - dù sao, sẽ không thu được nhiệt điện.
Những gì đo lường một cặp nhiệt điện?
Giả sử rằng một trong các điểm nối, ví dụ A, (thường được gọi là nóng) được đặt trong một bình chứa nước sôi, và điểm nối B (lạnh) khác vẫn ở nhiệt độ phòng, ví dụ: 25 ° C. Đó là 25 ° C trong sách giáo khoa vật lý được coi là điều kiện bình thường.
Điểm sôi của nước trong điều kiện bình thường là 100 ° C, do đó nhiệt kế được tạo ra bởi cặp nhiệt điện sẽ tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ của các mối nối, trong những điều kiện này sẽ chỉ là 100 -25 = 75 ° C. Nếu nhiệt độ môi trường thay đổi, thì kết quả đo sẽ giống như giá củi hơn là nhiệt độ của nước sôi. Làm thế nào để có kết quả đúng?
Kết luận cho thấy chính nó: bạn cần làm mát điểm lạnh đến 0 ° C, từ đó thiết lập điểm tham chiếu thấp hơn của thang đo nhiệt độ Celsius. Cách dễ nhất để làm điều này là bằng cách đặt một điểm nối lạnh của cặp nhiệt điện trong một bình chứa băng tan, bởi vì nhiệt độ này được lấy là 0 ° C. Sau đó, trong ví dụ trước, mọi thứ sẽ chính xác: chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nóng và lạnh sẽ là 100 - 0 = 100 ° C.
Tất nhiên, giải pháp rất đơn giản và chính xác, nhưng để tìm kiếm một tàu có băng tan ở đâu đó và để nó ở dạng này trong một thời gian dài thì đơn giản là không thể về mặt kỹ thuật. Do đó, thay vì băng, các phương án khác nhau để bù nhiệt độ của điểm nối lạnh được sử dụng.
Nói chung cảm biến bán dẫn đo nhiệt độ trong khu vực ngã ba lạnhvà mạch điện tử đã thêm kết quả này vào giá trị nhiệt độ chung. Hiện đang sản xuất vi mạch nhiệt điện chuyên dụng có một mạch bù nhiệt độ tiếp giáp lạnh tích hợp.
Trong một số trường hợp, để đơn giản hóa toàn bộ sơ đồ, người ta có thể từ chối bồi thường. Ví dụ đơn giản điều chỉnh nhiệt độ cho hàn sắt: nếu bàn ủi hàn liên tục nằm trong tay bạn, điều gì ngăn bạn thắt chặt bộ điều chỉnh một chút, hạ thấp hoặc thêm nhiệt độ? Rốt cuộc, người biết cách hàn sẽ nhìn thấy chất lượng của hàn và đưa ra quyết định đúng hạn. Sơ đồ của một bộ điều nhiệt như vậy khá đơn giản và được hiển thị trong Hình 4.
Hình 4. Sơ đồ của một bộ điều nhiệt đơn giản (bấm vào hình để phóng to).
Có thể thấy từ hình vẽ, mạch khá đơn giản và không chứa các bộ phận chuyên dụng đắt tiền. Nó được dựa trên microcircuit K157UD2 trong nước - một bộ khuếch đại hoạt động tiếng ồn thấp kép. Trên amp op DA1.1, bộ khuếch đại tín hiệu cặp nhiệt điện được lắp ráp. Khi sử dụng cặp nhiệt điện TYPE K khi được làm nóng đến 200 - 250 ° C, điện áp đầu ra của bộ khuếch đại đạt khoảng 7 - 8V.
Trên nửa sau của op-amp, một bộ so sánh được lắp ráp, với đầu vào đảo ngược trong đó một điện áp được cung cấp từ đầu ra của bộ khuếch đại cặp nhiệt điện. Mặt khác - điện áp tham chiếu từ động cơ của biến trở R8.
Miễn là điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại cặp nhiệt điện nhỏ hơn điện áp tham chiếu, điện áp dương được giữ ở đầu ra của bộ so sánh, do đó mạch kích hoạt hoạt động triac T1, được thực hiện theo mạch máy phát chặn trên bóng bán dẫn VT1. Do đó, triac T1 mở ra và một dòng điện đi qua bộ gia nhiệt EK, làm tăng điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại cặp nhiệt điện.
Ngay khi điện áp này hơi vượt quá điện áp tham chiếu, một điện áp mức âm xuất hiện ở đầu ra của bộ so sánh. Do đó, bóng bán dẫn VT1 bị khóa và bộ tạo chặn dừng tạo ra các xung điều khiển, dẫn đến việc đóng triac T1 và làm mát phần tử gia nhiệt. Khi điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại cặp nhiệt điện trở nên nhỏ hơn một chút so với điện áp tham chiếu. toàn bộ chu trình gia nhiệt được lặp lại một lần nữa.
Để cấp nguồn cho bộ điều chỉnh nhiệt độ như vậy, bạn cần một nguồn cung cấp năng lượng thấp với hai điện áp cực +12, -12 V. Biến áp Tr1 được chế tạo trên một vòng ferrite có kích thước K10 * 6 * 4 của ferrite. Cả ba cuộn dây đều chứa 50 vòng dây PELSHO-0.1.
Mặc dù đơn giản của mạch, nó hoạt động đủ đáng tin cậy và được lắp ráp từ các bộ phận có thể bảo trì chỉ yêu cầu cài đặt nhiệt độ có thể được xác định bằng cách sử dụng ít nhất một vạn năng Trung Quốc với cặp nhiệt điện.
Vật liệu sản xuất cặp nhiệt điện
Như đã đề cập, một cặp nhiệt điện chứa hai điện cực được làm bằng vật liệu không giống nhau. Tổng cộng, có khoảng một chục cặp nhiệt điện các loại, theo tiêu chuẩn quốc tế được biểu thị bằng các chữ cái trong bảng chữ cái Latinh.
Mỗi loại có những đặc điểm riêng, chủ yếu là do các vật liệu của các điện cực.Ví dụ, cặp nhiệt điện TYPE K khá phổ biến được làm bằng cặp chromel - alumel. Phạm vi đo của nó là 200 - 1200 ° C, hệ số nhiệt điện trong phạm vi nhiệt độ 0 - 1200 ° C là 35 - 32 V / ° C, cho thấy sự không tuyến tính nhất định của các đặc tính của cặp nhiệt điện.
Khi chọn một cặp nhiệt điện, trước hết bạn nên được hướng dẫn bởi thực tế là trong phạm vi nhiệt độ đo được, tính phi tuyến tính của đặc tính sẽ là tối thiểu. Sau đó, lỗi đo lường sẽ không được chú ý.
Nếu cặp nhiệt điện được đặt ở khoảng cách đáng kể so với thiết bị, thì kết nối phải được thực hiện bằng cách sử dụng dây bù đặc biệt. Một dây như vậy được làm bằng các vật liệu giống như chính cặp nhiệt điện, nhưng, như một quy luật, có đường kính lớn hơn đáng kể.
Để làm việc ở nhiệt độ cao hơn, người ta thường sử dụng cặp nhiệt điện làm từ kim loại quý dựa trên hợp kim bạch kim và bạch kim-rhodium. Cặp nhiệt điện như vậy chắc chắn là đắt hơn. Vật liệu cho các điện cực cặp nhiệt điện được sản xuất theo tiêu chuẩn. Tất cả các loại cặp nhiệt điện có thể được tìm thấy trong các bảng tương ứng trong bất kỳ tài liệu tham khảo tốt.
Đọc trong bài viết tiếp theo - Một vài loại cảm biến nhiệt độ khác: cảm biến bán dẫn, cảm biến cho vi điều khiển
Boris Mộtbọ rùa
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: