Термокупль: основний принцип і конструкція
Термоперетворювачі широко використовуються для критичних вимірювань температури з початку 20-х років
століття, особливо в дуже високому температурному діапазоні. Для багатьох промислових і технологічних
програми, T / C і RTD (датчик температури опору) стали «золотим стандартом» для
вимірювання температури. Хоча RTD має кращу точність і повторюваність, але відносно
говорячи, термокапль має наступні переваги:
• Великий асортимент
• Швидкий час відгуку
• Більш низька вартість
• Краща довговічність
• З живленням від мережі (сигнал збудження не потрібен)
• Відсутність ефекту самоопалу
Однак використання термоперетворювань для високоточного вимірювання температури може бути більш складним. Ви можете оптимізувати точність вимірювання за допомогою конструкції та калібрування твердих схем, але розуміння того, як працює термоперетворювачі, допомагає спроектувати схему або використовувати термометр.
Коли джерело напруги наноситься на довжину дроту, струм стікає з плюсової сторони в
мінус сторона, і дріт нагрівається, викликаючи частину втрати енергії. Ефект Зебека,
відкритий Томасом Сейбеком в 1821 році, є зворотним явищем: коли температурний градієнт
нанесений на шматок дроту, створюється потенціал. Це фізична основа термоупа
.
Де ∇V — градієнт напруги, ∇T — градієнт температури, а S (T) — коефіцієнт Seebeck. Коефіцієнт Зеєбека пов'язаний з матеріалом, а також є функцією температури. Напруга між двома різними температурними точками на шматку дроту дорівнює інтегралі функції коефіцієнта Seebeck над температурою.
Наприклад, T1, T2 і T3 на рисунку 1 представляють температури в різних точках на шматку дроту. T1 (синій) вказує на найнижчу температуру, а T3 (червоний) вказує на найвищу температуру. Напруга між T2 і T1 становить:
Аналогічним чином, напруга між T3 і T1 є:
За адилятивним характером інтеграла V31 також дорівнює:
Ми пам'ятати про це при обговоренні термоперетворювачів напруги і температури.
Рисунок 1: Згідно з коефіцієнтом Seebeck, градієнт температури виробляє напругу
струмопровідний метал.
Термопапл складається з двох різних металів, коефіцієнта Зебека S (T) дроту
зазвичай відрізняється. Оскільки різниця температур металу може призвести до різниці напруги,
чому потрібно використовувати два метали? Передбачається, що дріт на рис.
Якщо вольтметрний зонд виготовлений з матеріалу А, в теорії вольтметр не виявить
Напруги.
Рисунок 2: З'єднання вимірювання напруги. Коли матеріал щупа і дроту однакові,
потенційної різниці не буде.
Причина в тому, що при підключенні зонда до кінця дроту еквівалент
дроту. Два кінці довгого дроту з'єднуються з входом вольтметра і мають
такої ж температури (ТМ). Якщо температура двох кінців дроту однакова, напруга не
згенеровані. Щоб довести це математично, розраховуємо накопичену напругу по всій
металеве кільце від позитивного клеми до негативного клеми вольтметра.
Згідно з адиталітою інтеграла вище рівняння стає:
Коли нижня межа і верхня межа інтеграла однакові, результатом інтеграції є V = 0. Якщо матеріалом зонда є B, як показано на рисунку 3, то:
Щоб спростити вище рівняння, отримуємо:
Рівняння 9 показує, що виміряна напруга дорівнює інтегралю різниці між функціями коефіцієнта Seebeck двох матеріалів. Ось чому термоупати використовують два різних метали.
Рисунок 3: З'єднання вимірювання напруги. Щуп і дріт виготовляються з різних матеріалів,
ілюструє фізичну реальність коефіцієнта Зебека.
Матеріал А: Матеріал А
Матеріал B: Матеріал B
Вольтметр: Вольтметр
Виходячи з схеми на рисунку 3 і формулі 9, ми все ще не можемо розрахувати температуру (TH) гарячої сторони, якщо не знаємо температуру (TC) на холодному з'стику, враховуючи, що SA (T), SB (T) і виміряна напруга відомі. На ранніх стадіях термокупла в якості еталонної температури використовувалася крижана піч з температурою 0 ° С (термін «холодний кінець»), через її невисоку вартість, простоту реалізації, саморегулюючу температуру. Еквівалентна схема показана на рис.
Рисунок 4: Термопайп вимагає еталонної температури 0 ° C, як показано на малюнку, щоб
розрахувати невідому температуру TH.
Хоча ми знаємо еталонну температуру ланцюга, зображену на рисунку 4, вона не є практичною
для отримання TH шляхом інтеграції. Так що є опора загального типу термокапльного стандарту
таблиці, таблицю можна отримати відповідним виходом напруги відповідного
Температура. Однак слід мати на увазі, що всі стандартні таблиці термоупа
при 0 ° C в якості контрольної точки.
Термокупльна система
Сучасний термоупаж складається з двох різних проводів, з'єднаних на одному кінці (TH). Напруга була
вимірюється на відкритому кінці дротяної пари. Відповідно до еквівалентної схеми, наведеної на рис.
VC такий же, як і рівняння 9 на рис.
Рисунок 5: Сучасна конфігурація термокупла з компенсацією холодного з'єднання.
Компенсація холодного з'єднання
Компенсація холодного з'єднання Температура холодного з'єднання (TC) може бути встановлена на 0 ° C для
точкова піч, але на практиці ми не використовуємо відро льоду в якості еталонної температури. Використання
методом CJC (компенсація холодного з'єднання), можна розрахувати температуру гарячого з'єднання
без використання температури холодного з'єднання 0 °C. Навіть температура холодного з'єднання не
обов'язково постійний. Метод використовує тільки один датчик температури для вимірювання точки TC
Температура. Якщо TC відомий, TH можна отримати.
Якщо ми використовуємо датчик температури для вимірювання температури холодного з'єднання, чому б не використовувати цей датчик
вимірювати температуру гарячої сторони безпосередньо? Як бачите, температура холодного з'єднання
діапазоні набагато вужчий, ніж діапазон температур гарячого з'єднання, тому датчик температури не
необхідно підтримувати екстремальні температури, підтримувані термокапою.
Використання CJC для розрахунку температури гарячого кінця
Як вже говорилося вище, всі стандартні термокупові еталонні таблиці отримують при 0 ° C при холоді
Перехід. Отже, як використовувати довідкову таблицю, щоб отримати гарячу температуру сторони? Уявіть собі розширення відкритих
зверху і з'єднання уявного кінця з примикання з температурою
0 ° C (Малюнок 6). Якщо ми можемо обчислити значення V0, то за допомогою довідкової таблиці дуже легко отримати
відповідної температури на гарячій стороні.
Рисунок 6: Під'єднайте розширений термопайп до розв'язки 0 °C, щоб визначити
температура з'єднання, TH.
Визначити V0
Перевпорядкування наведеної вище формули:
Перший термін у формулі 13 ідентичний формулі 10 (отриманому з рисунка 5). Еквівалентним виходом напруги є ВК, що є відомим значенням, оскільки температура на холодному стику вимірюється вольтметром. Другий термін еквівалентний виходу термоупа, коли температура гарячого з'єднання дорівнює TC, а температура холодного з'єднання дорівнює 0 ° C. Оскільки TC також вимірюється окремим датчиком температури, ми можемо використовувати стандартну довідкову таблицю, щоб знайти відповідну напругу Seebeck (Vi) для другого терміну в формулі 13:
При цьому значенні V0 відповідну температуру при TH можна визначити зі стандартного
таблиці посилань.
Використання компенсації холодного з'єднання для розрахунку температури гарячого кінця процесу
ділиться на наступні кроки:
• Виміряйте температуру холодного з'єднання (TC) за допомогою датчика температури.
• Виміряйте температуру холодного з'єднання.
• TC перетворюється на напругу (Vi) за допомогою стандартної довідкової таблиці.
• Обчислити V0 = Vi + VC.
• Перетворіть V0 на температуру TH за допомогою стандартної довідкової таблиці.
Стандартні таблиці термокуплів NIST ITS-90 наведено в базі даних термокупля.
Веб-сайт NIST ITS-90 також надає набір формул для кожного типу термокупля, які можна
використовується для перетворення температури на напругу, якщо таблиця пошуку не може бути реалізована в
мікроконтролери з-за пам'яті або з інших причин.
Ключові моменти проектування системи
Поки що наведена вище дискусія обмежується теоретичними знаннями термокупла. Для того, щоб
оптимізувати точність фактичної системи, є кілька речей, щоб відзначити. Кожен пристрій у
ланцюга сигналу термоперетворювального термоперетворювачі (рисунок 7) вплине на точність перетворення і
ретельно підібрані, щоб мінімізувати помилки.
Рисунок 7: Основні елементи системи вимірювання термоперетворювача включають підсилювач і АЦП,
і мікроконтролером, який може обчислити невідому температуру пізніше.
Системна дошка: Системна дошка
Підсилювач: підсилювач
Датчик температури: Датчик температури
З лівого боку малюнка 7 термопайп підключається до роз'єму системи
друкованої плати. Сам термокуп також є датчиком, а також може бути джерелом помилок. Довше
термоупли можуть легко підібрати електромагнітний шум навколишнього середовища;
захищений дріт може ефективно зменшити шум. Наступним елементом є підсилювач, який має високий
вхідний імподержувач дуже важливий, оскільки підсилювач вхідного імподного і термокупла
стійкість до формування розподільника напруги. Чим вище вхідний імподність підсилювача, тим менше
помилка.
Крім того, підсилювач збільшує вихід термопаплів, вихід термоупла зазвичай мілівольт
Діапазон. Хоча посилення високого замкнутого циклу підсилювача посилює як сигнал, так і шум, додаючи
низькокалорійний фільтр до входу АЦП усуває більшу частину шуму. Оскільки температура не
зміниться дуже швидко, коефіцієнт перетворення АЦП для таких додатків, як правило, дуже низький - він може
лише кілька разів на секунду, тому низькокалорійний фільтр дуже ефективний.
Нарешті, бортового датчика температури повинен бути дуже близько до роз'єму холодного кінця (в ідеалі
при контакті з кінцем проводу термоупа, але в багатьох випадках умова не допускається)
для отримання найкращого вимірювання температури холодного з'єднання. Будь-які помилки при вимірюванні холодного з'єднання
буде відображено в розрахунку температури гарячого з'єднання.
Приклади термоупальних ланцюгів і результати випробувань
Незалежно від того, чи проектують власну схему вимірювання термоперетворювачів, чи використовують еталонний дизайн, вам потрібно
для перевірки його точності. Точна перевірка еталонної конструкції MAXREFDES67 #
(Діаграма 8)
описано нижче.
У цьому випадку
Рисунок 8: MAXREFDES67 # є еталонним дизайном для термокупів та РТД, що вимірюють напругу
і струму і виміряйте температуру в діапазоні температур від -40 ° С до 150 ° С.
Щоб проілюструвати, як мінімізувати похибки вимірювання, ми спочатку беремо термоперетворювальну систему як
наприклад, довідковий дизайн MAXREFDES67 Максима. Для перевірки помилки
системи вимірювань або будь-якої системи вимірювань, відома температура і надійний
необхідних для порівняння. У цьому прикладі ми використали три еталонні термометри: Omega HH41
термометр (тепер замінено HH42), еталонний термометр ETI та температуру Fluke 724
калібратора. Термопайп типу K, підключений до MAXREFDES67 # поміщається в fluke 7341
калібрувальна піч і калібрована при 20 ° С. На дані синьої крапки посилається Омега HH41, і
дані зеленої крапки посилаються на пристрій ETI. Дані з червоною крапкою показують максимальну похибку менше
0,1 ° С, на основі калібратора Fluke 724, але на відміну від попереднього тесту, Fluke 724 був
не використовується як довідковий інструмент. Імітувати ідеальний вихід термокупла типу K та
вхід MAXREFDES67 # в подовжувач термокупля. На рисунку 9 показані результати тесту.
Малюнок 9. Використовуючи Omnitec EC3TC (термокупле типу K, відкалібрований при 20 ° С), оцініть
MAXREFDES67 # похибка в порівнянні з температурою і порівняйте її з іншими трьома еталонними термометрами.
Результати показують дуже високу точність.
підводячи підсумок
Термоперетворювачі мають багато переваг в промислових програмах вимірювання температури, в тому числі
температурний діапазон, час відгуку, вартість і довговічність. Теорія термоупла трохи більше
комплексний, але ми повинні повністю його розуміти, щоб ми могли робити точні вимірювання, а також
високоточні переходи від напруги до температури. MAXREFDES67 # довідковий дизайн з використанням
MAX11254 і MAX6126 ці дві мікросхеми, особливо придатні для термопапуляторної температури
вимірювання цього невеликого сигнального, високоточного вимірювального застосування. The MAX11254
— це 6-каналовий, 24-розрядний, дельта-сигма ADC, який досягає низького рівня шуму та точності, зменшуючи потужність
розсіюваю в 10 разів. MAX6126 - це дуже низький рівень шуму, надвисока точність, низький тандем
напруга посилання, Коефіцієнт температури 3ppm / ° C (макс), з відмінним ± 0,02% (макс)
початкової точності.
