Termostat z termoparą typu K

Termometr/termostat z termoparą typu K (nazywany dalej jako termometr lub termostat) może mierzyć temperaturę w bardzo szerokim zakresie. Został w nim zastosowany przekaźnik, który może sterować zasilaniem elementu grzejnego lub sprężarki lodówki.

Duża część multimetrów cyfrowych może mierzyć temperaturę za pomocą termopary, zwykle nie mogą one jednak sterować urządzeniami w celu ogrzewania lub chłodzenia.

W przypadku ogrzewania, zasilanie może być włączane, gdy temperatura jest niższa od zadanej i wyłączane, gdy osiągnie zadaną wartość. Alternatywnie, zasilanie jest włączane w celu chłodzenia, gdy temperatura jest wyższa od zadanej i wyłączane, gdy spadnie poniżej progu.

Nasz termometr ma regulowaną histerezę zapobiegającą szybkiemu przełączaniu przekaźnika w pobliżu progu regulacji. Histereza wprowadza pewną różnicę między temperaturami, w których przekaźnik będzie włączał i wyłączał sterowane urządzenie. Regulacja możliwa jest w zakresie od 0°C do 60°C. Zwykle histereza wynosi tylko około 1°C...2°C.

Temperatura jest wyświetlana na dwuwierszowym, 16-znakowym wyświetlaczu LCD. Urządzenie może wprawdzie wyświetlać temperaturę od –270°C do +1800°C, rzeczywisty zakres zależy jednak od użytej sondy. Niektóre sondy typu K działają w zakresie od –50°C do +250°C, inne od –50°C do +900°C, a jeszcze inne od –40°C do +1200°C. Są też takie sondy, które działają tylko powyżej 0°C.

Sondy z termoparą mogą być izolowane lub nieizolowane. Izolowane sondy nie mają połączenia elektrycznego z termoparą, więc sonda może dotykać materiału, który jest uziemiony lub znajduje się pod pewnym napięciem stałym bez generowania błędnych odczytów.

Nieizolowane sondy nie powinny być używane w miejscach, w których występuje różnica potencjałów między masą termometru a sondą. Nasz termometr pokaże w takim przypadku błąd (zwarcie do masy lub zwarcie do zasilania).

Termometr jest umieszczony w niewielkiej obudowie z elementami sterującymi z przodu służącymi do załączania bądź wyłączania zasilania, wyboru widoku wyświetlacza i regulacji ustawień.

Z tyłu obudowy znajdują się gniazda wejścia zasilania 12 V DC i termopary typu K. Znajduje się tam również przepust kablowy do wprowadzenia przewodów do obudowy i podłączenia ich do styków przekaźnika termostatu za pomocą zacisków śrubowych. Dostępne są styki wspólne (C), normalnie otwarte (NO) i normalnie zamknięte (NC).

Zasada działania termopary typu K 

Termopara typu K tworzona jest poprzez styk dwóch różnych przewodów. W tym typie sondy jeden przewód jest wykonany ze stopu chromu i niklu (chromelu), drugi natomiast jest wykonany ze stopu aluminium, manganu, krzemu i niklu (o nazwie alumel).

Te dwa przewody stykają się ze sobą tylko na końcu sondy. Pozostałe końce przewodów łączą się z dwupinową wtyczką termometru.

Zasada działania termopary opiera się na zjawisku polegającym na tym, że na styku połączenia dwóch różnych metali wytwarza się napięcie zależne od temperatury. Termopara typu K ma nominalną czułość 41,276 μV/°C.

Jednak korzystanie z tej jednej wartości ma swoje ograniczenia – czułość nie jest stała, ale zmienia się wraz z temperaturą. Na przykład termopara typu K ma czułość 35,54 μV/°C w temperaturze –100°C i 41,61 μV/°C w temperaturze +750°C. Jeśli przyjmie się stałą wartość czułości, jej zmienność wprowadzi błędy odczytu temperatury.

Czułość termopary typu K w zależności od temperatury pokazano na rysunku 1. Zmiana napięcia wyjściowego przypadająca na jeden °C nazywana jest współczynnikiem Seebecka. Odnosi się ona do zmiany napięcia spowodowanej różnicą temperatur między sondą a wtyczką termopary.

Rysunek 1. Często uważa się, że termopara typu K ma liniową czułość 41,276 μV/°C (współczynnik Seebecka), ale w rzeczywistości zmienia się ona w pokazany sposób. Uzyskanie dokładnych odczytów wymaga uwzględnienia tej zmienności, zwłaszcza w niższych temperaturach

Typowy wykres przedstawia współczynnik Seebecka z końcówką wtykową termopary w temperaturze 0°C.

Współczynnik jest dość spójny w przedziale od 75°C do 1000°C, ale gwałtownie spada dla temperatur w obszarze ujemnym. Gdyby w naszym termometrze zastosowano wartość czułości 41,276 μV/°C, odczyty byłyby naprawdę dokładne tylko w trzech temperaturach: 0°C, 500°C i 1000°C.

Utrzymywanie temperatury wtyczki termopary (można to sobie utożsamiać z połączeniem drutu, z którego jest wykonana termopara i miedzianym przewodem pomiarowym) na poziomie 0°C nie jest zbyt wygodne. Ponadto temperatura końcówki wtyczki może zmieniać się wraz z temperaturą otoczenia. Sterownik termopary mierzy jej temperaturę i wykorzystuje ten odczyt do kompensacji odczytów na końcu sondy. Procedura ta nazywa się „kompensacją zimnego złącza” (koniec wtyczki jest zdefiniowany jako zimne złącze).

Pomimo nazwy, końcówka wtyczki niekoniecznie jest zimniejsza niż sonda, może być też cieplejsza.

Na rysunku 1 umieściliśmy dodatkową krzywą, gdy zimne złącze ma temperaturę 25°C. Daje to wyobrażenie o przesunięciu wykresu przy różnych temperaturach zimnego złącza.

Jeśli temperatura zimnego złącza wynosi 25°C, a końcówka sondy termopary wskazuje 0°C, termopara w rzeczywistości mierzy –25°C. W tym miejscu wartość współczynnika Seebecka gwałtownie spada wraz ze spadkiem temperatury mierzonej przez termoparę. Uzyskanie dokładnych odczytów w tej części krzywej jest trudne.

W naszym termometrze został zastosowany układ scalony MAX31855 firmy Maxim. Zapewnia on cyfrowe wyjście danych odczytu termopary dostosowane do kompensacji zimnego złącza. Sam układ scalony mierzy temperaturę zimnego złącza.

Daje to odczyt z dokładnością do ±2°C w zakresie od –200°C do +700°C (bez uwzględnienia błędów związanych z samą termoparą). Jednak ta dokładność nie uwzględnia zmienności odczytów spowodowanej zmianami współczynnika Seebecka wraz z temperaturą. Zakłada on stały współczynnik Seebecka 41,276 μV/°C w tym zakresie temperatur.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz