Termočlánek – princip činnosti | Sib Controls
Pokud jsou na jednom konci spojeny dva dráty z různých kovů, na druhém konci této konstrukce se v důsledku rozdílu kontaktních potenciálů objeví napětí (EMF), které závisí na teplotě. Jinými slovy, spojení dvou různých kovů se chová jako galvanický článek, citlivý na změny teploty. Tento typ snímače teploty se nazývá termočlánek:
Tento jev nám poskytuje jednoduchý způsob, jak najít elektrický ekvivalent teploty: stačí změřit napětí a můžete určit teplotu tohoto spojení dvou kovů. A to by bylo jednoduché, nebýt následující podmínky: když k vodičům termočlánku připojíte jakýkoli měřicí přístroj, nevyhnutelně vytvoříte druhý přípojný bod pro různé kovy.
Následující schéma ukazuje, že spojení železo-měď J1 je nutně doplněno druhým spojením železo-měď J2 opačné polarity:
Spojení J1 železa a mědi (dva různé kovy) bude generovat napětí v závislosti na měřené teplotě. Spojení J2, které je ve skutečnosti nutné, abychom nějakým způsobem připojili naše vstupní vodiče měděného voltmetru k železnému drátu termočlánku, je také nepodobné kovové spojení, které také generuje napětí závislé na teplotě. Další věc, kterou je třeba poznamenat, je, že polarita připojení J2 je opačná polarita připojení J1 (železný drát je kladný, měděný drát je záporný). V tomto obvodu je i třetí zapojení (J3), ale to nemá žádný vliv, protože se jedná o spojení dvou stejných kovů, které nevytváří EMF. Generování druhého napětí přechodem J2 pomáhá vysvětlit, proč voltmetr registruje 0 voltů, když má celý systém pokojovou teplotu: všechna napětí vytvořená odlišnými kovovými spojovacími body budou mít stejnou velikost a opačnou polaritu, což bude mít za následek nulovou hodnotu. . Pouze když jsou dvě připojení J1 a J2 na různých teplotách, voltmetr zaregistruje jakékoli napětí.
Tento vztah můžeme vyjádřit matematicky takto:
Je jasné, že voltmetr „vidí“ pouze rozdíl mezi těmito dvěma napětími generovanými v místech připojení.
Termočlánky jsou tedy výhradně diferenční teplotní senzory. Generují elektrický signál úměrný teplotnímu rozdílu mezi dvěma různými body. Proto se spoj (křižovatka), kterým měříme požadovanou teplotu, nazýváme „horký“ spoj, zatímco druhý spoj (kterému se vůbec nevyhneme) se nazývá „studený“. Tento název pochází ze skutečnosti, že obvykle je naměřená teplota vyšší než teplota, ve které se měřící zařízení nachází. Velká část potíží s termočlánky souvisí s napětím studeného konce a nutností vypořádat se s tímto (nechtěným) potenciálem. Pro většinu aplikací je nutné měřit teplotu v jednom konkrétním bodě, spíše než rozdíl teplot mezi dvěma body, což termočlánek z definice dělá.
Existuje několik metod, jak získat teplotní senzor založený na termočlánku pro měření teploty v požadovaném bodě, a ty budou popsány níže.
Studenti i odborníci často považují obecný koncept studeného konce a jeho účinky za neuvěřitelně matoucí. Abyste pochopili tento problém, musíte se vrátit k jednoduchému obvodu železo-měď, který byl uveden dříve jako „počáteční bod“, a poté odvodit chování tohoto obvodu použitím prvního Kirchhoffova zákona: algebraický součet napětí v jakémkoli obvodu musí být rovna nule. Víme, že spojením různých kovů vzniká napětí, pokud je jeho teplota nad absolutní nulou. Víme také, že abychom vytvořili kompletní obvod ze železného a měděného drátu, musíme vytvořit druhé spojení ze železa a mědi, polarita napětí tohoto druhého spojení bude nutně opačná než polarita prvního. Označíme-li první spojení železo-měď jako J1 a J2 jako druhé, jsme si naprosto jisti, že napětí naměřené voltmetrem v tomto obvodu bude VJ1 – VJ2.
Všechny termočlánkové obvody – jednoduché nebo složité – vykazují tuto základní vlastnost. Musíte si v duchu představit jednoduchý obvod dvou různých kovových drátů a pak pomocí „myšlenkového experimentu“ určit, jak se tento obvod bude chovat na přechodech při stejné teplotě a při různých teplotách. Toto je nejlepší způsob, jak každý pochopit, jak termočlánky fungují.