Termokupllar

Seebeck Etkisi

Enstrümantasyon alanında uygulanan ilginç bir olay; tel boyu nedeniyle sıcaklık farkından dolayı, telin uzunluğu boyunca küçük bir voltajın üretilmesi gerçekleşir buna Seebeck etkisidir . Bu etki en kolay şekilde gözlemlenir ve temas halindeki iki farklı metalin birleşimiyle uygulanır; her metal uzunluğu boyunca farklı bir Seebeck voltajı üretir, bu da iki (birleşik olmayan) kablo ucu arasındaki bir voltaj anlamına gelir. Birbirine benzemeyen herhangi bir çift metalin çoğu, bağlantıları ısıtıldığında ölçülebilir bir voltaj üretir; bazı metal kombinasyonları, sıcaklık derecesi başına diğerlerinden daha fazla voltaj üretir.

Seebeck etkisi oldukça doğrusaldır; yani, iki telin ısıtılmış bir bağlantısının ürettiği voltaj, sıcaklıkla doğru orantılıdır. Bu, metal tel bağlantısının sıcaklığının üretilen voltaj ölçülerek belirlenebileceği anlamına gelir. Bu nedenle, Seebeck etkisi bize elektriksel bir sıcaklık ölçüm yöntemi sağlar.


Termokupllar

Sıcaklığı ölçmek amacıyla bir çift farklı metal birleştirildiğinde, oluşan cihaza termokupl adı verilir . Enstrümantasyon için yapılan termokupllar, doğru bir sıcaklık / voltaj ilişkisi için yüksek saflıkta metaller kullanır (mümkün olduğunca doğrusal ve öngörülebilir).

Seebeck voltajları, çoğu sıcaklık aralığı için onlarca milivolt cinsinden oldukça küçüktür. Bu onların doğru bir şekilde ölçülmesini biraz zorlaştırır. Ayrıca, farklı metaller arasındaki herhangi bir bağlantının sıcaklığa bağlı voltaj üreteceği gerçeği , termokuplu bir voltmetreye bağlayarak bir devreyi tamamladığımızda bir sorun yaratır.


Ölçüm Bağlantısı

Termokupl ile üst teldeki sayaç arasındaki bağlantı tarafından oluşturulan ikinci demir / bakır bağlantısı, ölçüm bağlantısında üretilen voltaja karşı polaritede sıcaklığa bağlı bir voltaj üretecektir. Bu, voltmetrenin bakır uçları arasındaki voltajın , yalnızca ölçüm bağlantısındaki sıcaklık değil, iki bağlantı arasındaki sıcaklık farkının bir fonksiyonu olacağı anlamına gelir . Bakırın benzer olmayan metallerden biri olmadığı termokupl türleri için bile, ölçüm cihazının bakır uçlarını birleştiren iki metalin kombinasyonu, ölçüm bağlantısına eşdeğer bir bağlantı noktası oluşturur.


Referans Kavşağı

Bu ikinci bağlantı noktasına, onu ölçüm ucundaki bağlantı noktasından ayırmak için referans veya soğuk bağlantı adı verilir ve bir termokupl devresinde bir tane olmasını önlemenin bir yolu yoktur. Bazı uygulamalarda, iki nokta arasında bir diferansiyel sıcaklık ölçümü gerekir ve ısıl çiftlerin bu doğal özelliği, çok basit bir ölçüm sistemi yapmak için kullanılabilir.

Bununla birlikte, çoğu uygulamada amaç, sıcaklığı yalnızca tek bir noktada ölçmektir ve bu durumlarda, ikinci birleşme noktası işlevini yerine getirme yükümlülüğü haline gelir.

Referans bağlantı noktası tarafından üretilen voltajın telafisi, tipik olarak oradaki sıcaklığı ölçmek ve referans bağlantının etkilerine karşı koymak için karşılık gelen bir voltaj üretmek için tasarlanmış özel bir devre tarafından gerçekleştirilir. Bu noktada şunu merak edebilirsiniz: “Eğer termokupllarla olan bir özelliğin üstesinden gelmek için başka bir sıcaklık ölçümüne başvurmamız gerekiyorsa, o zaman neden sıcaklığı ölçmek için termokupl kullanmakla uğraşalım ki? İşi yapmak için neden bu diğer sıcaklık ölçümü biçimini, ne olursa olsun, kullanmayalım? ” Cevap şudur: çünkü referans bağlantı kompanzasyonu için kullanılan diğer sıcaklık ölçüm biçimleri, bir termokupl bağlantısı kadar sağlam veya çok yönlü değildir, ancak referans bağlantı yerinde oda sıcaklığını ölçme işini oldukça iyi yapar. Örneğin,

Termokupl bağlantılarının ürettiği voltaj kesinlikle sıcaklığa bağlıdır. Bir termokupl devresindeki herhangi bir akım , bu voltaja karşı devre direncinin bir fonksiyonudur (I = E / R). Başka bir deyişle, sıcaklık ile Seebeck voltajı arasındaki ilişki sabittir, sıcaklık ve akım arasındaki ilişki ise devrenin toplam direncine bağlı olarak değişkendir. Yeterince ağır termokupl iletkenleri ile, tek bir çift termokupl bağlantısından yüzlerce amperden yukarı akımlar üretilebilir! (Aslında bunu, bağlantıları ve devre iletkenlerini oluşturmak için ağır bakır ve bakır / nikel alaşımı çubukları kullanan bir laboratuvar deneyinde gördüm.)

Ölçüm amaçları için, bir termokupl devresinde kullanılan voltmetre, termokupl teli boyunca herhangi bir hataya neden olan voltaj düşüşlerini önlemek için çok yüksek dirence sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. İletken uzunluğu boyunca voltaj düşüşü sorunu burada daha önce tartışılan DC voltaj sinyallerinden daha da ciddidir çünkü burada bağlantı tarafından üretilen voltajın sadece birkaç milivoltuna sahibiz. Ciddi sıcaklık ölçüm hatalarına maruz kalmadan iletken uzunlukları boyunca tek bir milivolt düşüşe bile sahip olamayız.

İdeal olarak, bir termokupl devresindeki akım sıfırdır. Erken termokupl gösterge cihazları , bağlantı voltajını ölçmek için sıfır dengeli potansiyometrik voltaj ölçüm devresinden yararlandı. İlk Leeds & Northrup “Speedomax” sıcaklık göstergesi / kaydedicileri serisi bu teknolojinin iyi bir örneğiydi. Daha modern cihazlar , termokuplun voltaj sinyalinin devrede çok az akım çekilerek veya hiç akım çekmeden bir gösterge cihazını çalıştırmasına izin vermek için yarı iletken amplifikatör devreleri kullanır.


Termopil

Bununla birlikte, termokupllar, düşük direnç için ağır telli telden yapılabilir ve sıcaklık ölçümü dışındaki amaçlar için çok yüksek akımlar oluşturacak şekilde bağlanabilir. Böyle bir amaç elektrik enerjisi üretimidir. Birçok termokuplun seri olarak bağlanmasıyla, her bir bağlantıyla sıcak / soğuk sıcaklıkları değiştirerek, önemli miktarda voltaj ve akım üretmek için termopil adı verilen bir cihaz yapılabilir.


Peltier Etkisi

Sol ve sağ bağlantı kümeleri aynı sıcaklıkta olduğunda, her bağlantı noktasındaki voltaj eşit olacak ve karşıt kutuplar sıfır olan son bir gerilime sıfırlanacaktır. Bununla birlikte, sol bağlantı kümesi ısıtıldıysa ve sağ küme soğutulduğunda, her bir sol bağlantıdaki voltaj her bir sağ bağlantıdan daha büyük olacak ve bu da tüm bağlantı çifti diferansiyellerinin toplamına eşit bir toplam çıkış voltajı ile sonuçlanacaktır. Bir termopilde, işler tam olarak böyle kurulur. Bir dizi bağlantıya bir ısı kaynağı (yanma, güçlü bir radyoaktif madde, güneş ısısı vb.) Uygulanırken, diğer küme bir tür soğutucuya (hava veya su soğutmalı) bağlanır. İlginçtir ki, akım termopile bağlı harici bir yük devresinden akarken, ısı enerjisi sıcak bağlantılardan soğuk bağlantılara aktarılır,Peltier Etkisi (ısı enerjisini aktaran elektrik akımı).

Termokupllar için başka bir uygulama, birkaç konum arasındaki ortalama sıcaklığın ölçülmesidir . Bunu yapmanın en kolay yolu, birkaç termokuplun paralel olarak birbirine bağlanmasıdır. Her termokupl tarafından üretilen milivolt sinyali, paralel bağlantı noktasında ortalanacaktır. Bağlantılar arasındaki voltaj farklılıkları, termokupl tellerinin direnci ile birlikte düşer.

Ne yazık ki, yine de, bu Seebeck voltaj potansiyellerinin doğru ortalamasının alınması, her bir termokuplun tel dirençlerinin eşit olmasına bağlıdır. Termokupllar farklı yerlerde bulunursa ve telleri tek bir yerde paralel olarak birleşirse, eşit kablo uzunluğu olası olmayacaktır. Ölçüm noktasından paralel bağlantı noktasına kadar en büyük kablo uzunluğuna sahip olan termokupl, en büyük dirence sahip olma eğiliminde olacaktır ve bu nedenle, üretilen ortalama voltaj üzerinde en az etkiye sahip olacaktır.


Çoklu Termokupl Bağlantıları

Bunu telafi etmeye yardımcı olmak için, ilgili dirençlerini daha eşit hale getirmek için paralel termokupl devre dallarının her birine ek direnç eklenebilir. Her dal için özel boyutlandırma dirençleri olmadan (tüm termokupllar arasında dirençleri tam olarak eşit hale getirmek için), dirençlerin termokupl tellerinin dirençlerinden önemli ölçüde daha yüksek olan eşit değerlere sahip olması kabul edilebilir, böylece bu tel dirençleri çok daha küçük bir etkiye sahip olur. toplam dal direncinde. Bu dirençlere batırma dirençleri denir çünkü nispeten yüksek değerleri, termokupl tellerinin direncini gölgede bırakır veya “batırır”.

Termokupl bağlantıları bu kadar düşük voltajlar ürettiğinden, doğru ve güvenilir çalışma için kablo bağlantılarının çok temiz ve sıkı olması zorunludur. Ayrıca, referans bağlantının konumu (farklı metal termokupl tellerinin standart bakırla birleştiği yer), aletin referans bağlantı sıcaklığını doğru bir şekilde telafi edebilmesini sağlamak için ölçüm aletine yakın tutulmalıdır. Görünüşte kısıtlayıcı olan bu gereksinimlere rağmen, termokupllar modern kullanımda endüstriyel sıcaklık ölçümünün en sağlam ve popüler yöntemlerinden biri olmaya devam ediyor.

Özetle;

  • Seebeck etkisi bu şekilde gerçekleştirilen bağlantının sıcaklığına orantılı olan iki farklı, birleştirilmiş metal arasına bir gerilim üretimidir.
  • Herhangi bir termokupl devresinde, farklı metaller arasında oluşan iki eşdeğer bağlantı vardır. Amaçlanan ölçüm yerine yerleştirilen bağlantı noktasına ölçüm bağlantısı, diğer (tek veya eşdeğer) bağlantı noktasına ise referans bağlantı adı verilir .
  • İki termokupl bağlantısı, iki bağlantı arasındaki diferansiyel sıcaklıkla orantılı bir voltaj sinyali oluşturmak için birbirine zıt olarak bağlanabilir. Elektrik üretmek amacıyla bu şekilde birbirine bağlanmış bir bağlantı koleksiyonuna termopil denir .
  • Akım bir termopilin bağlantı noktalarından geçtiğinde, ısı enerjisi bir bağlantı kümesinden diğerine aktarılır. Bu Peltier Etkisi olarak bilinir .
  • Bağlantılar arasındaki ortalama sıcaklığı temsil eden bir voltaj sinyali oluşturmak için birden fazla termokupl bağlantısı birbirine paralel olarak bağlanabilir. Bağlantılar arasındaki eşitliği korumaya yardımcı olmak için “Süpürme” dirençleri her bir termokuple seri olarak bağlanabilir, böylece ortaya çıkan voltaj gerçek ortalama sıcaklığı daha iyi temsil eder.
  • İyi bir ölçüm doğruluğu için bir termokupl devresindeki akımın mümkün olduğunca düşük tutulması zorunludur. Ayrıca, ilgili tüm tel bağlantıları temiz ve sıkı olmalıdır. Devrenin herhangi bir yerinde sadece milivolt düşüş, önemli ölçüm hatalarına neden olacaktır.