Termocupla

Termocupla

Efectul Seebeck

Un fenomen interesant utilizat in domeniul instrumentatiei este "efectul Seebeck", ce consta in producerea unei caderi de tensiune intre doua fire datorita diferentei de temperatura dintre acestea. Acest efect este cel mai usor de observat si de aplicat cu ajutorul unui contact dintre doua metale diferite, fiecare metal producand un potential electric diferit de-a lungul sau, ceea ce se traduce printr-o tensiune electrica diferita intre capetele libere ale celor doua fire. Aproape orice pereche de metale diferite produce o cantitate de tensiune masurabila atunci cand contactul lor este incalzit, unele combinatii producand o cantitate mai mare decat altele.

Efectul Seebeck este destul de liniar, insemnand ca tensiunea produsa de contactul incalzit dintre doua fire este direct proportionala cu temperatura. Acest lucru inseamna ca putem determina temperatura contactului masurand tensiunea produsa. Prin urmare, efectul Seebeck constituie o metoda electrica de determinare a temperaturii.

Termocupla

Cand o combinatie de materiale diferite sunt conectate impreuna pentru a masura temperatura, dispozitivul format poarta numele de termocupla. Termocuplele folosite pentru instrumentatie folosesc metale de o puritate superioara pentru a pastra relatia temperatura/tensiune cat mai liniara si previzibila cu putinta.

Tensiunile Seebeck sunt destul de mici, de ordinul milivoltilor (mV) pentru majoritatea temperaturilor. Din acest motiv sunt destul de greu de folosit pentru masuratori precise.

De asemenea, faptul ca orice contact dintre oricare doua metale diferite produce o cadere de tensiune variabila cu temperatura constituie o problema la conectarea unui voltmetru la termocupla pentru inchiderea circuitului.

Contactul de referinta, sau contactul rece

Contactul secundar fier - cupru format prin conexiunea dintre termocupla si aparatul de masura din firul de sus va produce o diferenta de potential dependenta de temperatura, de polaritate diferita fata de tensiunea produsa de punctul de contact initial (de masura). Acest lucru inseamna ca tensiunea de la bornele voltmetrului va depinde de diferenta de temperatura dintre cele doua contacte, si nu doar de temperatura de la contactul de masura. Chiar si in cazul termocuplelor ce nu folosesc cuprul pentru contact, combinatia celor doua contacte metalice aditionale (trei, cu cel de masura), formeaza un contact echivalent contactului de masura.

Acest contact secundar se numeste contact de referinta sau contact rece, pentru a face distinctia intre acesta si contactul de masura. Nu putem evita un astfel de contact intr-un circuit ce utilizeaza termocupla. In unele aplicatii, este necesara masurarea diferentei de temperatura dintre doua puncte, caz in care efectul de mai sus poate fi exploatat prin construirea unui sistem foarte simplu de masura.

Totusi, in marea parte a aplicatiilor scopul este masurarea temperaturii doar intr-un singur punct, caz in care cel de al doilea contact devine un rau necesar in functionarea termocuplei.

Compensarea tensiunii generate de contactul rece

Compensarea pentru tensiunea generata de contactul rece se poate realiza cu un circuit construit special pentru masurarea temperaturii in acel punct care sa produca o tensiune proportionala si inversa pentru anularea efectelor contactului. Sigur, ne putem intreba, "Daca trebuie sa folosim o alta forma de masurare a temperaturii pentru contracararea efectelor nedorite ale termocuplei, de ce nu am folosi acest mod de masurare in primul rand, in locul contactului termocuplei?".

Raspunsul este acesta: pentru ca celelalte forme de masurare a temperaturii disponibile nu sunt le fel de robuste si universale precum aceasta, dar pot face foarte bine masuratori la temperatura camerei. De exemplu, contactul termocuplei poate fi introdus intr-un furnal la temperaturi de 1.000 ^oC, pe cand contactul rece poate sta la cativa zeci de metri distanta intr-un loc special amenajat, la temperatura camerei, temperatura acestuia fiind masurata de un dispozitiv ce nu ar putea niciodata supravietui caldurii excesive sau mediului coroziv existent intr-un furnal.

Un singur contact poate dezvolta curenti foarte mari

Tensiunea produsa de contactul termocuplei este stric dependenta de temperatura. Orice curent existent in circuitul termocuplei este o functie a rezistentei din circuit opusa acestei tensiuni (I = E / R). Cu alte cuvinte, relatia dintre temperatura si tensiunea Seebeck este fixa, pe cand relatia dintre temperatura si curent este variabila, depinzand de rezistenta totala din circuit. In cazul in care conductorii termocuplei sunt suficient de grosi (rezistenta mica), putem genera curenti de sute de amperi dintr-un singur contact!

Ideal, curentul prin circuit ar trebui sa fie zero

Pentru cresterea preciziei masuratorilor, voltmetrul folosit intr-un circuit cu termocupla este construit cu o rezistenta foarte mare pentru evitarea caderilor de tensiune de-a lungul firelor termocuplei. Problema caderilor de tensiune de-a lungul firelor este si mai grava in acest caz fata de semnalele de tensiune discutate anterior, pentru ca in acest caz, contactul termocuplei produce o tensiune de doar cativa milivolti. Nu ne putem permite sa avem nici macar o cadere de tensiune de un singur milivolt (mV) pe conductori fara a induce erori serioase de masurare a temperaturii.

In mod ideal, prin urmare, curentul printr-un circuit al termocuplei ar trebui sa fie zero. Instrumentele moderne folosesc amplificatoare cu semiconductori pentru a permite semnalului de tensiune al termocuplei sa actioneze asupra aparatului de masura cu un curent foarte mic prin circuit sau chiar zero.