Termočlánok: Základný princíp a dizajn
Termočlánky sa vo veľkej miere používajú na meranie kritických teplín od začiatku 20.
storočia, najmä vo veľmi vysokom teplotom rozsahu. Pre mnohé priemyselné a procesné
aplikácie, T / C a RTD (Detektor teploty odporu) sa stali "zlatým štandardom" pre
meranie teploty. Hoci má VTR lepšiu presnosť a opakovateľnosť, ale relatívne
termočlánok má nasledujúce výhody:
• Veľký rozsah
• Rýchle reaktné časy
• Nižšie náklady
• Lepšia životnosť
• Samo napájaný (nevyžaduje sa žiadny excitačný signál)
• Žiadny samohrievavý účinok
Použitie termočlánkov na vysoko presné meranie teploty však môže byť zložitejšie. Presnosť merania môžete optimalizovať pomocou návrhu a kalibrácie pevného obvodu, ale pochopenie toho, ako termočlánok funguje, vám pomôže navrhnúť obvod alebo použiť teplomer.
Keď sa na dĺžku drôtu aplikuje zdroj napätia, prúd prúdi zo strany plus do
mínus strana a drôt sa zohreje, čo spôsobí časť energetickej straty. Seebeckov efekt,
objavil Thomas Seibeck v roku 1821, je opačný jav: keď je teplotný gradient
aplikovaný na kus drôtu, vytvorí sa potenciál. Toto je fyzický základ termočlánku
.
Ak ∇V gradient napätia, ∇T je teplotný gradient a S (T) je Seebeckov koeficient. Seebeckov koeficient súvisí s materiálom a je tiež funkciou teploty. Napätie medzi dvoma rôznymi teplotnými bodmi na kuse drôtu sa rovná integrálu funkcie Seebeckovho koeficientu nad teplotou.
Napríklad T1, T2 a T3 na obrázku 1 predstavujú teploty v rôznych bodoch na kuse drôtu. T1 (modrá) označuje najnižší teplotný bod a T3 (červená) označuje najvyšší teplotný bod. Napätie medzi T2 a T1 je:
Podobne napätie medzi T3 a T1 je:
Podľa doplnkovej povahy integrálu sa V31 tiež rovná:
Pri diskusii o termočlánkovom napätí a konverziách teploty na to myslíme.
Obrázok 1: Podľa Seebeckho koeficientu teplotný gradient vytvára napätie naprieč
vodivého kovu.
Termočlánok sa skladá z dvoch rôznych kovov, Seebeckov koeficient S (T) drôtu
je vo všeobecnosti iná. Keďže rozdiel teploty kovu môže spôsobiť rozdiel napätia,
prečo sa musia použiť dva kovy? Predpokladá sa, že drôt na obr.
Ak je voltmetricá sonda vyrobená z materiálu A, teoreticky voltmeter nezistí žiadne
Napätie.
Obrázok 2: Pripojenie merania napätia. Ak je materiál sondy a drôtu rovnaký,
nebude žiadny potenciálny rozdiel.
Dôvodom je, že keď je sonda pripojená ku koncu drôtu, ekvivalent predĺženia
drôtu. Dva konce dlhého drôtu sú pripojené k vstupu voltmetra a majú
rovnaká teplota (TM). Ak je teplota dvoch koncov drôtu rovnaká, nie je žiadne napätie
Generované. Aby sme to matematicky dokázali, vypočítame akumulované napätie v celej
kovového krúžku od kladnej svorky po zápornú svorku voltmetra.
Podľa adritivity integrálu sa vyššie uvedená rovnica stáva:
Ak sú dolná hranica a horná hranica integrálu rovnaké, výsledok integrácie je V = 0. Ak je materiál sondy B, ako je znázornené na obrázku 3, potom:
Aby sme zjednodušili vyššie uvedenú rovnicu, získame:
Rovnica 9 ukazuje, že namerané napätie sa rovná integrálu rozdielu medzi funkciami Seebeckho koeficientu týchto dvoch materiálov. To je dôvod, prečo termočlánky používajú dva rôzne kovy.
Obrázok 3: Pripojenie merania napätia. Sonda a drôt sú vyrobené z rôznych materiálov,
ilustrujúce fyzickú realitu Seebeckho koeficientu.
Materiál A: Materiál A
Materiál B: Materiál B
Voltmeter: Voltmeter
Na základe obvodu na obrázku 3 a rovnici 9 stále nemôžeme vypočítať teplotu (TH) horúcej strany, pokiaľ nepoznáme teplotu (TC) na studenej križovatke, vzhľadom na to, že SA (T), SB (T) a namerané napätie sú známe. V počiatočných štádiách termočlánku sa ako referenčná teplota (termín "studený koniec") použila ľadová pec s teplotou 0 ° C kvôli nízkym nákladom, jednoduchej implementácii a samoregulačnej teplote. Ekvivalentný obvod je znázornený na obr.
Obrázok 4: Termočlánok vyžaduje referenčnú teplotu 0 °C, ako je znázornené na obrázku
vypočítajte neznámu teplotu TH.
Hoci poznáme referenčnú teplotu obvodu znázornenú na obrázku 4, nie je praktické
získať TH integráciou. Takže je tu podpora pre spoločný typ termočlánku štandardu
referenčnú tabuľku, tabuľku možno získať zodpovedajúcim napätím zodpovedajúceho
Teplota. Treba však mať na pamäti, že všetky štandardné termočlánky sú
pri teplote 0 °C ako referenčný bod.
Termočlánokový systém
Moderný termočlánok sa skladá z dvoch rôznych vodičov pripojených na jednom konci (TH). Napätie bolo
merané na otvorenom konci drôteného páru. Podľa ekvivalentného obvodu zobrazeného na obr.
VC je rovnaká ako rovnica 9 na obr.
Obrázok 5: Moderná termočlánoková konfigurácia s kompenzáciou studenej spojky.
Kompenzácia studenej križovatky
Kompenzácia studenej križovatky Teplota studenej križovatky (TC) môže byť pre zamrznutie nastavená na 0 °C
bodovej pece, ale v praxi nepoužívame ľadové vedro ako referenčnú teplotu. Použití
metóda CJC (kompenzácia studenej spojky), teplotu horúcej spojky možno vypočítať
bez použitia teploty studenej spojky 0 °C. Dokonca ani teplota studenej spojky nie je
nevyhnutne konštantné. Metóda používa iba jeden snímač teploty na meranie bodu TC
Teplota. Ak je známy TC, je možné získať TH.
Ak na meranie teploty studenej spojky použijeme snímač teploty, prečo tento snímač nepou
merať teplotu horúcej strany priamo? Ako vidíte, teplota studenej križovatky
rozsah je oveľa užší ako teplotný rozsah horúcej križovatky, takže snímač teploty
podporovať extrémne teploty podporované termočlánokom.
Použitie CJC na výpočet teploty horúceho konca
Ako je uvedené vyššie, všetky štandardné termočlánky referenčné tabuľky sa získavajú pri 0 ° C pri chladnom
Junction. Ako teda použiť referenčnú tabuľku na získanie horúcej bočnej teploty? Predstavte si rozšírenie otvoreného
termočlánku vyššie a pripojenie imaginárneho konca ku križovatke s teplotou
0 °C (obrázok 6). Ak môžeme vypočítať hodnotu V0, pomocou referenčnej tabuľky je veľmi ľahké získať
zodpovedajúcu teplotu na horúcej strane.
Obrázok 6: Pripojte predĺženú termočlánok ku križovatke 0 °C, aby ste určili neznáme
teplota križovatky, TH.
Určiť V0
Zmena usporiadania vyššie uvedeného vzorca:
Prvý výraz v rovnici 13 je identický s rovnicou 10 (získaný z obrázku 5). Ekvivalentný výkon napätia je VC, čo je známa hodnota, pretože teplota na studenej križovatke sa meria voltometrom. Druhý termín je ekvivalentný výstupu termočlánku, keď sa teplota horúcej spojky rovná TC a teplota studenej spojky sa rovná 0 ° C. Keďže TC sa meria aj samostatným snímačom teploty, môžeme použiť štandardnú referenčnú tabuľku na nájdenie zodpovedajúceho napätia Seebeck (Vi) pre druhý výraz v rovnici 13:
Pri tejto hodnote V0 je možné určiť zodpovedajúcu teplotu pri TH zo štandardného
referenčnej tabuľke.
Použitie kompenzácie za studena na výpočet teploty horúceho konca procesu
je rozdelená do nasledujúcich krokov:
• Zmerajte teplotu studenej spojky (TC) pomocou snímača teploty.
• Zmerajte teplotu studenej spojky.
• TC sa konvertuje na napätie (Vi) pomocou štandardnej referenčnej tabuľky.
• Vypočítajte V0 = Vi + VC.
• Previesť V0 na teplotu TH pomocou štandardnej referenčnej tabuľky.
Štandardné termočlánky nájdete v termočlánkovej databáze NIST ITS-90.
Webová stránka NIST ITS-90 tiež poskytuje súbor vzorcov pre každý termočlánok, ktorý
na konverziu teploty na napätie, ak vyhľadávacie tabuľky nie je možné implementovať v súlade
mikrokontrolérov z pamäte alebo z iných dôvodov.
Kľúčové body návrhu systému
Doteraz je vyššie uvedená diskusia obmedzená na teoretické znalosti termočlánku. S cieľom
optimalizovať presnosť skutočného systému, existuje niekoľko vecí, ktoré treba poznamenať. Každé zariadenie v
základný termočlánokový signálny reťazec (obrázok 7) ovplyvní presnosť konverzie a musí byť
starostlivo vybrané, aby sa minimalizovali chyby.
Obrázok 7: Základné prvky termočlánku meracieho systému zahŕňajú zosilňovač a ADC,
a mikrokontrolér, ktorý dokáže neskôr vypočítať neznámu teplotu.
Systémová doska: Systémová doska
Zosilňovač: Zosilňovač
Snímač teploty: Snímač teploty
Z ľavej strany obrázku 7 je termočlánok pripojený ku konektoru systému
dosky plošných spojov. Samotný termočlánok je tiež snímač a môže byť tiež zdrojom chýb. Dlhšie
termočlánky môžu ľahko zachytiť elektromagnetický hluk okolitého prostredia;
tienený drôt môže účinne znížiť hluk. Ďalším prvkom je zosilňovač, ktorý má vysokú
vstupná impedancia je veľmi dôležitá, pretože vstupná impedancia zosilňovača a termočlánok
odolnosť voči vytvoreniu rozdeľovača napätia. Čím vyššia je vstupná impedancia zosilňovača, tým menšia je
chyba.
Okrem toho zosilňovač zvyšuje termočlánokový výstup, termočlánokový výstup je zvyčajne milivoltový
Rozsah. Hoci vysoký zisk zosilňovača s uzavretým cyklom zosilňuje signál aj hluk, pridanie
nízko-priepustný filter na vstup ADC eliminuje väčšinu hluku. Pretože teplota nie je
veľmi rýchlo zmeniť, konverzný pomer ADC pre takéto aplikácie je zvyčajne veľmi nízky - môže
vzorky len niekoľkokrát za sekundu, takže nízko priepustný filter je veľmi účinný.
Nakoniec, palubný snímač teploty musí byť veľmi blízko konektora studeného konca (v ideálnom prípade
v kontakte s koncom termočlánku, ale v mnohých prípadoch nie je podmienka povolená)
najlepšie meranie teploty studenej spojky. Akékoľvek chyby v meraní studenej križovatky
sa odrazí vo výpočte teploty horúcej križovatky.
Príklady termočlánkových obvodov a výsledky skúšok
Či už navrhujete vlastný termočlánokový merací obvod alebo používate referenčný dizajn,
overiť jeho presnosť. Presné overenie referenčnej konštrukcie MAXREFDES67 #
(obrázok 8)
je popísané nižšie.
V tomto prípade
Obrázok 8: MAXREFDES67 # je referenčná konštrukcia termočlánkov a RTD, ktoré merajú napätie
a merať teplotu v teplotných rozsahoch -40 °C až 150 °C.
Aby sme ilustrujú, ako minimalizovať chyby merania, najprv berieme termočlánok ako
napríklad referenčný dizajn MaxREFDES67 od spoločnosti Maxim. S cieľom overiť chybu
meracieho systému alebo akéhokoľvek meracieho systému, známa teplota a spoľahlivý prístroj sú
potrebné na porovnanie. V tomto príklade sme použili tri referenčné teplomery: Omega HH41
teplomer (teraz nahradený HH42), referenčným teplomerom ETI a teplotou Fluke 724
kalibrátora. Termočlánok typu K pripojený k MAXREFDES67 # je umiestnený v fluke 7341
kalibračná sušiareň a kalibrovaná pri 20 °C. Na údaje modrej bodky odkazuje Omega HH41 a
údaje zelenej bodky sa odkazujú na zariadenie ETI. Údaje červenej bodky zobrazujú maximálnu chybu menšieho
0,1 °C, na základe kalibrátora Fluke 724, ale na rozdiel od predchádzajúceho testu bol Fluke 724
nepoužíva ako referenčný nástroj. Simulujte ideálny termočlánok typu K a pripojte
maxrefdes67 # do termočlánku predlžovacieho kábla. Obrázok 9 znázorní výsledky testov.
Obrázok č. 9. Pomocou Omnitec EC3TC (termočlánok typu K kalibrovaný pri 20 °C) vyhodnoťte
MAXREFDES67 # chyba verzus teplota a porovnajte ju s ostatnými tromi referenčnými teplomermi.
Výsledky ukazujú veľmi vysokú presnosť.
aby sme to zhrnuli
Termočlánky majú mnoho výhod v aplikáciách merania priemyselnej teploty, vrátane
teplotný rozsah, čas odozvy, náklady a trvanlivosť. Termočlánoková teória je trochu viac
zložité, ale musíme to plne pochopiť, aby sme mohli vykonať presné merania, ako aj
vysoko presný prechod z napätia na teplotu. MAXREFDES67 # referenčný dizajn s použitím
MAX11254 a MAX6126 tieto dva čipy, obzvlášť vhodné pre termočlánok
meranie týchto malých aplikácií merania citlivých na signál s vysokou presnosťou. The MAX11254
je 6-kanálový, 24-bitový delta-sigma ADC, ktorý dosahuje nízku hlučnosť a presnosť pri súčasnom znížení výkonu
rozptyl 10-krát. MAX6126 je veľmi nízka hlučnosť, ultra vysoká presnosť, nízko vypadávavý tandem
referenčné napätie, Teplotný koeficient 3ppm / ° C (max), s vynikajúcim ± 0,02% (max)
počiatočnú presnosť.
