9.5: Термопари
- Page ID
- 101545
Цікавим явищем, що застосовується в області приладобудування, є ефект Зеєбека, який являє собою виробництво невеликої напруги по довжині дроту через різницю температур уздовж цього проводу. Цей ефект найлегше спостерігати і застосовувати при переході двох різнорідних металів в контакті, кожен метал виробляє різну напругу Зеєбека по своїй довжині, що перетворюється на напругу між двома (нез'єднаними) кінцями дроту. Більшість будь-яка пара різнорідних металів буде виробляти вимірювану напругу, коли їх перехід нагрівається, деякі комбінації металів виробляють більшу напругу на градус температури, ніж інші:
Ефект Зеебека досить лінійний; тобто напруга, що виробляється нагрітим спаєм двох проводів, прямо пропорційно температурі. Це означає, що температуру з'єднання металевого дроту можна визначити шляхом вимірювання виробленого напруги. Таким чином, ефект Зеебека забезпечує для нас електричний метод вимірювання температури.
Коли пара різнорідних металів з'єднується між собою з метою вимірювання температури, що утворився прилад називається термопарою. Термопари, виготовлені для контрольно-вимірювальних приладів, використовують метали високої чистоти для точного співвідношення температури/напруги (максимально лінійного і максимально передбачуваного).
Напруги Зеебека досить малі, в десятках мілівольт для більшості температурних діапазонів. Це робить їх дещо складним для точного вимірювання. Також те, що будь-який перехід між різнорідними металами буде виробляти залежне від температури напруга створює проблему, коли ми намагаємося підключити термопару до вольтметра, завершуючи схему:
Другий перехід заліза/міді, утворений з'єднанням між термопарою та лічильником на верхньому дроті, буде виробляти залежну від температури напругу, протилежну полярності до напруги, виробленої на вимірювальному переході. Це означає, що напруга між мідними висновками вольтметра буде залежати від різниці температур між двома переходами, а не температури на одному лише вимірювальному переході. Навіть для типів термопар, де мідь не є одним з різнорідних металів, комбінація двох металів, що з'єднують мідні висновки вимірювального приладу, утворює перехід, еквівалентний вимірювальному переходу:
Цей другий перехід називається еталонним або холодним спаєм, щоб відрізнити його від переходу на вимірювальному кінці, і немає можливості уникнути його наявності в ланцюзі термопари. У деяких додатках потрібне вимірювання диференціальної температури між двома точками, і це властива термопар властивість може бути використана для створення дуже простої системи вимірювання.
Однак у більшості застосувань метою є вимірювання температури лише в одній точці, і в цих випадках другий перехід стає обов'язком функціонувати.
Компенсація напруги, що генерується опорним переходом, зазвичай виконується спеціальною схемою, призначеною для вимірювання температури там і отримання відповідної напруги для протидії впливу опорного переходу. На цьому етапі ви можете задатися питанням: «Якщо нам доведеться вдатися до якоїсь іншої форми вимірювання температури лише для подолання індивідуальної непереносимості термопар, то навіщо взагалі використовувати термопари для вимірювання температури? Чому б просто не використати цю іншу форму вимірювання температури, якою б вона не була, для виконання цієї роботи?» Відповідь така: оскільки інші форми вимірювання температури, що використовуються для компенсації опорного переходу, не такі надійні або універсальні, як перехід термопари, але виконують роботу з вимірювання температури в приміщенні на місці опорного переходу досить добре. Наприклад, вимірювальний вузол термопари може бути вставлений у димохід 1800 градусів (F) ливарної печі, в той час як еталонний перехід сидить на відстані ста футів в металевій шафі при температурі навколишнього середовища, вимірюючи його температуру за допомогою пристрою, який ніколи не може пережити тепло або корозійні атмосфера печі.
Напруга, що виробляється переходами термопар, суворо залежить від температури. Будь-який струм в ланцюзі термопари є функцією опору ланцюга на противагу цій напрузі (I = E/R). Іншими словами, залежність між температурою і напругою Зеебека фіксована, в той час як залежність між температурою і струмом є змінною, в залежності від загального опору ланцюга. З досить важкими провідниками термопари струми вгору сотень ампер можуть генеруватися з однієї пари переходів термопар! (Я насправді бачив це в лабораторному експерименті, використовуючи важкі прутки міді та мідь/нікелевого сплаву для формування з'єднань та провідників ланцюга.)
Для цілей вимірювання вольтметр, що використовується в ланцюзі термопари, призначений для того, щоб мати дуже високий опір, щоб уникнути будь-яких падінь напруги, що спричиняють помилку, уздовж дроту термопари. Проблема падіння напруги по довжині провідника тут ще більш серйозна, ніж з сигналами напруги постійного струму, розглянутими раніше, тому що тут у нас є лише кілька мілівольт напруги, що виробляється переходом. Ми просто не можемо дозволити собі мати навіть один мілівольт падіння по довжині провідника, не викликаючи серйозних помилок вимірювання температури.
В ідеалі тоді струм в ланцюзі термопари дорівнює нулю. Ранні прилади індикації термопари використовували схему вимірювання потенціометричної напруги нульового балансу для вимірювання напруги переходу. Рання лінійка індикаторів температури/реєстраторів «Speedomax» Leeds & Northrup «Speedomax» була хорошим прикладом цієї технології. Більш сучасні прилади використовують напівпровідникові схеми підсилювачів, щоб сигнал напруги термопари міг приводити в дію індикаційний пристрій з невеликим струмом або зовсім відсутнім в ланцюзі.
Термопари, однак, можуть бути побудовані з великокаліберного дроту для низького опору і підключені таким чином, щоб генерувати дуже високі струми для цілей, відмінних від вимірювання температури. Однією з таких цілей є вироблення електроенергії. Підключаючи багато термопар послідовно, чергуючи гарячі/холодні температури з кожним переходом, пристрій, званий термопілотом, може бути сконструйований для отримання значної кількості напруги та струму:
При лівому і правому наборі переходів при однаковій температурі напруга на кожному переході буде рівним, а протилежні полярності скасуються до кінцевої напруги нуля. Однак якби лівий набір переходів був нагрітий, а правий встановлений охолоджений, напруга на кожному лівому переході було б більше, ніж на кожному правому переході, в результаті чого загальна вихідна напруга дорівнює сумі всіх диференціалів перехідної пари. У термоакумуляторі саме так все налаштовано. Джерело тепла (згоряння, сильне радіоактивне речовина, сонячне тепло і т.д.) застосовується до одного набору переходів, а інший набір прив'язаний до радіатора якогось типу (повітряно- або водяного охолодження). Цікаво, що в міру протікання електронів по зовнішньому ланцюгу навантаження, підключеної до термоелемента, теплова енергія передається від гарячих спаїв до холодних спаїв, демонструючи ще одне термоелектричне явище: так званий ефект Пельтьє (електричний струм, що передає теплову енергію).
Ще одне застосування для термопар полягає у вимірюванні середньої температури між кількома місцями. Найпростіший спосіб зробити це - з'єднати кілька термопар паралельно один одному. Сигнал мілівольт, вироблений кожною термопарою, буде середнім у точці паралельного з'єднання. Перепади напруги між переходами падають по опорах проводів термопари:
На жаль, однак, точне усереднення цих потенціалів напруги Зеєбека спирається на рівні опору проводів кожної термопари. Якщо термопари розташовані в різних місцях і їх дроти стикуються паралельно в одному місці, однакова довжина проводу буде малоймовірною. Термопара, що має найбільшу довжину дроту від точки вимірювання до паралельної точки з'єднання, матиме найбільший опір і, отже, матиме найменший вплив на середню вироблену напругу.
Щоб компенсувати це, до кожної з паралельних гілок ланцюга термопари можна додати додатковий опір, щоб зробити їх відповідні опори більш рівними. Без нестандартних резисторів для кожної гілки (щоб зробити опори точно рівні між усіма термопарами), прийнятно просто встановити резистори з рівними значеннями, значно вищими, ніж опори проводів термопари, так що ці опори проводів матимуть набагато менший вплив на сумарний опір гілки. Ці резистори називаються заболочуючими резисторами, тому що їх відносно високі значення затьмарюють або «заболочують» опори самих проводів термопари:
Оскільки з'єднання термопар виробляють такі низькі напруги, обов'язково, щоб з'єднання проводів були дуже чистими та герметичними для точної та надійної роботи. Також місце опорного з'єднання (місце, де різнорідно-металеві дроти термопари приєднуються до стандартної міді) необхідно тримати близько до вимірювального приладу, щоб переконатися, що прилад може точно компенсувати температуру опорного переходу. Незважаючи на ці, здавалося б, обмежувальні вимоги, термопари залишаються одним з найбільш надійних і популярних методів промислового вимірювання температури в сучасному використанні.
Рецензія
- Ефект Зеєбека - це виробництво напруги між двома різнорідними, з'єднаними металами, що пропорційно температурі цього переходу.
- У будь-якій схемі термопари між різнорідними металами утворюються два еквівалентних переходу. Місце з'єднання, розміщене в місці передбачуваного вимірювання, називається вимірювальним стиком, тоді як інший (одинарний або еквівалентний) стик називається опорним.
- Два переходи термопар можуть бути з'єднані опозиційно один до одного, щоб генерувати сигнал напруги, пропорційний диференціальній температурі між двома переходами. Сукупність переходів, з'єднаних таким чином з метою вироблення електроенергії, називається термобатареєю.
- Коли електрони протікають через переходи термоелемента, теплова енергія передається від одного набору переходів до іншого. Це відоме як ефект Пельтьє.
- Кілька переходів термопар можуть бути з'єднані паралельно один з одним для генерації сигналу напруги, що представляє середню температуру між переходами. «Болотні» резистори можуть бути з'єднані послідовно з кожною термопарою, щоб допомогти зберегти рівність між переходами, тому результуюча напруга буде більш репрезентативною істинної середньої температури.
- Обов'язково потрібно, щоб струм в ланцюзі термопари був максимально низьким для хорошої точності вимірювання. Також всі пов'язані з ними з'єднання проводів повинні бути чистими і герметичними. Лише мілівольт падіння в будь-якому місці ланцюга призведе до значних помилок вимірювання.