Termočlánky a termočlánkové sondy pre meranie teploty

Najmä v priemysle sa často stáva, že je potreba zmerať často teploty medzi -200 ° C až +1000 °C a v niektorých prípadoch aj viac. Ak chcete merať tieto teploty, musíte použiť termočlánky, ktoré také teploty dobre tolerujú a dokážu ich aj pomerne presne zmerať.

Princíp termočlánku

Termočlánok sa skladá z dvoch pevne spojených vodičov vyrobených z dvoch rôznych kovov alebo kovových zliatin. Rozdielny počet voľných elektrónov vo vonkajších vrstvách elektrónov vytvára potenciálny rozdiel v mieste, kde sú dva kovy navzájom pevne spojené. Tento potenciálový rozdiel je vyjadrený vo forme veľmi malého napätia v rozsahu µV, ktoré je možné merať medzi dvoma vodičmi termočlánku. Tento jav je vo fyzike známy pod názvom „Seebeckov jav“. Seebeckov jav (alebo tiež termoelektrický jav) je priamou premenou rozdielu teplôt na elektrické napätie. Peltierov jav a Seebeckov jav sú vlastne opaky seba navzájom. Tento jav bol po prvýkrát objavený v roku 1821 nemeckým fyzikom Thomasom Seebeckom, ktorý dokázal, že existuje elektrické napätie medzi dvoma koncami kovovej tyče, pokiaľ medzi týmito koncamii existuje teplotný rozdiel – gradient ΔT.

Tento jav je teda vznik napätia, ktorý nastáva pri teplotných rozdieloch medzi dvoma rozdielnymi kovmi alebo polovodičmi. To spôsobuje nepretržité prúdenie elektrónov, pokiaľ vodiče tvoria uzatvorený obvod. Vzniknuté napätie je rádovo niekoľko mikrovoltov na stupeň Celzia.

Konštrukcia bežného termočlánku.

Veľkosť napätia
Veľkosť tohto napätia závisí nielen od dvoch zliatin, z ktorých sú vodiče ťahané, ale tiež aj od teploty. Vzťah medzi teplotou a napätím v termočlánku je dokonca dosť široký v širokom teplotnom rozsahu. Týmto spôsobom môžete úplne presne merať veľmi vysoké a aj veľmi nízke teploty.

Vzťah medzi teplotou a Seebeckovím javom pre niekoľko typov termočlánkov.

Druhy termočlánkov
Použitím špeciálnych zliatin pre dva drôty termočlánku je možné ďalej linearizovať vzťah medzi momentovým napätím a teplotou. Okrem toho sa výberom vhodných kombinácií zliatin môže čo najviac zvýšiť hodnota napätia.
V praxi sa vyvinuli štyri praktické kombinácie:

konštantan
alumel
konštantán železa
chromel konštantán

Špecifikácie týchto štyroch použiteľných termočlánkov sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke:

Typ zliatiny	Teplotný rozsah	Napätie	ANSI-kód
Konštantán	-184 °C až +400 °C	44,5 µV/°C	T
Alumel	-184 °C až +1.260 °C	40,4 µV/°C	K
Konštantán železa	-184 °C až +760 °C	51,7 µV/°C	J
Chromel konštantán	0 °C až +982 °C	76,4 µV/°C	E

Štandardizované kódy ANSI
Kódy ANSI T, K, J a E sú medzinárodne štandardizované a používajú sa v celom priemysle. Jeden hovorí v praxi napríklad o termočlánku typu K.

Problém zvárania za studena

Problémy sa vyskytujú pri pripájaní termočlánku
Pri praktickom použití termočlánku sa však vyskytuje obrovský problém. Oba drôty termočlánku musia byť spojené s „niečím“. To „niečo“ je vždy zosilňovací obvod, ktorý musí zvyšovať extrémne malé výstupné napätie termočlánku. Vstupy tohto obvodu pozostávajú z dvoch medených kontaktov. Ak pevne spojíte dva drôty termočlánku s týmito medenými bodmi, potom sa na týchto miestach samozrejme vytvoria dva nové termočlánky!

Problém zvárania za studena.

Ako je znázornené na tomto diagrame, tri termočlánky sú v sérii. Pri použití termočlánku typu J sa vytvárajú dva nežiaduce termočlánky, a to dvojica železo-meď a pár konštantánu a medi. Problém je v tom, že spájacie napätia nemusia mať nevyhnutne rovnakú polaritu.

Okrem toho je absolútne nemožné, aby všetky tri mali rovnakú teplotu. Vo väčšine prípadov budú dva nežiaduce termočlánky 2 a 3 pri teplote okolia, ktorá sa môže v priemyselných podmienkach pohybovať medzi asi -20 ° C a +60 ° C. Napätie na vstupe zosilňovacieho obvodu teda nezávisí iba od teploty nameranej termočlánkom 1, ale tiež aj od teploty okolia. Okrem toho krútiace napätia generované termočlánkami 2 a 3 nepriaznivo ovplyvňujú linearitu samotného merania.

Kompenzácia za studena
Teoreticky nie je možné odstrániť dva nechcené termočlánky z okruhu. Takže človek musí prísť s kompenzačným systémom. Používajú sa dva rovnaké termočlánky, v tomto prípade železný konštantan. Krútiaci moment 1 je merací moment, ktorý je pri meranej teplote. Krútiaci moment 2 sa udržuje na konštantnej teplote. Vo väčšine prípadov je táto referenčná teplota nastavená na 0 ° C. Dva nežiaduce termočlánky, ktoré sú vytvorené pripojením senzora k meraciemu systému, majú teraz, ako je zrejmé z obrázka, rovnaké zloženie, a to železo-meď. Okrem toho sú tieto termočlánky zapojené v antikolerách, takže väzobné napätia sa od seba navzájom odpočítavajú. Ak sa zabezpečí, že obidva termočlánky majú vždy rovnakú teplotu, toto krútiace napätie nebude ovplyvnené. Potom majú vždy rovnakú veľkosť a navzájom sa vylučujú.

Princíp kompenzácie za studena.

Chladný termočlánok 2
Potom sa musí samozrejme zohľadniť aj prítomnosť studeného termočlánku 2. Pretože tento krútiaci moment je pri konštantnej teplote, napätie krútiaceho momentu bude tiež konštantné. Navyše, ak je zaistené, že teplota spoja zostáva stabilná na 0 °C, konečné napätie závisí iba od napätia generovaného termočlánkom 1. Okrem toho bola okamžite zavedená stupnica Celzia. To má zmysel, pretože ak je termočlánok 1 pri 0 °C, celý systém vygeneruje 0 V. Teplota 0 °C preto zodpovedá výstupnému napätiu 0 V, takže merací obvod môže priamo ovládať meracie prístroje zo stupnicou v stupňoch Celzia.

Elektronická kompenzácia studeného spoja
Navrhovaná zásada kompenzácie sa vždy uplatňovala. Avšak udržiavanie termočlánku pri konštantnej teplote 0 °C samozrejme nie je príliš praktické. Našťastie to dokážu zachrániť dodatočné elektronické obvody. Výrobcovia integrovaných obvodov, ako napríklad Analog Devices, uvádza na trh integrované obvody, ktoré boli špeciálne vyvinuté na elektronické kompenzovanie problémov so zváraním za studena a zavádzaním offsetu, takže výstupné napätie je presne 0 V, keď je merací krútiaci moment pri 0 °C.

Princíp elektronickej kompenzácie za studena spájaného spoja je nasledujúci.

Princíp elektronickej kompenzácie termočlánku.

Termočlánok je pripojený priamo na medené vstupy IC. V IC sa nachádza špeciálny, patentovaný obvod, ktorý generuje napätie, ktoré je úmerné okolitej teplote. Tento obvod bol kalibrovaný podľa špecifikácií použitého termočlánku. Napätie generované obvodom je v sérii s termočlánkovým napätím. Týmto spôsobom je napätie, ktoré by chladiaci termočlánok privádzal do systému, úplne simulované.
To, čo sa ponúka na vstupe prístroja na kondicionovanie signálu, nie je nič iné ako výstupné napätie meracieho momentu. V princípe bude zrejmé, že kompenzačný obvod musí mať presne rovnakú teplotu ako dva termočlánky vytvorené pripojením meracieho momentu k IC. To kladie špeciálne požiadavky na štruktúru vstupného obvodu.

AD8494: termočlánkový zosilňovač pre páry typu J

AD8494 obsahuje kompletný zosilňovač s kompenzátorom spoja za studena na použitie so pármi typu J. Obvod je kalibrovaný stupnicou 5 mV / °C a má výstup napätia s nízkou impedanciou. V zásade môže byť obvod napájaný už z jediného napájacieho napätia a to iba +3 V. Ak však chcete merať teploty do + 1 000 °C, musíte obvod napájať napätím najmenej od +5 V. Okrem toho, ak chcete merať aj záporné teploty, musíte napájať obvod symetricky, pričom maximálne napájacie napätie je ± 18 V. Aby sa zabránilo samotnému zahrievaniu IC, čo by malo za následok teplotné rozdiely medzi kompenzátorom studeného spoja v čipe a pripojeniami termočlánku na čipe, znížila sa jeho vlastná spotreba energie na 180 uA. Aj keď je obvod úplne kalibrovaný pomocou laserového orezávania pre faktor mierky, nulový bod a kompenzáciu, sú k dispozícii vstupy, ku ktorým je možné pripojiť odpory na rekalibráciu čipu. AD8494 má presnosť typicky ± 2 °C.

Interný blokový diagram
Termočlánok je zapojený medzi piny 1 a 8. Za týmito pinmi sú dva ochranné obvody proti elektrostatickým napätiam na vstupoch do 4 kV. Výstupy týchto blokov sú interne spojené so vstupmi diferenciálneho zosilňovača. Táto konfigurácia zabezpečuje úplné potlačenie symetrických interferenčných signálov, ako je napríklad 50 Hz šum. Výstupné napätie diferenciálneho zosilňovača je privádzané na vstup výkonového zosilňovača. Do tejto fázy je zabudovaný kompenzátor zvárania za studena špeciálne vyvinutý spoločnosťou Analog Devices.

Bloková schéma obvodu AD8494.

Štandard zapojenia obvodu s AD8494
Aby vstupy nemohli plávať, musíte medzi -IN a zem zapojiť odpor 1 MΩ. Oba vstupy sú oddelené pomocou RC sietí. Obidve napájacie vstupy musia byť tiež oddelené od zeme čo najbližšie k obvodu. Všimnite si paralelného zapojenia tantalového (10 µF) a keramického (100 nF) kondenzátora pri tomto oddelení. Na výstupe je k dispozícii jednosmerné napätie s faktorom mierky 5 mV / °C.

Štandardné zapojenie obvodu AD8494.

AD8494 v zapojení ako teplomer
Po odstránení termočlánku a skratovaní obidvoch vstupov na zem môžete AD8494 ľahko transformovať na teplomer s rozsahom od -40 ° C do +125 ° C. Miera mierky je opäť 5 mV / °C.