Termometrul electronic propus foloseşte un termocuplu de tip J (fier-constantan), uşor de procurat. Acest termocuplu este ieftin şi generează la ieşire o tensiune electromotoare relativ mare. Aparatul poate măsura temperaturi în gama de la zero la 400°C.
Senzorii de temperatură cu termocuple folosesc efectul Seebeck, respectiv tensiunea ce apare într-un circuit format din metale diferite când cele două joncţiuni sunt la temperaturi diferite
.
Una dintre joncţiuni este cea de măsură, sau joncţiunea fierbinte (Tmes), iar cealaltă este joncţiunea rece, cea de referinţă (Tref). Diferenţa de potenţial între punctele a şi b este proporţională cu tensiunea Tmes-Tref, iar coeficientul de proporţionalitate este factorul Seebeck al termocuplului respectiv. Pentru a efectua măsurători de precizie, circuitul trebuie lucrat îngrijit. Se folosesc numai rezistoare cu peliculă metalică (RPM, MFR, MLT) cu toleranţă maximă de 1%. Tensiunile de alimentare /(+5V, -5V) trebuie să fie bine stabilizate, se pot folosi stabilizatoarele integrate 7805 şi 7905.
În tabelul 1 se dau valorile temperaturii pentru câteva valori ale tensiunii pe termocuplu, în milivolţi. Valorile sunt valabile pentru o joncţiune rece menţinută la o temperatură constantă de 00C. Dacă joncţiunea de referinţă nu se află la 00C, ci la temperatura camerei, RT, temperatura reală va fi egală cu cea din tabel plus RT. Un exemplu: alimentăm bornele TC+ şi TC- cu o tensiune de 10,777mV. Dacă temperatura ambiantă este de 300C, valoarea indicată de un panel-metru digital la ieşirea circuitului ar trebui sa fie de 230mV.
Terminalele de intrare TC+ şi TC- trebuie aduse la un bloc de terminale izolate cu patru şuruburi. Se folosesc două terminale suplimentare pentru a monta termistorul Cu Th1. Astfel se formează un bloc izoterm, suficient de bun pentru măsurători de precizie medie.
O modalitate simplă de a realiza un termistor TH1 Cu este de a folosi un rezistor ceramic de un megaohm la 2W ca suport, peste care se bobinează sârma de cupru. Se foloseşte o lungime de 2m de fir de Cu emailat tip 46 SWG (cu rezistivitatea de 5,91 ohm/ metru). Vom obţine un termistor de 12 ohm. Capetele firului de cupru se lipesc pe terminalele rezistorului ceramic.
Pentru calibrare, aveţi nevoie de un multimetru numeric sau un panel-metru (DPM) cu cel puţin 31/2 cifre, şi o sursă de tensiune programabilă de ordinul milivolţilor. Sunt de făcut două reglaje, de zero şi de câştig.
Mai întâi conectaţi sursa la terminalele de intrare TC+ şi TC-, apoi reglaţi sursa pe 0,00mV (verificaţi cu multimetrul că valoarea este într-adevăr zero). Nivelul de ieşire la terminalele + şi – ale circuitului trebuie să fie, în milivolţi, egală cu temperatura camerei (RT). De exemplu, dacă temperatura ambiantă este de 300C, ieşirea + trebuie să fie la 30mV faţă de masă. Reglaţi pe VR1 până când la ieşire sunt exact 30mV. Pentru măsurarea temperaturii din cameră, folosiţi un termometru de sticlă ce are o precizie suficientă.
Am făcut acum calibrarea de zero. Apoi creşteţi tensiunea de intrare până la valoarea de 21,85 mV, corespunzătoare unei temperaturi de 4000C. Apoi reglăm potenţiometrul VR2 până când la ieşirea + avem un nivel de 430mV (temperatura măsurată plus RT). Acesta este reglajul amplificării.
Cum VR1 şi VR2 nu sunt perfect independente, s-ar putea să fie nevoie să repetăm de câteva ori calibrarea de zero şi de amplificare, până când la ieşire se obţin în mod repetabil valorile descrise.
Proprietăţile termocuplului folosit:
• Tipul termocuplului este “J”, conform denumirii ANSI;
• Constantanul este un aliaj de cupru şi nichel;
• Gama de măsură a temocuplului propriu-zis este de la -200°C la +700°C;
• Practic, aparatul realizat va măsura temperaturi în gama 0 … 400°C;
• Termocuplul se poate utiliza foarte bine în atmosfere reducătoare sau alcaline;
• În schimb, în atmosfere acide sau oxidante se corodează (rugineşte!);
• Firele sunt codificate prin culori, cel roşu este negativ, iar cel alb, pozitiv;
• Termocuplurile de tip “J” sunt răspândite datorită preţului scăzut şi al tensiunii relativ ridicate pe care o generează;
• Aplicaţiile principale ale tipului “J” sunt în industria maselor plastice şi a cauciucului şi ca termometru de uz general.
Proiectarea amplificatorului:
• Nivelul minim de tensiune de la ieşirea termocuplului este de numai 1-2 mV, de aceea se foloseşte un amplificator operaţional de precizie, cu decalaj de tensiune mai mic de 100mV. (ROB101T, OP-07);
• Conexiunile de intrare pot fi inversate, sau pot apărea pe ele tensiuni periculoase. De aceea
este obligatoriu un circuit de protecţie: rezistorul R2 limitează curentul de intrare, iar dioda Zener ZD1 împiedică propagarea supratensiunilor;• Montajul trebuie să asigure o amplificare de 400mV/ 21,8mV, adică un câştig în tensiune de circa 18 pentru 400°C. Valoarea amplificării este dată de (Rf+Ri)/Ri, unde Rf este R7, iar Ri este suma valorilor lui R5, R6 şi VR2.
mV (termocuplu) …..temp (°C)
0……… 0
2,585….. 50
5,268….. 100
10,777…. 200
16,325…. 300
21,846…. 400
27,338…. 500
33,096…. 600
Proiectarea termistorului de cupru TH1 pentru compensarea joncţiunii reci:
• Coeficientul Seebeck pentru termocuplul “J” este de 0,052mV/°C, aşa cum se vede din tabelul 1. Cuprul are un coeficient de temperatură de 0,0042 ohm pe grad Celsius. Astfel, un termistor de 12 ohm va avea un coeficient de temperatură de 0,05ohm/°C, valoare ce asigură o compensare destul de bună.
• Pentru o valoare de 5K ohm a lui R1, curentul prin TH1 este de 1mA. Astfel, modificarea căderii de tensiune pe termistor ca fi de circa 0,05mV/°C.
• Precum se vede, această valoare este aproximativ egală cu coeficientul termocuplului “J”, deci se asigură o compensare destul de bună.
• În timpul reglajelor de etalonare este posibil să trebuiască mărită mult valoarea lui VR1. Totuşi, autorul recomandă să nu se depăşească 1 K ohm!
Traducere şi adaptare:
Ing. Cristian Malide