Principiul de funcționare a termocuplu și tensiunea de compensare la joncțiunea rece

Fig. 1 arată dependența de temperatură a forței electromotoare a celor trei cele mai comune tipuri de termocupluri, în care temperatura joncțiunii de referință menținută la 0 ° C, Type termocupluri J sunt cele mai sensibile și de a dezvolta cea mai mare tensiune de ieșire la aceeași temperatură. Pe de altă parte, termocuple de tip S sunt cel mai puțin sensibile. După cum se vede din aceste caracteristici, semnalele dezvoltate de termocuple, sunt foarte mici și necesită un amplificatoare de zgomot redus cu câștig ridicat și scăzut în derivă. Acest lucru trebuie luate în considerare la proiectarea circuitelor de procesare a semnalului cu senzori termocuplu.

Pentru a înțelege comportamentul termocuple, ia în considerare modul în care se schimbă semnalul de ieșire atunci când schimbă porțiunea de detectare a temperaturii termocuplu (joncțiune fierbinte). Figura 1 prezintă relația dintre temperatura joncțiunii la cald și semnalul de ieșire dezvoltat de diferitele tipuri de termocupluri (în toate cazurile, temperatura de joncțiune rece este menținută la 0 ° C). Este evident că termocupla de retur este neliniara, dar natura acestei non-liniaritate nu este încă foarte clar.

Figura 2 prezintă dependența de temperatură a fierbinte coeficient de racordare de liniaritate (coeficientul Seebeck), adică creșterea tensiunii de ieșire corespunzătoare creșterii temperaturii joncțiunii fierbinte la 1 ° C, cu alte cuvinte, primul derivat al semnalului de ieșire în funcție de temperatură. Rețineți că considerăm în continuare cazul în care temperatura joncțiunilor rece menținută la 0 ° C,

La alegerea unui termocuplu pentru măsurarea temperaturii de producție într-o gamă suficient de largă pentru a fi selectat coeficientul de liniaritate termocuplu care variază cu mai puțin decât alte în acest interval.

De exemplu, pentru tip J termocuplu în intervalul 200-500 ° C Coeficientul de liniaritate variază cu mai puțin de 1 mV / ° C, ceea ce îl face ideal pentru utilizare în acest interval.

Se arată în Fig. 1 și 2 date sunt utile de două ori: în primul rând, Fig. 1 prezintă intervalul și sensibilitatea celor trei tipuri de termocupluri, astfel încât dezvoltatorul poate dintr-o privire determina ca tip S termocuplu are o gamă largă de măsurare, dar J tip - mai sensibile; În al doilea rând, factorul de cunoaștere Seebeck (fig. 2) vă permite să determine rapid ceea ce este linearitatea termocuplu selectat. Utilizarea Fig. 2, dezvoltator pentru utilizare în intervalul 400 ... 800 ° C selectează termocuplu tip K, al cărui coeficient de liniaritate în această regiune este minimă, ca pentru intervalul de 900 ... 1700 ° C - termocuplu tip S. Coeficientul de maniere linearitate determinarea apare în acele cazuri când o abatere temperatura reglată mai critică decât temperatura prestabilită de la sine. Aceste date arată, de asemenea, ce caracteristici ar trebui să aibă dispozitivul de lucru în legătură cu termocuplu circuit de control variabil.

Pentru a utiliza cu succes termocuple, trebuie să înțelegeți principiile de bază ale muncii lor. Să considerăm circuitul din Fig. 3.

Ruperea unul dintre conductorii, vedem că tensiunea la punctele de discontinuitate va fi egal cu thermopower, iar dacă este să măsoare tensiunea, valoarea rezultată poate fi utilizată pentru a determina diferența de temperatură dintre două intersecții (Fig. 3c).

Trebuie amintit că termocuplu modifică diferența de temperatură dintre cele două intersecții, dar nu și temperatura absolută într-una dintre ele. Pentru a determina temperatura în joncțiunea de măsurare, putem doar în acest caz, dacă știm temperatura celei de a doua joncțiunii (adesea numit „de referință“ sau „rece“).

Dar nu este atât de ușor să se măsoare tensiunea format dintr-un termocuplu. Să presupunem că ne-am conectat la diagramele circuitului voltmetru (Fig. 3d). Firuri conectate la un voltmetru, formează, de asemenea, un termocuplu la punctul de atașare. În cazul în care aceste două termocuple suplimentare sub aceeași temperatură (nu contează care), atunci ei nu vor avea nici un impact asupra sistemului global termoelectric. Dacă temperatura lor variază, pot să apară erori. Deoarece fiecare pereche din metale diferite de contact generează un termoelectric (inclusiv cupru / lipire, Kovar / cupru (Kovar - aliajul utilizat pentru formarea substratului cip), aluminiu / Kovar [în compusul din interiorul cip)), este evident că apar în circuitele reale de funcționare mult mai grave probleme decât cele descrise mai sus. Prin urmare, este necesar să se încerce să se asigure că toate contactele de metale diferite, într-o buclă în jurul termocuplului (în mod natural în afară de intersecții ale termocuplului în sine) sunt la aceeași temperatură.

Termocuple sunt în tensiune, deși foarte mici, dar care nu necesită unitate de curent. Se arată în Fig. 3, r are două intersecții termocuple (T1 - temperatura joncțiunii măsurare T2 - referință). Dacă T1 = T2, atunci V2 = V1 și tensiunea de ieșire V = 0. Tensiunea de ieșire a termocuplului este de obicei definit ca o valoare obținută prin menținerea temperaturii joncțiunii rece de 0 ° C Prin urmare, originea termenului „joncțiune rece“ sau „joncțiunea la temperatura de topire a gheții.“ Astfel, în cazul în care punctul de măsurare este plasat în mediu cu temperatură de zero la ieșirea termocuplului este zero volți.

Pentru a efectua măsurători de înaltă precizie, este necesară atenție pentru a menține temperatura joncțiunii rece, care trebuie să fie strict definite (deși nu în mod necesar egală cu 0 ° C). O implementare simpla a acestei cerințe este prezentată în Fig. 4. baie cu gheață de topire poate fi ușor de pus în aplicare în orice mediu, cu toate că, în practică, acest lucru nu este întotdeauna convenabil.

Astăzi, „joncțiune la o temperatură de topire a gheții“, cu necesare pentru punerea sa în aplicare o baie de gheață și apă a fost expulzat cu succes electronica. Senzorul de temperatură de alt tip (de obicei, un semiconductor, și, uneori, un termistor) măsoară temperatura joncțiunii rece, iar rezultatul este utilizat pentru a genera o tensiune suplimentară în circuitul de termocuplu, compensarea diferenței dintre temperatura reală a compusului rece și valoarea ideală (de obicei, 0 ° C), așa cum se arată Fig. 5. În mod ideal, tensiunea de compensare ar trebui să fie selectate strict în funcție de diferența de tensiune. Tensiunea de corecție este o funcție a temperaturii T2 joncțiune de referință, mai complicat decât o relație liniară simplă descrisă pentru produsul KhT2, unde K - constanta simplu. În practică, deoarece joncțiunile reci sunt, de obicei, la o temperatură de doar câteva zeci de grade peste 0 ° C, iar valoarea sa este cuprinsă între ± 10 ° C, aproximarea liniară a tensiunii de compensare este permisă. Cu alte cuvinte, deși valoarea reală și tensiunea de corecție este determinată de un polinom conform formulei V = K1 + xt K2 xt xt 2 + K3 + 3, ..., dar valorile coeficienților K2. R3 și t. E. Foarte mici pentru toate tipurile cunoscute de termocupluri. Valorile acestor coeficienți pentru toate termocupluri pot fi găsite în cărțile de referință.

Atunci când o compensare electronică de tensiune la joncțiunea rece, în practică conectarea firelor la capetele termocuplu este închis într-un bloc izoterm așa cum este prezentat în Fig. 6. Atunci când compusul metalic A - B și cupru metalic - cupru sunt la aceeași temperatură, aceasta este spayu echivalent Un metal - metalic B, așa cum se arată în Fig. 5.

Schema prezentată în Fig. 7 furnizează o măsurare a temperaturii de la 0 ° C până la 250 ° C cu ajutorul unui termocuplu tip K, cu tensiune de compensare joncțiune rece. Circuitul de alimentare este tensiune unipolară de 3.3-12 V. În plus, sistemul a fost conceput astfel încât rata de conversie a fost de 10 mV / ° C

tip termocuplu coeficient de transmisie K este de aproximativ 41 mV / ° C În consecință, tensiunea aplicată pentru a compensa senzor cu un coeficient de temperatură de 10 mV / ° C este utilizat TMP35 divizor pentru R1 și R2, oferind valoarea necesară 41 mV / ° C căi de eliminare a nonisothermicity între placa de circuit și firele termocuplului previne erorile în timpul măsurătorilor la diferite temperaturi. Aceste circuite de compensare adecvate care funcționează la o temperatură ambiantă de 20 până la 50 ° C

Dacă temperatura joncțiunii la cald a termocuplului ajuns la 250 ° C, tensiunea de ieșire va fi 10.151 mV. Deoarece circuitele de semnal de ieșire trebuie să fie egală cu 2,5 V, amplificatorul ar trebui să aibă un câștig de 246,3. Selecția R4, egal cu 4,99 kOhm pentru R5 determina valoarea 1.22 MOhm. Valoarea cea mai apropiată de un procent pentru R5 este 1.21 megohmi, în legătură cu care este utilizat reglaj fin pentru amplitudinea semnalului de ieșire, împreună cu rezistența potentiometru R5 de 50 ohmi.

Deși OR193 permite puterii dintr-o singură sursă, etapele sale de ieșire nu sunt destinate utilizării în exploatarea feroviară-la-feroviar și valoarea minimă la semnalul său de ieșire nu trebuie să fie sub 0,1 V. În acest scop, rezistorul R3 la intrarea op amperi adaugă o mică tensiune care crește producția de 0,1 V pentru tensiunea de alimentare este de 5 V. Această deplasare (corespunzând la 10 ° C) trebuie scăzută după transformare sau de a citi un semnal de la ieșirea OR193. R3 prevede, de asemenea pentru determinarea ruperea termocuplului, dacă termocuplul este absent, semnalul de ieșire devine mai mare de 3 V. Rezistorul R 7 OR193 impedanță de intrare echilibrată DC, și un condensator de film de 0,1 microfarazi reduce interferența cu termocuplu la intrare neinversoare.

AD594 / AD595 - amplificator de instrumentație și o tensiune de joncțiune de referință compensatorului este configurat într-un singur cip (figura 9.). Acest cip efectuează legarea la „punctul de topire al gheții“ și pre-set cuprinde un amplificator care asigură o tensiune de ieșire de nivel înalt (10 mV / ° C), în mod direct la ieșirea termocuplului. AD594 / AD595 poate fi folosit ca un canceller amplificator liniar sau ca un controler comutabil utilizat pentru un control și reglare permanent sau mobil. Circuitul poate fi de asemenea utilizat pentru a direcționa amplificarea compensată de tensiune, îndeplinind astfel, funcțiile traductor de temperatură la un factor de conversie de tensiune de 10 mV / ° C În unele cazuri, este important ca cipul este la aceeași temperatură ca și joncțiunea rece a termocuplului. Acest lucru se realizează de obicei prin plasarea celor două în imediata apropiere unul de altul și de a le izola de căldură.

Senzor AD594 / AD595 cuprinde un prejudiciu termocuplu, ceea ce indică faptul că, fie unul sau ambele capete ale termocuplului este deconectat de la cip. Ieșirea de urgență suficient de flexibil și să formeze un semnal TTL în stare. Aparatul este alimentat de o singură putere pozitivă (tensiune pe ea poate fi numai 5 V), dar sursa de tensiune negativă permite să se măsoare temperatura sub 0 ° C Pentru a reduce consumul propriu AD594 / AD595 auto-încălzire (fără sarcină) se reduce la 160 microamperi, chip este capabil de a trimite la curentul de sarcină la ± 5mA.

cu laser Datorită bordurate rezistențe în interiorul circuitului AD594 configurate cu termocupluri tip J (fier / constantan) și AD595 - termocuplu de tip K (Chromel / alumel). tensiune de offset și factorii de amplificare pot varia chips-uri cu elemente externe, astfel încât fiecare dintre ele poate fi recalibrat la orice alt tip de termocuplu. De asemenea, este de conceput, folosind componente externe pentru a pune în aplicare o calibrare mai precisă a unui termocuplu pentru aplicații speciale.

AD594 / AD595 fabricate în două variante: "C" și "A" - precizie calibrat ± 1 ° C și ± 3 ° C, respectiv. Ambele variante permit întreținerea temperaturii joncțiunii reci variind de la 0 ° C până la 50 ° C Circuitul prezentat în figura 9, operează direct cu termocuplu de tip J (AD594) sau de tip K AD595) și permite măsurarea unei temperaturi de la 0 ° C până la 300 ° C.

AD596 / AD597 - controlere monolit optimizate pentru utilizarea în orice temperaturi în diferite cazuri. Ei au efectuat o compensare joncțiune tensiune de referință și amplificarea semnalelor cu J- sau K-termocuplu, astfel încât să se obțină un semnal proporțional cu temperatura. Schemele pot fi ajustate astfel încât să furnizeze o tensiune de ieșire de 10 mV / ° C direct din J termocuplu tip sau K. Fiecare jetoanelor este plasat într-o carcasă metalică cu zece terminale și configurate să funcționeze la o temperatură ambiantă de 25 ° C până la 100 ° C.

AD596 amplifică termocuplu funcționează în intervalul de temperaturi de la -200 ° C până la 760 ° C, recomandat J termocuplu tip, în timp ce AD597 are un interval de la -200 ° C până la 1,250 ° C (interval termocuplu tip K) . Amplificator calibrat în intervalul ± 4 ° C, la o temperatură ambiantă de stabilitate la temperatură de 60 ° C și sunt caracterizate de 0,05 ° C / ° C când temperatura mediului se schimbă de la 25 ° C până la 100 ° C.

Toate amplificatoarele de mai sus sunt în imposibilitatea de a compensa neliniaritatea termocuplu: acestea sunt doar posibilitatea de a ajusta și îmbunătăți semnalul de la ieșirea termocuplu. Cu aghiotanți de înaltă rezoluție, AD77hx inclus în familie, poate fi folosită pentru digitizarea directă a semnalului transmis de filtrul termocuplu fără preamplificare. Transformarea și efectuează microcontroler liniarizare, cuplat cu ADC, așa cum se arată în fig.10. Două ADC multiplexat intrare utilizat pentru digitizarea linia de semnal cu un termocuplu și un senzor termic în contact cu joncțiunea sa rece. Log PGA (amplificator programabil) este programat pentru a obține 1 - 128, iar rezoluția ADC este în intervalul de la 16 la 22 de biți, în funcție de care dintre jetoanele selectate de utilizator. Microcontrolerul realizează atât tensiunea de compensare joncțiune rece, precum și caracteristicile liniarizare