Acasă » Curent continuu » 09 - Semnale electrice de instrumentaţie
- Efectul Seebeck constă în producerea unei căderi de tensiune între două metale disimilare conectate împreună, temperatură direct proporţională cu temperatura acestui contact
- În oricare circuit cu termocuple, există două contacte echivalente formate între două metale diferite. Contactul plasat la locul de măsurare se numeşte contact de măsură, iar celălalt contact (singur sau echivalent) este numit contact rece
Efectul Seebeck
Un fenomen interesant utilizat în domeniul instrumentaţiei este „efectul Seebeck”, ce constă în producerea unei căderi de tensiune între două fire datorită diferenţei de temperatură dintre acestea. Acest efect este cel mai uşor de observat şi de aplicat cu ajutorul unui contact dintre două metale diferite, fiecare metal producând un potenţial electric diferit de-a lungul său, ceea ce se traduce printr-o tensiune electrică diferită între capetele libere ale celor două fire. Aproape orice pereche de metale diferite produce o cantitate de tensiune măsurabilă atunci când contactul lor este încălzit, unele combinaţii producând o cantitate mai mare decât altele.
Efectul Seebeck este destul de liniar, însemnând că tensiunea produsă de contactul încălzit dintre două fire este direct proporţională cu temperatura. Acest lucru înseamnă ca putem determina temperatura contactului măsurând tensiunea produsă. Prin urmare, efectul Seebeck constituie o metodă electrică de determinare a temperaturii.
Termocupla
Când o combinaţie de materiale diferite sunt conectate împreună pentru a măsura temperatura, dispozitivul format poartă numele de termocuplă. Termocuplele folosite pentru instrumentaţie folosesc metale de o puritate superioară pentru a păstra relaţia temperatură/tensiune cât mai liniară şi previzibilă cu putinţă.
Tensiunile Seebeck sunt destul de mici, de ordinul milivolţilor (mV) pentru majoritatea temperaturilor. Din acest motiv sunt destul de greu de folosit pentru măsurători precise.
De asemenea, faptul că orice contact dintre oricare două metale diferite produce o cădere de tensiune variabilă cu temperatură constituie o problemă la conectarea unui voltmetru la termocuplă pentru închiderea circuitului.
Contactul de referinţa, sau contactul rece
Contactul secundar fier - cupru format prin conexiunea dintre termocuplă şi aparatul de măsură din firul de sus va produce o diferenţă de potenţial dependentă de temperatură, de polaritate diferită faţă de tensiunea produsă de punctul de contact iniţial (de măsură). Acest lucru înseamnă că tensiunea de la bornele voltmetrului va depinde de diferenţa de temperatură dintre cele două contacte, şi nu doar de temperatura de la contactul de măsură. Chiar şi în cazul termocuplelor ce nu folosesc cuprul pentru contact, combinaţia celor două contacte metalice adiţionale (trei, cu cel de măsură), formează un contact echivalent contactului de măsură.
Acest contact secundar se numeşte contact de referinţă sau contact rece, pentru a face distincţia între acesta şi contactul de măsură. Nu putem evita un astfel de contact într-un circuit ce utilizează termocupla. În unele aplicaţii, este necesară măsurarea diferenţei de temperatură dintre două puncte, caz în care efectul de mai sus poate fi exploatat prin construirea unui sistem foarte simplu de măsură.
Totuşi, în marea parte a aplicaţiilor scopul este măsurarea temperaturii doar într-un singur punct, caz în care cel de al doilea contact devine un rău necesar în funcţionarea termocuplei.
Compensarea tensiunii generate de contactul rece
Compensarea pentru tensiunea generată de contactul rece se poate realiza cu un circuit construit special pentru măsurarea temperaturii în acel punct care să producă o tensiune proporţională şi inversă pentru anularea efectelor contactului. Sigur, ne putem întreba, „Dacă trebuie să folosim o altă formă de măsurare a temperaturii pentru contracararea efectelor nedorite ale termocuplei, de ce nu am folosi acest mod de măsurare în primul rând, în locul contactului termocuplei?”.
Răspunsul este acesta: pentru că celelalte forme de măsurare a temperaturii disponibile nu sunt le fel de robuste şi universale precum aceasta, dar pot face foarte bine măsurători la temperatura camerei. De exemplu, contactul termocuplei poate fi introdus într-un furnal la temperaturi de 1.000 oC, pe când contactul rece poate sta la câţiva zeci de metri distanţă într-un loc special amenajat, la temperatura camerei, temperatura acestuia fiind măsurată de un dispozitiv ce nu ar putea niciodată supravieţui căldurii excesive sau mediului coroziv existent într-un furnal.
Un singur contact poate dezvolta curenţi foarte mari
Tensiunea produsă de contactul termocuplei este stric dependentă de temperatură. Orice curent existent în circuitul termocuplei este o funcţie a rezistenţei din circuit opusă acestei tensiuni (I = E / R). Cu alte cuvinte, relaţia dintre temperatură şi tensiunea Seebeck este fixă, pe când relaţia dintre temperatură şi curent este variabilă, depinzând de rezistenţa totală din circuit. În cazul în care conductorii termocuplei sunt suficient de groşi (rezistenţă mică), putem genera curenţi de sute de amperi dintr-un singur contact!
Ideal, curentul prin circuit ar trebui să fie zero
Pentru creşterea preciziei măsurătorilor, voltmetrul folosit într-un circuit cu termocuplă este construit cu o rezistenţă foarte mare pentru evitarea căderilor de tensiune de-a lungul firelor termocuplei. Problema căderilor de tensiune de-a lungul firelor este şi mai gravă în acest caz faţă de semnalele de tensiune discutate anterior, pentru că în acest caz, contactul termocuplei produce o tensiune de doar câţiva milivolţi. Nu ne putem permite să avem nici măcar o cădere de tensiune de un singur milivolt (mV) pe conductori fără a induce erori serioase de măsurare a temperaturii.
În mod ideal, prin urmare, curentul printr-un circuit al termocuplei ar trebui să fie zero. Instrumentele moderne folosesc amplificatoare cu semiconductori pentru a permite semnalului de tensiune al termocuplei să acţioneze asupra aparatului de măsură cu un curent foarte mic prin circuit sau chiar zero.