Termoelement: Grundläggande princip och design
Termoelement har använts i stor utsträckning för kritiska temperaturmätningar sedan början av 20-talet
särskilt i det mycket höga temperaturområdet. För många industriella och processkritiska
applikationer, T / C och RTD (motståndstemperaturdetektor) har blivit GG-värdet, guldstandard-GG-värdet; för
temperaturmätning. Även om RTD har bättre noggrannhet och repeterbarhet, men relativt
När det gäller talet har termoelementet följande fördelar:
• Stort utbud
• Snabba svarstider
• Lägre kostnad
• Bättre hållbarhet
• Självdriven (ingen excitationssignal krävs)
• Ingen självuppvärmande effekt
Användningen av termoelement för högprecisions temperaturmätning kan dock vara mer komplex. Du kan optimera din mätnoggrannhet med solid kretsdesign och kalibrering, men att förstå hur termoelementet fungerar hjälper dig att designa din krets eller använda en termometer.
När en spänningskälla appliceras på en ledningslängd strömmar strömmen från plussidan till
minus sidan, och tråden värms upp och orsakar en del av energiförlusten. Seebeck-effekten,
upptäcktes av Thomas Seibeck 1821, är ett omvänd fenomen: när en temperaturgradient är
appliceras på en bit tråd skapas en potential. Detta är den fysiska grunden för termoelementet
.
Där ∇V är spänningsgradienten, ∇T är temperaturgradienten och S (T) är Seebeck-koefficienten. Seebeck-koefficienten är relaterad till materialet och är också en funktion av temperaturen. Spänningen mellan två olika temperaturpunkter på en tråd är lika med integralen i Seebeck-koefficientfunktionen över temperatur.
Exempelvis representerar T1, T2 och T3 i figur 1 temperaturerna vid olika punkter på en tråd. T1 (blå) indikerar den lägsta temperaturpunkten och T3 (röd) anger den högsta temperaturpunkten. Spänningen mellan T2 och T1 är:
På samma sätt är spänningen mellan T3 och T1:
Enligt integralens additiva natur är V31 också lika med:
Vi har detta i åtanke när vi diskuterar termoelementspänning och temperaturomvandlingar.
Figur 1: Enligt Seebeck-koefficienten producerar temperaturgradienten en spänning över
den ledande metallen.
Termoelementet består av två olika metaller, Seebeck-koefficienten S (T) på tråden
är i allmänhet annorlunda. Eftersom en metalltemperaturskillnad kan ge en spänningsskillnad,
varför måste två metaller användas? Det antas att tråden i fig. 2 är gjord av materialet" A" ;.
Om en voltmätare är gjord av materialet A, i teorin, kommer voltmätaren inte att upptäcka något
Spänning.
Figur 2: Spänningsmätningsanslutning. När sondens och trådens material är desamma,
det blir ingen potentiell skillnad.
Anledningen är att när sonden är ansluten till änden av ledningen, motsvarar den att förlänga
tråden. De två ändarna av den långa ledningen är anslutna till voltmeterns ingång och har
samma temperatur (TM). Om temperaturen på trådens båda ändar är densamma är ingen spänning
genererad. För att bevisa detta matematiskt beräknar vi den ackumulerade spänningen över hela
metallring från den positiva terminalen till voltmeterens negativa terminal.
Enligt additiviteten hos integralen blir ekvationen ovan:
När den nedre gränsen och den övre gränsen för integralen är desamma är resultatet av integrationen V=0. Om sondmaterialet är B, som visas i figur 3, då:
För att förenkla ovanstående ekvation får vi:
Ekvation 9 visar att den uppmätta spänningen är lika med integralen av skillnaden mellan Seebeck-koefficientfunktionerna för de två materialen. Det är därför termoelement använder två olika metaller.
Figur 3: Anslutning för spänningsmätning. Sonden och ledningen är gjorda av olika material,
illustrerar den fysiska verkligheten av Seebeck-koefficienten.
Material A: Material A
Material B: Material B
Voltmeter: Voltmeter
Baserat på kretsen i figur 3 och ekvation 9 kan vi fortfarande inte beräkna temperaturen (TH) på den varma sidan om vi inte vet temperaturen (TC) vid den kalla korsningen, med tanke på att SA (T), SB (T) och den uppmätta spänningen är känd. I de tidiga stadierna av termoelementet användes en ispunktsugn med en temperatur av 0 ° C som referens temperatur (termen" kall änd") på grund av dess låga kostnad, enkel implementering och självreglerande temperatur. Motsvarande krets visas i fig
Figur 4: Termoelementet kräver en referens temperatur på 0 ° C som visas i figuren till
beräkna den okända temperaturen TH.
Även om vi känner till referens temperaturen för kretsen som visas i figur 4, är det inte praktiskt
för att få TH genom integration. Så det finns stöd för den vanliga typen av termoelementstandard
referensbord kan tabellen erhållas med motsvarande spänningsutgång för motsvarande
temperatur. Man måste dock komma ihåg att alla vanliga referenstabeller för termoelement är
dras vid 0 ° C som referenspunkt.
Termoelement
Ett modernt termoelement består av två olika ledningar anslutna i ena änden (TH). Spänningen var
mätt i den öppna änden av trådparet. Enligt motsvarande krets som visas i fig. 5,
VC är samma som ekvation 9 i fig.
Figur 5: Modern termoelementkonfiguration med kompensering för kall korsning.
Kompensation för kall korsning
Köldkorsningskompensation Köldkorsningens (TC) temperatur kan ställas in på 0 ° C för frysning
punktugn, men i praktiken använder vi inte ishinken som referens temperatur. Använder sig av
CJC-metoden (kallkorsningskompensation) kan temperaturen för varm korsning beräknas
utan att använda en kall temperatur vid 0 ° C. Även kalltemperaturen är inte
nödvändigtvis konstant. Metoden använder endast en enda temperatursensor för att mäta TC-punkten
temperatur. Om TC är känd kan TH erhållas.
Om vi använder temperatursensorn för att mäta temperaturen i kall korsning, varför inte använda den här sensorn
att mäta temperaturen på den heta sidan direkt? Som du kan se den kalla korsningstemperaturen
är mycket smalare än temperaturområdet för den varma korsningen, så temperaturgivaren gör det inte
måste stödja de extrema temperaturer som stöds av termoelementet.
Använda CJC för att beräkna varmslutstemperaturen
Som nämnts ovan erhålls alla standardreferensbord för termoelement vid 0 ° C vid kyla
korsning. Så hur använder man referensbordet för att få temperaturen på varma sidor? Tänk dig att utvidga det öppna
slutet av termoelementet ovan och förbinder den imaginära änden till en korsning med en temperatur på
0 ° C (figur 6). Om vi kan beräkna V0-värdet är det mycket lätt att få referensbordet
motsvarande temperatur på varma sidan.
Figur 6: Anslut det förlängda termoelementet till 0 ° C-korsningen för att bestämma det okända hotet
korsningstemperatur, TH.
Bestäm V0
Ordna om ovanstående formel:
Den första termen i ekvation 13 är identisk med ekvation 10 (erhållen från figur 5). Den ekvivalenta spänningsutgången är VC, vilket är ett känt värde eftersom temperaturen vid den kalla korsningen mäts av en voltmeter. Den andra termen är ekvivalent med termoelementets utgång när den varma korsningstemperaturen är lika med TC och den kalla korsningstemperaturen är lika med 0 ° C. Eftersom TC också mäts av en separat temperatursensor kan vi använda standardreferensbordet för att hitta motsvarande Seebeck-spänning (Vi) för andra termen i ekvation 13:
Med detta V0-värde kan motsvarande temperatur vid TH bestämmas utifrån standarden
referensbord.
Användning av kompensation för kall korsning för att beräkna temperaturen på den varma änden av processen
är uppdelad i följande steg:
• Mät kallkopplingstemperaturen (TC) med en temperatursensor.
• Mät kalltemperaturen.
• TC omvandlas till spänning (Vi) med hjälp av en standardreferensbord.
• Beräkna V0=Vi + VC.
• Konvertera V0 till temperatur TH med standardreferensbordet.
Se NIST ITS-90 termoelementdatabas för standardtabeller för termoelement.
På webbplatsen NIST ITS-90 finns det en uppsättning formler för varje typ av termoelement
används för omvandling av temperatur till spänning om uppslagstabellen inte kan implementeras i
mikrokontroller på grund av minne eller andra orsaker.
Viktiga punkter för systemdesign
Hittills är ovanstående diskussion begränsad till den teoretiska kunskapen om termoelement. För att
optimera noggrannheten i det aktuella systemet, det finns några saker att notera. Varje enhet i
grundläggande termoelementkedja (Figur 7) påverkar omvandlingsnoggrannheten och måste vara
noggrant utvalda för att minimera fel.
Figur 7: De grundläggande elementen i ett termoelementmätningssystem inkluderar en förstärkare och ADC,
och en mikrokontroller som kan beräkna den okända temperaturen senare.
Systemkort: Systemkort
Förstärkare: Förstärkare
Tempsensor: Temperatursensor
Från vänster sida i figur 7 är termoelementet anslutet till systemets kontaktdon
kretskort. Själva termoelementet är också en sensor och kan också vara en felkälla. Längre
termoelement kan lätt ta upp det omgivande omgivningens elektromagnetiska ljud.
skärmad tråd kan effektivt minska buller. Nästa element är förstärkaren, som har en hög
ingångsimpedans är mycket viktigt eftersom förstärkarens ingångsimpedans och termoelement
motstånd mot att bilda en spänningsdelare. Ju högre förstärkarens ingångsimpedans, desto mindre
felet.
Dessutom ökar förstärkaren termoelementutgången, termoelementutgången är vanligtvis millivolt
räckvidd. Även om förstärkaren' s hög slutna kretsförstärkning förstärker både signal och brus, lägger till en
lågpassfilter till ADC-ingången eliminerar det mesta av bruset. Eftersom temperaturen inte gör det
ändras mycket snabbt, är ADC-omvandlingsfrekvensen för sådana applikationer vanligtvis mycket låg - det kan det
prov bara några gånger per sekund, så lågpassfiltret är mycket effektivt.
Slutligen måste den inbyggda temperaturgivaren vara mycket nära den kalla ändkontakten (helst
i kontakt med änden av termoelementtråden, men i många fall är tillståndet inte tillåtet)
för att uppnå bästa mätning av kall korsningstemperatur. Eventuella fel i kallmätning
kommer att återspeglas i beräkningen av den varma korsningstemperaturen.
Exempel på termoelementkretsar och testresultat
Oavsett om du utformar din egen mätkrets för termoelement eller använder en referensdesign behöver du
för att verifiera dess noggrannhet. Precisionsverifiering av MAXREFDES67 # referensdesign
(Figur 8)
beskrivs nedan.
I detta fall,
Figur 8: MAXREFDES67 # är en referensdesign för termoelement och RTD som mäter spänning
och ström och mäta temperatur i temperaturområdet -40 ° C till 150 ° C.
För att illustrera hur man minimerar mätfel tar vi först termoelementsystemet som ett
exempel, till exempel Maxim' s MAXREFDES67 referensdesign. För att verifiera felet i
mätsystem eller något mätsystem, en känd temperatur och ett tillförlitligt instrument
krävs för jämförelse. I det här exemplet använde vi tre referenstermometrar: Omega HH41
termometer (nu ersatt av HH42), ETI-referenstermometer och Fluke 724-temperatur
kalibrator. Ett termoelement av typ K anslutet till MAXREFDES67 # placeras i en Fluke 7341
kalibreringsugn och kalibrerad vid 20 ° C. De blå prickdata refereras av Omega HH41 och
de gröna punktdata hänvisas till ETI-enheten. Röda punktdata visar ett maximalt fel på mindre
över 0,1 ° C, baserat på Fluke 724-kalibratorn, men till skillnad från föregående test var Fluke 724 det
används inte som referensinstrument. Simulera den perfekta termoelementutgången av K-typ och anslut
ingång av MAXREFDES67 # till förlängningssladden för termoelementet. Figur 9 visar testresultaten.
Bild 9. Använd Omnitec EC3TC (termoelement typ K, kalibrerat vid 20 ° C) och utvärdera
MAXREFDES67 # fel kontra temperatur och jämför det med de andra tre referenstermometrarna.
Resultaten visar en mycket hög noggrannhet.
För att sammanfatta
Termoelement har många fördelar i industriella temperaturmätningstillämpningar, inklusive
temperaturområde, svarstid, kostnad och hållbarhet. Termoelementsteorin är lite mer
komplex, men vi måste förstå det så att vi kan göra exakta mätningar såväl som
övergångar med hög precision från spänning till temperatur. MAXREFDES67 # referensdesign med
MAX11254 och MAX6126 dessa två chips, särskilt lämpliga för termoelementstemperatur
mätning av denna lilla signalkänsliga mätapplikationer med hög precision. MAX11254
är en 6-kanals, 24-bitars, delta-sigma ADC som uppnår lågt brus och noggrannhet samtidigt som effekten minskas
försvinn 10 gånger. MAX6126 är ett mycket lågt ljud, ultrahög noggrannhet och lågt utfallande tandem
spänningsreferens, temperaturkoefficient på 3 ppm / ° C (max), med en utmärkt ± 0,02% (max)
initial noggrannhet.
