Termokupl: Asosiy printsip va dizayn
Termokupllar 20-ning boshidan boshlab kritik harorat o'lchovlari uchun keng qo'llanilgan
asr, ayniqsa juda yuqori harorat oralig'ida. Ko'pgina sanoat va jarayonlar uchun juda muhimdir
ilovalar, T / C va RTD (qarshilik haroratini aniqlash vositasi)" oltin standart" uchun
haroratni o'lchash. Garchi RTD aniqligi va takrorlanuvchanligi yaxshiroq bo'lsa-da, lekin nisbatan
so'zlashganda, termojuft quyidagi afzalliklarga ega:
• Katta diapazon
• Tez javob berish vaqtlari
• Arzonroq narx
• Yaxshi chidamlilik
• O'z-o'zidan ishlaydi (qo'zg'alish signali talab qilinmaydi)
• O'z-o'zidan isitish effekti yo'q
Shu bilan birga, yuqori aniqlikdagi haroratni o'lchash uchun termojuftlardan foydalanish yanada murakkabroq bo'lishi mumkin. Qattiq elektronni loyihalash va kalibrlash bilan siz o'lchov aniqligini optimallashtirishingiz mumkin, ammo termojuftning qanday ishlashini tushunish sizning sxemangizni loyihalashda yoki termometrdan foydalanishda sizga yordam beradi.
Tel uzunligiga kuchlanish manbai qo'llanilganda, oqim ortiqcha tomondan to tomonga oqadi
minus tomoni va sim qiziydi, bu energiya yo'qotishining bir qismini keltirib chiqaradi. Seebeck effekti,
1821 yilda Tomas Zaybek tomonidan kashf etilgan, teskari hodisa: harorat gradyenti bo'lganda
simning bir qismiga tatbiq etilsa, potentsial yaratiladi. Bu termojuftning fizik asosidir
.
Bu erda ∇V - kuchlanish gradyenti, ∇T - harorat gradyenti, S (T) - Seebeck koeffitsienti. Seebeck koeffitsienti material bilan bog'liq va shuningdek, haroratning funktsiyasidir. Tel qismidagi ikki xil harorat nuqtalari orasidagi kuchlanish Seebeck koeffitsienti funktsiyasining haroratga nisbatan integraliga teng.
Masalan, 1-rasmdagi T1, T2 va T3 simning har xil nuqtalaridagi haroratni aks ettiradi. T1 (ko'k) eng past harorat nuqtasini, T3 (qizil) esa eng yuqori harorat nuqtasini bildiradi. T2 va T1 orasidagi kuchlanish:
Xuddi shunday, T3 va T1 orasidagi kuchlanish:
Integralning qo'shimcha xususiyatiga ko'ra, V31 ham quyidagilarga teng:
Biz termojuftning kuchlanishini va haroratni o'zgartirishni muhokama qilishda buni yodda tutamiz.
1-rasm: Seebeck koeffitsientiga ko'ra, harorat gradyenti bo'ylab kuchlanish hosil qiladi
o'tkazuvchan metall.
Termojuft ikki xil metaldan iborat, simning Zebek koeffitsienti
umuman boshqacha. Metall harorat farqi kuchlanish farqini keltirib chiqarishi mumkinligi sababli,
nima uchun ikkita metalldan foydalanish kerak? 2-rasmdagi sim" A" materialidan tayyorlangan deb taxmin qilinadi.
Agar voltmetr probi A materialidan yasalgan bo'lsa, nazariy jihatdan voltmetr hech birini aniqlamaydi
Kuchlanish.
Shakl 2: Kuchlanishni o'lchash aloqasi. Zond va simning materiali bir xil bo'lganda,
potentsial farq bo'lmaydi.
Sababi shundaki, zond simning uchiga ulanganda, cho'zilganga teng
sim. Uzoq simning ikkita uchi voltmetrning kirish qismiga ulangan va ular mavjud
bir xil harorat (TM). Agar simning ikki uchining harorati bir xil bo'lsa, kuchlanish bo'lmaydi
hosil qilingan. Buni matematik ravishda isbotlash uchun biz butun bo'ylab yig'ilgan kuchlanishni hisoblaymiz
voltmetrning musbat terminalidan manfiy terminaligacha bo'lgan metall halqa.
Integralning qo'shimchasiga ko'ra yuqoridagi tenglama quyidagicha bo'ladi:
Integralning pastki chegarasi va yuqori chegarasi bir xil bo'lganda, integratsiya natijasi V=0 ga teng bo'ladi. Agar 3-rasmda ko'rsatilgandek zond materiali B bo'lsa, unda:
Yuqoridagi tenglamani soddalashtirish uchun quyidagilarni olamiz:
9-tenglama shuni ko'rsatadiki, o'lchangan kuchlanish ikki materialning Seebeck koeffitsienti funktsiyalari orasidagi farqning integraliga tengdir. Shuning uchun termojuftlar ikki xil metaldan foydalanadilar.
3-rasm: Kuchlanishni o'lchash aloqasi. Zond va sim turli materiallardan tayyorlangan,
Seebeck koeffitsientining jismoniy haqiqatini aks ettiradi.
Material A: Material A
Material B: Material B
Voltmetr: Voltmetr
Shakl 3 va Tenglama 9 dagi sxemaga asoslanib, SA (T), SB (T) va shuni hisobga olsak, sovuq tutashgan joydagi haroratni (TC) bilmasak, biz hali ham issiq tomonning haroratini (TH) hisoblay olmaymiz. o'lchangan kuchlanish ma'lum. Termojuftning dastlabki bosqichlarida mos harorat sifatida 0 ° C haroratli muzli pech ishlatilgan (GG quot; sovuq uchi"), chunki uning arzonligi, bajarilish qulayligi va o'zini o'zi boshqaradigan harorat. Ekvivalent sxema shakl
Shakl 4: Termojuft uchun rasmda ko'rsatilgandek 0 ° C mos yozuvlar harorati kerak
noma'lum haroratni hisoblang TH.
4-rasmda ko'rsatilgan elektronning mos yozuvlar haroratini bilsak ham, bu amaliy emas
integratsiyalash orqali THni olish. Shunday qilib, termojuft standartining umumiy turini qo'llab-quvvatlash mavjud
mos yozuvlar jadvali, jadval mos keladigan voltaj chiqishi bilan olinishi mumkin
harorat. Biroq, barcha standart termojuft mos yozuvlar jadvallari ekanligini yodda tutish kerak
mos yozuvlar nuqtasi sifatida 0 ° C da chizilgan.
Termokupl tizimi
Zamonaviy termojuft bir uchida (TH) ulangan ikki xil simdan iborat. Kuchlanish edi
simli juftlikning ochiq uchida o'lchanadi. Shakl 5da ko'rsatilgan ekvivalent sxemaga ko'ra,
VC shakl 9dagi tenglama bilan bir xil.
Shakl 5: Sovuq tutashuv kompensatsiyasi bilan zamonaviy termojuft konfiguratsiyasi.
Sovuq birikmaning kompensatsiyasi
Sovuq birikmaning kompensatsiyasi Sovuq birikmaning (TC) harorati muzlash uchun 0 ° C ga o'rnatilishi mumkin
punktli pech, ammo amalda biz muz paqirini mos yozuvlar harorati sifatida ishlatmaymiz. Foydalanish
CJC (sovuq birikmaning kompensatsiyasi) usuli, issiq ulanish haroratini hisoblash mumkin
0 ° C sovuq tutashuv haroratidan foydalanmasdan. Hatto sovuq o'tish harorati ham emas
albatta doimiy. TC nuqtasini o'lchash uchun usul faqat bitta harorat sensori ishlatiladi
harorat. Agar TC ma'lum bo'lsa, THni olish mumkin.
Agar sovuq tutashuv haroratini o'lchash uchun harorat sezgichidan foydalansak, nima uchun bu sensorni ishlatmasligimiz kerak
to'g'ridan-to'g'ri issiq tomonning haroratini o'lchash uchun? Ko'rib turganingizdek, sovuq birlashma harorati
diapazoni issiq tutashgan harorat oralig'iga qaraganda ancha tor, shuning uchun harorat sensori yo'q
termojuft tomonidan qo'llab-quvvatlanadigan haddan tashqari haroratni qo'llab-quvvatlash kerak.
Issiq haroratni hisoblash uchun CJC dan foydalanish
Yuqorida aytib o'tilganidek, barcha standart termojuft mos yozuvlar jadvallari sovuqda 0 ° C da olinadi
birikma. Shunday qilib, issiq yon haroratni olish uchun mos yozuvlar jadvalidan qanday foydalanish kerak? Ochiq joyni kengaytirishni tasavvur qiling
yuqoridagi termojuftning oxiri va xayoliy uchini harorat bilan tutashgan joyga ulaydi
0 ° C (6-rasm). Agar biz V0 qiymatini hisoblasak, mos yozuvlar jadvalidan foydalanish juda oson
mos keladigan issiq harorat.
6-rasm: Noma'lum issiqni aniqlash uchun kengaytirilgan termojuftni 0 ° C birikmasiga ulang
tutashuv harorati, TH.
V0 ni aniqlang
Yuqoridagi formulani qayta tuzing:
13-tenglamadagi birinchi had tenglama 10 ga teng (5-rasmdan olingan). Ekvivalent kuchlanish chiqishi VC dir, bu ma'lum qiymat, chunki sovuq tutashuvdagi harorat voltmetr bilan o'lchanadi. Ikkinchi atama termojuftning chiqishiga teng bo'ladi, agar issiq tutashuv harorati TC ga teng bo'lsa va sovuq o'tish harorati 0 ° C ga teng bo'lsa, chunki TC alohida harorat sensori bilan ham o'lchanadi, biz mos yozuvlarni topish uchun standart mos yozuvlar jadvalidan foydalanishimiz mumkin 13-tenglamadagi ikkinchi davr uchun seebeck kuchlanishi (Vi):
Ushbu V0 qiymati bilan TH da mos keladigan harorat standartdan aniqlanishi mumkin
mos yozuvlar jadvali.
Jarayonning issiq uchi haroratini hisoblash uchun sovuq birikma kompensatsiyasidan foydalanish
quyidagi bosqichlarga bo'linadi:
• Sovuq tutashuv haroratini (TC) harorat sensori bilan o'lchab ko'ring.
• Sovuq tutashuv haroratini o'lchash.
• TC standart mos yozuvlar jadvali yordamida voltajga (Vi) aylantiriladi.
• V0=Vi + VC ni hisoblang.
• V0 standart harorat jadvalidan foydalanib TH haroratiga o'tkazing.
Standart termojuft ma'lumot jadvallari uchun NIST ITS-90 termojuft ma'lumotlar bazasiga murojaat qiling.
NIST ITS-90 veb-saytida har bir termojuft turi uchun formulalar to'plami mavjud
agar qidiruv jadvali bajarilmasa, haroratni voltajga aylantirish uchun ishlatiladi
xotira yoki boshqa sabablarga ko'ra mikrokontroller.
Tizim dizaynining asosiy nuqtalari
Hozircha yuqoridagi bahs faqat termojuft haqidagi nazariy bilimlar bilan cheklangan. Qilish uchun
haqiqiy tizimning aniqligini optimallashtirish, bir nechta narsani ta'kidlash kerak. Har bir qurilma
asosiy termojuft signal zanjiri (7-rasm) konvertatsiya aniqligiga ta'sir qiladi va bo'lishi kerak
xatolarni kamaytirish uchun ehtiyotkorlik bilan tanlangan.
7-rasm: Termojuftni o'lchash tizimining asosiy elementlariga kuchaytirgich va ADC,
va keyinchalik noma'lum haroratni hisoblashi mumkin bo'lgan mikrokontroller.
Tizim platasi: Tizim platasi
Kuchaytirgich: Kuchaytirgich
Harorat sensori: harorat sensori
7-rasmning chap tomonidan termojuft tizimning ulagichiga ulangan
elektron karta. Termojuftning o'zi ham sensordir va xato manbasi ham bo'lishi mumkin. Uzunroq
termojuftlar atrofdagi muhitning elektromagnit shovqinini osongina olishlari mumkin;
ekranlangan sim shovqinni samarali ravishda kamaytirishi mumkin. Keyingi element kuchaytirgich bo'lib, u yuqori darajaga ega
kirish empedansi juda muhim, chunki kuchaytirgich kirish empedansi va termojuft
kuchlanishni ajratuvchi shakllanishiga qarshilik. Kuchaytirgichning kirish empedansi qanchalik baland bo'lsa, shuncha kichik bo'ladi
xato.
Bundan tashqari, kuchaytirgich termojuftning chiqishini oshiradi, termojuftning chiqishi odatda millivoltga teng
oralig'i.&# 39 kuchaytirgichining yuqori yopiq tsikli kuchayishi signal va shovqinni kuchaytirib, a qo'shadi
ADC kirishiga past chastotali filtr shovqinning katta qismini yo'q qiladi. Chunki harorat yo'q
juda tez o'zgaradi, bunday dasturlar uchun ADC konvertatsiya darajasi odatda juda past - bo'lishi mumkin
soniyada atigi bir necha marta namuna oling, shuning uchun past o'tkazgichli filtr juda samarali.
Va nihoyat, bortdagi harorat sensori sovuq uchi ulagichga juda yaqin bo'lishi kerak (ideal holda)
termojuft simining uchi bilan aloqa qilishda, lekin ko'p hollarda bu holatga yo'l qo'yilmaydi)
eng yaxshi sovuq tutashuv haroratini o'lchash uchun. Sovuq birikmani o'lchashdagi har qanday xatolar
issiq o'tish haroratini hisoblashda aks etadi.
Termojuft sxemalariga misollar va sinov natijalari
O'zingizning termojuft o'lchov sxemasini loyihalashtirishingiz yoki mos yozuvlar dizayni yordamida sizga kerak
uning to'g'riligini tekshirish uchun. MAXREFDES67 # mos yozuvlar dizaynining aniqligi
(8-rasm)
quyida tasvirlangan.
Ushbu holatda,
Shakl 8: MAXREFDES67 # - bu kuchlanishni o'lchaydigan termojuftlar va RTDlar uchun mos yozuvlar dizayni.
va -40 ° C dan 150 ° C gacha bo'lgan harorat oralig'ida oqim va haroratni o'lchash.
O'lchovdagi xatolarni minimallashtirishni tasvirlash uchun avval termojuft tizimini
Masalan, Maxim' MAXREFDES67 mos yozuvlar dizayni kabi. Ning xatosini tekshirish uchun
o'lchov tizimi yoki har qanday o'lchov tizimi, ma'lum bo'lgan harorat va ishonchli vosita
taqqoslash uchun talab qilinadi. Ushbu misolda biz uchta mos yozuvlar termometridan foydalandik: Omega HH41
termometr (endi uning o'rniga HH42), ETI mos yozuvlar termometri va Fluke 724 harorati
kalibrator. MAXREFDES67 # ga ulangan K tipidagi termojuft Fluke 7341 ga joylashtirilgan
kalibrlash pechkasi va 20 ° C da sozlang. Moviy nuqta ma'lumotlariga Omega HH41 havola qilinadi va
yashil nuqta ma'lumotlari ETI qurilmasiga havola qilinadi. Qizil nuqta ma'lumotlari maksimal xatolikni kamroq ko'rsatadi
Fluke 724 kalibratori asosida 0,1 ° C dan yuqori, ammo oldingi sinovdan farqli o'laroq, Fluke 724
mos yozuvlar vositasi sifatida ishlatilmaydi. K tipidagi ideal termojuftni simulyatsiya qiling va ulang
MAXREFDES67 # ni termojuft uzatma simiga kiritish. 9-rasmda test natijalari ko'rsatilgan.
Shakl 9. Omnitec EC3TC (K tipidagi termojuft, 20 ° C da kalibrlangan) yordamida
MAXREFDES67 # xatosiga nisbatan harorat va uni boshqa uchta mos yozuvlar termometrlari bilan taqqoslang.
Natijalar juda yuqori aniqlikni namoyish etadi.
yakunlab, yakunida; qo'shmoq
Termokupllar sanoat haroratini o'lchash dasturlarida juda ko'p afzalliklarga ega, shu jumladan
harorat oralig'i, javob berish vaqti, narxi va chidamliligi. Termojuft nazariyasi biroz ko'proq
murakkab, ammo biz aniq o'lchovlarni amalga oshirishimiz uchun buni to'liq anglashimiz kerak
kuchlanishdan haroratgacha yuqori aniqlikdagi o'tish. MAXREFDES67 # mos yozuvlar dizayni yordamida
MAX11254 va MAX6126 bu ikkita chip, ayniqsa termojuft harorati uchun mos
ushbu kichik signalga sezgir, yuqori aniqlikdagi o'lchov dasturlarini o'lchash. MAX11254
6-kanalli, 24-bitli, delta-sigma ADC bo'lib, quvvatni pasaytirganda past shovqin va aniqlikka erishadi
tarqalish 10 barobar. MAX6126 - bu juda past shovqin, o'ta yuqori aniqlik, kam tashlab ketish tandemidir
kuchlanish moslamasi, 3ppm / ° C harorat koeffitsienti (maksimal), mukammal ± 0,02% (maksimal)
dastlabki aniqlik.
