קטגוריות: מאמרים מוצגים » אוטומציה ביתית
מספר צפיות: 116550
הערות לכתבה: 2
חיישני טמפרטורה. חלק שלישי. צמידים תרמיים. אפקט Seebeck
צמד תרמי היסטוריה קצרה של יצירה, מכשיר, עיקרון הפעולה
חיצונית, הצמד התרמי מסודר בפשטות רבה: שני חוטים דקים פשוט מרותכים זה לזה בצורת כדור קטן ומסודר. כמה מודדים דיגיטליים מודרניים תוצרת סין מצויד בצמד תרמי, המאפשר למדוד את הטמפרטורה של לא פחות מ- 1000 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר לבדוק את טמפרטורת החימום ברזל הלחמה או ברזל, אשר הולך להחליק את תדפיס הלייזר לפיברגלס, כמו גם במקרים רבים אחרים.
העיצוב של צמד תרמי כזה הוא פשוט מאוד: שני החיווט מוסתרים בצינור פיברגלס, ואפילו אין בידוד שמורגש לעין. מצד אחד, החוטים מרותכים יפה, ומצד שני יש להם תקע לחיבור למכשיר. גם עם תכנון כה פרימיטיבי, תוצאות מדידות הטמפרטורה אינן מוטלות בספק, אלא אם כן, כמובן, נדרש דיוק המדידה של דרגה 0.5 מעלות צלזיוס ומעלה.
שלא כמו צמד התרמי הסיני שהוזכר זה עתה, צמד תרמי לשימוש במפעלי תעשייה הוא בעל מבנה מורכב יותר: קטע המדידה של הצמד התרמי עצמו ממוקם בתיק מתכת. בתוך המקרה, הצמד התרמי ממוקם בבידוד, בדרך כלל קרמי, המיועד לטמפרטורה גבוהה.
באופן כללי צמד תרמי הוא חיישן הטמפרטורה הנפוץ והוותיק ביותר. הפעולה שלה מבוססת על אפקט Seebeckשנפתח בשנת 1822. על מנת להתוודע לאפקט זה, נרכיב נפשית את התוכנית הפשוטה המוצגת באיור 1.
איור 1
באיור מופיעים שני מוליכי מתכת שונים M1 ו- M2, שקצותיהם בנקודות A ו- B פשוט מרותכים זה לזה, אם כי בכל מקום ובכל מקום נקראות נקודות אלה צומת מסיבה כלשהי. אגב, הרבה בעלי מלאכה תוצרת בית עבור צמד תרמי תוצרת בית, שנועדו לעבוד בטמפרטורות לא גבוהות במיוחד, משתמשים רק בהלחמה במקום ריתוך.
נחזור לתרשים 1. אם כל הבנייה הזו פשוט תשכב על השולחן, אז לא תהיה לכך שום השפעה. אם אחד הצמתים מחומם עם משהו, לפחות עם גפרור, אז זרם חשמלי יזרום מהמוליכים M1 ו- M2 במעגל סגור. שיהיה חלש מאוד, אך עדיין יהיה.
בכדי לוודא זאת, די בפירוק של חוט אחד במעגל חשמלי זה, וכל אחד מהם, ולכלול בפער הנוצר millivoltmeter, רצוי עם נקודת אמצע, כמוצג באיורים 2 ו -3.
איור 2
איור 3
אם כעת מתחמם אחד הצמתים, למשל צומת A, החץ של המכשיר יסטה לצד שמאל. במקרה זה, טמפרטורת הצומת A תהיה TA = TB + ΔT. בנוסחה זו, ΔT = TA - TB הוא הפרש הטמפרטורה בין הצמתים A ו- B.
איור 3 מראה מה קורה אם מחומם את הצומת B. חץ המכשיר סוטה לצד השני, ובשני המקרים, ככל שהפרשי הטמפרטורות בין הצמתים גדולים יותר, כך זווית החץ של המכשיר גדולה יותר.
החוויה המתוארת רק ממחישה את אפקט ה- Seebeck, שמשמעותו היא אם לצמתים של המוליכים A ו- B יש טמפרטורות שונות, נוצר ביניהם כוח תרמו-אלקטרי, שערכו פרופורציונלי להבדל בטמפרטורה של הצמתים. אל תשכח שזה ההבדל בטמפרטורה, ולא קצת טמפרטורה בכלל!
אם לשני הצמתים יש אותה טמפרטורה, אז לא יהיה כוח תרמי במעגל. במקרה זה, המוליכים יכולים להיות בטמפרטורת החדר, מחוממים לכמה מאות מעלות, או שהם יושפעו מטמפרטורה שלילית - בכל מקרה, לא יתקבל כוח תרמו-אלקטרי.
מה מודד צמד תרמי?
נניח שאחד הצמתים, למשל A, (המכונה בדרך כלל חם) הונח בכלי עם מים רותחים, והצומת השנייה B (קרה) נותרה בטמפרטורת החדר, למשל, 25 מעלות צלזיוס. זה 25 מעלות צלזיוס בספרי לימוד לפיזיקה הנחשבים לתנאים נורמליים.
נקודת הרתיחה של מים בתנאים רגילים היא 100 מעלות צלזיוס, ולכן, החשמל התרמי שנוצר על ידי הצמד התרמי יהיה פרופורציונלי להבדל הטמפרטורה של הצמתים, שבתנאים אלה יהיה רק 100-25 = 75 מעלות צלזיוס. אם טמפרטורת הסביבה משתנה, תוצאות המדידה יהיו דומות יותר למחיר להסקה מאשר לטמפרטורת המים הרותחים. כיצד להגיע לתוצאות הנכונות?
המסקנה מרמזת על עצמה: עליכם לקרר את הצומת הקרה ל- 0 מעלות צלזיוס, ובכך להגדיר את נקודת ההתייחסות התחתונה של סולם הטמפרטורות של צלזיוס. הדרך הקלה ביותר לעשות זאת היא על ידי הצבת צומת קרה של הצמד התרמי בכלי עם קרח נמס, מכיוון שזו הטמפרטורה הזו שנלקחת כ- 0 מעלות צלזיוס. ואז בדוגמה הקודמת הכל יהיה נכון: ההבדל בטמפרטורה בין הצמתים החמים והקרים יהיה 100 - 0 = 100 מעלות צלזיוס.
כמובן שהפתרון הוא פשוט ונכון, אך בכל פעם לחפש איפשהו כלי עם קרח נמס ולשמור אותו בצורה זו לאורך זמן, זה פשוט בלתי אפשרי מבחינה טכנית. לכן במקום קרח משתמשים בתכניות שונות לפיצוי הטמפרטורה של הצומת הקרה.
באופן כללי חיישן מוליכים למחצה מודד את הטמפרטורה באזור הצומת הקרה, וכבר המעגל האלקטרוני מוסיף תוצאה זו לערך הטמפרטורה הכולל. מיוצר כרגע מעגלים מיקרו-צמדיים תרמיים מיוחדים עם מעגל פיצוי טמפרטורה של צומת קר משולב.
במקרים מסוימים, כדי לפשט את התוכנית כולה, אפשר פשוט לסרב לפיצויים. דוגמא פשוטה ווסת טמפרטורה להלחמה: אם הברזל נמצא ללא הרף בידך, מה מונע ממך להדק מעט את הרגולטור, להוריד או להוסיף טמפרטורה? אחרי הכל, מי שיודע להלחם רואה את איכות ההלחמה ומקבל החלטות בזמן. התוכנית של תרמוסטט כזה היא די פשוטה ומוצגת באיור 4.
איור 4. תרשים של תרמוסטט פשוט (לחץ על התמונה להגדלה).
כפי שניתן לראות מהאיור, המעגל פשוט למדי ואינו מכיל חלקים מיוחדים יקרים. זה מבוסס על מעגל המיקרו K157UD2 המקומי - מגבר תפעולי כפול לרעש נמוך. במגבר ה- OP1.1 מגבר האות של צמד תרמי מורכב. כאשר משתמשים בצמד תרמי מסוג TY כאשר הוא מחומם ל 200 - 250 מעלות צלזיוס, מתח היציאה של המגבר מגיע לכ 7 - 8V.
במחצית השנייה של מגבר ההגברה, מורכב משווה, לכניסה ההפוכה שמסופק מתח מהפלט של מגבר הצמד התרמי. מצד שני - מתח ההתייחסות מהמנוע של הנגד המשתנה R8.
כל עוד המתח ביציאת מגבר הצמד התרמי נמוך ממתח ההתייחסות, המתח החיובי מוחזק ביציאת המשווה, כך מעגל ההדק עובד טריאק T1, מיוצר על פי מעגל הגנרטור החוסם בטרנזיסטור VT1. לכן הטריאק T1 נפתח וזרם חשמלי עובר דרך התנור EK, שמגדיל את המתח ביציאת מגבר הצמד התרמי.
ברגע שמתח זה עולה מעט ממתח ההתייחסות, מתח מתח שלילי מופיע ביציאת המשווה. לכן הטרנזיסטור VT1 נעול וגנרטור החוסם מפסיק לייצר פולסי בקרה, מה שמוביל לסגירת ה- triac T1 ולקירור גוף החימום. כאשר המתח ביציאת מגבר הצמד התרמי הופך להיות מעט פחות ממתח ההתייחסות. מחזור החימום כולו חוזר שוב.
כדי להפעיל רגולטור טמפרטורה כזה, אתה צריך ספק כוח בעל עוצמה נמוכה עם שני מתחים קוטביים +12, -12 V. שנאי Tr1 מיוצר על טבעת פריט בגודל K10 * 6 * 4 של פריט НМ2000. כל שלוש הפיתולים מכילים 50 סיבובים של חוט PELSHO-0.1.
למרות פשטות המעגל, הוא עובד מספיק אמין, והורכב מחלקים הניתנים לשימוש ניתן רק להגדרת טמפרטורה שניתן לקבוע באמצעות לפחות מולטימטר סיני עם צמד תרמי.
חומרים לייצור צמידים תרמיים
כאמור, צמד תרמי מכיל שתי אלקטרודות העשויות מחומרים שונים. בסך הכל ישנם כתריסר צמידים תרמיים מסוגים שונים, על פי התקן הבינלאומי המציין אותיות האלף-בית הלטיני.
לכל סוג מאפיינים משלו, אשר נובעים בעיקר מחומרי האלקטרודות.לדוגמא, צמד התרמי ה- TYPE K הנפוץ עשוי עשוי מכרום - אלומל. טווח המדידה שלה הוא 200 - 1200 מעלות צלזיוס, המקדם התרמו-אלקטרי בטווח הטמפרטורה 0 - 1200 מעלות צלזיוס הוא 35 - 32 מיקרו-וולט / צלזיוס, מה שמצביע על אי-לינאריות מסוימת של מאפייני הצמד התרמי.
בבחירת צמד תרמי, ראשית עליכם להיות מונחים מהעובדה שבתחום הטמפרטורה המדוד אי-הליניאריות של המאפיין תהיה מינימלית. ואז שגיאת המדידה לא תורגש כל כך.
אם הצמד התרמי ממוקם במרחק ניכר מהמכשיר, יש ליצור את החיבור באמצעות חוט פיצוי מיוחד. חוט כזה עשוי מאותם חומרים כמו הצמד התרמי עצמו, רק, ככלל, בקוטר גדול משמעותית.
לעבודה בטמפרטורות גבוהות יותר משתמשים לרוב בצבעים תרמיים העשויים מתכות יקרות על בסיס סגסוגות פלטינה ופלטינה-רודיום. ללא ספק צמד תרמי כזה יקר יותר. חומרים לאלקטרודות של צמד תרמי מיוצרים על פי תקנים. את כל מגוון החיבורים התרמיים ניתן למצוא בטבלאות המתאימות בכל התייחסות טובה.
המשך לקרוא במאמר הבא - כמה סוגים נוספים של חיישני טמפרטורה: חיישני מוליכים למחצה, חיישנים למיקרו-בקרים
בוריס אladyshkin
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: