Jak změřit termočlánek?

Tepelný konvertor je konvertor, jehož princip činnosti je založen na tepelných procesech a jehož přirozenou vstupní veličinou je teplota. Mezi takové převodníky patří termočlánky a termistory, kovové a polovodičové. Hlavní rovnicí tepelné přeměny je rovnice tepelné bilance, jejíž fyzikální význam spočívá v tom, že veškeré teplo dodané do konvertoru jde na zvýšení jeho tepelného obsahu QTC, a proto, pokud tepelný obsah konvertoru zůstane nezměněn (teplota a stav agregace se nemění), pak množství Množství přijatého tepla za jednotku času se rovná množství odevzdaného tepla. Teplo dodané do konvertoru je součtem množství tepla Qel vytvořeného v důsledku uvolnění elektrické energie v konvertoru a množství tepla Q, které vstupuje do konvertoru nebo jej odevzdává v důsledku výměny tepla s konvertorem. prostředí.

Fenomén termoelektřiny byl objeven v roce 1823 Seebeckem a je následující. Pokud vytvoříte obvod ze dvou různých vodičů (nebo polovodičů) A a B, spojíte je na jejich koncích (obr. 1) a teplota 1 jednoho přípojného bodu je odlišná od teploty XNUMX druhého, pak se v obvodu objeví emf, nazývaný termoelektromotorická síla (termo-emf) a představuje rozdíl ve funkcích teplot, přechodech vodičů.

Takový obvod se nazývá termoelektrický měnič nebo jinak termočlánek; vodiče, které tvoří termočlánek, se nazývají termoelektrody a jejich spoje se nazývají přechody.

Obr. Konstrukce termočlánku

Při malém teplotním rozdílu mezi přechody se termo-emf. lze považovat za úměrné teplotnímu rozdílu.

Zkušenosti ukazují, že pro každou dvojici homogenních vodičů, které se řídí Ohmovým zákonem, je velikost termoemf. závisí pouze na povaze vodičů a na teplotě přechodů a nezávisí na rozložení teplot mezi přechody.

Činnost termočlánku je založena na Seebeckově jevu. Seebeckův efekt je založen na následujících jevech. Pokud existuje teplotní gradient podél vodiče, elektrony na horkém konci produkují vyšší energie a rychlosti než elektrony na studeném konci. V důsledku toho dochází k toku elektronů od horkého konce ke studenému konci a na studeném konci se hromadí záporný náboj a na horkém konci zůstává nekompenzovaný kladný náboj. Protože průměrná energie elektronů závisí na povaze vodiče a s teplotou roste různě, pro stejný teplotní rozdíl bude termo-EMF na koncích různých vodičů rozdílné:

el = k1(TI – T1); e1 = k2(T2 – T2)

kde T1 a T2 jsou teploty horkého a studeného konce; k1 a k2 jsou koeficienty, které závisí na fyzikálních vlastnostech 1. a 2. vodiče. Výsledný potenciálový rozdíl se nazývá objemová termo-EPC:

eob = el – e1 = (k2 – k1) (T2 – T1).

V místech, kde jsou pájeny různé vodiče, se objevuje rozdíl kontaktních potenciálů, který závisí na ploše a materiálech sousedních povrchů a je úměrný jejich teplotě:

ek1 = kpovT1; ek2 = kpovT2

kde ksur je koeficient povrchů tečných kovů. V důsledku toho se objeví druhá složka počátečního napětí – kontaktní termo-EPC:

ek = ek1 – ek2 = ksur(T1 – T2)

Napětí na výstupu termočlánku je určeno jako součet objemového a kontaktního termo-EMF:

Uin = erev + ek = (k1 – k2 + ksur)(T1 – T2) = k(T1 – T2)

kde k je koeficient přenosu.

Nevýhody termočlánku:

— nízká citlivost (asi 0,1 mV/°K);
– vysoká počáteční odolnost;
— potřeba udržovat konstantní teplotu jednoho z konců.

Fenomén termoelektřiny je jedním z reverzibilních jevů, který objevil v roce 1834 Jean Peltier a byl po něm pojmenován.
Pokud elektrický proud prochází obvodem sestávajícím ze dvou různých vodičů nebo polovodičů, na jednom přechodu se vytváří teplo a na druhém je absorbováno. Peltierovo teplo souvisí se silou proudu v lineárním vztahu, na rozdíl od Jouleova tepla, a v závislosti na směru proudu se přechod ohřívá nebo ochlazuje.
Absorbovaný nebo uvolněný tepelný výkon je úměrný síle proudu, závisí na povaze materiálů tvořících spoj a je charakterizován Peltierovým koeficientem.

Účinnost termoelektrický generátor závisí na teplotním rozdílu a vlastnostech materiálů a pro stávající materiály je velmi malý (při = 300° nepřesahuje = 13% a při = 100° hodnota = 5%), proto se jako generátory energie používají termoelektrické generátory pouze za zvláštních podmínek. Účinnost termoelektrický ohřívač a chladnička jsou také velmi malé a účinnost chlazení je při rozdílu teplot 5° je to 9 % a při rozdílu teplot 40° pouze 0,6 %; i přes tak nízkou účinnost se však v chladicích zařízeních používají termočlánky. V měřicí technice jsou termočlánky široce používány pro měření teplot; Polovodičové termočlánky se navíc používají jako zpětné tepelné měniče, přeměňující elektrický proud na tepelný tok a teplotu.

Termočlánek s připojeným milivoltmetrem, který se používá k měření teploty.
Pokud je jeden termočlánkový přechod, nazývaný pracovní přechod, umístěn v prostředí s teplotou 1, která má být měřena, a teplota ostatních 2, nepracovní přechody jsou udržovány konstantní, pak f(0) = const a EAB(1) = f(1) – C= f1(1). bez ohledu na to, jak jsou termoelektrody připojeny (pájení, svařování atd.). Přirozená vstupní hodnota termočlánku je tedy teplota jeho pracovního přechodu a výstupní hodnota je termo-e. d.s., kterou termočlánek vyvíjí při přísně konstantní teplotě 2 nepracovních spojů.

Materiály používané pro termočlánky. V tabulce Obrázek 1 ukazuje termo-emf, který je vyvíjen různými termoelektrodami spárovanými s platinou při teplotě pracovního přechodu 1 = 100°C a teplotě nepracovního přechodu 2 = 0°C . na teplotě v širokém teplotním rozsahu je obvykle nelineární, takže tabulkové údaje nelze rozšířit na vyšší teploty.

Při použití tabulkových dat je třeba mít na paměti, že termo-emf vyvinuté termoelektrodami. do značné míry závisí na sebemenších nečistotách, mechanickém zpracování (kalení) a tepelném zpracování (kalení, žíhání).

Při navrhování termočlánků se přirozeně snaží kombinovat termoelektrody, z nichž jedna vytváří pozitivní termoemf s platinou a druhá negativní termoemf. V tomto případě je také nutné vzít v úvahu vhodnost konkrétní termoelektrody pro použití za daných podmínek měření (vliv prostředí, teploty apod. na termoelektrodu).
Chcete-li zvýšit výstupní emf. K vytvoření termočlánku se používá několik termočlánků. Pracovní přechody termočlánků jsou umístěny na začerněném laloku, který pohlcuje záření, studené konce jsou umístěny na masivním měděném prstenci, který slouží jako chladič a je zakrytý clonou. Vzhledem k masivnosti a dobrému přenosu tepla prstence lze teplotu volných konců považovat za konstantní a rovnou pokojové teplotě.

Chyby a opravy termočlánkových měření.

Měřící zařízení nebo elektronický měřicí systém je připojen buď ke koncům termoelektrod (obr. 2, a) nebo k mezeře jedné z nich (obr. 2, b).

Obr.2 Připojení měřicího zařízení k termočlánku

Chyba způsobená změnami teploty nefunkčních spojů termočlánku. Kalibrace termočlánku se provádí při teplotě nepracovních spojů rovné nule. Pokud se při praktickém použití termoelektrického pyrometru liší teplota nefunkčních spojů od 0 °C o hodnotu 0, je nutné provést příslušnou korekci na teploměru.

Je však třeba mít na paměti, že vzhledem k nelineárnímu vztahu mezi emf. termočlánku a teploty pracovního přechodu, velikost korekce na odečty ručičky, kalibrované přímo ve stupních, se nebude rovnat teplotnímu rozdílu 0 volných konců.
Velikost korekce souvisí s teplotním rozdílem mezi volnými konci prostřednictvím koeficientu k, který se nazývá korekční faktor pro teplotu nepracujících konců. Hodnota k je pro každý úsek křivky jiná, proto je kalibrační křivka rozdělena na úseky po 100° C a hodnota k je určena pro každý úsek.

Nevýhodou takových zařízení je potřeba zdroje proudu pro napájení můstku a výskyt další chyby způsobené změnami napětí tohoto zdroje.

Chyba způsobená změnami teploty vedení, termočlánku a ukazatele. V termoelektrických teploměrech pro měření termo-emf. Používají se jak klasické milivoltmetry, tak i nízkoodporové kompenzátory s ručním nebo automatickým vyvážením pro limit měření do 100 mV.

V případech, kdy termo-emf. se měří kompenzátorem odpor obvodu termo-emf, jak je známo, nehraje roli. Ve stejných případech, kdy termo-emf. měřeno milivoltmetrem, může dojít k chybě v důsledku změn odporů všech prvků, které tvoří obvod termoemf; proto je nutné usilovat o konstantní hodnotu odporu vodičů i samotného termočlánku

Průmyslové termočlánky

Hlavní parametry průmyslových termočlánků:

Limity měření pro dlouhodobé používání

Horní mez měření pro krátkodobé použití

Platinorhodium (10% rhodium) platina

Platinorhodium (30% rhodium)

Pro měření teplot pod – 50 °C lze použít speciální termočlánky např. měď – konstantan (do ~ – 270 °C), měď – copel (do – 200 °C) atd. Pro měření teplot nad 1300 Termočlánky -1800 °C jsou vyrobeny na bázi žáruvzdorných kovů: iridium-rhenium-iridium (do 2100 °C), wolfram-rhenium (až 2500°C), na bázi karbidů přechodných kovů – titan, zirkonium, niob, thalia, hafnium
(teoreticky do 3000-3500 °C), na bázi uhlíkových a grafitových vláken.
Kalibrační charakteristiky termočlánků hlavních typů jsou uvedeny v tabulce. 3. Tato tabulka ukazuje teplotu pracovního uzlu ve stupních
Jsou uvedeny stupně Celsia a hodnoty termo-emf. odpovídající termočlánky v milivoltech při teplotě volných konců 0 °C.

Teplota pracovního přechodu

12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87

2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71

4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92

Odchylky skutečného termo-emf jsou povoleny. z hodnot uvedených v tabulce. 3, hodnotami uvedenými v tabulce. 4.

Největší teplotní odchylka

Konstrukce termočlánku průmyslového typu. Jedná se o termočlánek s termoelektrodami z obecných kovů umístěný v kompozitní ochranné trubce s pohyblivou přírubou pro její upevnění. Pracovní spoj termočlánku je izolován hrotem. Termoelektrody jsou izolovány lištami. Ochranná trubka se skládá z pracovní a nepracovní části. Pohyblivá příruba je k potrubí připevněna šroubem. Hlava termočlánku má lité pouzdro s krytem zajištěným šrouby; Hlava je vyztužena porcelánovými podložkami (šrouby) s plovoucími (volnými) svorkami, které umožňují prodlužování termoelektrod vlivem teploty bez vzniku mechanických pnutí vedoucích k rychlé destrukci termoelektrod. Termoelektrody jsou k těmto svorkám připevněny šrouby a spojovací vodiče jsou připevněny šrouby. Tyto dráty procházejí tvarovkou s azbestovým těsněním.

Pro termočlánky z ušlechtilých kovů se často používají nekovové trubice (křemen, porcelán atd.), ale takové trubice jsou mechanicky křehké a drahé. Porcelánové dýmky správného složení lze používat při teplotách do 1300-1400°C.
Azbest se používá k izolaci termoelektrod od sebe do 300°C, křemenné trubičky nebo kuličky do 1000°C, porcelánové trubky do 1300C Pro laboratorní termočlánky používané při měření nízkých teplot se používá i žáruvzdorná pryž do 150 °C, hedvábí do 100 —120°С, smalt do 150–200°С.

Metody kontaktního elektrického měření středních a vysokých teplot pomocí termočlánků

V termometrii se za průměrné považují teploty od 500 (začátek žhnutí) do 1600 °C (bílé teplo) a za vysoké teploty od 1600 do 2500 °C, na které je možné rozšířit termoelektrickou metodu pomocí vysokoteplotního, tepelného – odolné materiály.
Princip termoelektrické metody a základní vlastnosti termoelektrod byly diskutovány výše v odstavci 1. Hlavní otázkou při použití této metody pro měření středních a vysokých teplot je ochrana termoelektrod před ničivými chemickými a tepelnými vlivy prostředí. Pro tento účel jsou termočlánky vybaveny ochrannými armaturami ve formě krytů, trubek nebo uzávěrů ze žáruvzdorných materiálů. Hlavním požadavkem na ochranný plášť je vysoká konstrukční hustota a teplotní odolnost.

Při měření teplot pod 1300 °C se při vyšších teplotách používají porcelánové kryty, uzávěry ze žáruvzdorných materiálů (např. korund, oxid hlinitý, beryllium nebo thorium) plněné inertním plynem.

Závislost životnosti termočlánků na pórovitosti ochranného pláště.

Při měření povrchové teploty těles je obtížný zejména kontakt pracovního místa termočlánku s povrchem ohřívaného tělesa.
Pro zlepšení kontaktu se používají termočlánky, jejichž pracovní spojení je vyrobeno ve formě pásky nebo desky. Toto uspořádání pracovního spoje při deformaci umožňuje reprodukovat povrch měřeného objektu.

Pro měření teplot do 2000–2500 °C se používají wolframové nebo iridiové termočlánky. Zvláštností jejich použití je měření ve vakuu, v inertním nebo redukčním prostředí, protože na vzduchu oxidují. Citlivost wolfram-molybdenového termočlánku je 7 μV/K a wolfram-rheniumového termočlánku je 13 μV/K.
Při vysokých teplotách se používají termočlánky ze žáruvzdorných materiálů (páry karbid titanu – grafit, karbid zirkonia – borid zirkonu a disilicid molybdenu – disilicid wolframu). V takových termočláncích je uvnitř válcové elektrody (průměr asi 15 mm) druhá elektroda – tyč připojená k první elektrodě na jednom konci trubice.

Citlivost termočlánků ze žáruvzdorných materiálů dosahuje 70 μV/K, ale jejich použití je omezeno na inertní a redukční média.
K měření teploty roztaveného kovu termočlánky z ušlechtilého kovu se používá metoda, která zahrnuje ponoření termočlánku do kovu na dobu, která je bezpečná pro jeho provoz. V tomto případě se termočlánek na krátkou dobu (0,4-0,6 s) ponoří do řízeného prostředí a měří se rychlost nárůstu teploty pracovního spoje. Znáte-li vztah mezi rychlostí ohřevu termočlánku (jeho tepelnou setrvačností) a teplotním prostředím, můžete vypočítat hodnotu naměřené teploty. Tato metoda se používá k měření roztaveného kovu (2000-2500 C) a průtoku plynu (1800 C).

V současné době existují dva typy snímačů, které umožňují měřit teplotu: termistor (termistor) a termočlánek. Princip jejich činnosti je téměř jasný z názvu: termistor je rezistor, který mění svůj odpor vlivem teploty, termočlánek jsou dva dráty z různých materiálů připájené k sobě, ve kterých při zahřátí kvůli rozdílu potenciálu , vzniká EMP.
Termistory se obvykle používají v automobilových systémech, protože jsou schopny pracovat při značném mechanickém zatížení, ale zároveň s touto výhodou mají také řadu nevýhod: jsou schopny pracovat pouze v úzkém teplotním rozsahu a dokonce i v tomto rozsahu je vztah teplotní odolnosti nelineární a během životnosti se tato závislost mění. Termočlánek je v tomto ohledu jednodušší a pokud není mechanicky zatěžován, je spolehlivější a má větší rozsah provozních teplot. Proto se termočlánek častěji používá v různých měřicích systémech. A protože se to používá, tak se to musíme naučit používat i my – jsme zrzky?
To je pro teorii vše, přejděme k praxi. Kdo si chce přečíst více o typech senzorů, mohu doporučit článek – www.picad.com.ua/0105/pdf/50-54.pdf

elektronika
EMF generované termočlánkem je velmi malé – řádově několik milivoltů, takže se bez zesilovače neobejdete. Po hledání na internetu jsem našel 5 různých obvodů zesilovače pro termočlánek a na základě jednoho z nich jsem nakreslil vlastní

Jak jsem si později uvědomil, R3 je nadbytečný a může být vyhozen z obvodu – zisk stejně zohledníme později softwarově.

No, tady jsem měl trochu štěstí – termočlánek páječky (který je potřeba propojit) a multimetr, který jsem měl, měly stejné vlastnosti, takže jsem jednoduše „seděl“ s krokosvorkami multimetru na výstupu termočlánek a připojil druhý multimetr k výstupu obvodu. Při zahřívání špičky páječky (a tedy i termočlánku) hořákem jsem zaznamenal hodnoty teploty a odpovídající hodnoty napětí na výstupu obvodu.

Komu se tento druh libůstky nelíbí, bude muset buď umístit oba termočlánky (propojené s ovladačem a multimetrem) vedle sebe, nebo pomocí termočlánku měřit teplotu těles s přesně známou teplotou (například: led – 0 C, lidské tělo -36,6 C, vroucí voda – 100 C).

Trochu matematiky
Získaná data zadáme do Excelu, vybereme je a klikneme na tlačítko „Průvodce grafem“.

Dále vyberte typ „bodového“ grafu a klikněte na „Dokončit“

Vztah teploty a napětí jsme získali graficky.

Pokud získané body neleží přibližně na stejné přímce, pak to znamená, že jsme něco změřili špatně – přeměřujeme. Pokud je vše „OK“, klikněte myší na některý z konstruovaných bodů a kliknutím na pravé tlačítko se nám zobrazí okno, kde zvolíme „Přidat trendovou linii“.

V okně, které se otevře, se ujistěte, že „Typ“ je „Lineární“ a na kartě „Parametry“ musíte zaškrtnout políčko vedle „Zobrazit rovnici v diagramu“.

Rovnice přidaná do grafu je požadovaný vztah „napětí-teplota“.

Nyní si pamatujeme, že pro AtMega je ADC při 0V na vstupních výstupech 0 a při 5V – 1024 a přepočteme „teplotu – napětí“ na „čtení ADC – teplotu“ vynásobením 5/1023:
y=206.36*x*(5.0 / 1023.0) -13.263
kde x je hodnota ADC, y je skutečná hodnota teploty

shromáždění
Na tomto místě není nic zvláštního, co bychom mohli popisovat – připojíme náš obvod k desce MK nebo Arduino, odtud připojíme digitální panel – www.drive2.ru/b/2826794/

Program
Bereme také program pro digitální panel, měníme pouze hlavní cyklus
void loop() unsigned long previousMillis = 0;
const long interval = 1000;
int sensorValue;
int temp_real;
//přečtení hodnot ADC
unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis – previousMillis >= interval)
//Vypočítejte skutečnou hodnotu teploty
temp_real = abs(int(206.36*sensorValue*(5.0 / 1023.0) -13.263));
>
showNumber(temp_real);
>

Výsledek
Něco takového

Jak vidíte, obraz se mírně chvěje – je třeba zprůměrovat hodnoty a ne měřit v nějakém intervalu. ale to už bude ve finální verzi zohledněno