Termočlánek – princip činnosti | Sib Controls

Termoelektrické převodníky – termočlánky, stejně jako odporové převodníky teploty, jsou nejběžnějším prostředkem měření teploty.

Termoelektrická metoda měření teploty je založena na závislosti termoelektromotorické síly (termoEMF) vyvíjené termočlánkem na teplotě jeho pracovního konce. ThermoEMF se vyskytuje v obvodu sestávajícím ze dvou odlišných vodičů (elektrod) A ​​a B (obr. 1, a), pokud se hodnoty teploty spojovacích bodů t a t0 nerovnají (pokud jsou teploty stejné, je thermoEMF nula). EMF vznikající v obvodu termočlánku je výsledkem Seebeckova a Thompsonova jevu. První je spojen s výskytem EMF na křižovatce dvou odlišných vodičů a velikost EMF závisí na teplotě přechodu. Thompsonův efekt je spojen s výskytem EMF v homogenním vodiči v přítomnosti teplotního rozdílu na jeho koncích.

Vyvinuté termoEMF závisí na hodnotě obou teplot t a t0 a roste s rostoucím rozdílem (t – t0). Díky tomu je termoelektrický výkon termočlánku běžně označován symbolem E(t, t0).

Rýže. 1. Obvody termočlánků:

a – spojení dvou vodičů; b, c – možnosti připojení třetího vodiče; g, d možnosti zapnutí měřícího zařízení IP

Je zřejmé, že teplotu lze měřit pomocí termočlánku, pokud jsou splněny následující podmínky:

• umístěte pracovní konec termočlánku do kontrolovaného prostředí a stabilizujte teplotu druhého spoje (volné konce);

• měřit termoelektrický výkon vyvíjený termočlánkem;

• mít kalibrační charakteristiku E(t, t0) termočlánku – závislost termoEMF na teplotě pracovního konce (t.j. naměřené teplotě) při určité hodnotě t0.

Abychom porozuměli dalšímu materiálu, přejděme k „větě o třetím vodiči“. Jeho podstata (bez důkazu) je následující: zařazení třetího vodiče z jakéhokoli materiálu „C“ do obvodu termočlánku (ve všech schématech je znázorněno jako vlnovka) nezpůsobí zkreslení termoEMF, pokud jsou teploty spojovacích bodů tohoto vodiče stejné. Proto termoEMF vyvinuté v obvodech (obr. 1, b, c) bude stejné pouze tehdy, budou-li si teploty t‘ a t“ navzájem shodné, tedy za podmínky t‘ = t». Na základě výše uvedeného si můžeme představit dva způsoby připojení měřicího zařízení (MD) k obvodu termočlánku: v přerušení volných konců (obr. 1, elektroda).

Jakékoli dva různé vodiče mohou tvořit termočlánek, ale ne každý termočlánek lze použít pro praktická měření teploty. Na materiály pro termočlánky (termoelektrodové materiály) je kladena řada požadavků: tepelná odolnost, chemická stabilita, reprodukovatelnost materiálů (pro zajištění zaměnitelnosti termočlánků), která spočívá ve stejné závislosti termoelektrického výkonu termočlánku na teplotě.

Nyní přejděme k terminologii. Termočlánek je spojení dvou různých vodičů – elektrod. Pro praktické použití termočlánku musí být jeho elektrody izolovány a umístěny v ochranné armatuře. Tato konstrukce se nazývá termoelektrický měnič. Podle definice je „termoelektrický převodník“ (TEC) převodník teploty, jehož činnost je založena na závislosti termoelektrické síly termočlánku na teplotě.

Termočlánek je hlavním prvkem zařízení pro měření teploty – termoelektrických převodníků (TEC).

V souladu s GOST R50431-92 v tabulce. 1 ukazuje limity dlouhodobého (krátkodobého) použití pro různé termočlánky TEP, které mají následující označení:

TVR (A) – wolfram-rhenium-wolfram-rhenium;

TPR (B) – platina-rhodium-platina-rhodium;

TPP (S, R) – platina-rhodium platina;

THA (K) – chromel-alumel;

TXK (L) — chromel-copel;

THK (E) – chromel-konstantan;

THH (N) — nikrosil-nisil;

TMK (T) – měď-konstantan;

TFA (J) – železo-konstantan.

Standardní termoelektrické měniče – termočlánky

Podskupina TEC (termočlánky)

Konvenční označení NSH

Rozsah dlouhodobého (krátkodobého) použití, °C

Převodní faktor mV/°C * 10 3

Závislost termoelektrického výkonu vyvinutého tepelným měničem na teplotě pracovního přechodu t při nulové teplotě volných konců t0 = 0 °C (tj. E(t,0) = f(t)) se nazývá jmenovitá statická charakteristika převodu (NSC). Udává se ve formě tabulek (kalibrace) nebo vzorců a označuje se konvenčním symbolem v ruské a mezinárodní notaci.

V souladu s GOST R50431-92 by se v současné době měla pro označení NSH používat pouze latinská písmena (uvedená v závorkách).

V označení konvertorů je nejprve označena kladná elektroda (např. u termočlánkového konvertoru THK je kladná elektroda chromelová a záporná měděná). V běžných grafických obrazech je kladná elektroda označena tenkou čarou, záporná tlustá čára. U malých průměrů elektrod lze horní mez měření snížit. Teplotní měnič (termočlánek) TPR (B) nevyvíjí termoEMF, pokud teplota pracovního spoje nepřekročí 300 °C (při teplotě volných konců 0 °C). Závislost termoelektrického výkonu na teplotě u termočlánků je nelineární, proto se jejich převodní koeficient (citlivost) mění v rámci rozsahu použití. V tabulce. 1 ukazuje zaokrouhlené hodnoty citlivosti na začátku a na konci aplikačního rozsahu.

Existují i ​​další typy snímačů teploty, jejichž statické vlastnosti nemusí být standardizovány: například slitina molybden-rhenium MP 5/20, termočlánky na bázi nekovových materiálů – grafitu a žáruvzdorných sloučenin (karbidy, nitridy atd.)

V tabulce. 2 a na obr. 2 a ukazuje statické charakteristiky termočlánků HA, KHK, PP. Z grafů je zřejmé, že nejvyšší termoelektrický výkon vyvine termočlánek XK a nejnižší (z těchto tří) termočlánek PP. Proto je při nízkých teplotách vhodnější použít teplotní měniče typu THK.

Jmenovité statické charakteristiky termoelektrických měničů (termočlánků)

Rýže. 2. Jmenovité statické charakteristiky měničů (a), schéma výroby pracovního spoje (b) a metody měření teploty desky (c)

Nejlineárnější charakteristika je u termočlánků XA. Nejpřesnější ze tří je PP termočlánek. Odchylka skutečné kalibrační charakteristiky od jmenovité je dána třídou termoelektrických měničů (termočlánků). Třídy jsou označeny čísly 1, 2, 3 (v pořadí rostoucí chyby) a v rámci třídy může chyba záviset na naměřené teplotě (tabulka 3).

Převodní koeficient (citlivost) termočlánku je poměr změny termoelektrického výkonu způsobeného změnou teploty pracovního konce k hodnotě této změny S = ΔE/Δt (mV/deg) při malých hodnotách Δt.

Pro získání číselných hodnot naměřené teploty je nutné k převodníku teploty připojit zobrazovací zařízení, které měří termoelektrický výkon termočlánku (sekundární zařízení), jehož stupnice by měla být ve stupních. Takové zapojení se nazývá termoelektrický teploměr. Všechny tyto termíny budou použity v následujícím textu. Aby byla teplotní stupnice sekundárního zařízení stejnoměrná, je žádoucí, aby převodní koeficient termočlánku (převodníku) S nezávisel na naměřené teplotě t v rozsahu měření; jinak je nutné použít linearizaci. Při vyhodnocování závislosti S = f(t) je třeba brát teplotní rozsah Δt ve výrazu S = ΔE/Δt co nejmenší – teoreticky je třeba použít derivaci S = dE/dt.

Vraťme se k „větě o třetím vodiči“ – zařazení třetího vodiče „C“ z libovolného materiálu do obvodu termočlánku „AB“ nezpůsobí zkreslení termoelektrického výkonu, pokud jsou teploty spojovacích bodů tohoto vodiče stejné. Z této věty vyplývá řada důležitých praktických ustanovení. Pracovní spoj termočlánku může být vytvořen svařováním libovolného materiálu za předpokladu, že teplota ve všech bodech svarové vrstvy je stejná (obr. 2, b).

Meze přípustných odchylek pro teplotu t

Podskupina termočlánků TP

Rozsah měřených teplot, °C

Hranice přípustných odchylek ± Δ t , °С

1,0 + 0,003 (t – 1100)

Metran 281 výstup 4 mA, protokol HART

0,75 % pro analogový signál 0,5 % pro digitální signál (sníženo)

Třetí věta o vodiči má řadu praktických důsledků (obr. 2, c). Teplotu masivní kovové tyče lze měřit pomocí diagramu 1 – přiložením každé elektrody samostatně ke kovu, pokud je teplota ve všech bodech na povrchu tyče stejná, nebo pomocí diagramu 2 – přiložením pracovní spojky termočlánku ke kovu.

Termoelektrický výkon termočlánku E(t, t0) závisí na teplotě pracovního t a volného konce t0 převodníku teploty. Pro kalibraci stupnice sekundárního přístroje v teplotních jednotkách je proto nutné nastavit nějakou konkrétní hodnotu t0. Například pro automatické potenciometry je vypočtená hodnota nastavena na t0 = 20 °C, pro milivoltmetry t0 = 0 °C. Nominální statické charakteristiky jsou nastaveny na t0 = 0 °C, proto budeme v dalším uvažovat jako výchozí t0 = 0 °C. Co dělat, když se skutečná hodnota t0 liší od nuly? Předpokládejme t0 > 0 °C. Existuje obecný vzorec pro zohlednění závislosti termoEMF na hodnotě t0:

E(t, t0) = E(t, 0) – E(t0, 0), tj. při t0 > 0 °C se termoelektrický výkon termočlánku sníží o hodnotu rovnou hodnotě termoelektrického výkonu, který termočlánek vyvine při teplotě pracovních konců t0 a teplotě volných konců 0 °C.

Je-li tedy při známé hodnotě t0 znám termoelektrický výkon E(t, t0) vyvíjený termočlánkem (například měřený přístrojem), pak postup použití jmenovité statické charakteristiky pro určení hodnoty t je následující (obr. 3, a): Obr.

• je nalezena hodnota E(t0, 0) (podél spodní přerušované čáry);

• přidejte naměřenou hodnotu E(t, t0) k E(t0, 0);

• celková pořadnice odpovídá E(t, 0), ze které lze určit t (horní přerušovaná čára).

Jak se v praxi zavádí korekce na rozdíl teplot volných konců od nuly? Pokud je hodnota t0 konstantní, pak lze takovou korekci zavést pouhým posunutím ukazatele sekundárního zařízení. Ale v reálných podmínkách (0 je teplota konců termočlánků umístěných vně kontrolovaného objektu, při okolní teplotě, která se mění. V tomto případě je korekce zavedena automatickým zařízením, buď jako samostatná jednotka, nebo vestavěná do měřicího obvodu zařízení. Pro měření teplot volných konců obsahují automatické kompenzátory teplotně citlivý prvek, jehož teplota je rovna t0. Aby to bylo zajištěno, jsou volné konce převodníku teploty umístěny vedle sebe.

Nyní si představme situaci: teplota v potrubí je měřena termočlánkem o délce 1 m (t.j. délka elektrod termočlánku je 1 m) a hlava termočlánku (a konce elektrod termočlánku) má teplotu 60 °C. Kompenzátor je zabudován do sekundárního zařízení, kde je teplota 20 °C. V tomto případě kompenzátor generuje napětí U = E(20) (protože jeho teplotně citlivý prvek má teplotu 20 °C) a korekce musí být zavedena o 60 °C, tj. mít U = E(60). co dělat? V tomto případě musí být převodník teploty připojen ke kompenzátoru pomocí speciálních vodičů nazývaných termoelektrodové prodlužovací vodiče (TE vodiče). TE dráty musí být podle svých vlastností tepelně shodné s prodlužovacími elektrodami, to znamená, že každá elektroda musí být prodloužena svým vlastním drátem.

Připojení prodlužovacích vodičů k termoelektrickému měniči (termočlánku) je tedy obdobou prodlužování elektrod, tj. konce vodičů TE se uvolní a jejich teplotou je teplota t0 volných konců, která určuje EMF působící v obvodu E(t, t0).

Pokud jsou k elektrodám připojeny dva identické montážní vodiče, bude teplota volných konců odpovídat teplotě konců termočlánkových elektrod. Pokud jsou například prodlužovací vodiče položeny v sekci I (obr. 3, b), bude teplota volných konců rovna 40 °C; pokud jsou v sekci I položeny dva stejné instalační vodiče, bude teplota volných konců rovna 30 °C.

Rýže. 3. Graf zavedení korekce na změnu teploty volných konců (a) a schéma zapojení termočlánku (b)

Co ale znamená identita? Vše je jasné, pokud je např. chromová elektroda THK konvertoru prodloužena chromovým drátem a copelová elektroda je prodloužena copelovým drátem. V tomto případě jsou elektrody v podstatě vyrobeny ze stejného materiálu, tj. termočlánek je prodloužen. Je ale možný i jiný přístup, podle kterého: k prodloužení termočlánku lze použít dvojici vodičů, pokud mají při spárování stejnou kalibrační charakteristiku jako prodloužený termočlánek (v rozsahu možných teplotních změn v místech připojení). Na obr. 4 je znázorněna jmenovitá statická (kalibrační) charakteristika termočlánku XA a podobné charakteristiky dvou dalších termočlánků. Jednou z nich je měď-konstantan (M) a druhou (MT-NM) tvořenou elektrodami „měď + titan“ – „nikl + měď“. První z nich má kalibrační charakteristiku, která se shoduje s charakteristikou termočlánku XA v rozsahu (0) °C a poté se rozcházejí. Dvojici vodičů „měď + konstantan“ (symbol M) lze podle pravidla použít jako prodloužení pro termočlánek XA, pokud teplota přípojných míst nepřesáhne 100 °C. V tomto případě je chromelová elektroda prodloužena měděným drátem a alumelová elektroda je prodloužena konstantanovým drátem. Dvojice vodičů MT-NM se používá také jako prodlužovací vodiče, ale teplotní rozsah (teplota přípojných míst) použití je rozšířen na 100 °C.

Při použití prodlužovacích kabelů je velmi důležité dodržovat pravidla připojení (polarita připojení). Nemůžete například rozšířit chromelovou elektrodu o konstantanovou nebo alumelovou elektrodu o měděnou.

Rýže. 4. Charakteristika termočlánkových prodlužovacích kabelů

V důsledku neúplné shody kalibračních charakteristik termočlánku a jeho prodlužovacích vodičů vzniká další chyba (tabulka 4). Tuto chybu je třeba vzít v úvahu při posuzování celkové chyby měření teploty.?

Charakteristika prodlužovacích kabelů

Pokud jsou na jednom konci spojeny dva dráty z různých kovů, na druhém konci této konstrukce se v důsledku rozdílu kontaktních potenciálů objeví napětí (EMF), které závisí na teplotě. Jinými slovy, spojení dvou různých kovů se chová jako galvanický článek, citlivý na změny teploty. Tento typ snímače teploty se nazývá termočlánek:

Tento jev nám poskytuje jednoduchý způsob, jak najít elektrický ekvivalent teploty: stačí změřit napětí a můžete určit teplotu tohoto spojení dvou kovů. A to by bylo jednoduché, nebýt následující podmínky: když k vodičům termočlánku připojíte jakýkoli měřicí přístroj, nevyhnutelně vytvoříte druhý přípojný bod pro různé kovy.

Následující schéma ukazuje, že spojení železo-měď J1 je nutně doplněno druhým spojením železo-měď J2 opačné polarity:

Spojení J1 železa a mědi (dva různé kovy) bude generovat napětí v závislosti na měřené teplotě. Spojení J2, které je ve skutečnosti nutné, abychom nějakým způsobem připojili naše vstupní vodiče měděného voltmetru k železnému drátu termočlánku, je také nepodobné kovové spojení, které také generuje napětí závislé na teplotě. Další věc, kterou je třeba poznamenat, je, že polarita připojení J2 je opačná polarita připojení J1 (železný drát je kladný, měděný drát je záporný). V tomto obvodu je i třetí zapojení (J3), ale to nemá žádný vliv, protože se jedná o spojení dvou stejných kovů, které nevytváří EMF. Generování druhého napětí přechodem J2 pomáhá vysvětlit, proč voltmetr registruje 0 voltů, když má celý systém pokojovou teplotu: všechna napětí vytvořená odlišnými kovovými spojovacími body budou mít stejnou velikost a opačnou polaritu, což bude mít za následek nulovou hodnotu. . Pouze když jsou dvě připojení J1 a J2 na různých teplotách, voltmetr zaregistruje jakékoli napětí.

Tento vztah můžeme vyjádřit matematicky takto:

Je jasné, že voltmetr „vidí“ pouze rozdíl mezi těmito dvěma napětími generovanými v místech připojení.

Termočlánky jsou tedy výhradně diferenční teplotní senzory. Generují elektrický signál úměrný teplotnímu rozdílu mezi dvěma různými body. Proto se spoj (křižovatka), kterým měříme požadovanou teplotu, nazýváme „horký“ spoj, zatímco druhý spoj (kterému se vůbec nevyhneme) se nazývá „studený“. Tento název pochází ze skutečnosti, že obvykle je naměřená teplota vyšší než teplota, ve které se měřící zařízení nachází. Velká část potíží s termočlánky souvisí s napětím studeného konce a nutností vypořádat se s tímto (nechtěným) potenciálem. Pro většinu aplikací je nutné měřit teplotu v jednom konkrétním bodě, spíše než rozdíl teplot mezi dvěma body, což termočlánek z definice dělá.

Existuje několik metod, jak získat teplotní senzor založený na termočlánku pro měření teploty v požadovaném bodě, a ty budou popsány níže.

Studenti i odborníci často považují obecný koncept studeného konce a jeho účinky za neuvěřitelně matoucí. Abyste pochopili tento problém, musíte se vrátit k jednoduchému obvodu železo-měď, který byl uveden dříve jako „počáteční bod“, a poté odvodit chování tohoto obvodu použitím prvního Kirchhoffova zákona: algebraický součet napětí v jakémkoli obvodu musí být rovna nule. Víme, že spojením různých kovů vzniká napětí, pokud je jeho teplota nad absolutní nulou. Víme také, že abychom vytvořili kompletní obvod ze železného a měděného drátu, musíme vytvořit druhé spojení ze železa a mědi, polarita napětí tohoto druhého spojení bude nutně opačná než polarita prvního. Označíme-li první spojení železo-měď jako J1 a J2 jako druhé, jsme si naprosto jisti, že napětí naměřené voltmetrem v tomto obvodu bude V_J1 – V_J2.

Všechny termočlánkové obvody – jednoduché nebo složité – vykazují tuto základní vlastnost. Musíte si v duchu představit jednoduchý obvod dvou různých kovových drátů a pak pomocí „myšlenkového experimentu“ určit, jak se tento obvod bude chovat na přechodech při stejné teplotě a při různých teplotách. Toto je nejlepší způsob, jak každý pochopit, jak termočlánky fungují.