Termoelement: Grunnleggende prinsipp og design
Termoelement har blitt brukt mye for kritiske temperaturmålinger siden tidlig 20.
århundre, spesielt i svært høy temperaturområde. For mange industrielle og prosesskritiske
applikasjoner, T / C og RTD (Resistance Temperature Detector) har blitt "gullstandarden" for
temperaturmåling. Selv om RTD har bedre nøyaktighet og repeterbarhet, men relativt
termoelementet har følgende fordeler:
• Stort utvalg
• Raske responstider
• Lavere kostnader
• Bedre holdbarhet
• Selvdrevet (ingen eksitasjonssignal kreves)
• Ingen selvoppvarmingseffekt
Bruken av termoelement for høypresisjons temperaturmåling kan imidlertid være mer komplisert. Du kan optimalisere målenøyaktigheten med solid kretsdesign og kalibrering, men å forstå hvordan termoelementet fungerer hjelper deg med å designe kretsen din eller bruke et termometer.
Når en spenningskilde påføres en trådlengde, strømmer strømmen fra plusssiden til
minussiden, og ledningen varmes opp, noe som forårsaker en del av energitapet. Seebeck-effekten,
oppdaget av Thomas Seibeck i 1821, er et omvendt fenomen: når en temperaturgradient er
påføres et stykke ledning, opprettes et potensial. Dette er det fysiske grunnlaget for termoelementet
.
Der ∇V er spenningsgradienten, ∇T er temperaturgradienten, og S (T) er Seebeck-koeffisienten. Seebeck-koeffisienten er relatert til materialet og er også en funksjon av temperatur. Spenningen mellom to forskjellige temperaturpunkter på et stykke ledning er lik den integrerte av Seebeck-koeffisientfunksjonen over temperatur.
T1, T2 og T3 i figur 1 representerer for eksempel temperaturene på forskjellige punkter på et stykke ledning. T1 (blå) indikerer det laveste temperaturpunktet, og T3 (rød) indikerer det høyeste temperaturpunktet. Spenningen mellom T2 og T1 er:
På samme måte er spenningen mellom T3 og T1:
I henhold til den integrerte tilsetningsstoffet er V31 også lik:
Vi har dette i bakhodet når vi diskuterer termoelementspenning og temperaturkonverteringer.
Figur 1: Ifølge Seebeck-koeffisienten produserer temperaturgradienten en spenning på tvers av
det ledende metallet.
Termoelementet består av to forskjellige metaller, Seebeck-koeffisienten S (T) av ledningen
er generelt annerledes. Siden en metalltemperaturforskjell kan gi en spenningsforskjell,
hvorfor må to metaller brukes? Det antas at ledningen i fig. 2 er laget av materialet "A".
Hvis en voltmetersonde er laget av materialet A, vil voltmeteret i teorien ikke oppdage noen
Spenning.
Figur 2: Tilkobling til spenningsmåling. Når materialet i sonden og ledningen er det samme,
det vil ikke være noen potensiell forskjell.
Årsaken er at når sonden er koblet til enden av ledningen, tilsvarende å forlenge
ledningen. De to endene av den lange ledningen er koblet til inngangen til voltmeteret og har
samme temperatur (TM). Hvis temperaturen på de to endene av ledningen er den samme, er det ingen spenning
Generert. For å bevise dette matematisk beregner vi den akkumulerte spenningen over hele
metallringen fra den positive terminalen til den negative terminalen på voltmeteret.
Ifølge additivity av integral, blir ovennevnte ligning:
Når den nedre grensen og den øvre grensen til integralen er den samme, er resultatet av integrering V = 0. Hvis probematerialet er B, som vist i figur 3, gjør du følgende:
For å forenkle ligningen ovenfor, får vi:
Ligning 9 viser at den målte spenningen er lik den integrerte av forskjellen mellom Seebeck-koeffisientfunksjonene til de to materialene. Dette er grunnen til at termoelementer bruker to forskjellige metaller.
Figur 3: Tilkobling til spenningsmåling. Sonden og ledningen er laget av forskjellige materialer,
illustrerer den fysiske virkeligheten til Seebeck-koeffisienten.
Materiale A: Materiale A
Materiale B: Materiale B
Voltmeter: Voltmeter
Basert på kretsen i figur 3 og ligning 9, kan vi fortsatt ikke beregne temperaturen (TH) på den varme siden med mindre vi kjenner temperaturen (TC) i det kalde krysset, gitt at SA (T), SB (T) og den målte spenningen er kjent. I de tidlige stadiene av termoelementet ble en ispunktovn med en temperatur på 0 ° C brukt som referansetemperatur (begrepet "kald ende"), på grunn av den lave kostnaden, enkel implementering og selvregulerende temperatur. Tilsvarende krets er vist i Fig.
Figur 4: Termoelementet krever en referansetemperatur på 0 ° C som vist på figuren for å
beregne den ukjente temperaturen TH.
Selv om vi kjenner referansetemperaturen til kretsen vist i figur 4, er det ikke praktisk
for å oppnå TH ved integrering. Så det er støtte for den vanlige typen termoelementstandard
referansetabellen, kan tabellen oppnås ved tilsvarende spenningsutgang for den tilsvarende
Temperatur. Man må imidlertid huske på at alle standard termoelementreferansetabeller er
tegnes ved 0 ° C som referansepunkt.
Termoelementsystem
En moderne termoelement består av to forskjellige ledninger som er koblet til i den ene enden (TH). Spenningen var
måles i den åpne enden av trådparet. I henhold til tilsvarende krets vist i fig. 5,
VC er den samme som ligning 9 i fig.
Figur 5: Moderne termoelementkonfigurasjon med kompensasjon for kaldt veikryss.
Kompensasjon for kaldt veikryss
Kaldkoblingskompensasjon Den kalde koblingstemperaturen (TC) kan settes til 0 ° C for frysing
punktovn, men i praksis bruker vi ikke isbøtten som referansetemperatur. Bruke
CJC-metoden (kaldkoblingskompensasjon), kan den varme koblingstemperaturen beregnes
uten å bruke en kuldekrysstemperatur på 0 °C. Selv den kalde koblingstemperaturen er ikke
nødvendigvis konstant. Metoden bruker bare én enkelt temperatursensor til å måle TC-punktet
Temperatur. Hvis TC er kjent, kan TH fås.
Hvis vi bruker temperatursensoren til å måle den kalde koblingstemperaturen, hvorfor ikke bruke denne
for å måle temperaturen på den varme siden direkte? Som du kan se, den kalde knutepunkttemperaturen
området er mye smalere enn temperaturområdet for varmt veikryss, slik at temperatursensoren ikke
må støtte de ekstreme temperaturene som støttes av termoelementet.
Bruke CJC til å beregne den varme endetemperaturen
Som nevnt ovenfor oppnås alle standard termoelementreferansetabeller ved 0 ° C ved kulde
Junction. Så hvordan bruker du referansetabellen for å få varm sidetemperatur? Tenk deg å utvide den åpne
enden av termoelementet ovenfor og koble den imaginære enden til et veikryss med en temperatur på
0 ° C (figur 6). Hvis vi kan beregne V0-verdien, er det veldig enkelt å få tak i referansetabellen ved hjelp av referansetabellen
tilsvarende varmesidetemperatur.
Figur 6: Koble det utvidede termoelementet til 0 ° C-krysset for å fastslå den ukjente
veikrysstemperatur, TH.
Bestem V0
Omorganisere formelen ovenfor:
Det første begrepet i Formel 13 er identisk med Ligning 10 (hentet fra figur 5). Tilsvarende spenningsutgang er VC, som er en kjent verdi fordi temperaturen ved det kalde krysset måles med et voltmeter. Den andre termen tilsvarer produksjonen av termoelementet når den varme koblingstemperaturen er lik TC og den kalde koblingstemperaturen tilsvarer 0 ° C. Siden TC også måles ved en egen temperatursensor, kan vi bruke standard referansetabell for å finne den tilsvarende Seebeck-spenningen (Vi) for andre periode i ligning 13:
Med denne V0-verdien kan den tilsvarende temperaturen ved TH bestemmes av standard
referansetabellen.
Bruk av kald kobling kompensasjon for å beregne temperaturen på den varme enden av prosessen
er delt inn i følgende trinn:
• Mål den kalde koblingstemperaturen (TC) med en temperatursensor.
• Mål den kalde koblingstemperaturen.
• TC konverteres til spenning (Vi) ved hjelp av en standard referansetabell.
• Beregn V0 = Vi + VC.
• Konverter V0 til temperatur TH ved hjelp av standard referansetabell.
Se NIST ITS-90 Thermocouple Database for standard termoelementreferansetabeller.
NIST ITS-90-nettstedet gir også et sett med formler for hver termoelementtype som kan
brukes til temperatur-til-spenning-konvertering hvis oppslagstabellen ikke kan implementeres i
mikrokontrollere på grunn av minne eller andre årsaker.
Viktige punkter i systemdesign
Så langt er diskusjonen ovenfor begrenset til den teoretiske kunnskapen om termoelement. For å kunne
optimalisere nøyaktigheten av det faktiske systemet, er det et par ting å merke seg. Hver enhet i
grunnleggende termoelementsignalkjede (figur 7) vil påvirke konverteringsnøyaktigheten og må
nøye utvalgt for å minimere feil.
Figur 7: De grunnleggende elementene i et termoelementmålingssystem inkluderer en forsterker og ADC,
og en mikrokontroller som kan beregne den ukjente temperaturen senere.
Hovedkort: Hovedkort
Forsterker: Forsterker
Temp sensor: Temperatursensor
Fra venstre side av figur 7 er termoelementet koblet til kontakten på systemet
Kretskortet. Selve termoelementet er også en sensor og kan også være en feilkilde. Lenger
termoelement kan enkelt plukke opp den elektromagnetiske støyen i omgivelsene;
skjermet ledning kan effektivt redusere støy. Det neste elementet er forsterkeren, som har en høy
inngangsimpedans er svært viktig fordi forsterkerens inngangsimpedans og termoelement
motstand mot å danne en spenningsdeler. Jo høyere inngangsimpedansen til forsterkeren, desto mindre
feilen.
I tillegg øker forsterkeren termoelementutgang, termoelementutgang er vanligvis millivolt
Området. Selv om forsterkerens høye lukkede sløyfeforsterkning forsterker både signal og støy, legger en
lavpassfilteret til ADC-inngangen eliminerer det meste av støyen. Fordi temperaturen ikke
endres veldig raskt, adc konverteringsfrekvens for slike programmer er vanligvis svært lav - det kan
prøven bare noen få ganger per sekund, så lavpassfilteret er svært effektivt.
Til slutt må den innebygde temperatursensoren være svært nær den kalde endekontakten (ideelt sett
i kontakt med enden av termoelementledningen, men i mange tilfeller er tilstanden ikke tillatt)
for å oppnå den beste målingen av kaldt veikrysstemperatur. Eventuelle feil i måling av kaldt veikryss
gjenspeiles i temperaturberegningen i varme knutepunkter.
Eksempler på termoelementkretser og testresultater
Enten du designer din egen termoelementmålingskrets eller bruker en referansedesign, trenger du
for å bekrefte nøyaktigheten. Presisjonsverifiseringen av REFERANSEDESIGNEN MAXREFDES67 #
(Figur 8)
er beskrevet nedenfor.
I dette tilfellet,
Figur 8: MAXREFDES67 # er en referansedesign for termoelementer og RTDs som måler spenning
og strøm og måle temperatur i -40 ° C til 150 ° C temperaturområde.
For å illustrere hvordan du minimerer målefeil, tar vi først termoelementsystemet som en
eksempel, for eksempel Maxims MAXREFDES67 referansedesign. For å bekrefte feilen i
målesystem eller et hvilket som helst målesystem, er en kjent temperatur og et pålitelig instrument
kreves for sammenligning. I dette eksemplet brukte vi tre referansetermometre: Omega HH41
termometer (nå erstattet av HH42), ETI referansetermometer og Fluke 724 temperatur
Kalibrator. En Type K termoelement koblet til MAXREFDES67 # er plassert i en Fluke 7341
kalibreringsovn og kalibrert ved 20 ° C. Blue dot-dataene refereres til av Omega HH41, og
de grønne punktdataene refereres til ETI-enheten. De røde prikkdataene viser en maksimal feil på mindre
enn 0,1 ° C, basert på Fluke 724-kalibratoren, men i motsetning til forrige test var Fluke 724
ikke brukes som referanseinstrument. Simuler den ideelle K-type termoelementutgangen, og koble
maxrefdes67 # til den termoelementforlengelsesledningen. Figur 9 viser testresultatene.
Figur 9. Bruk Omnitec EC3TC (type K termoelement, kalibrert ved 20 ° C), evaluere
MAXREFDES67 # feil versus temperatur og sammenligne den med de tre andre referanse termometre.
Resultatene viser en svært høy nøyaktighet.
for å oppsummere
Termoelementene har mange fordeler i industrielle temperaturmålingsapplikasjoner, inkludert
temperaturområde, responstid, kostnad og holdbarhet. Termoelementteorien er litt mer
komplekse, men vi må fullt ut forstå det slik at vi kan gjøre nøyaktige målinger samt
høypresisjonsoverganger fra spenning til temperatur. MAXREFDES67 # referansedesign ved hjelp av
MAX11254 og MAX6126 disse to sponene, spesielt egnet for termoelementtemperatur
måling av denne lille signalfølsomme måleapplikasjonene med høy presisjon. MAX11254-4114
er en 6-kanals, 24-bit, delta-sigma ADC som oppnår lav støy og nøyaktighet samtidig som strømreduksjon
spredning med 10 ganger. MAX6126 er en svært lav støy, ultrahøy nøyaktighet, lav dropout tandem
spenningsreferanse, Temperaturkoeffisient på 3ppm / ° C (maks), med en utmerket ± 0,02% (maks)
den første nøyaktigheten.
