Termopaari: põhiprintsiip ja disain
Termopaarid on kasutatud laialdaselt kriitiliste temperatuuride mõõtmiseks alates 20. sajandi algusest
sajand, eriti väga kõrge temperatuuri vahemikus. Paljude tööstus- ja protsessikriitilised
rakendused, T / C ja RTD (resistance temperature detector) on muutunud "kuldstandardiks"
temperatuuri mõõtmine. Kuigi TTA-l on parem täpsus ja korratavus, kuid suhteliselt
rääkides on termopaaril järgmised eelised:
• Suur valik
• Kiire reageerimisaeg
• Madalamad kulud
• Parem vastupidavus
• Isejuhtivad (erutussignaali pole vaja)
• Isekuumenemise efekt puudub
Termopaaride kasutamine kõrge täpsusega temperatuuri mõõtmiseks võib siiski olla keerulisem. Saate optimeerida oma mõõtmistäpsust tahke ahela disaini ja kalibreerimisega, kuid termopaari toimimise mõistmine aitab teil kujundada vooluringi või kasutada termomeetrit.
Kui pingeallikat rakendatakse juhtme pikkusele, voolab vool plussküljelt
miinus pool ja traat kuumeneb, põhjustades osa energiakaost. Seebecki efekt,
avastas Thomas Seibeck 1821. aastal, on vastupidine nähtus: kui temperatuuri kalle on
rakendatakse traadile, luuakse potentsiaal. See on termopaari füüsiline alus.
.
Kui ∇V on pinge kalle, ∇T on temperatuuri kalle ja S (T) on Seebecki koefitsient. Seebecki koefitsient on seotud materjaliga ja on ka temperatuuri funktsioon. Juhtmetüki kahe erineva temperatuuripunkti vaheline pinge on võrdne Seebecki koefitsiendi funktsiooni lahutamatu osaga temperatuuri suhtes.
Näiteks joonisel 1 kujutatud T1, T2 ja T3 tähistavad traaditüki erinevate punktide temperatuure. T1 (sinine) näitab madalaimat temperatuuripunkti ja T3 (punane) kõrgeimat temperatuuripunkti. Pinge T2 ja T1 vahel on:
Samamoodi on pinge T3 ja T1 vahel:
Vastavalt integraali lisaaine laadile on V31 võrdne ka:
Me peame seda meeles termopaari pinge ja temperatuuri muundamise arutamisel.
Joonis 1: Vastavalt Seebecki koefitsiendile tekitab temperatuuri kalle pinge üle
juhtiv metall.
Termokule koosneb kahest erinevast metallist, traadi Seebecki koefitsient S (T)
on üldiselt erinev. Kuna metalli temperatuuri erinevus võib tekitada pingeerinevuse,
Miks tuleb kasutada kahte metalli? Eeldatakse, et joonise 2 juhe on valmistatud materjalist "A".
Kui voltmeetri sond on valmistatud materjalist A, ei tuvasta voltmeeter teoreetiliselt ühtegi
Pinge.
Joonis 2: Pinge mõõtmise ühendus. Kui sondi ja juhtme materjal on sama,
võimalikku erinevust ei ole.
Põhjuseks on see, et kui sond on ühendatud juhtme otsaga, on samaväärne
juhe. Pika juhtme kaks otsa on ühendatud voltmeetri sisendiga ja neil on
samal temperatuuril (TM). Kui juhtme kahe otsa temperatuur on sama, ei ole pinget
Loodud. Selle matemaatilise tõestamiseks arvutame kogunenud pinge kogu
metallrõngas positiivsest terminalist voltmeetri negatiivse klemmini.
Vastavalt integraali lisandile muutub ülaltoodud võrrand:
Kui integraali alumine piir ja ülemine piir on samad, on integratsiooni tulemus V = 0. Kui sondi materjal on B, nagu on näidatud joonisel 3, siis:
Ülaltoodud võrrandi lihtsustamiseks saame:
Võrrand 9 näitab, et mõõdetud pinge on võrdne kahe materjali Seebecki koefitsiendi funktsioonide erinevuse lahutamatu osaga. Sellepärast kasutavad termopapid kahte erinevat metalli.
Joonis 3: Pinge mõõtmise ühendus. Sond ja traat on valmistatud erinevatest materjalidest,
mis illustreerib Seebecki koefitsiendi füüsilist reaalsust.
Materjal A: Materjal A
Materjal B: Materjal B
Voltmeeter: Voltmeeter
Joonisel 3 ja võrrandis 9 esitatud ahela põhjal ei saa me siiski arvutada kuuma külje temperatuuri (TH), välja arvatud juhul, kui me teame külma ristmiku temperatuuri (TC), arvestades, et SA (T), SB (T) ja mõõdetud pinge on teada. Termopaari varases staadiumis kasutati võrdlustemperatuurina jääpunkti ahju, mille temperatuur oli 0 ° C (termin "külm ots"), selle madalate kulude, rakendamise lihtsuse ja isereguleeruva temperatuuri tõttu. Samaväärne vooluring on näidatud joonises
Joonis 4: Termopaarile on vaja võrdlustemperatuuri 0 ° C, nagu on näidatud joonisel
arvutada teadmata temperatuur TH.
Kuigi me teame joonisel 4 kujutatud vooluringi võrdlustemperatuuri, ei ole see praktiline
saada TH integratsiooni teel. Seega toetatakse ühist tüüpi termopaari standardit
võrdlustabelit, on tabelit võimalik saada vastava pingeväljundi abil, mis vastab
Temperatuur. Siiski tuleb meeles pidada, et kõik standardsed termopaari võrdlustabelid on
võrdluspunktina temperatuuril 0 ° C.
Termopaari süsteem
Kaasaegne termotupp koosneb kahest erinevast juhtmest, mis on ühendatud ühes otsas (TH). Pinge oli
mõõdetakse traadipaari avatud otsas. Vastavalt joonises 5 näidatud samaväärsele ahelale,
VC on sama, mis joonise 9 võrrand 9.
Joonis 5: Kaasaegne termopaari konfiguratsioon külma ristmiku kompensatsiooniga.
Külma ristmiku kompensatsioon
Külma ristmiku kompensatsioon Külma ristmiku (TC) temperatuuri saab külmutamiseks seada 0 ° C-ni
punktahi, kuid praktikas ei kasuta me võrdlustemperatuurina jääämbrit. Kasutades
CJC (cold junction compensation) meetod, saab arvutada kuuma ristmiku temperatuuri
kasutamata 0 ° C külma ristmiku temperatuuri. Isegi külma ristmiku temperatuur ei ole
tingimata konstantne. Meetod kasutab TC-punkti mõõtmiseks ainult ühte temperatuuriandurit.
Temperatuur. Kui TC on teada, võib saada TH.
Kui me kasutame külma ristmiku temperatuuri mõõtmiseks temperatuuriandurit, siis miks mitte kasutada seda andurit
kuuma poole temperatuuri otseseks mõõtmiseks? Nagu näete, on külma ristmiku temperatuur
vahemik on palju kitsam kui kuuma ristmiku temperatuurivahemik, nii et temperatuuriandur ei
vajadus toetada termopaari toetatavaid äärmuslikke temperatuure.
CJC kasutamine kuumlõpu temperatuuri arvutamiseks
Nagu eespool mainitud, saadakse kõik standardsed termopaari võrdlustabelid 0 ° C juures külma
Junction. Niisiis, kuidas kasutada võrdlustabelit kuuma külgtemperatuuri saamiseks? Kujutage ette, et laiendate avatud
termopaari otsas ja ühendades kujuteldava otsa ristmikuga, mille temperatuur on
0 ° C (joonis 6). Kui saame arvutada V0 väärtuse, on võrdlustabeli abil väga lihtne saada
vastavat kuumakülgset temperatuuri.
Joonis 6: Ühendage laiendatud termokoopia 0 ° C ristmikuga, et määrata kindlaks tundmatu kuum
ristmiku temperatuur, TH.
V0 määramine
Korraldage ülaltoodud valem ümber:
Võrrandi 13 esimene termin on identne võrrandiga 10 (saadud jooniselt 5). Samaväärne pingeväljund on VC, mis on teadaolev väärtus, sest külma ristmiku temperatuuri mõõdetakse voltmeetriga. Teine termin on samaväärne termopaari väljundiga, kui kuuma ristmiku temperatuur on võrdne TC-ga ja külma ristmiku temperatuur on 0 ° C. Kuna TC-d mõõdetakse ka eraldi temperatuurianduriga, saame kasutada standardset võrdlustabelit, et leida vastav Seebecki pinge (Vi) võrrandi 13 teise termini jaoks:
Selle V0 väärtusega saab vastava temperatuuri TH juures määrata standardi
viitetabel.
Külma ristmiku hüvitise kasutamine protsessi kuuma otsa temperatuuri arvutamiseks
on jagatud järgmisteks sammudeks:
• Mõõtke külma ristmiku temperatuuri (TC) temperatuurianduriga.
• Mõõtke külma ristmiku temperatuuri.
• TC muundatakse standardse võrdlustabeli abil pingeks (Vi).
• Arvuta V0 = Vi + VC.
• Teisendage V0 temperatuuriks TH, kasutades standardset võrdlustabelit.
Standardsete termopaaride võrdlustabelite kohta leiate teavet NIST ITS-90 termopaaride andmebaasist.
Veebisait NIST ITS-90 pakub ka valemite komplekti iga termopaari tüübi kohta, mida saab
kasutatakse temperatuuri ja pinge teisendamiseks, kui otsingutabelit ei saa rakendada
mikrokontrollerid mälu või muudel põhjustel.
Süsteemi projekteerimise põhipunktid
Seni piirdub ülaltoodud arutelu termopaari teoreetiliste teadmistega. Selleks et
optimeerida tegeliku süsteemi täpsust, on mõned asjad, mida märkida. Iga seade
põhiline termopaari signaaliahel (joonis 7) mõjutab teisendustäpsust ja seda tuleb
vigade minimeerimiseks hoolikalt valitud.
Joonis 7: Termopaari mõõtesüsteemi põhielementide hulka kuuluvad võimendi ja ADC,
mikrokontroller, mis suudab tundmatu temperatuuri hiljem arvutada.
Süsteemitahvel: Süsteemitahvel
Võimendi: võimendi
Temp andur: Temperatuuriandur
Joonise 7 vasakult küljelt on termotupp ühendatud süsteemi pistikuga
trükkplaat. Termotupp ise on ka andur ja võib olla ka veaallikas. Kauem
termopaarid võivad kergesti koguda ümbritseva keskkonna elektromagnetilist müra;
varjestatud traat võib müra tõhusalt vähendada. Järgmine element on võimendi, millel on kõrge
sisendtakistus on väga oluline, sest võimendi sisendtakistus ja termopaari
vastupidavus pingejagaja moodustamiseks. Mida suurem on võimendi sisendtakistus, seda väiksem on
viga.
Lisaks suurendab võimendi termopaari väljundit, termopaari väljund on tavaliselt millivolt
Vahemik. Kuigi võimendi kõrge suletud silmuse võimendus võimendab nii signaali kui ka müra, lisades
madala läbipääsuga filter ADC sisendile kõrvaldab suurema osa mürast. Kuna temperatuur ei
väga kiiresti, on selliste rakenduste ADC ümberarvestuskurss tavaliselt väga madal - see võib
proovi ainult paar korda sekundis, nii et madala läbipääsufilter on väga tõhus.
Lõpuks peab pardatemperatuuri andur olema külma otsa pistikule väga lähedal (ideaalis
kokkupuutel termopaari traadi otsaga, kuid paljudel juhtudel ei ole tingimus lubatud)
parima külma ristmiku temperatuuri mõõtmiseks. Kõik vead külma ristmiku mõõtmisel
kajastub kuuma ristmiku temperatuuri arvutuses.
Termopaariahelate ja katsetulemuste näited
Olenemata sellest, kas kavandate oma termopaari mõõteahela või kasutate etalondisaini, peate
kontrollida selle täpsust. MAXREFDES67 # etalonprojekti täpsuse kontrollimine
(Joonis 8)
on kirjeldatud allpool.
Sellisel juhul
Joonis 8: MAXREFDES67 # on pinget mõõtvate termopaaride ja TTA-de võrdlusprojekt
ning voolu- ja mõõtmistemperatuuri -40 ° C kuni 150 ° C temperatuurivahemikus.
Mõõtmisvigade minimeerimise illustreerimiseks võtame kõigepealt termopaari süsteemi
näiteks Maximi MAXREFDES67 viitekujundus. Selleks et kontrollida
mõõtesüsteemi või mis tahes mõõtesüsteemi, teadaoleva temperatuuri ja usaldusväärse mõõtevahendi
võrdlemiseks vajalik. Selles näites kasutasime kolme võrdlustermomeetrit: Omega HH41
termomeeter (nüüd asendatud HH42-ga), ETI võrdlustermomeeter ja Fluke 724 temperatuur
kalibraator. Tüüp K termopaari ühendatud MAXREFDES67 # on paigutatud Fluke 7341
kalibreerimisahi ja kalibreeritakse temperatuuril 20 ° C. Sinise punkti andmetele viitab Omega HH41 ja
rohelise punkti andmetele viidatakse ETI-seadmele. Punase punkti andmed näitavad maksimaalset viga vähem
kui 0,1 ° C, põhineb Fluke 724 kalibraatoril, kuid erinevalt eelmisest katsest oli Fluke 724
ei kasutata võrdlusvahendina. Simuleerige ideaalset K-tüüpi termopaari väljundit ja ühendage
MAXREFDES67 # sisend termopaari pikendusjuhtmele. Joonisel 9 on näidatud katsetulemused.
Joonis 9. Omnitec EC3TC abil (tüüp K termopaari, kalibreeritud temperatuuril 20 ° C) hinnake
MAXREFDES67 # viga versus temperatuur ja võrrelge seda ülejäänud kolme võrdlustermomeetriga.
Tulemused näitavad väga suurt täpsust.
kokku võtta
Termopaaridel on palju eeliseid tööstuslike temperatuuride mõõtmise rakendustes, sealhulgas
temperatuurivahemik, reageerimisaeg, maksumus ja vastupidavus. Termopaari teooria on natuke rohkem
keerulised, kuid me peame seda täielikult mõistma, et saaksime teha nii täpseid mõõtmisi kui ka
suure täpsusega üleminekud pingest temperatuurini. MAXREFDES67 # viitekujundus, kasutades
MAX11254 ja MAX6126 need kaks kiipi, eriti sobivad termopaari temperatuuri
nende väikeste signaalitundlike ja ülitäpsete mõõtmisrakenduste mõõtmine. The MAX11254
on 6-kanaliline, 24-bitine delta-sigma ADC, mis saavutab madala müra ja täpsuse, vähendades samal ajal võimsust
hajumine 10 korda. MAX6126 on väga madal müratase, ülikõrge täpsus, madal väljalangemise tandem
pinge võrdlus, Temperatuuri koefitsient 3ppm / ° C (max), suurepärase ± 0,02% (max)
esialgne täpsus.
