Termoelement: Grundlæggende princip og design
Termoelementer er blevet brugt i vid udstrækning til kritiske temperaturmålinger siden begyndelsen af 20.
århundrede, især i det meget høje temperaturområde. For mange industrielle og proceskritiske
applikationer, T / C og RTD (Resistance Temperature Detector) er blevet "guld standard" for
temperaturmåling. Selv om FTU har bedre nøjagtighed og repeterbarhed, men relativt
termoelementet har følgende fordele:
• Stort udvalg
• Hurtige svartider
• Lavere omkostninger
• Bedre holdbarhed
• Selvdrevet (intet excitationssignal kræves)
• Ingen selvopvarmningseffekt
Brugen af termoelementer til temperaturmåling med høj præcision kan dog være mere kompleks. Du kan optimere din målenøjagtighed med design og kalibrering af solide kredsløb, men at forstå, hvordan termoelementet fungerer, hjælper dig med at designe dit kredsløb eller bruge et termometer.
Når en spændingskilde påføres en ledningslængde, strømmer strømmen fra plussiden til
minussiden, og ledningen opvarmes, hvilket forårsager en del af energitabet. Seebeck-effekten,
opdaget af Thomas Seibeck i 1821, er et omvendt fænomen: når en temperaturgradient er
påføres et stykke ledning, skabes et potentiale. Dette er det fysiske grundlag for termoelementet
.
Hvor ∇V er spændingsgradienten, er ∇T temperaturgradienten, og S (T) er Seebeck-koefficienten. Seebeck-koefficienten er relateret til materialet og er også en funktion af temperaturen. Spændingen mellem to forskellige temperaturpunkter på et stykke ledning er lig med integralet af Seebeck-koefficientfunktionen over temperaturen.
T1, T2 og T3 i figur 1 repræsenterer f.eks. T1 (blå) angiver det laveste temperaturpunkt, og T3 (rød) angiver det højeste temperaturpunkt. Spændingen mellem T2 og T1 er:
På samme måde er spændingen mellem T3 og T1:
Ifølge integralets tilsætningsstof er V31 også lig med:
Vi holder dette i tankerne, når vi diskuterer termoelementspænding og temperaturkonverteringer.
Figur 1: Ifølge Seebeck-koefficienten giver temperaturgradienten en spænding på tværs af
det ledende metal.
Termoelementet består af to forskellige metaller, Seebeck-koefficienten S (T) af ledningen
er generelt anderledes. Da en metaltemperaturforskel kan give en spændingsforskel,
hvorfor skal der anvendes to metaller? Det antages, at ledningen i fig. 2 er lavet af materialet "A".
Hvis der er lavet en voltmetersonde af materialet A, vil voltmeteret i teorien ikke opdage nogen
Spænding.
Figur 2: Forbindelse til spændingsmåling. Når sondens materiale og ledningen er det samme,
der vil ikke være nogen potentiel forskel.
Årsagen er, at når sonden er forbundet til enden af ledningen, svarer det til at udvide
af ledningen. De to ender af den lange ledning er forbundet med voltmeterets indgang og har
samme temperatur (TM). Hvis temperaturen i de to ender af ledningen er den samme, er der ingen spænding
Genereret. For at bevise dette matematisk beregner vi den akkumulerede spænding på tværs af hele
metalring fra den positive terminal til voltmeterets negative terminal.
Ifølge integralets additivitet bliver ovenstående ligning:
Når den nedre grænse og den øvre grænse for integralet er den samme, er resultatet af integrationen V = 0. Hvis sondematerialet er B, som vist i figur 3, gælder følgende:
For at forenkle ovenstående ligning opnår vi:
Ligning 9 viser, at den målte spænding er lig med den integrerede del af forskellen mellem Seebeck-koefficientfunktionerne for de to materialer. Derfor bruger termoelementer to forskellige metaller.
Figur 3: Forbindelse til spændingsmåling. Sonden og ledningen er lavet af forskellige materialer,
illustrerer seebeck-koefficientens fysiske virkelighed.
Materiale A: Materiale A
Materiale B: Materiale B
Voltmeter: Voltmeter
Baseret på kredsløbet i figur 3 og Equation 9 kan vi stadig ikke beregne temperaturen (TH) på den varme side, medmindre vi kender temperaturen (TC) ved det kolde kryds, da SA (T), SB (T) og den målte spænding er kendt. I de tidlige stadier af termoelementet blev en ispunktsovn med en temperatur på 0 ° C brugt som referencetemperatur (udtrykket "kold ende"), på grund af dens lave omkostninger, nem implementering og selvregulerende temperatur. Det tilsvarende kredsløb er vist i fig.
Figur 4: Termoelementet kræver en referencetemperatur på 0 °C som vist i figuren for at
beregne den ukendte temperatur-TH.
Selv om vi kender referencetemperaturen på det kredsløb, der er vist i figur 4, er det ikke praktisk
for at opnå TH ved integration. Så der er støtte til den fælles type termoelementstandard
referencetabel, kan tabellen opnås ved den tilsvarende spændingseffekt af den tilsvarende
Temperatur. Man skal dog huske på, at alle standard termoelementreferencetabeller er
trukket ved 0 ° C som referencepunkt.
Termoelementsystem
Et moderne termoelement består af to forskellige ledninger forbundet i den ene ende (TH). Spændingen blev
måles i den åbne ende af trådparret. Ifølge det tilsvarende kredsløb, der er vist i fig. 5,
VC er det samme som Equation 9 i Fig.
Figur 5: Moderne termoelementkonfiguration med kompensation for koldt vejkryds.
Kompensation for koldt vejkryds
Kompensation for koldt vejkryds Den kolde krydstemperatur (TC) kan indstilles til 0 ° C for en frysning
punktovn, men i praksis bruger vi ikke isspanden som referencetemperatur. Bruge
CJC-metoden (cold junction compensation), kan den varme vejkrydstemperatur beregnes
uden at bruge en kold vejkrydstemperatur på 0 °C. Selv den kolde krydstemperatur er ikke
nødvendigvis konstant. Metoden bruger kun en enkelt temperatursensor til at måle TC-punktet
Temperatur. Hvis TC er kendt, kan TH fås.
Hvis vi bruger temperatursensoren til at måle den kolde vejkrydstemperatur, hvorfor så ikke bruge denne sensor
at måle temperaturen på den varme side direkte? Som du kan se, den kolde vejkryds temperatur
meget smallere end temperaturområdet for varmt vejkryds, så temperatursensoren ikke
nødt til at understøtte de ekstreme temperaturer, der understøttes af termoelementet.
Brug af CJC til at beregne den varme endetemperatur
Som nævnt ovenfor opnås alle standard termoelementreferencetabeller ved 0 ° C ved kulden
Krydset. Så hvordan man bruger referencetabellen til at få varm sidetemperatur? Forestil dig at udvide det åbne
enden af termoelementet ovenfor og forbinde den imaginære ende med et kryds med en temperatur på
0 ° C (figur 6). Hvis vi kan beregne V0-værdien, er det meget let at få
den tilsvarende varme sidetemperatur.
Figur 6: Tilslut det udvidede termoelement til 0 ° C-krydset for at bestemme den ukendte varme
vejkryds temperatur, TH.
Bestem V0
Omarranger ovenstående formel:
Det første udtryk i Equation 13 er identisk med Equation 10 (hentet fra figur 5). Den tilsvarende spændingseffekt er VC, som er en kendt værdi, fordi temperaturen ved det kolde kryds måles ved et voltmeter. Det andet udtryk svarer til termoelementets output, når den varme krydstemperatur er lig med TC, og den kolde krydstemperatur er lig med 0 ° C. Da TC også måles af en separat temperatursensor, kan vi bruge standardreferencetabellen til at finde den tilsvarende Seebeck-spænding (Vi) for anden periode i Equation 13:
Med denne V0-værdi kan den tilsvarende temperatur ved TH bestemmes ud fra standardværdien
referencetabel.
Brugen af kompensation for koldt vejkryds til beregning af temperaturen i den varme ende af processen
er opdelt i følgende trin:
• Mål den kolde vejkrydstemperatur (TC) med en temperatursensor.
• Mål den kolde vejkrydstemperatur.
• TC konverteres til spænding (Vi) ved hjælp af en standardreferencetabel.
• Beregn V0 = Vi + VC.
• Konverter V0 til temperatur-TH ved hjælp af standardreferencetabellen.
Se NIST ITS-90 Thermocouple Database for standard termoelementreferencetabeller.
NIST ITS-90-webstedet indeholder også et sæt formler for hver termoelementtype, der kan
bruges til temperatur-til-spænding-konvertering, hvis opslagstabellen ikke kan implementeres i
mikrocontrollere på grund af hukommelse eller andre årsager.
Nøglepunkter i systemdesign
Hidtil har ovenstående diskussion er begrænset til den teoretiske viden om termoelement. For at
optimere nøjagtigheden af det faktiske system, der er et par ting at bemærke. Hver enhed i
grundlæggende termoelementsignalkæde (figur 7) vil påvirke konverteringsnøjagtigheden og skal
omhyggeligt udvalgt for at minimere fejl.
Figur 7: De grundlæggende elementer i et termoelementmålesystem omfatter en forstærker og
og en mikrocontroller, der kan beregne den ukendte temperatur senere.
Systemkort: Systemkort
Forstærker: Forstærker
Temp sensor: Temperatur sensor
Fra venstre side af figur 7 er termoelementet forbundet med systemets stik
Kredsløb. Selve termoelementet er også en sensor og kan også være en fejlkilde. Længere
termoelementer kan let opfange den elektromagnetiske støj i det omgivende miljø;
afskærmet ledning kan effektivt reducere støj. Det næste element er forstærkeren, som har en høj
input impedans er meget vigtigt, fordi forstærkeren input impedans og termoelement
modstand mod at danne en spændingsdeler. Jo højere input impedansen af forstærkeren er, jo mindre
fejlen.
Derudover øger forstærkeren termoelementudgangen, termoelementudgangen er normalt millivolt
Vifte. Selv om forstærkerens høje forstærkning i lukkede kredsløb forstærker både signal og støj,
lavpasfilter til ADC-indgangen eliminerer det meste af støjen. Da temperaturen ikke
ændre sig meget hurtigt, er ADC-konverteringsfrekvensen for sådanne applikationer typisk meget lav - den kan
prøve kun et par gange i sekundet, så low-pass filter er meget effektiv.
Endelig skal den indbyggede temperatursensor være meget tæt på det kolde endestik (ideelt set
i kontakt med enden af termoelementtråden, men i mange tilfælde er betingelsen ikke tilladt)
for at opnå den bedste måling af koldkrydstemperaturen. Eventuelle fejl i måling af koldt vejkryds
afspejles i beregningen af den varme vejkrydstemperatur.
Eksempler på termoelementkredsløb og testresultater
Uanset om du designer dit eget termoelementmålekredsløb eller bruger et referencedesign, skal du
for at kontrollere nøjagtigheden. Præcisionsbekræftelsen af referencedesignet MAXREFDES67 #
(Figur 8)
er beskrevet nedenfor.
I dette tilfælde
Figur 8: MAXREFDES67 # er et referencedesign for termoelementer og RTD'er, der måler spænding
og strøm og måle temperaturen i temperaturområdet -40 ° C til 150 ° C.
For at illustrere, hvordan du minimerer målefejl, tager vi først termoelementsystemet som en
f.eks. Maxims MAXREFDES67-referencedesign. For at kontrollere fejlen i
målesystem eller målesystem, en kendt temperatur og et pålideligt instrument er
der kræves til sammenligning. I dette eksempel brugte vi tre referencetermometre: Omega HH41
termometer (nu erstattet af HH42), ETI-referencetermometeret og fluke 724-temperaturen
Kalibrator. En type K termoelement forbundet til MAXREFDES67 # er placeret i en Fluke 7341
kalibreringsovn og kalibreret ved 20 ° C. Omega HH41 refererer til de blå prikdata, og
der henvises til de grønne prikker til ETI-enheden. De røde prik-data viser en maksimal fejl på mindre
end 0,1 ° C, baseret på Fluke 724 kalibrator, men i modsætning til den foregående test, fluke 724 blev
ikke anvendes som referenceinstrument. Simuler den ideelle termoelementeffekt af K-typen, og tilslut
maxrefdes67 # til termoelementets forlængerledning. Figur 9 viser testresultaterne.
Figur 9. Ved hjælp af Omnitec EC3TC (type K-termoelement, kalibreret ved 20 ° C) evalueres
MAXREFDES67 # fejl i forhold til temperaturen og sammenligne den med de tre andre referencetermometre.
Resultaterne viser en meget høj nøjagtighed.
for at opsummere
Termoelementer har mange fordele i industrielle temperaturmålingsapplikationer, herunder
temperaturområde, responstid, omkostninger og holdbarhed. Termoelementteorien er lidt mere
komplekst, men vi må fuldt ud forstå det, så vi kan foretage nøjagtige målinger såvel som
højpræcisionsovergange fra spænding til temperatur. MAXREFDES67 # referencedesign ved hjælp af
MAX11254 og MAX6126 disse to chips, specielt velegnet til termoelementtemperatur
måling af denne lille signalfølsomme, højpræcisionsmålingsapplikation. The MAX11254
er en 6-kanals, 24-bit, delta-sigma ADC, der opnår lav støj og nøjagtighed og samtidig reducerer
spredning med 10 gange. MAX6126 er en meget lav støj, ultrahøj nøjagtighed, lav frafalden tandem
spænding reference, Temperatur koefficient på 3ppm / ° C (max), med en fremragende ± 0,02% (max)
den første nøjagtighed.
