Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
A hőelemek és alkalmazásaik
2018 október 25.
Összefoglalás :
A hőmérséklet a világon talán a leggyakrabban mért fizikai paraméter. Ha egy tárgy hőmérsékletét érintkezés nélkül szükséges mérni, erre lehetőség van az általa kibocsátott infravörös spektrumú sugarak hőelemekkel (termoelemekkel) való érzékelésével, melyek a sugárzott energiával arányos termo-elektromotoros erőt gerjesztenek. A kivezetéseken mérhető elektromos potenciálkülönbség arányos a felület hőmérsékleti potenciálkülönbségével. A termoelem modullal – a differenciál kimenetű piroelektromos elven működő piroszenzorokkal szemben – abszolút hőmérséklet mérhető. Az infravörös sugárzás érzékelésére szolgáló termoelem széles körben használható az érintkezésmentes hőmérsékletmérés területén, sugárzott hő mérésére. A termoelemek szolgáltatta jelek feldolgozása azonban korántsem egyszerű feladat, hiszem precíz elő-erősítésre, kalibrációra és környezeti hőmérséklet kompenzációra van szükség.A bemutatásra kerülő hőelemek és modulok a Nippon Ceramic (Nicera) által gyártott termékek, tartalmazzák azokat a kiegészítéseket is, melyekkel konstruktőrök a fentieken kívül az autóiparban, a gyártásautomatizálásban és az irodatechnika területén is eredményesen alkalmazhatják ezeket a szenzorokat érintkezésmentes abszolút hőmérsékletmérésre.
Működés alapelve
A termoelemek működése a termo-elektromos, vagy más néven Seebeck effektus elvén alapul. Ha két, különböző fémből vagy ötvözetből álló elektromos vezetőt egyik végükön összeforrasztanak, és a csatlakozás, valamint a vezetők másik vége eltérő hőmérsékleten van, akkor elektromos potenciálkülönbség keletkezik. Ez a termoelektromos feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel, így az elektromos úton mérhető. Mivel a termoelemmel hőmérséklet különbséget lehet mérni, szükség van egy referencia hőmérsékletre is ahhoz, hogy a keresett abszolút hőmérséklet közvetlenül mérhető legyen. Ezért a termoelem modulok egyes típusaiba a saját hőmérséklet, mint referenciaérték mérésére termisztort építenek be. Természetesen a mérés pontosságának növelése érdekében optikai elemek is gyakran használatosak e szenzortípus esetén, különféle tükrök és lencsék is beépülhetnek a tokozásba, vagy a szenzort tartalmazó nyomtatott áramköri modulra is.
A szenzor alkalmazása
A legegyszerűbb kapcsolás blokk-diagrammját a 2. ábrán tekinthetjük át. A szenzorhoz jelerősítőt kell kapcsolni, és megfelelő stabilizált tápfeszültségre van szükség. Mivel a kimeneten DC feszültség jelenik meg, a működés és az érzékenység ellenőrzéséhez egyszerű feszültségmérésre van szükség. A céltárgy abszolút hőmérsékletméréséhez azonban a környezeti hőmérséklet kompenzálására szolgáló áramkörre és egy megfelelő összegző áramkörre is szükség van.
A szenzor távolsága és a látómezeje
A szenzor távolsága a célfelülettől nagyban befolyásolja a kimeneti szintet. Egy TO5 tokozású elemre vonatkozó tájékoztató jellegű távolság – kimeneti jelszint grafikon látható a 3. ábrán. Látható, hogy a széles látómezővel rendelkező szenzor érzékenysége a távolság függvényében csökken. Ha egy fekete falú csövet építünk a szenzor érzékelő nyílása elé, akkor a látószög jelentősen csökken, ezzel egyidejűleg a távolság hatása az érzékenységre is csökken. Viszont a keskeny látószög miatt kevesebb energia jut a szenzorra, ami a felbontás csökkenése irányába hat. Tekintettel kell lenni a tervezés során arra is, hogy a cső hőmérséklete ne térjen el a szenzor hőmérsékletétől, mert a cső felületéről sugárzott hő abban az esetben nagyon rontaná a mérés pontosságát. Ezért a cső alkalmazásakor azt a szenzorral egybeépítve a külső hőmérséklettől lehetőség szerint szeparálva kell beépíteni.
Alacsony hőmérséklet mérése
Az alacsony hőmérsékletre tervezett szenzorok külső-hőmérséklet kompenzációja sokkal bonyolultabb és pontosabb megoldást kíván, mint a magas hőmérsékletmérésre alkalmazott változatoké. Egy lehetséges áramkört a 4. ábra mutat be. Bár a szenzor DC kimeneti feszültséget gerjeszt, mégsem biztosít elegendő áramot, így nagy bemeneti impedanciájú műveleti erősítőre, vagy FET-re van szükség a jelerősítéshez. A szenzor hőmérsékletének mérésére szolgáló kompenzációs áramkör diódán alapul, melynek kimenő jelét egy összegző műveleti erősítő fokozatban adják hozzá a szenzor erősített jeléhez, és ezzel kompenzálják a külső hőmérsékletet. Egyes szenzorokban a környezeti hőmérséklet mérésére termisztort építenek be. Amennyiben több dimenziós hőmérsékletmérésre van szükség, egy tokba több szenzor kerül, melyek kimenetei multiplexeren keresztül kapcsolódnak az erősítő áramkörre, és a lekérdezni kívánt kimenet külső logikával címezhetően kérdezhető le. Az 5. ábrán különféle elrendezésű optikával felszerelt termoelemek és modulok láthatók a Nicera kínálatából.
Ipari alkalmazások:
Fül-hőmérők: A termoelemek klasszikus, nagy volumenű alkalmazása a fül-hőmérők területe, ahol a fülkagylóban végzett azonnali, érintkezésmentes és kényelmes mérés pontos értéket ad a test hőmérsékletét illetően.
Lakás klímaszabályozás: A hagyományos légkondicionáló berendezésekben termisztorokat alkalmaznak a hőmérséklet mérésére, melyeket gyakran a készülék belsejében helyeznek el. Ezek nem képesek a szobában elhelyezkedő tárgyak hőmérsékletéről információt szerezni, míg termoelemek használatával a hőmérsékletszabályzás a lakás infravörös emissziójából nyert adatokkal végezhető. Így a klímaberendezések azonnal reagálhatnak a hirtelen változásokra, mint például a hirtelen a szobába sütő nap okozta felmelegedésre, de használhatjuk a helységben tartózkodó emberek, vagy azok hiányának detektálására is, amely készenléti üzemmódba való automatikus kapcsolásra ad lehetőséget, ezáltal energiatakarékos funkciókkal ruházható fel a készülék.
Mikrohullámú sütők: A korábban említett több dimenziós hőmérsékletmérésre alkalmazható szenzorok végzik az új generációs mikrohullámú sütők belsejében való hő-eloszlás mérést. Ezáltal lehetőség nyílik az egyidejű felengedésre és melegítésre. Az innovatív hőmérséklet menedzsment hatékonyabb kihasználtságot és az étel minőségének megőrzését célozza.
Konyhai szellőztetők és egyéb berendezések: Az új generációs készülékek termoelemekkel érzékelik a főzőlapok bekapcsolt állapotát, és automatikusan kapcsolják be a szellőző funkciót. Hőmérséklet szabályzást biztosítanak az indukciós főzőlapokhoz, a kenyérpirítókhoz és egyéb konyhai eszközökhöz.
Gázérzékelés: Szénhidrogének detektálására is alkalmazhatók a termoelemek.
Autóipari alkalmazások: A klímaberendezések mellett a termoelemeket egyéb célokra is használják az autóiparban. Ilyen például a szélvédő hőmérsékletének mérése, hogy az egyenletes meleg légfúvást biztosítsák a párásódás megszüntetésére. A vezetési biztonságot növelik az olyan termoelem alapú berendezések, amelyek az úttest, a kerekek és féktárcsák felületének hőmérsékletét mérik. Egyes projectekben termoelemeket használnak a légzsákok vezérlésére, hogy azok csak a foglalt ülések közelében aktivizálódjanak.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | TechStory M2M | A hőelemek és alkalmazásaik |