Электроника:Постоянный ток/Сигналы электрического оборудования/Теромопары

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Теромопары

Эффект Зеебека

Интереснейшим явлением в приборостроении является применение эффекта Зеебека, когда возникает небольшое напряжение по длине провода из-за разницы температур в разных частях этого провода. Для наблюдения или применения этого эффекта проще всего соединить в контактной точке два разнородных металла. Каждый металл создаёт различное напряжение Зеебека по своей длине, которое преобразуется в напряжение между двумя (несвязанными) концами провода. Практически любая пара разнородных металлов будет производить измеримое напряжение, когда происходит нагрев их точки контакта, причем некоторые комбинации металлов производят большее удельное напряжение на каждый градус температуры, чем другие:

Рис. 1. Эффект Зеебека.

Эффект Зеебека довольно линеен; то есть падение напряжения, создаваемое нагретым соединением двух проводов, прямо пропорционально изменению температуры. Это означает, что температуру точки соединения двух проволок можно определить, измеряя создаваемое напряжение. Таким образом, эффект Зеебека даёт нам электрический метод измерения температуры.

Термопары

Когда пара разнородных металлов соединена с целью измерения температуры, такое устройство называется термопарой. В термопарах, изготовленных для контрольно-измерительной аппаратуры, используются высокоочищенные металлы, что даёт точное соотношение температуры и напряжения (как можно более линейного и предсказуемого).

Напряжения Зеебека довольно малы, порядка десятков милливольт для большинства температурных диапазонов. Это затрудняет точное измерение. Кроме того, любое соединение между разнородными металлами будет создавать зависящее от температуры напряжение, что создаёт проблему, когда мы пытаемся подключить термопару к вольтметру, замыкая цепь:

Рис. 2. Термопара, подключённая к вольтметру со своим источником напряжения.

Измерительный (рабочий, горячий) спай

Если добавить новые смычки железо/медь, соединив термопару и измерительные выводы, то создастся зависящее от температуры напряжение, с противоположной полярностью относительно напряжения, создаваемого первой точкой соединения (которая и является измерительным спаем). Это означает, что напряжение между выводами вольтметра, оба из которых являются медными проволоками, будет зависеть от разницы температур между двумя добавленными спаями, а не только от величины самой температуры. Даже для типов термопар, в которых медь не является одним из разнородных металлов, комбинация двух металлов, соединяющих медные выводы измерительного прибора, образует переход, эквивалентный измерительному переходу:

Рис. 3. Провода (не являющимися медными) термопары соединены с медными выводами вольтметра.

Опорный (холодный) спай

Такой дополнительный контакт (который не нагревается, но служит для изменения полярности напряжения) называется условным или холодным спаем, в отличие от рабочего горячего спая на измерительном конце. В термопаре без холодных спаев можно обойтись. Иногда требуется измерить разность температур (а не сами температуры), и тогда термопару можно использовать в качестве очень простой измерительной системы без холодных спаев.

Рис. 4. Термопара без холодных спаев. Измерение напряжения позволяет на горячих спаях вычислить не сами температуры, а только их разность.

Однако в большинстве случаев целью является измерение именно величины температуры, и в этих случаях холодный спай необходим.

Компенсация напряжения, генерируемого холодным спаем, обычно достигается в специальной цепи, предназначенной для измерения температуры и создания соответствующего напряжения для противодействия влиянию горячего спая. На этом этапе может возникнуть вопрос: «Если нам приходится идти на такие ухищрения для измерения температуры только для того, чтобы преодолеть идиосинкразию с термопарами, зачем вообще использовать термопары для измерения температуры? Почему бы просто не замерить температуру, какой бы она ни была?» Ответ таков: потому что другие формы измерения температуры, используемые для компенсации рабочего спая, не так надежны и универсальны. С помощью холодного спая, находящегося в обычных условиях, весьма удобно удалённо измерять экстремальные температуры. Например, горячий спай может быть вставлен в трубу литейной печи, в которой ≈1000°C, в то время как холодный спай находится в сотне метров в металлическом шкафу при температуре окружающей среды, а его температура измеряется устройством, которое никогда не выдержит высокую температуру или агрессивную атмосферу печи.

Напряжение, создаваемое спаями термопар, строго зависит от температуры. Любая сила тока в последовательной цепи термопары вычисляется по закону Ома (I = E/R). Другими словами, соотношение между температурой и напряжением Зеебека является фиксированным, а соотношение между температурой и силой тока является переменным, в зависимости от общего сопротивления цепи. Если провода термопары достаточно тяжелы, то горячий и холодный спаи совместно могут генерировать силу тока порядка сотни ампер! (Я действительно лично наблюдал подобное в лабораторном эксперименте, тогда использовались тяжёлые стержни из меди и медно-никелевый сплав для формирования переходов и проводников цепи.)

Вольтметр, используемый в цепи с термопарой, проектируется таким образом, чтобы у него было очень высокое сопротивление, что помогает избежать любые вызывающие ошибки падения напряжения в проводах термопары. Проблема падения напряжения по длине проводника здесь более серьезна, даже чем с сигналами постоянного напряжения, обсуждавшаяся ранее, потому что здесь у нас есть только несколько милливольт напряжения, создаваемого спаем. Мы просто не можем позволить себе иметь даже кроху в один милливольт по всей длине проводника без серьезных ошибок измерения.

Поэтому в идеале ток в цепи термопары равен нулю. Раньше измерители на основе термопар использовали схему потенциометрического напряжения с нуль-балансом для измерения напряжения. Ранняя линия индикаторов температуры Speedomax компании Leeds&Northrup была показательным примером этой технологии. В более современных приборах используются схемы полупроводникового усилителя, позволяющие сигналу напряжения термопары управлять устройством индикации для небольшого тока или вообще при его отсутствии в цепи.

Термобатарея

Однако термопары можно изготовить из проволоки большого сечения (для обеспечения низкого сопротивления) и подключить таким образом, чтобы генерировать очень высокие токи для целей, не связанных с измерением температуры. Одна из таких целей - производство электроэнергии. Последовательно соединив множество термопар, чередуя горячие и холодные температуры на каждом рабочем или опорном спае, можно сконструировать устройство, называемое термобатареей, для выработки значительного количества напряжения и тока:

Рис. 5. Термобатарея.

Эффект Пельтье

Если левый и правый наборы контактов имеют одинаковую температуру, напряжение на каждом спае будет одинаковым, и противоположные полярности будут сокращаться до конечного напряжения, равного нулю. Однако, если бы левый набор контактов был нагрет, а правый – охлаждён, напряжение на каждом левом спае было бы больше, чем на каждом правом, в результате чего общее выходное напряжение было бы равно сумме всех приращений всех пар контактов. В термобатарее всё устроено именно так. Источник тепла (горелка, сильное радиоактивное вещество, солнечный свет и т.п.) воздействует на один набор спаев, а противоположный набор соединяется с каким-либо радиатором (с воздушным или водяным охлаждением). Достаточно интересно, что когда ток течёт через внешнюю цепь нагрузки, подключенную к термобатарее, тепловая энергия передаётся от горячих спаев к холодным, демонстрируя еще одно термоэлектрическое явление: так называемый эффект Пельтье (когда электрический ток переносит тепловую энергию).

Еще одно применение термопар - измерение средней температуры 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 напряжений между спаями падает вместе с сопротивлением проводов термопар:

Рис. 6. Множественные термопары.

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 соединения, 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 с термопарами можно добавить дополнительное сопротивление, чтобы уравнять их соответствующие сопротивления. Чтобы не заморачиваться с нестандартными резисторами для каждой ветви (чтобы сделать сопротивления точно равными между всеми термопарами), можно просто установить резисторы с равными значениями, значительно превышающими сопротивление проводов термопар, тогда сопротивление этих проводов будет иметь гораздо меньшее влияние на общее сопротивление ветви. Эти резисторы называются подавляющими резисторами, потому что их относительно высокие значения «заглушают» сопротивление самих проводов термопары.

Рис. 7. Добавление подавляющих резисторов позволяет добиться эффекта Пельтье.

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

Итог

• Эффект Зеебека – это создание напряжения между двумя разнородными соединенными металлами, которое пропорционально температуре этого соединения.
• В любой цепи термопары есть два эквивалентных спая, образованных между разнородными металлами. Контакт, расположенный в месте предполагаемого измерения, называется измерительным (рабочим, горячим) спаем, а другой контакт (он может быть одиночным или множественным, но при этом эквивалентным одиночному) называется контрольным (опорным, холодным) спаем.
• Два спая термопары могут быть соединены напротив друг друга для генерации сигнала напряжения, пропорционального разности температур между двумя спаями. Набор контактов, соединённых таким образом для выработки электроэнергии, называется термобатареей.
• Когда ток течёт через спаи термобатареи, тепловая энергия передаётся от одного набора контактов к другому. Это явление известно как эффект Пельтье.
• Несколько спаев термопар могут быть подключены параллельно друг другу для генерации сигнала напряжения, представляющего среднюю температуру между спаями. «Подавляющие» резисторы могут быть подключены последовательно с каждой термопарой, что обеспечит равенство в сопротивлении между спаями, в результате чего общее напряжение будет более репрезентативным для истинной средней температуры.
• Крайне важно, чтобы ток в цепи термопары был как можно более низким для хорошей точности измерения. Кроме того, все соответствующие соединения проводов должны быть чистыми (т.е. из высокоочищенных металлов) и плотными. Небольшое падение напряжения в милливольтах в любом месте цепи вызовет существенные ошибки измерения.