หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปิ้ลเป็นองค์ประกอบการวัดอุณหภูมิทั่วไป สามารถเปลี่ยนสัญญาณอุณหภูมิเป็นสัญญาณความร้อนไฟฟ้าได้โดยการวัดอุณหภูมิ

หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิลคือเมื่อตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์ A และ B สองตัวรวมกันเป็นวงจรและปลายทั้งสองของพวกมันเชื่อมต่อถึงกัน ตราบใดที่อุณหภูมิที่ทั้งสองโหนดแตกต่างกัน อุณหภูมิที่ปลายด้านหนึ่งคือ t ซึ่งเรียกว่าปลายทำงานหรือปลายร้อน และอุณหภูมิที่ปลายอีกด้านคือ t0 หรือที่เรียกว่าปลายอิสระหรือที่เรียกว่าปลายอ้างอิงหรือปลายเย็น วงจะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า ทิศทางและขนาดที่เกี่ยวข้องกับ วัสดุตัวนำและอุณหภูมิของหน้าสัมผัสทั้งสอง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก วงจรที่ประกอบด้วยตัวนำสองตัวเรียกว่าเทอร์โมคัปเปิล ตัวนำทั้งสองนี้เรียกว่าขั้วเทอร์โมอิเล็กทริก และแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริก

 

เทอร์โมอิเล็กทริก EMF ประกอบด้วยสองส่วน หนึ่งคือ EMF หน้าสัมผัสของตัวนำสองตัว และอีกอันคือ EMF ความแตกต่างของอุณหภูมิของตัวนำเดี่ยว ขนาดของเทอร์โมอิเล็กทริก EMF ในลูปเทอร์โมคัปเปิลมีความสัมพันธ์เพียงลำพังกับวัสดุตัวนำและอุณหภูมิของหน้าสัมผัสทั้งสอง แต่ไม่สัมพันธ์กับรูปร่างและขนาดของ เซ็นเซอร์เทอร์โมคัปเปิ้ ล เมื่อวัสดุอิเล็กโทรดทั้งสองของเทอร์โมคัปเปิลได้รับการแก้ไขแล้ว EMF ของเทอร์โมอิเล็กทริกจะเป็นอุณหภูมิแบบสัมผัสคู่ T และ t0

 

ความสัมพันธ์นี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดอุณหภูมิในทางปฏิบัติ เนื่องจากปลายด้านเย็น t0 มีค่าคงที่ เทอร์โมอิเล็กทริก EMF ที่สร้างโดยเซนเซอร์เทอร์โมคัปเปิลจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิของปลายด้านร้อนเท่านั้น (ปลายการวัด) กล่าวคือ EMF ของเทอร์โมอิเล็กทริกบางชนิดจะสอดคล้องกับอุณหภูมิที่กำหนด เราสามารถบรรลุเป้าหมายของการวัดอุณหภูมิได้โดยการวัด EMF ของเทอร์โมอิเล็กทริกเท่านั้น

 

หลักการพื้นฐานของการวัดอุณหภูมิเทอร์โมคัปเปิลคือส่วนประกอบที่แตกต่างกันสองส่วนของตัวนำวัสดุจะเกิดเป็นวงจรปิด

เมื่อมีการไล่ระดับอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองข้าง จะมีกระแสไหลผ่านวงจร แล้วจะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า - แรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริกระหว่างปลายทั้งสองข้าง ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ซีเบค ตัวนำที่เป็นเนื้อเดียวกันสองชนิดที่มีส่วนประกอบต่างกันคือขั้วเทอร์โมอิเล็กทริก ตัวนำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าคือปลายการทำงาน ตัวนำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าคือปลายอิสระ และปลายอิสระมักจะอยู่ที่อุณหภูมิคงที่ ตามความสัมพันธ์ของฟังก์ชันระหว่างเทอร์โมอิเล็กทริก EMF และอุณหภูมิ จะมีการสร้างตารางสำเร็จการศึกษาของเทอร์โมคัปเปิล ตารางการสำเร็จการศึกษาจะได้รับเมื่ออุณหภูมิสิ้นสุดอิสระคือ 0 ℃ และเทอร์โมคัปเปิลที่แตกต่างกันก็มีตารางการสำเร็จการศึกษาที่แตกต่างกัน

 

เมื่อวัสดุโลหะตัวที่สามเชื่อมต่อกับวงจรเทอร์โมคัปเปิล ตราบใดที่อุณหภูมิของหน้าสัมผัสทั้งสองของวัสดุเท่ากัน ศักย์เทอร์โมอิเล็กทริกที่สร้างโดยเซ็นเซอร์เทอร์โมคัปเปิลจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวคือ มันจะไม่ได้รับผลกระทบจากโลหะตัวที่สามในวงจร ดังนั้นเมื่อใช้เทอร์โมคัปเปิลในการวัดอุณหภูมิ จึงสามารถเชื่อมต่อกับเครื่องมือวัดได้ และสามารถทราบอุณหภูมิของตัวกลางที่วัดได้หลังจากวัดอุณหภูมิ EMF ของเทอร์โมอิเล็กทริกแล้ว เมื่อทำการวัดอุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิล อุณหภูมิของปลายเย็น (ปลายการวัดคือปลายร้อน และปลายที่เชื่อมต่อกับวงจรการวัดผ่านลวดตะกั่วเรียกว่าปลายเย็น) จะต้องไม่เปลี่ยนแปลง และศักยภาพทางความร้อนของมันจะแปรผันตามอุณหภูมิที่วัดได้ หากอุณหภูมิด้านความเย็น (สภาพแวดล้อม) เปลี่ยนแปลงในระหว่างการวัด จะส่งผลร้ายแรงต่อความแม่นยำในการวัด การใช้มาตรการบางอย่างเพื่อชดเชยอิทธิพลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิปลายเย็นเรียกว่าการชดเชยปลายเย็นปกติของเทอร์โมคัปเปิล ลวดชดเชยพิเศษสำหรับเชื่อมต่อกับเครื่องมือวัด

 

มีวิธีการคำนวณค่าชดเชยจุดเชื่อมต่อความเย็นของเทอร์โมคัปเปิลสองวิธี อย่างแรกคือจากมิลลิโวลต์ถึงอุณหภูมิ: วัดอุณหภูมิปลายเย็น แปลงเป็นค่ามิลลิโวลต์ที่สอดคล้องกัน เพิ่มเป็นค่ามิลลิโวลต์ของ เทอร์โมคัปเปิลแบบแปลน และแปลงเป็นอุณหภูมิ การชดเชยอีกอย่างคือจากอุณหภูมิเป็นมิลลิโวลต์: วัดอุณหภูมิจริงและอุณหภูมิปลายเย็น แปลงเป็นมิลลิโวลต์ตามลำดับ แล้วได้มิลลิโวลต์หลังจากลบ ซึ่งก็คืออุณหภูมิ