Thermoelemente
Seebeck-Effekt
Ein interessantes Phänomen, das auf dem Gebiet der Instrumentierung angewendet wird, ist der Seebeck-Effekt, der die Erzeugung einer kleinen Spannung über die Länge eines Drahtes aufgrund eines Temperaturunterschieds entlang dieses Drahtes ist. Dieser Effekt wird am einfachsten beobachtet und angewendet, wenn eine Verbindung zweier unähnlicher Metalle in Kontakt steht, wobei jedes Metall entlang seiner Länge eine andere Seebeck-Spannung erzeugt, die sich in einer Spannung zwischen den beiden (unverbundenen) Drahtenden niederschlägt. Die meisten Paare unterschiedlicher Metalle erzeugen eine messbare Spannung, wenn ihre Verbindung erhitzt wird, einige Kombinationen von Metallen erzeugen mehr Spannung pro Temperaturgrad als andere:
Der Seebeck-Effekt ist ziemlich linear; das heißt, die von einer erhitzten Verbindung von zwei Drähten erzeugte Spannung ist direkt proportional zur Temperatur. Dies bedeutet, dass die Temperatur des Metalldrahtübergangs durch Messung der erzeugten Spannung bestimmt werden kann. Somit bietet uns der Seebeck-Effekt eine elektrische Methode zur Temperaturmessung.
Thermoelemente
Wenn ein Paar ungleicher Metalle zum Zweck der Temperaturmessung zusammengefügt wird, wird das gebildete Gerät als Thermoelement bezeichnet . Thermoelemente für die Instrumentierung verwenden Metalle von hoher Reinheit für eine genaue Temperatur-Spannungs-Beziehung (so linear und vorhersehbar wie möglich).
Seebeck-Spannungen sind für die meisten Temperaturbereiche ziemlich klein, im Bereich von mehreren zehn Millivolt. Dies macht es etwas schwierig, sie genau zu messen. Auch die Tatsache, dass jede Verbindung zwischen unterschiedlichen Metallen erzeugt eine temperaturabhängige Spannung erzeugt ein Problem, wenn wir versuchen, das Thermoelement an ein Voltmeter anzuschließen und einen Stromkreis zu schließen:
Messstelle
Die zweite Eisen/Kupfer-Verbindung, die durch die Verbindung zwischen dem Thermoelement und dem Messgerät am oberen Draht gebildet wird, erzeugt eine temperaturabhängige Spannung, die der an der Messverbindung erzeugten Spannung entgegengesetzt ist. Dies bedeutet, dass die Spannung zwischen den Kupferleitungen des Voltmeters eine Funktion der Differenz . ist der Temperatur zwischen den beiden Kontaktstellen und nicht allein der Temperatur an der Messstelle. Selbst bei Thermoelementtypen, bei denen Kupfer kein unähnliches Metall ist, bildet die Kombination der beiden Metalle, die die Kupferleitungen des Messgeräts verbinden, eine der Messstelle äquivalente Verbindung:
Referenzverbindung
Diese zweite Kreuzung wird als Referenz bezeichnet oder kalt Anschluss, um ihn von dem Anschluss am Messende zu unterscheiden, und es gibt keine Möglichkeit, einen in einem Thermoelementkreis zu haben. In einigen Anwendungen ist eine Differenztemperaturmessung zwischen zwei Punkten erforderlich, und diese inhärente Eigenschaft von Thermoelementen kann ausgenutzt werden, um ein sehr einfaches Messsystem zu erstellen.
Bei den meisten Anwendungen besteht die Absicht jedoch darin, die Temperatur nur an einem einzigen Punkt zu messen, und in diesen Fällen wird die zweite Messstelle funktionsunfähig.
Die Kompensation der von der Vergleichsstelle erzeugten Spannung erfolgt typischerweise durch eine spezielle Schaltung, die die Temperatur dort misst und eine entsprechende Spannung erzeugt, um den Auswirkungen der Vergleichsstelle entgegenzuwirken. An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht:„Wenn wir auf eine andere Form der Temperaturmessung zurückgreifen müssen, nur um eine Eigentümlichkeit bei Thermoelementen zu überwinden, warum dann überhaupt Thermoelemente verwenden, um die Temperatur zu messen? Warum nicht einfach diese andere Form der Temperaturmessung verwenden, was auch immer es sein mag?“ Die Antwort lautet:Weil die anderen Arten der Temperaturmessung, die zur Vergleichsstellenkompensation verwendet werden, nicht so robust und vielseitig sind wie eine Thermoelement-Dose, aber die Messung der Raumtemperatur an der Vergleichsstellenstelle recht gut erledigen. Beispielsweise kann die Thermoelement-Messstelle in den 1800 Grad (F)-Abzug eines Warmhalteofens in einer Gießerei eingesetzt werden, während die Vergleichsstelle 30 Meter entfernt in einem Metallschrank bei Umgebungstemperatur sitzt und ihre Temperatur mit einem Gerät gemessen wird, das Überstehen Sie niemals die Hitze oder die korrosive Atmosphäre des Ofens.
Die von Thermoelement-Übergängen erzeugte Spannung ist streng temperaturabhängig. Jeder Strom in einem Thermoelementstromkreis ist eine Funktion des Stromkreiswiderstands im Gegensatz zu dieser Spannung (I=E/R). Mit anderen Worten, die Beziehung zwischen Temperatur und Seebeck-Spannung ist fest, während die Beziehung zwischen Temperatur und Strom variabel ist, abhängig vom Gesamtwiderstand der Schaltung. Mit ausreichend schweren Thermoelementleitern können Ströme von mehreren Hundert Ampere aus einem einzigen Paar von Thermoelement-Übergängen erzeugt werden! (Ich habe dies tatsächlich in einem Laborexperiment gesehen, bei dem schwere Stäbe aus Kupfer und Kupfer/Nickel-Legierung verwendet wurden, um die Verbindungen und die Stromkreisleiter zu bilden.)
Für Messzwecke ist das in einem Thermoelement-Schaltkreis verwendete Voltmeter so ausgelegt, dass es einen sehr hohen Widerstand aufweist, um fehlerverursachende Spannungsabfälle entlang des Thermoelement-Drahts zu vermeiden. Das Problem des Spannungsabfalls entlang der Leiterlänge ist hier noch schwerwiegender als bei den zuvor besprochenen Gleichspannungssignalen, da wir hier nur wenige Millivolt der von der Verbindung erzeugten Spannung haben. Wir können es uns einfach nicht leisten, auch nur ein Millivolt des Abfalls entlang der Leiterlängen zu haben, ohne ernsthafte Temperaturmessfehler zu verursachen.
Idealerweise ist dann der Strom in einem Thermoelementkreis Null. Frühe Thermoelement-Anzeigeinstrumente verwendeten eine potentiometrische Spannungsmessschaltung mit Nullabgleich, um die Sperrschichtspannung zu messen. Die frühe Leeds &Northrup „Speedomax“-Reihe von Temperaturanzeiger/Rekordern war ein gutes Beispiel für diese Technologie. Modernere Instrumente verwenden Halbleiterverstärkerschaltungen, damit das Spannungssignal des Thermoelements ein Anzeigegerät ansteuern kann, wobei wenig oder kein Strom in die Schaltung gezogen wird.
Thermosäule
Thermoelemente können jedoch für einen geringen Widerstand aus dickwandigen Drähten gebaut und so angeschlossen werden, dass sie für andere Zwecke als die Temperaturmessung sehr hohe Ströme erzeugen. Ein solcher Zweck ist die Stromerzeugung. Durch die Reihenschaltung vieler Thermoelemente, wechselnde heiße/kalte Temperaturen an jeder Verbindung, ein Gerät namens Thermopile kann so konstruiert werden, dass er erhebliche Mengen an Spannung und Strom erzeugt:
Peltier-Effekt
Wenn der linke und der rechte Satz von Übergängen dieselbe Temperatur haben, ist die Spannung an jedem Übergang gleich und die entgegengesetzten Polaritäten würden sich auf eine Endspannung von Null aufheben. Wenn jedoch der linke Satz von Übergängen erhitzt und der rechte Satz gekühlt würde, wäre die Spannung an jedem linken Übergang größer als an jedem rechten Übergang, was zu einer Gesamtausgangsspannung gleich der Summe aller Differenzen der Übergangspaare führt. In einer Thermosäule sind die Dinge genau so aufgebaut. Eine Wärmequelle (Verbrennung, eine starke radioaktive Substanz, Sonnenwärme usw.) wird an einen Satz von Verbindungsstellen angelegt, während der andere Satz an eine Art Wärmesenke (luft- oder wassergekühlt) gebunden ist. Interessanterweise wird beim Stromfluss durch einen externen Lastkreis, der mit der Thermosäule verbunden ist, Wärmeenergie von den Heißstellen zu den Kaltstellen übertragen, was ein weiteres thermoelektrisches Phänomen zeigt:den sogenannten Peltier-Effekt (elektrischer Strom, der Wärmeenergie überträgt).
Eine weitere Anwendung für Thermoelemente ist die Messung von Durchschnitt Temperatur zwischen mehreren Orten. Dies geht am einfachsten, wenn Sie mehrere Thermoelemente parallel miteinander schalten. Das von jedem Thermoelement erzeugte Millivolt-Signal wird am parallelen Verbindungspunkt gemittelt. Die Spannungsunterschiede zwischen den Kontaktstellen sinken zusammen mit dem Widerstand der Thermoelementdrähte:
Leider hängt die genaue Mittelung dieser Seebeck-Spannungspotentiale jedoch davon ab, dass die Drahtwiderstände jedes Thermoelements gleich sind. Wenn sich die Thermoelemente an verschiedenen Orten befinden und ihre Drähte an einer einzigen Stelle parallel verbunden sind, ist eine gleiche Drahtlänge unwahrscheinlich. Das Thermoelement mit der größten Drahtlänge vom Messpunkt bis zum Parallelanschlusspunkt hat tendenziell den größten Widerstand und hat daher den geringsten Einfluss auf die erzeugte durchschnittliche Spannung.
Mehrere Thermoelement-Verbindungen
Um dies zu kompensieren, kann jedem der parallelen Thermoelement-Schaltungszweige ein zusätzlicher Widerstand hinzugefügt werden, um ihre jeweiligen Widerstände gleich zu machen. Ohne kundenspezifische Widerstände für jeden Zweig (um die Widerstände zwischen allen Thermoelementen genau gleich zu machen), ist es akzeptabel, einfach Widerstände mit gleichen Werten zu installieren, die deutlich höher sind als die Widerstände der Thermoelementdrähte, so dass diese Drahtwiderstände einen viel geringeren Einfluss haben auf den gesamten Zweigwiderstand. Diese Widerstände werden als Swamping bezeichnet Widerstände, weil ihre relativ hohen Werte den Widerstand der Thermodrähte selbst überschatten oder „überschwemmen“:
Da Thermoelement-Übergänge so niedrige Spannungen erzeugen, ist es für einen genauen und zuverlässigen Betrieb unbedingt erforderlich, dass die Kabelverbindungen sehr sauber und fest sind. Außerdem muss die Position der Vergleichsstelle (die Stelle, an der sich die metallverschiedenen Thermoelementdrähte mit Standardkupfer verbinden) in der Nähe des Messgeräts gehalten werden, um sicherzustellen, dass das Messgerät die Temperatur der Vergleichsstelle genau kompensieren kann. Trotz dieser scheinbar restriktiven Anforderungen bleiben Thermoelemente im modernen Einsatz eine der robustesten und beliebtesten Methoden der industriellen Temperaturmessung.
RÜCKBLICK:
- Der Seebeck-Effekt ist die Erzeugung einer Spannung zwischen zwei ungleichen, verbundenen Metallen, die proportional zur Temperatur dieser Verbindung ist.
- In jedem Thermoelement-Schaltkreis gibt es zwei äquivalente Verbindungen, die zwischen unähnlichen Metallen gebildet werden. Die am Ort der beabsichtigten Messung platzierte Verbindungsstelle wird als Messung bezeichnet Kreuzung, während die andere (einzelne oder gleichwertige) Kreuzung als Referenz bezeichnet wird Kreuzung.
- Zwei Thermoelement-Übergänge können gegeneinander geschaltet werden, um ein Spannungssignal proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Übergängen zu erzeugen. Eine Ansammlung von Knotenpunkten, die zum Zwecke der Stromerzeugung so verbunden sind, wird als Thermopile bezeichnet .
- Wenn Strom durch die Verbindungsstellen einer Thermosäule fließt, wird Wärmeenergie von einem Satz von Verbindungsstellen zum anderen übertragen. Dies ist als Peltier-Effekt bekannt .
- Mehrere Thermoelement-Übergänge können parallel miteinander verbunden werden, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das die durchschnittliche Temperatur zwischen den Übergängen darstellt. „Swamping“-Widerstände können mit jedem Thermoelement in Reihe geschaltet werden, um die Gleichheit zwischen den Kontaktstellen aufrechtzuerhalten, sodass die resultierende Spannung repräsentativer für eine echte Durchschnittstemperatur ist.
- Für eine gute Messgenauigkeit ist es zwingend erforderlich, den Strom in einem Thermoelementkreis so gering wie möglich zu halten. Außerdem sollten alle zugehörigen Kabelverbindungen sauber und fest sein. Ein Abfall von nur Millivolt an einer beliebigen Stelle im Stromkreis führt zu erheblichen Messfehlern.
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