Thermocouple: Basic Principle and Design
Termokauple su se intenzivno koristile za kritična mjerenja temperature od početka 20.
stoljeća, posebno u vrlo visokom temperaturnoj rasponu. Za mnoge industrijske i procesne kritične
aplikacije, T / C i RTD (Detektor temperature otpora) postali su "zlatni standard" za
mjerenje temperature. Iako RTD ima bolju tačnost i ponovečnost, ali relativno
govoreći, termokuple ima sljedeće prednosti:
• Veliki domet
• Brza vremena odziva
• Niža cijena
• Bolja trajnost
• Samonapajač (nije potreban signal uzbuđenja)
• Nema efekta samozagrevanja
Međutim, upotreba termokupa za visoko precizno mjerenje temperature može biti složenija. Svoju preciznost mjerenja možete optimizirati dizajnom i kalibracijom čvrstog kola, ali razumijevanje kako radi termokupl pomaže vam da dizajniraš svoje kolo ili koristiš termometar.
Kada se izvor napona nanese na dužinu žice, struja teče od plus strane do
minus strana, a žica se zagrijava, uzrokujući dio gubitka energije. Sibekov efekat,
otkrio Thomas Seibeck 1821, je obrnuti fenomen: kada je temperaturni gradijent
nanesena na komad žice, stvara se potencijal. Ovo je fizička osnova termokupula.
.
Gdje ∇V je gradijent napona, ∇T je temperaturni gradijent, a S (T) je Seebeckov koeficijent. Seebeck koeficijent je vezan za materijal i također je funkcija temperature. Napon između dvije različite temperaturne tačke na komadu žice jednak je integralu Funkcije Seebeck koeficijenta nad temperaturom.
Na primjer, T1, T2 i T3 na prikazu 1 predstavljaju temperature na različitim tačkama na komadu žice. T1 (plava) označava najnižu tačku temperature, a T3 (crvena) označava najviše temperaturnu tačku. Napon između T2 i T1 je:
Slično tome, napon između T3 i T1 je:
Prema dodatku prirode integrala, V31 je također jednak:
Ovo imamo na umu kada raspravljamo o termonaponskim naponima i konverzijama temperature.
Figura 1: Prema Seebeckovom koeficijentu, temperaturni gradijent proizvodi napon preko
provodni metal.
Termokupul se sastoji od dva različita metala, Seebeckov koeficijent S (T) žice
generalno je drugacije. Pošto razlika temperature metala može proizvesti razliku napona,
Zašto se moraju koristiti dva metala? Pretpostavlja se da je žica u fig. 2 napravljena od materijala "A".
Ako je voltmetarska sonda napravljena od materijala A, u teoriji, voltmetar neće otkriti nikakve
napon.
Figura 2: Veza za mjerenje napona. Kada je materijal sonde i žice isti,
Neće biti nikakve potencijalne razlike.
Razlog je što kada je sonda spojena na kraj žice, ekvivalent proširenja
žicu. Dva kraja duge žice su spojena na ulaz voltmetara i imaju
iste temperature (TM). Ako je temperatura dva kraja žice ista, nema napona
Generirano. Da bismo ovo dokazali matematički, izračunavamo akumulirani napon širom cijele
metalni prsten od pozitivnog terminala do negativnog terminala voltmetra.
Prema dodatku integrala, gorenja jednadžba postaje:
Kada su donja granica i gornje granice integrala iste, rezultat integracije je V = 0. Ako je materijal sonde B, kao što je prikazano na sličici 3, onda:
Da bi se pojednostavio gore navedeno jednadžba, dobijamo:
Jednačina 9 pokazuje da je izmjereni napon jednak integralu razlike između Funkcija Seebeck koeficijenta dvaju materijala. Zato termo-spojnice koriste dva različita metala.
Figura 3: Veza za mjerenje napona. Sonda i žica su od različitih materijala,
ilustrujući fizičku stvarnost Seebeckovog koeficijenta.
Materijal A: Materijal A
Materijal B: Materijal B
Voltmetar: Voltmetar
Na osnovu kruga na figure 3 i jednadžbe 9, još uvijek ne možemo izračunati temperaturu (TH) vruće strane osim ako ne znamo temperaturu (TC) na hladnom spoju, s obzirom da su SA (T), SB (T) i izmjereni napon poznati. U ranim fazama termokupule, kao referentna temperatura korištena je ledena pećnica s temperaturom od 0 ° C (termin "hladni kraj"), zbog niske cijene, jednostavnosti implementacije i samoregulirajuće temperature. Ekvivalentno kolo je prikazano u Smokvu
Na sliku 4: Termokupula zahtijeva referentnu temperaturu od 0 ° C kako je prikazano na
izračunati nepoznatu temperaturu TH.
Iako znamo referentnu temperaturu kruga prikazanu na sliku 4, nije praktično
za dobijanje TH integracijom. Dakle, postoji podrška za zajednički tip termokuple standarda
referentnu tablicu, tablica se može dobiti odgovarajućim izlazom napona odgovarajuće
Temperatura. Međutim, moramo imati na umu da su sve standardne referentne tablice termokuple
nacrtane na 0 ° C kao referentna tačka.
Termokupulski sistem
Moderni termokupul se sastoji od dvije različite žice povezane na jednom kraju (TH). Napon je bio
izmjerena na otvorenom kraju žice par. Prema ekvivalentu kruga prikazanom na slivu 5,
VC je isti kao Jednadžba 9 u Fig.
Figura 5: Moderna konfiguracija termokuple sa kompenzacijom hladnog spoja.
Kompenzacija hladnog spoja
Kompenzacija hladnog spoja Temperatura hladnog spoja (TC) može biti postavljena na 0 ° C za zamrzavanje
tacka peć, ali u praksi, ne koristimo kofu leda kao referentnu temperaturu. Koristeći
CJC (kompenzacija hladnog spoja) metoda, vruća temperatura spoja se može izračunati
bez upotrebe temperature hladnog razvoda od 0 ° C. Čak ni hladna raskrsna temperatura nije
nužno konstantan. Metoda koristi samo jedan senzor temperature za mjerenje TC tačke
Temperatura. Ako je TC poznat, TH se može dobiti.
Ako koristimo temperaturni senzor za mjerenje temperature hladnog razvoda, zašto ne koristimo ovaj senzor
da direktno izmjeri temperaturu vruće strane? Kao što vidite, temperatura hladnog raskrsja
raspon je mnogo uži od raspona temperature vrućeg raskrsnice, tako da senzor temperature ne
Treba da podrži ekstremne temperature podržane od strane termokupa.
Korištenje CJC-a za izračun temperature vrućeg kraja
Kao što je već spomenuto, sve standardne referentne tablice termokuple se dobijaju na 0 ° C na hladnoći
raskrsnici. Pa kako koristiti referentnu tablicu da dobije vruću temperaturu? Zamisli da proširiš otvoreno
kraj termokuple iznad i povezivanje imaginarnog kraja sa raskrsnice s temperaturom od
0 ° C (6. Ako možemo izračunati vrijednost V0, korištenje referentne tabele je vrlo lako dobiti
odgovarajuću temperaturu vruće strane.
Figura 6: Spojite prošireni termokupul na 0 ° C raskrsnicu kako bi se utvrdilo nepoznato vruće
Temperatura raskrsnici, TH.
Odredi V0
Preurediti gore navedeno formulu:
Prvi pojam u Jednadžba 13 je identičan jednadžbe 10 (dobijen sa figure 5). Ekvivalentni izlaz napona je VC, što je poznata vrijednost jer se temperatura na hladnom raskrsnici mjeri voltmetarom. Drugi pojam je ekvivalentan izlazu termokupula kada je temperatura vrućeg raskrsnice jednaka TC, a temperatura hladnog razvoda jednaka 0 ° C. Pošto se TC mjeri i odvojenim senzorom temperature, možemo koristiti standardnu referentnu tastaturu da pronađemo odgovarajući Seebeckov napon (Vi) za drugi pojam u Jednadžbi 13:
Sa ovom V0 vrijednosti, odgovarajuća temperatura na TH se može odrediti iz standarda
referentna tabela.
Upotreba kompenzacije hladnog spoja za izračunavanje temperature vrućeg kraja procesa
dijeli se na slijedece korake :
• Izmjeri temperaturu hladnog razvoda (TC) senzorom temperature.
• Izmjerite temperaturu hladnog razvoda.
• TC se pretvara u napon (Vi) standardnim referentnim stolom.
• Izračunaj V0 = Vi + VC.
• Pretvorite V0 u temperaturu TH pomoću standardne referentne tabele.
Obratite se NIST ITS-90 Thermocouple Bazi podataka za standardne referentne tablice termokuple.
Web stranica NIST ITS-90 također pruža skup formula za svaki tip termokupa koji se može
koristi se za konverziju temperature u napon ako se tabela za potraživanja ne može implementirati u
mikrokontroleri zbog memorije ili drugih razloga.
Ključne tačke dizajna sistema
Do sada je gore navedeno raspravljanje ograničeno na teoretsko poznavanje termokuplea. Kako bi se
optimizirati tačnost stvarnog sistema, ima nekoliko stvari koje treba napomenuti. Svaki uređaj u
osnovni termokupleni signalni lanac (figura 7) utjecati će na preciznost prenamjene i mora se
pažljivo odabran za minimizaciju grešaka.
Figura 7: Osnovni elementi termokuplenog mjernog sistema uključuju pojačalo i ADC,
i mikrokontroler koji kasnije može izračunati nepoznatu temperaturu.
Sistemska tabla: Sistemska tabla
Pojačalo: pojačalo
Temp senzor: senzor temperature
Sa lijeve strane figure 7 termokupula je spojena na konektor sistema
ploču. Sam termokupl je također senzor i može biti i izvor greške. Duže
termokomuple lako mogu pokupiti elektromagnetsku buku okolnog okruženja;
štitna žica može efektivno smanjiti buku. Sljedeći element je pojačalo, koje ima visoku
ulazna impedancija je vrlo vazna jer ulazna impedancija pojacala i termokuple
otpornost da se formira razdeo napona. Što je ulazna impedancija pojačala višu, manja je
greška.
Osim toga, pojačalo povećava izlaz termokupula, termokupulski izlaz je obično milivolt
Dometu. Iako pojačalo visoke zatvorene petlje dobitak pojačava i signal i buku, dodajući
low-pass filter na ADC ulaz eliminira većinu buke. Jer temperatura ne
promjena vrlo brzo, ADC stopa konverzije za takve aplikacije je tipično vrlo niska - može
uzorak samo nekoliko puta u sekundi, tako da je low-pass filter vrlo efikasan.
Konačno, senzor temperature na brodu mora biti vrlo blizu konektora hladnog kraja (idealno
u dodiru s krajem termokuple žice, ali u mnogim slučajevima stanje nije dozvoljeno)
da dobije najbolje mjerenje temperature hladnog raskrižja. Bilo kakve greške u mjerenju hladnog raskrsja
će se odraziti u proracunu temperature vruceg raskrsnog ukrsta.
Primjeri termokuple krugova i rezultati testova
Bilo da dizajniš vlastito termokupulozno mjerno kolo ili koristiš referentni dizajn, potrebno ti je
da potvrdimo njegovu tačnost. Precizna provjera maxrefdes67 # referentnog dizajna
(Na 8.
je opisano u nastavku.
U ovom slučaju,
Slike 8: The MAXREFDES67 # je referentni dizajn za termokupe i RTD-ove koji mjere napon
i trenutnu i mjeru temperature u temperaturi od -40 ° C do 150 ° C.
Da bismo ilustrirali kako da minimiziramo mjerne greške, prvo uzimamo termokupulski sistem kao
primjer, kao što je Maximov MAXREFDES67 referentni dizajn. Kako bi se provjerila greška
mjernog sistema ili bilo og sistema mjerenja, poznata temperatura i pouzdan instrument su
potreban za usporedbu. U ovom primjeru koristili smo tri referentna termometra: Omega HH41
termometar (sada zamijenjen HH42), referentni termometar ETI, i fluke 724 temperature
kalibrator. Termokup tipa K povezan sa MAXREFDES67 # se smješta u Fluke 7341
kalibrirajuće pećnice i kalibrira se na 20 ° C. Podaci o plavoj tački se nalažu na Omega HH41, a
podaci zelene tačke se reference na ETI uređaj. Podaci crvene toиka pokazuju maksimalnu greљku manje
od 0,1 ° C, na osnovu fluke 724 kalibratora, ali za razliku od prethodnog testa, Fluke 724 je bio
ne koristi kao referentni instrument. Simulirajte idealan izlaz termokuple tipa K, i spojite
ulaz MAXREFDES67 # u termokuple produžni kabel. Na sliиci 9 su rezultati testa.
Figura 9. Koristeći Omnitec EC3TC (termokupul tipa K, kalibriran na 20 ° C), procijenite
MAXREFDES67 # greška u odnosu na temperaturu i usporedite je sa ostala tri referentna termometra.
Rezultati pokazuju vrlo visoku preciznost.
da sumis
Termokauple imaju mnoge prednosti u primjenama za mjerenje industrijske temperature, uključujući
temperaturni raspon, vrijeme odziva, trošak i trajnost. Teorija termokuple je malo više.
složeni, ali moramo ga u potpunosti razumjeti tako da možemo napraviti tačna mjerenja kao i
visoko precizni prijelazi iz napona u temperaturu. MAXREFDES67 # referentni dizajn koristeći
MAX11254 i MAX6126 ova dva čipa, posebno pogodan za temperaturu termokuple
mjerenje ovih malih aplikacija za mjerenje osjetljivih na signal. The MAX11254
je 6-kanalni, 24-bitni, delta-sigma ADC koji postiže nisku buku i preciznost dok smanjuje snagu
disipacija za 10 puta. MAX6126 je vrlo niska buka, ultra-visoka preciznost, niski tandem izbačaja
referenca napona, Koeficijent temperature od 3ppm / ° C (max), sa izvrsnim ± 0,02% (max)
početna tačnost.
