Termoparell: Principi bàsic i disseny
Els termoparells s'han utilitzat àmpliament per a mesures crítiques de temperatura des de principis del segle XX
especialment en el rang de temperatura molt alt. Per a molts industrials i crítics de procés
t / C i RTD (Detector de Temperatura de Resistència) s'han convertit en l'"estàndard d'or" per a
mesurament de temperatura. Encara que el RTD té millor precisió i repetibilitat, però relativament
parlant, el termoparell té els següents avantatges:
• Gran abast
• Temps de resposta ràpida
• Menor cost
• Millor durabilitat
• Auto-alimentat (no requereix senyal d'excitació)
• Sense efecte autoescalfament
No obstant això, l'ús de termoparells per a la mesura de temperatura d'alta precisió pot ser més complex. Vostè pot optimitzar la seva precisió de mesura amb disseny de circuit sòlid i calibratge, però la comprensió de com funciona el termoparell l'ajuda a dissenyar el seu circuit o utilitzar un termòmetre.
Quan s'aplica una font de tensió a una longitud de filferro, el corrent flueix des del costat més fins al
menys costat, i el filferro s'escalfa, causant una part de la pèrdua d'energia. L'efecte Seebeck,
descobert per Thomas Seibeck el 1821, és un fenomen invers: quan un gradient de temperatura és
aplicat a un tros de filferro, es crea un potencial. Aquesta és la base física del termoparell
.
Quan ∇V és el degradat de tensió, ∇T és el gradient de temperatura, i S (T) és el coeficient Seebeck. El coeficient Seebeck està relacionat amb el material i també és una funció de temperatura. La tensió entre dos punts de temperatura diferents en un tros de filferro és igual a la integral de la funció coeficient seebeck sobre la temperatura.
Per exemple, la T1, la T2 i la T3 de la figura 1 representen les temperatures en diferents punts d'un tros de filferro. T1 (blau) indica el punt de temperatura més baix, i T3 (vermell) indica el punt de temperatura més alt. La tensió entre T2 i T1 és:
De la mateixa manera, la tensió entre T3 i T1 és:
Segons la naturalesa additiva de la integral, V31 també és igual a:
Ho tenim en compte a l'hora de discutir la tensió termoparell i les conversions de temperatura.
Figura 1: Segons el coeficient seebeck, el gradient de temperatura produeix un voltatge a través de
el metall conductiu.
El termoparell consta de dos metalls diferents, el coeficient Seebeck S (T) del filferro
generalment és diferent. Atès que una diferència de temperatura metàl·lica pot produir una diferència de tensió,
per què s'han d'utilitzar dos metalls? Se suposa que el filferro a la fig. 2 està fet del material "A".
Si una sonda voltòmetre està feta del material A, en teoria, el voltòmetre no detectarà cap
Tensió.
Figura 2: Connexió de mesura de tensió. Quan el material de la sonda i el cable són els mateixos,
no hi haurà cap diferència potencial.
La raó és que quan la sonda està connectada al final del cable, l'equivalent a estendre
el filferro. Els dos extrems del cable llarg estan connectats a l'entrada del voltòmetre i tenen el
mateixa temperatura (TM). Si la temperatura dels dos extrems del cable és la mateixa, no hi ha tensió
Generat. Per demostrar-ho matemàticament, calculem la tensió acumulada en tota la
metall des de la terminal positiva fins al terminal negatiu del voltmeter.
Segons l'additivitat de la integral, l'equació anterior es converteix en:
Quan el límit inferior i el límit superior de la integral són els mateixos, el resultat de la integració és V = 0. Si el material de la sonda és B, com es mostra a la figura 3, llavors:
Per simplificar l'equació anterior, obtenim:
L'equació 9 mostra que la tensió mesurada és igual a la integral de la diferència entre les funcions coeficients de Seebeck dels dos materials. És per això que els termoparells utilitzen dos metalls diferents.
Figura 3: Connexió de mesura de tensió. La sonda i el filferro estan fets de diferents materials,
il·lustrant la realitat física del coeficient de Seebeck.
Material A: Material A
Material B: Material B
Voltmeter: Voltmeter
Basant-nos en el circuit de la Figura 3 i l'Equació 9, encara no podem calcular la temperatura (TH) del costat calent a menys que coneixem la temperatura (TC) a la cruïlla de fred, atès que es coneixen SA (T), SB (T) i la tensió mesurada. En les primeres etapes del termoparell, es va utilitzar un forn de punt de gel amb una temperatura de 0 ° C com a temperatura de referència (el terme "extrem fred"), a causa del seu baix cost, facilitat d'implementació i temperatura autoregulant. El circuit equivalent es mostra en Fig
Figura 4: El termoparell requereix una temperatura de referència de 0 ° C com es mostra en la figura
calcular la temperatura desconeguda TH.
Tot i que coneixem la temperatura de referència del circuit que es mostra a la Figura 4, no és pràctic
per obtenir TH per integració. Així que hi ha suport per al tipus comú de termoparell estàndard
taula de referència, la taula es pot obtenir mitjançant la sortida de tensió corresponent de la corresponent
Temperatura. No obstant això, cal tenir en compte que totes les taules de referència termoparell estàndard són
dibuixat a 0 ° C com a punt de referència.
Sistema termoparell
Un termoparell modern consta de dos cables diferents connectats en un extrem (TH). La tensió va ser
mesurat a l'extrem obert del parell de filferro. Segons el circuit equivalent que es mostra a la fig. 5,
VC és el mateix que l'equació 9 en fig.
Figura 5: Configuració termoparell moderna amb compensació d'unió freda.
Compensació de la unió freda
Compensació de la unió freda La temperatura de la unió freda (TC) es pot establir a 0 ° C per a una congelació
punt forn, però a la pràctica, no utilitzem la galleda de gel com a temperatura de referència. Utilitzant
mètode CJC (compensació de la unió freda), la temperatura d'unió calenta es pot calcular
sense utilitzar una temperatura d'unió freda de 0ºC. Fins i tot la temperatura de la unió freda no és
necessàriament constant. El mètode utilitza només un únic sensor de temperatura per mesurar el punt TC
Temperatura. Si es coneix TC, es pot obtenir TH.
Si utilitzem el sensor de temperatura per mesurar la temperatura d'unió freda, per què no utilitzar aquest sensor
per mesurar directament la temperatura del costat calent? Com podeu veure, la temperatura de la unió freda
rang és molt més estret que el rang de temperatura d'unió calenta, de manera que el sensor de temperatura no
necessitat de suportar les temperatures extremes suportades pel termoparell.
Ús de CJC per calcular la temperatura final calenta
Com s'ha esmentat anteriorment, totes les taules de referència termoparell estàndard s'obtenen a 0 ° C en el fred
Junction. Llavors, com utilitzar la taula de referència per obtenir temperatura lateral calenta? Imagineu estendre l'obertura
l'extrem del termoparell anterior i connectant l'extrem imaginari a una unió amb una temperatura de
0 ° C (Figura 6). Si podem calcular el valor V0, utilitzar la taula de referència és molt fàcil d'obtenir
la temperatura del costat calent corresponent.
Figura 6: Connecteu el termoparell estès a la unió de 0 ° C per determinar la calor desconeguda
temperatura d'unió, TH.
Determina V0
Reorganitzar la fórmula anterior:
El primer terme de l'equació 13 és idèntic a l'equació 10 (obtinguda de la figura 5). La sortida de tensió equivalent és VC, que és un valor conegut perquè la temperatura a la unió de fred es mesura mitjançant un voltòmetre. El segon terme equival a la sortida del termoparell quan la temperatura d'unió calenta és igual a TC i la temperatura d'unió freda és igual a 0 ° C. Atès que TC també es mesura mitjançant un sensor de temperatura separat, podem utilitzar la taula de referència estàndard per trobar la tensió seebeck corresponent (Vi) per al segon trimestre a l'equació 13:
Amb aquest valor V0, la temperatura corresponent a TH es pot determinar a partir de la
taula de referència.
L'ús d'una compensació d'unió freda per calcular la temperatura de l'extrem calent del procés
es divideix en els següents passos:
• Mesurar la temperatura d'unió freda (TC) amb un sensor de temperatura.
• Mesurar la temperatura de la unió freda.
• TC es converteix a tensió (Vi) mitjançant una taula de referència estàndard.
• Calcular V0 = Vi + VC.
• Convertir V0 a temperatura TH utilitzant la taula de referència estàndard.
Consulteu la base de dades termoparell NIST ITS-90 per a taules de referència de termoparell estàndard.
El lloc web NIST ITS-90 també proporciona un conjunt de fórmules per a cada tipus de termoparell que es pot
conversió de temperatura a tensió si la taula de recerca no es pot implementar en
microcontroladors per motius de memòria o altres motius.
Punts clau del disseny del sistema
Fins ara, la discussió anterior es limita als coneixements teòrics del termoparell. Per tal de
optimitzar la precisió del sistema real, hi ha algunes coses a tenir en compte. Cada dispositiu del
cadena de senyals termoparell bàsic (Figura 7) afectarà la precisió de conversió i ha de ser
seleccionat acuradament per minimitzar els errors.
Figura 7: Els elements bàsics d'un sistema de mesura termoparell inclouen un amplificador i ADC,
i un microcontrolador que pot calcular la temperatura desconeguda més endavant.
Tauler del sistema: Tauler del sistema
Amplificador: Amplificador
Sensor de temperatura: Sensor de temperatura
Des del costat esquerre de la Figura 7, el termoparell està connectat al connector del sistema
placa de circuit. El termoparell en si també és un sensor i també pot ser una font d'error. Més
els termoparells poden recollir fàcilment el soroll electromagnètic de l'entorn circumdant;
filferro blindat pot reduir eficaçment el soroll. El següent element és l'amplificador, que té un alt
la impedància d'entrada és molt important perquè la impedància d'entrada de l'amplificador i el termoparell
resistència per formar un divisor de tensió. Com més alta sigui la impedància d'entrada de l'amplificador, més petita serà la
l'error.
A més, l'amplificador augmenta la sortida del termoparell, la sortida del termoparell sol ser mil·limètrica
Gamma. Tot i que l'alt guany de bucle tancat de l'amplificador amplifica tant el senyal com el soroll,
filtre de pas baix a l'entrada ADC elimina la major part del soroll. Perquè la temperatura no
canvi molt ràpidament, la taxa de conversió d'ADC per a aquestes aplicacions sol ser molt baixa - pot
mostra només unes quantes vegades per segon, de manera que el filtre de pas baix és molt eficient.
Finalment, el sensor de temperatura a bord ha d'estar molt a prop del connector final fred (idealment
en contacte amb el final del termoparell de filferro, però en molts casos no es permet l'estat)
per obtenir la millor mesura de temperatura d'unió en fred. Errors en la mesura de la unió freda
es reflectirà en el càlcul de la temperatura de la unió calenta.
Exemples de circuits termoparells i resultats de les proves
Ja sigui dissenyant el seu propi circuit de mesura de termoparell o utilitzant un disseny de referència, necessita
verificar la seva exactitud. La verificació de precisió del disseny de referència MAXREFDES67 #
(Figura 8)
es descriu a continuació.
En aquest cas,
Figura 8: El MAXREFDES67 # és un disseny de referència per a termoparells i RTDs que mesuren la tensió
i temperatura actual i mesura en el rang de temperatura de -40 ° C a 150ºC.
Per il·lustrar com minimitzar els errors de mesura, primer prenem el sistema termoparell com un
exemple, com ara el disseny de referència MAXREFDES67 de Maxim. Per verificar l'error de la
sistema de mesurament o de qualsevol sistema de mesurament, una temperatura coneguda i un instrument fiable són
necessàries per a la comparació. En aquest exemple, hem utilitzat tres termòmetres de referència: l'Omega HH41
termòmetre (ara substituït per HH42), el termòmetre de referència ETI, i la temperatura Fluke 724
calibrador. Un termoparell tipus K connectat al MAXREFDES67 # es col·loca en un Fluke 7341
forn de calibratge i calibrat a 20ºC. Les dades de punts blaus són referenciades per l'Omega HH41, i
les dades de punts verds es fa referència al dispositiu ETI. Les dades del punt vermell mostren un error màxim de menys
més de 0.1 ° C, basat en el calibrador Fluke 724, però a diferència de la prova anterior, el Fluke 724 va ser
no s'utilitza com a instrument de referència. Simular la sortida termoparell de tipus K ideal i connectar el
entrada del MAXREFDES67 # al cordó d'extensió termoparell. La figura 9 mostra els resultats de les proves.
Figura 9. Utilitzant l'Omnitec EC3TC (termoparell tipus K, calibrat a 20 ° C), avaluar el
MAXREFDES67 # error versus temperatura i comparar-lo amb els altres tres termòmetres de referència.
Els resultats mostren una precisió molt alta.
En resum,
Els termoparells tenen molts avantatges en les aplicacions de mesurament de temperatura industrial, incloent
rang de temperatura, temps de resposta, cost i durabilitat. La teoria del termoparell és una mica més
complex, però hem d'entendre-ho plenament perquè puguem fer mesures precises, així com
transicions d'alta precisió de tensió a temperatura. MAXREFDES67 # disseny de referència utilitzant
MAX11254 i MAX6126 aquestes dues fitxes, especialment aptes per a temperatura termoparell
mesura d'aquestes petites aplicacions de mesura sensibles al senyal i d'alta precisió. El MAX11254
és un ADC delta-sigma de 6 canals de 24 bits que aconsegueix un baix soroll i precisió alhora que redueix la potència
dissipació per 10 vegades. El MAX6126 és un tàndem de soroll molt baix, ultra-alta precisió, baix abandonament
referència de tensió, Coeficient de temperatura de 3ppm / ° C (màx.), amb una excel·lent ± 0,02% (màx.)
l'exactitud inicial.
