Термоелемент: Основни принцип и дизајн
Термопарови се у великој мери користе за мерење критичне температуре од почетка 20. века
века, нарочито у веома високом температурном опсегу. За многе индустријске и процесне критике
апликације, Т / Ц и РТД (Отпорни температурни детектор) постали су ГГ „златни стандард ГГ“; за
мерење температуре. Иако РТД има бољу тачност и поновљивост, али релативно
говорећи, термоелемент има следеће предности:
• Велики опсег
• Брзо време одзива
• Нижа цена
• Боља трајност
• Само напајање (није потребан сигнал побуде)
• Нема ефекат самозагревања
Међутим, употреба термопарова за прецизно мерење температуре може бити сложенија. Можете да оптимизујете тачност мерења помоћу дизајна и калибрације круг круга, али разумевање начина рада термоелемента помаже вам у дизајнирању кола или коришћењу термометра.
Када се извор напона примени на дужину жице, струја тече са плус стране на
минус страна, а жица се загрева, узрокујући део губитка енергије. Сеебецков ефекат,
открио Тхомас Сеибецк 1821. године, обрнута је појава: када је градијент температуре
нанети на комад жице ствара се потенцијал. Ово је физичка основа термоелемента
.
Тамо где је ∇В градијент напона, ∇Т је градијент температуре, а С (Т) је Сеебецков коефицијент. Сеебецков коефицијент повезан је са материјалом и такође је функција температуре. Напон између две различите температурне тачке на комаду жице једнак је интегралу функције Сеебецковог коефицијента над температуром.
На пример, Т1, Т2 и Т3 на слици 1 представљају температуре у различитим тачкама на комаду жице. Т1 (плава) означава најнижу температурну тачку, а Т3 (црвена) означава највишу температурну тачку. Напон између Т2 и Т1 је:
Слично томе, напон између Т3 и Т1 је:
Према адитивној природи интеграла, В31 је такође једнак:
Ово имамо на уму када разговарамо о претворби напона и температуре термоелемента.
Слика 1: Према Сеебецковом коефицијенту, градијент температуре производи напон преко
проводни метал.
Термоелемент се састоји од два различита метала, Сеебецков коефицијент С (Т) жице
је генерално другачији. Пошто разлика у температури метала може произвести разлику напона,
зашто се морају користити два метала? Претпоставља се да је жица на слици 2 направљена од материјала ГГ "А ГГ".
Ако је сонда за волтметар направљена од материјала А, теоретски, волтметар неће открити ниједну
Волтажа.
Слика 2: Прикључак за мерење напона. Када су материјал сонде и жице исти,
неће бити потенцијалне разлике.
Разлог је тај што је када је сонда прикључена на крај жице, еквивалент продужењу
жица. Два краја дуге жице повезана су на улаз волтметра и имају
иста температура (ТМ). Ако је температура два краја жице иста, напон није
генерисан. Да бисмо то математички доказали, израчунавамо акумулирани напон у целини
метални прстен од позитивне стезаљке до негативне стезаљке волтметра.
Према адитивности интеграла, горња једначина постаје:
Када су доња и горња граница интеграла исте, резултат интеграције је В=0. Ако је материјал сонде Б, као што је приказано на слици 3, тада:
Да бисмо поједноставили горњу једначину, добијамо:
Једначина 9 показује да је измерени напон једнак интегралу разлике између Сеебецкових функција коефицијента два материјала. Због тога термопарови користе два различита метала.
Слика 3: Прикључак за мерење напона. Сонда и жица су направљени од различитих материјала,
илуструјући физичку стварност Сеебецковог коефицијента.
Материјал А: Материјал А.
Материјал Б: Материјал Б.
Волтметар: Волтметар
На основу кола на слици 3 и једначине 9 још увек не можемо израчунати температуру (ТХ) вруће стране уколико не знамо температуру (ТЦ) на хладном споју, с обзиром на то да СА (Т), СБ (Т) и познати су измерени напон. У раним фазама термоелемента, као референтна температура коришћена је рерна са леденом тачком температуре 0 ° Ц (термин ГГ; хладни крај ГГ;), због своје ниске цене, лакоће примене и саморегулишућа температура. Еквивалентно коло приказано је на сл
Слика 4: Термоелементу је потребна референтна температура од 0 ° Ц како је приказано на слици до
израчунати непознату температуру ТХ.
Иако знамо референтну температуру круга приказану на слици 4, она није практична
да се ТХ добије интеграцијом. Дакле, постоји подршка за уобичајени тип стандарда термоелемената
референтна табела, табела се може добити одговарајућим излазним напоном одговарајуће
температура. Међутим, мора се имати на уму да су све стандардне референтне табеле термоелемената
нацртана на 0 ° Ц као референтна тачка.
Систем термоелемената
Савремени термоелемент састоји се од две различите жице повезане на једном крају (ТХ). Напон је био
мерено на отвореном крају жичаног пара. Према еквивалентном колу приказаном на слици 5,
ВЦ је исто што и једначина 9 на сл.
Слика 5: Савремена конфигурација термопарова са компензацијом хладног споја.
Компензација хладног споја
Компензација хладног споја Температура хладног споја (ТЦ) може се подесити на 0 ° Ц за смрзавање
тачкасте пећи, али у пракси канту за лед не користимо као референтну температуру. Користећи
методом ЦЈЦ (компензација хладног споја) може се израчунати температура врућег споја
без употребе температуре хладног споја од 0 ° Ц. Ни температура хладног споја није
нужно константан. Метода користи само један температурни сензор за мерење ТЦ тачке
температура. Ако је ТЦ познат, ТХ се може добити.
Ако сензор температуре користимо за мерење температуре хладног споја, зашто не бисмо користили овај сензор
за директно мерење температуре вруће стране? Као што видите, температура хладног споја
опсег је много ужи од распона температуре врућег споја, па сензор температуре не
треба да подржи екстремне температуре подржане термоелементом.
Коришћење ЦЈЦ за израчунавање температуре врућег краја
Као што је горе поменуто, све стандардне референтне табеле термоелемената добијају се на хладноћи од 0 ° Ц
спој. Па како користити референтну табелу за добијање вруће бочне температуре? Замислите да продужите отворено
крај термоелемента изнад и повезивање замишљеног краја на спој са температуром од
0 ° Ц (слика 6). Ако можемо израчунати вредност В0, коришћење референтне табеле је врло лако добити
одговарајућа температура вруће стране.
Слика 6: Повежите продужени термоелемент на спој 0 ° Ц да бисте утврдили непознато вруће
температура споја, ТХ.
Одредити В0
Преуредите горњу формулу:
Први члан у једначини 13 идентичан је једначини 10 (добијен са слике 5). Еквивалентни излазни напон је ВЦ, што је позната вредност, јер се температура на хладном споју мери волтметром. Други члан је еквивалентан излазу термоелемента када је температура врућег споја једнака ТЦ, а температура хладног споја једнака 0 ° Ц. Будући да се ТЦ мери и одвојеним температурним сензором, можемо користити стандардну референтну табелу како бисмо пронашли одговарајућу Сеебецков напон (Ви) за други члан у једначини 13:
Са овом вредношћу В0, одговарајућа температура на ТХ може се одредити из стандарда
референтна табела.
Употреба компензације хладног споја за израчунавање температуре врућег краја процеса
је подељен у следеће кораке:
• Измерите температуру хладног споја (ТЦ) помоћу сензора температуре.
• Измерите температуру хладног споја.
• ТЦ се претвара у напон (Ви) помоћу стандардне референтне табеле.
• Израчунај В0=Ви + ВЦ.
• Претворите В0 у температуру ТХ користећи стандардну референтну табелу.
Погледајте базу података термоелемената НИСТ ИТС-90 за стандардне референтне табеле термоелемената.
Веб локација НИСТ ИТС-90 такође пружа скуп формула за сваки тип термопарова који може бити
користи се за претварање температуре у напон ако се табела тражења не може применити у
микроконтролери због меморије или других разлога.
Кључне тачке дизајна система
До сада је горња дискусија ограничена на теоријско знање термоелемента. Да би
да бисте оптимизовали тачност стварног система, има неколико ствари које треба напоменути. Сваки уређај у
основни сигнални ланац термоелемента (слика 7) утицаће на тачност претворбе и мора бити
пажљиво одабран да минимизира грешке.
Слика 7: Основни елементи система за мерење термопарова укључују појачало и АДЦ,
и микроконтролер који касније може израчунати непознату температуру.
Системска плоча: Системска плоча
Појачало: Појачало
Сензор температуре: Сензор температуре
Са леве стране слике 7, термоелемент је повезан са конектором система
плоча. Сам термоелемент је такође сензор и такође може бити извор грешке. Дуже
термопарови могу лако да појачају електромагнетни шум околног окружења;
заштићена жица може ефикасно смањити буку. Следећи елемент је појачало, које има високу
улазна импеданса је веома важна јер су улазна импеданса појачала и термоелемент
отпор формирању делитеља напона. Што је већа улазна импеданса појачала, то је мања
грешка.
Поред тога, појачало повећава излаз термоелемента, излаз термоелемента је обично миливолт
домет. Иако појачало ГГ # 39; с великим појачањем затворене петље појачава и сигнал и шум, додајући а
нископропусни филтер на АДЦ улаз уклања већину шума. Јер температура не
промене се врло брзо, стопа конверзије АДЦ-а за такве апликације је обично врло ниска - може
узоркујте само неколико пута у секунди, тако да је нископропусни филтер врло ефикасан.
Коначно, уграђени сензор температуре мора бити врло близу прикључка за хладни крај (идеално је
у контакту са крајем жице термоелемента, али у многим случајевима стање није дозвољено)
да би се постигло најбоље мерење температуре хладног споја. Било какве грешке у мерењу хладног споја
одразиће се у прорачуну температуре врућег споја.
Примери кругова термоелемената и резултати испитивања
Било да дизајнирате сопствени круг за мерење термопарова или користите референтни дизајн, треба вам
ради провере његове тачности. Верификација прецизности референтног дизајна МАКСРЕФДЕС67 #
(Фигура 8)
је описано у наставку.
У овом случају,
Слика 8: МАКСРЕФДЕС67 # је референтни дизајн за термопарове и РТД-ове који мере напон
а струју и измерите температуру у опсегу температуре од -40 ° Ц до 150 ° Ц.
Да бисмо илустровали како да минимализујемо грешке у мерењу, систем термоелемената прво узимамо као
пример, као што је Макреф ГГ # 39; с МАКСРЕФДЕС67 референтни дизајн. Да би се потврдила грешка
мерни систем или било који мерни систем, позната температура и поуздан инструмент су
потребан за поређење. У овом примеру смо користили три референтна термометра: Омега ХХ41
термометар (сада замењен са ХХ42), ЕТИ референтни термометар и Флуке 724 температура
калибратор. Термоелемент типа К повезан на МАКСРЕФДЕС67 # смештен је у Флуке 7341
калибрациона пећ и калибрисана на 20 ° Ц. На податке о плавим тачкама наводи Омега ХХ41 и
подаци зелене тачке се односе на ЕТИ уређај. Подаци црвене тачке показују максималну грешку мању
испод 0,1 ° Ц, на основу калибратора Флуке 724, али за разлику од претходног теста, Флуке 724 је
не користи се као референтни инструмент. Симулирајте идеалан излаз термоелемента типа К и повежите
улаз МАКСРЕФДЕС67 # у продужни кабл термоелемента. Слика 9 приказује резултате испитивања.
Слика 9. Користећи Омнитец ЕЦ3ТЦ (термоелемент типа К, калибрисан на 20 ° Ц), процените
МАКСРЕФДЕС67 # грешка у односу на температуру и упоредите је са остала три референтна термометра.
Резултати показују врло високу тачност.
да сумирам
Термопарови имају бројне предности у примени индустријских мерења температуре, укључујући
опсег температуре, време одзива, цена и трајност. Теорија термопарова је мало више
сложен, али га морамо у потпуности разумети како бисмо могли да извршимо и тачна мерења
високо прецизни прелази са напона на температуру. МАКСРЕФДЕС67 # референтни дизајн користећи
МАКС11254 и МАКС6126 ова два чипа, посебно погодна за температуру термопарова
мерење ове мале апликације осетљивости на сигнал, високе прецизности. МАКС11254
је 6-канални, 24-битни, делта-сигма АДЦ који постиже низак ниво шума и тачност уз истовремено смањење снаге
расипање за 10 пута. МАКС6126 је тандем врло ниске буке, ултра високе тачности и малог осипања
референтни напон, температурни коефицијент 3ппм / ° Ц (мак), са одличних ± 0,02% (мак)
почетна тачност.
