Термопары

Эффект Зеебека

Интересным явлением, применяемым в области приборостроения, является эффект Зеебека, который заключается в создании небольшого напряжения по длине провода из-за разницы температур вдоль этого провода. Этот эффект легче всего наблюдается и применяется при соединении двух разнородных металлов в контакте, каждый металл создает различное напряжение Зеебека по всей своей длине, которое преобразуется в напряжение между двумя (несоединенными) концами провода. Практически любая пара разнородных металлов будет производить измеримое напряжение, когда их соединение нагревается. Некоторые комбинации металлов производят большее напряжение на градус температуры, чем другие:

Эффект Зеебека довольно линейен; то есть напряжение, создаваемое нагретым соединением двух проводов, прямо пропорционально температуре. Это означает, что температуру соединения металлической проволоки можно определить путем измерения создаваемого напряжения. Таким образом, эффект Зеебека дает нам электрический метод измерения температуры.

Термопары

Когда пара разнородных металлов соединяется вместе с целью измерения температуры, образующееся устройство называется термопарой . . В термопарах, изготовленных для контрольно-измерительной аппаратуры, используются металлы высокой чистоты для точного соотношения температуры и напряжения (как можно более линейного и предсказуемого).

Зеебекские напряжения довольно малы, в десятки милливольт для большинства температурных диапазонов. Это затрудняет их точное измерение. Кроме того, тот факт, что любой соединение между разнородными металлами будет производить зависящее от температуры напряжение, что создает проблему, когда мы пытаемся подключить термопару к вольтметру, замыкая цепь:

Измерение стыка

Второй спай железо / медь, образованный соединением между термопарой и измерителем на верхнем проводе, будет производить зависящее от температуры напряжение, противоположное по полярности напряжению, создаваемому на измерительном переходе. Это означает, что напряжение между медными выводами вольтметра будет зависеть от разницы температуры между двумя переходами, а не только температуры на измерительном переходе. Даже для типов термопар, где медь не является одним из разнородных металлов, комбинация двух металлов, соединяющих медные выводы измерительного прибора, образует соединение, эквивалентное измерительному соединению:

Справочная точка

Это второе соединение называется ссылкой . или холодный соединение, чтобы отличить его от соединения на измерительном конце, и нет никакого способа избежать его наличия в цепи термопары. В некоторых приложениях требуется измерение разности температур между двумя точками, и это неотъемлемое свойство термопар можно использовать для создания очень простой системы измерения.

Однако в большинстве случаев цель состоит в том, чтобы измерить температуру только в одной точке, и в этих случаях второй переход становится обязательным для функционирования.

Компенсация напряжения, генерируемого эталонным спаем, обычно выполняется специальной схемой, предназначенной для измерения там температуры и создания соответствующего напряжения для противодействия влиянию эталонного спая. Здесь вы можете спросить:«Если нам приходится прибегать к какой-либо другой форме измерения температуры, чтобы преодолеть идиосинкразию с термопарами, тогда зачем вообще использовать термопары для измерения температуры? Почему бы просто не использовать эту другую форму измерения температуры, какой бы она ни была, для выполнения этой работы? » Ответ таков:потому что другие формы измерения температуры, используемые для компенсации эталонного спая, не так надежны и универсальны, как спай термопары, но достаточно хорошо выполняют работу по измерению комнатной температуры в месте эталонного спая. Например, измерительный спай термопары может быть вставлен в дымоход на 1800 градусов (F) литейной печи, в то время как опорный спай находится на расстоянии ста футов в металлическом шкафу при температуре окружающей среды, а его температура измеряется устройством, которое может никогда не выдерживают жары или агрессивной атмосферы печи.

Напряжение, создаваемое спаями термопар, строго зависит от температуры. Любой ток в цепи термопары является функцией сопротивления цепи против этого напряжения (I =E / R). Другими словами, соотношение между температурой и зеебекским напряжением является фиксированным, в то время как соотношение между температурой и током является переменным, в зависимости от общего сопротивления цепи. С достаточно тяжелыми проводниками термопары токи до сотен ампер могут генерироваться от одной пары спаев термопары! (Я действительно видел это в лабораторном эксперименте, когда использовались тяжелые стержни из меди и медно-никелевого сплава для формирования переходов и проводников цепи.)

Для целей измерения вольтметр, используемый в цепи термопары, спроектирован так, чтобы иметь очень высокое сопротивление, чтобы избежать любых вызывающих ошибку падений напряжения на проводе термопары. Проблема падения напряжения по длине проводника здесь даже более серьезна, чем с сигналами постоянного напряжения, обсуждавшимися ранее, потому что здесь у нас есть только несколько милливольт напряжения, создаваемого переходом. Мы просто не можем позволить себе иметь каплю даже в один милливольт по всей длине проводника без серьезных ошибок измерения температуры.

В таком случае в идеале ток в цепи термопары равен нулю. Ранние приборы для индикации термопар использовали схему измерения потенциометрического напряжения с нулевым балансом для измерения напряжения перехода. Ранняя линия индикаторов / регистраторов температуры Speedomax компании Leeds &Northrup была хорошим примером этой технологии. В более современных приборах используются схемы полупроводникового усилителя, позволяющие сигналу напряжения термопары управлять устройством индикации с небольшим током в цепи или без него.

Термобатарея

Однако термопары могут быть изготовлены из проволоки большого сечения для обеспечения низкого сопротивления и подключаться таким образом, чтобы генерировать очень высокие токи для целей, отличных от измерения температуры. Одна из таких целей - производство электроэнергии. Последовательно соединив множество термопар, чередуя горячие и холодные температуры с каждым переходом, получилось устройство, называемое термобатареей . могут быть сконструированы для выработки значительного количества напряжения и тока:

Эффект Пельтье

Если левый и правый наборы переходов имеют одинаковую температуру, напряжение на каждом переходе будет одинаковым, а противоположные полярности будут сокращаться до конечного напряжения, равного нулю. Однако, если бы левый набор переходов был нагрет, а правый - охлажден, напряжение на каждом левом переходе было бы больше, чем на каждом правом переходе, что привело бы к общему выходному напряжению, равному сумме всех дифференциалов пар переходов. В термобатареи все устроено именно так. Источник тепла (горение, сильное радиоактивное вещество, солнечное тепло и т. Д.) Прикладывается к одному набору переходов, а другой набор соединяется с каким-либо радиатором (с воздушным или водяным охлаждением). Достаточно интересно, что когда ток течет через внешнюю цепь нагрузки, подключенную к термобатареи, тепловая энергия передается от горячих спаев к холодным, демонстрируя другое термоэлектрическое явление:так называемый эффект Пельтье (электрический ток, передающий тепловую энергию).

Еще одно применение термопар - измерение среднего температура между несколькими точками. Самый простой способ сделать это - подключить несколько термопар параллельно друг другу. Сигнал в милливольтах, создаваемый каждой термопарой, усредняется в точке параллельного соединения. Разница в напряжении между спаями падает вместе с сопротивлением проводов термопар:

К сожалению, точное усреднение этих потенциалов Зеебека зависит от одинакового сопротивления проводов каждой термопары. Если термопары расположены в разных местах и ​​их провода соединяются параллельно в одном месте, одинаковая длина проводов маловероятна. Термопара, имеющая наибольшую длину провода от точки измерения до точки параллельного подключения, будет иметь наибольшее сопротивление и, следовательно, будет иметь наименьшее влияние на среднее создаваемое напряжение.

Множественные переходы термопар

Чтобы компенсировать это, к каждой из параллельных ветвей цепи термопары можно добавить дополнительное сопротивление, чтобы сделать их соответствующие сопротивления более равными. Без резисторов нестандартного размера для каждой ветви (чтобы сделать сопротивления точно равными между всеми термопарами), допустимо просто установить резисторы с равными номиналами, значительно превышающими сопротивление проводов термопар, так что сопротивление этих проводов будет иметь гораздо меньшее влияние. от общего сопротивления ветви. Эти резисторы называются заболачивающими . резисторы, потому что их относительно высокие значения затмевают или «заглушают» сопротивление самих проводов термопары:

Поскольку спаи термопар производят такие низкие напряжения, крайне важно, чтобы соединения проводов были очень чистыми и плотными для точной и надежной работы. Кроме того, расположение эталонного спая (место, где провода термопары из разнородных металлов соединяются со стандартной медью) должно быть близко к измерительному прибору, чтобы прибор мог точно компенсировать температуру эталонного спая. Несмотря на эти, казалось бы, ограничительные требования, термопары остаются одним из самых надежных и популярных методов промышленного измерения температуры в современных условиях.

ОБЗОР:

• Эффект Зеебека представляет собой возникновение напряжения между двумя разнородными соединенными металлами, которое пропорционально температуре этого соединения.
• В любой цепи термопары есть два эквивалентных спая между разнородными металлами. Место соединения, расположенное в месте предполагаемого измерения, называется измерением . соединение, а другое (одиночное или эквивалентное) соединение называется справочным перекресток.
• Два спая термопары могут быть соединены напротив друг друга для генерации сигнала напряжения, пропорционального разности температур между двумя спаями. Набор соединений, соединенных таким образом с целью выработки электроэнергии, называется термобатареей . .
• Когда ток течет через спаи термобатареи, тепловая энергия передается от одного набора контактов к другому. Это известно как эффект Пельтье . .
• Несколько спаев термопар могут быть подключены параллельно друг другу, чтобы генерировать сигнал напряжения, представляющий среднюю температуру между спаями. «Болтающиеся» резисторы могут быть подключены последовательно с каждой термопарой, чтобы поддерживать равенство между переходами, поэтому результирующее напряжение будет более репрезентативным для истинной средней температуры.
• Крайне важно, чтобы ток в цепи термопары был как можно более низким для обеспечения хорошей точности измерения. Кроме того, все соответствующие соединения проводов должны быть чистыми и плотными. Небольшое падение напряжения в милливольтах в любом месте цепи вызовет существенные ошибки измерения.