Термоелектричні перетворювачі

В основу побудови термопар покладено явища Томсона і Зеєбека.

Явище Томсона полягає у появі на кінцях однорідного провідника, який має температурний градіент, деякої різниці потенціалів внаслідок того, що електрони дифундують з гарячого кінця провідника до холодного. ЕРС, що виникає при цьому i називається термо-е.р.с. Томсона

де σ – коефіцієнт Томсона для даного провідника.

Якщо скласти коло з двох різних провідників а i b (схема 4 у табл.6.6), то сумарна термо- ЕРС Томсона дорівнює різниці термо-ЕРС Томсона кожного провідника i визначається

де σ_а i σ_b, - коефіцієнти Томсона для провідника а i b відповідно.

Рисунок 2

Явище Зеєбека. При з’єднанні двох різнорідних провідників у місці їх контакту виникає контактна різниця потенціалів, зу­мовлена різною концентрацією носіїв заряду.

Зеєбеком було встановлено, що в замкненому колі двох різнорідних провідників, спаї яких мають різні температури, електрорушійна сила E_ab (T1), яка виникає при переході від провідника а до провідника b в точці з температурою T1 i електрорушійна сила Е_ba (Т2), яка виникає при переході від провідника b до провідника а, мають протилежні знаки i не дорівнюють одна одній.

Сумарна термо-ЕРС, яка виникає у колі, що складається з двох різних провідників а i b є сумою контактних е.р.с. i е.р.с. Томсона:

Ця сумарна термо-ЕРС для даної пари провідників залежить тільки від значень температур Т₁ i Т₂ i може бути подана різницею відповідних функцій:

Якщо різниці температур малі, то можна припустити, що термо-е.р.с. яка формується термопарою, пропорційна різниці температур спаїв:

де k – сталий коефіцієнт, різний для різних матеріалів термоелектродів.

Якщо один спай помістити в середовище з постійною темпера­турою, наприклад Т₂, то термо-е.р.с., що виникне в загальному випадку, є нелінійною функцією температури Т₁

.

Наприклад, для мідь-константанових термопар функція перетворення має вигляд:

де а, в і с – постійні коефіцієнти, які визначаються під час градуювання термопари.

Спай термопари, який поміщають в досліджуване середовище, називають робочим або гарячим, а кінці електродів, температура яких підтримується переважно постійною, – вільними або холодними.

Чутливий елемент термоелектричного перетворювача, тобто пару термоелектродів, називають термопарою.

Матеріалами термоелектродів служать сплави хромель, копель, алюмель, вольфрамреній, платинородій, а також платина, мідь і залізо. Від назви термоелектродів походить назва типу самого перетворювача, наприклад, перетворювач типу ТХА має електроди з хромелю та алюмелю. Характеристики деяких типів термоелектричних перетворювачів наведено в табл.4.

Таблиця 4 – Характеристики термопар

Тип термопари	Матеріали Термоелектронів	Тип НСХП	Діапазон вимірювання, 0С
ТХА	Хомель-Алюмель	ХА(К)	-270...+1000
ТХК	Хромель – Копель	ХК(L)	-200...+600
ТПП	Платинородій (10% платина)	ПП(S)
ТВР	Вольфрам – реній BPS Вольфрам – реній BP(A)-1	BP(A)-1	0...2200

Функція перетворення (або НСХП) термоелектричних перетворювачів, як правило нелінійна і для кожного типу перетворювача задається у вигляді таблиць при температурі вільних кінців 0⁰С (див. табл.5).

Таблиця 5 – НСХП термопари тину ТХА

Вимірювана температура, Т0С	0	200	400	600	800	1000	1200
Значення термо-ЕРС e, мВ	0	8.137	16.395	24.902	33.277	41.269	48.828

Статична характеристика для цього типу термопари в обмеженому діапазоні перетворення наведена на рис.3.

Рисунок 3

Апроксимова НСХП поліномом другого порядку має вигляд

і в цьому діапазоні вимірювання температури практично лінійна.

Мікропроцесорний засіб вимірювання температури

Сенсори температури з цифровим виходом мають ряд переваг на сенсорами з аналоговим виходом і дозволяють реалізовувати мікропроцесорні термометри.

Наприклад, ТМР03/ТМР04 - сенсори температури з цифровим виходом, структурна схема яких наведена на рис.4.

Рисунок 4

До його складу входить джерело опорної напруги, генератор тактової частоти (1 МГц), сигма-дельта АЦП. Вихідний сигнал сенсора температури кантується 12-розрядним аналого-цифровим перетворювачем, який на своєму виході формує послідовний двійковий код у вигляді частотно-модульованого сигналу (рис.5).

Рисунок 5

Даний вихідний сигнал просто декодується мікропроцесором в значення температури. Досить суттєвим тут є те, що такий метод виключає помилки притаманні іншим методам модуляції, оскільки в ньому значення температури не залежать від абсолютного значення частоти.

Номінальна вихідна частота складає 35 Гц для температури +25⁰С і засіб вимірювання працює з фіксованою тривалістю імпульсу Т1, що складає 10 мс.

Вихідний сигнал ТМР03/ТМР04 представляє собою послідовність імпульсів, тривалість яких пов’язана з вимірюваною температурою такими залежностями:

,

.

Практично всі мікропроцесори (мікро контролери) мають у своєму складі таймери, за допомогою яких легко отримують остаточні рівняння перетворення. Типовий інтерфейс до мікро контролера 80С51 показано на рис.6.

Рисунок 6

Два таймера (Таймер 0 і Таймер 1) 16-ти розрядні. Тактова частота мікроконтролера, поділена на 12,

є частотою квантування тривалості імпульсів Т1 і Т2.

Алгоритм роботи такого мікропроцесорного засобу вимірювання температури досить простий.

Мікроконтролер з приходом в порт Р1.0 по передньому фронту сигналу з виходу сенсора температури запускає Таймер Т0, в якому відбувається квантування тривалості імпульсу Т1 частотою f₀. По задньому фронту цього ж сигналу мікроконтролер зупиняє таймер Т0 і запускає Таймер Т1. По наступному передньому фронту вихідного сигналу сенсора температури і таймер Т1 зупиняється і кількість імпульсів зразкової частоти f₀, які поступили на двійкові лічильники таймерів Т0 і Т1 переписуються в порти таймерів Т0 і Т1, відповідно. Після цього лічильники таймерів обнуляють для наступного циклу вимірювання.

Далі, для розрахунку температури, підпрограми використовують наступні рівняння.

Після квантуванні тривалості імпульсів Т1 і Т2 імпульсами зразкової частоти f₀ в лічильниках таймерів сформуються відповідно двійкові коди

.

Тоді тривалості імпульсів Т1 і Т2 будуть визначатися

.

Підставимо значення тривалості імпульсів Т1 і Т2 у вихідне рівняння перетворення сенсорів температури ТМР03/ТМР04 і відповідно отримаємо значення температури, які відповідають значенням двійкових кодів у таймерах

,

.