Termoparovi

Tomas Sibek (Thomas Johann Seebeck (1770-1831)) je 1821. godine primetio da ako su dva provodnika, od različitih materijala, povezana na svojim krajevima tako da obrazuju dva različita čvora, i ako su ovi čvorovi izloženi različitim temperaturama, postavljanje ovih provodnika blizu kompasa prouzrokovaće njegovo pomeranje. Njegovo prvo verovanje bilo je da se magnetsko polje menja usled promene temperature. Kasnije je shvatio da je struja, koja je proticala kroz provodnike, generisala magnetno polje i pomerala iglu kompasa.

 Sibekov efekat se javlja uvek, kada dva različita metala, bilo kog materijala, obrazuju spoj – termopar. Postoje neki parovi metala koji imaju predvidljiv napon u zavisnosti od temperature, a takođe imaju i veće temperaturne gradijente. Ovi parovi imaju slovnu oznaku, na primer: E-tip termopar. Najpopularniji tip termoparova je K-tip. Ovaj tip čine provodnici napravljeni od legura Nikl-Hrom i Nikl-Aluminijum, a odlikuje ga širok opseg temperature (od -200°C do 1300°C) i skoro linearna promena napona u zavisnosti od temeprature. Na slici 1 prikazan je termopar. Levi čvor je zagrejan, a desni je na sobnoj temperaturi, pa kroz ovaj spoj protiče struja.

Slika 1. Ilustracija termopara

Kao što neki očekuju, ako desni čvor ne postoji, razlika napona će se stvoriti na krajevima provodnika (slika 2).

Slika 2. Termo par sa samo jednim čvorom

 Homogeni provodnik je provodnik kod kog su fizička i hemijska svojstva jednaka duž celog provodnika. Ovaj zakon kaže da termopar koji je sačinjen od homogenih provodnika neće generisati napon čak i kada se nalazi na različitim temperaturama. Drugim rečima, termopar mora biti napravljen od najmanje dva različita materijala, kako bi se generisao napon. Promene u preseku provodnika ili promene u temepraturi neće izazvati pojavu napona.

Zbir svih napona u kolu termopara koji čine dva ili više različitih metala jednak je nuli, ako je celo kolo izloženo istoj temperaturi. Ovo znači da dodavanje različitih metala kolu neće uticati na napon koji generiše kolo. Spojevi koju su dodati, moraju biti na na istoj temperaturi kao i ostali spojevi u kolu. Na primer, treći metal kao što je bakar može se dodati kako bi se olakšalo merenje. Zbog ove činjenice termoparovi se mogu koristiti npr. kod digitalnih multimetara.

Ako dva različita homogena materijala stvore napon E₁ kada su im spojevi na temperaturama T₁ i T₂ i stvore napon E₂ kada su im spojevi na temperaturama T₂ i T₃, onda je rezultirajući napon kada su im spojevi pri temepratura T₁ i T₃ jednak E₁+E₂. Ovaj zakon dozvoljava termoparu koji kalibrisan pri referentnoj temperaturi, da bude korišćen pri drugoj referentnoj temepraturi. Takođe dozvoljava da dodatni provodnici sa istim termoelektričnim karakteristikama budu dodati kolu bez uticaja na ukupan generisani napon.

Svaki spoj koji obrazuju dva različita metala, obrazovaće termopar. Tu nastaje problem. Pretpostavimo da imamo termopar K-tipa. Potrebno je da povežemo oba provodnika termopara sa bakarnim provodnicima, jer želimo da produžimo provodnike ili želimo da termopar povežemo sa multimetrom. Ove veze će stvoriti nove termoparove (Slika 3).

Slika 3. Problem stvaranja novih termoparova

Crveni i plavi provodnik sa prethodne slike obrazuju termopar. Narandžasti provodnici su bakarni provodnici. Međutim, zbog prvog termoelektričnog zakona, na mestima T4 i T5 se neće obrazovati termoparovi, jer se tu spajaju provodnici istog metala. Tako dobijamo malo drugačiju situaciju, koja je prikazana na slici 4.

Slika 4. U kolu postoji pet čvorova, ali po termoelektričnim zakonima imamo tri termopara

Problem je u tome što se u tačkama T2 i T3, gde su provodnici termopara povezani sa bakarnim provodnicima, stvaraju dva nova termopara. Ovi termoparovi će stvoriti EMS (elektromotornu silu) u kolu i na taj način uticati na merenje temeprature.

Svaki termopar pri 0°C neće generisati EMS. Dakle, povezivanjem provodnika unutar “hladnog kupatila”, neće doći do greške pri očitavanju (Slika 5).

Slika 5. Upotreba “hladnog kupatila”

 Dve peći se koriste da simuliraju nultu referentnu tačku (0°C), na način koji je prikazan na slici 6. Provodnici termopara su spojeni sa obrnutim polaritetom unutar jedne peći, a zatim su povezani sa bakarnim provodnicima u drugoj peći. Sa različitim temperaturama unutar peći simulira se referentna nulta tačka.

Slika 6. Simuliranje nulte referentne tačke pomoću dve peći

 Prethodni metodi za rešenje problema su validni i mogu dati korektne rezultate. Međutim, teško da su izvodljivi u realnim aplikacijama, van laboratorije. Zamislite na primer, automatizovanu mašinu u kojoj je potrebno meriti temperaturu pomoću termopara. Bilo bi potrebno da imate termopar, displej, zamrzivač ili dve peći… Zato su osmišljeni drugi metodi kako bi se kompenzovala referentna temperatura.

 Pre objašnjenja ovih metoda, moramo se pozabaviti izotermalnim blokom. U okruženju, gde temperatura može varirati od mesta do mesta, postoji mogućnost da konektori merne opreme ne budu na istoj temperaturi, čak iako su udaljeni svega par santimetara. Dakle, mora se osigurati da oba spoja budu izložena istoj temperaturi. Zato se koriste izotermalni blokovi. Jednostavni izotermalni blokovi su poklopci napravljeni od specijalnih materijala, često smešteni u plastično kućište. Unutar njih se nalaze veze provodnika termopara sa bakarnim provodnicima. Specijalni materijal obezbeđuje da oba spoja budu na istoj temperaturi. Neki drugi izotermalni blokovi su mnogo napredniji, sa mogućnošću priključivanja više termoparova, i sa dodatnim analognim signalima koji nose informaciju o referentnoj temperaturi čvorova, koji se koriste pri softverskoj kompenzaciji (o kojoj će biti više reči kasnije). Na slici 7 prikazan je jedan termopar koji je povezan sa bakarnim provodnicima unutar izotermalnog bloka.

Slika 7. Izotermalni blok kod termopara koji se koristi za merenje temperature pomoću multimetra

 Ovo je veoma čest metod kompenzacije temperature na spoju termopara sa bakarnim provodnicima, takođe nazvan i “elektronska nulta referenca”. Kod ove metode, termistor je postavljen unutar izotermalnog bloka. Otpornost termistora će se promeniti usled promene temperature unutar izotermalnog bloka. Korišćenjem DC napona i par otpornika, kolo će dodati napon potreban za specifičnu temperaturu unutar bloka.

 Razlog zbog kog je ovaj metod veoma popularan je činjenica da je izotermalni blok veoma jeftin, a štedi se i na vremenu za izračunavanje temeprature. Na primer, na ovaj način PLC može da ostvari mnogo više očitavanja sa više različitih mesta. Ipak postoji i nedostatak. Za svaki termopar se mora koristiti drugačija hardverska kompenzacija. Ovo će povećati potreban prostor, kao i cenu sistema. Na slici 8 prikazano je jedno kolo za hardversku kompenzaciju.

Slika 8. Hardverska kompenzacija

 Kod ove metode kompenzacije, računaće se temperatura spojeva, praćenjem temperature unutar izotermalnog bloka. Zato se termistor postavlja unutar bloka. Signal sa termistora se se direktno prenosi do kontrolera (PLC, mikrokotroler, računar itd.) koji će ga konvertovati u napon generisan na spoju pri temperaturi unutar bloka. Ovaj napon će biti dodat merenom naponu sa termopara, a onda će se izračunati temperatura, pomoću tabele zavisnosti napona od temeprature. Ovo je veoma jednostavan način povezivanja termoparova sa kontrolerima, a biće potreban samo jedan termistor za više veza termoparova unutar istog izotermalnog bloka. Brzina očitavanja temperature će se smanjiti, što je nedostatak softverske kompenzcije.

 Kod prethodne dve pomenute vrste kompenzacije (hardverske i softverske), postavlja se pitanje zašto koristiti termoparove, ako već moramo da koristimo termistore? Termistori se koriste u uskom temperaturnom opsegu, obično ispod 200°C, dok termoparovi mogu meriti temperature između -270°C i 1800°C.

 Ovo je problem o kome smo govorili do sada. Povezivanjem termopara sa bakrom (ili drugim metalom) obrazovaće novi termopar, te je potrebna kompenzacija temperature na ovom spoju.

 Kako bi se zadržala dobra preciznost i vreme odziva, provodnici termopara su obično tanki. Međutim, tanki provodnik znači veća otpornost. Mnogi kontroleri za merenje temperature su programirani da kompenzuju ovu otpornost. Tu su međutim i situacije kada je potrebno postaviti termopar na veliku udaljenost od kontrolera. U takvim slučajevima, otpornost provodnika se mora uzeti u obzir. Kako bi se rešio ovaj problem, koristi se tehnika nazvana “merenje kompenzacijom oma”. Kontroler najpre izmeri naponski ofset bez izvora otpornosti. Onda se izvor otpornosti priključi pa se napon ponovo izmeri. Voltmetar kompenzuje, pomoću softvera, naponski ofset termopara i izračunava stvarnu otpornost termopara.

 Ovo je problem koji nam može zadati najviše problema, jer očitavanje temperature izgleda da je validno, a u stvari je pogrešno. Ova greška se javlja kada se menja sastav provodnika temopara. Do promene sastava provodnika dolazi usled difuzije atmosferskih čestica na metal koji radi pri ekstremnim temperaturama ili u hemikalijama.

 Pojava šuma se vezuje za sve elektronske aplikacije koje rade u okruženjima pod uticajem šuma. Uticaj šuma može biti veoma značajan, jer se izlazni napon termoparova meri u mikro-voltima. Naravno, postoje i rešenja koja rešavaju ovaj problem. Prvo, analogni filtar na ulazu u voltmetar drastično će smanjiti uticaj šuma. Upotreba kondenzatora će umanjiti uticaj šuma nastalog od naizmeničnih ili pulsirajućih napona. Takođe, provodnici termoparova se upliću (npr. kao kod ethernet kablova). Postoji mnogo drugih metoda. Međutim, njihova upotreba zavisi od vrste šuma koji se javlja.

 Termoparovi imaju neku masu. Kako bi se očitala temperatura, ta masa se mora zagrejati, a za njemo zagrevanje mora biti uložena određena količina energije. Ako izvor zagrevanja ne “obezbeđuje” konstantnu energiju, tada će termopar povući količinu energije iz izvora i tako će se umanjiti preciznost očitavanja. Sa druge strane, provodnici termopara i kućište će disipirati drugu količinu energije u atmosferu. Kako bi se prevazišao ovaj problem, koriste se različiti termoparovi, sa različitim debljinama provodnika i različitim kućištima. Korišćenjem odgovarajućeg tipa dobiće se tačnija očitavanja.