热电偶的理解 热电偶百度百科

热电偶可以用于高精度的温度测量,但是对于设计工程师来说非常困难。但如果了解热电偶的工作原理,可以通过固态电路设计和校准来优化测量精度。本文介绍了热电偶的基本原理和电路设计中的注意事项。

自20世纪初以来,热电偶被广泛应用于关键温度测量,尤其是在极端高温领域。对于许多关键的工业和过程应用,T/C和RTD(电阻温度检测器)已经成为温度测量的“黄金标准”。虽然RTD具有更好的准确性和可重复性,但热电偶具有以下优点:

大测量范围

快速响应时间

降低成本

良好的耐用性

自供电(无激励信号)

无自热效应

然而,使用热电偶高精度测量温度可能很复杂。你可以通过固态电路设计和校准来优化测量精度,但了解热电偶的工作原理有助于设计电路或使用温度计。

热电偶工作原理

当电压源加到一段导线上时,电流从正极流到负极,导线发热,造成一部分能量损失。托马斯·泽贝克(Thomas Zeebek)在1821年发现的塞贝克效应(seebeck effect)是一种反向现象:当一定的温度梯度施加到一段导线上时,就会产生电势。这是热电偶的物理基础。

(公式1)

其中,v是电压梯度,T是温度梯度,S(T)是Zeebek系数。Zeebek系数与材料有关,也是温度的函数。一段导线上两个不同温度点之间的电压等于Zeebek系数函数对温度的积分。

(公式2)

例如,图1中的T1、T2和T3代表一段导线上不同位置的温度。T1(蓝色)代表最低温度点,T3(红色)代表最高温度点。T2和T1之间的电压为:

(公式3)

类似地,T3和T1之间的电压为:

(公式4)

根据积分的可加性,V31也等于:

(公式5)

在讨论热电偶的电压和温度转换时,我们应该记住这一点。

热电偶的理解 热电偶百度百科插图

图1:根据Zeebek系数,温度梯度在导电金属上产生电压。

热电偶由两种不同的金属组成,金属丝的泽贝克系数S(T)一般是不同的。既然一种金属上的温差可以产生电压差,为什么一定要用两种金属呢?假设图2中的金属线由材料“A”制成。如果伏特计的探针也是由材料A制成,理论上,伏特计将检测不到任何电压。

图2:电压测量连接。当探针和导线由相同的材料制成时,就不会有电位差。

原因是当探针连接到导线末端时,相当于延长了导线。长金属线的两端连接到电压表的输入端,具有相同的温度(TM)。如果导线两端的温度相同,就不会产生电压。为了从数学上证明这一点,我们计算从电压表正极到负极整个金属环上的累积电压。

(公式6)

根据积分的可加性,上述公式变为:

(公式7)

当积分的下边界和上边界相同时,积分的结果为V=0。如果探针材料是B,如图3所示,则:

(公式8)

简化上述公式,我们得到:

(公式9)

等式9显示,测得的电压等于两种材料的Zeebek系数函数之差的积分。这就是热电偶使用两种不同金属的原因。

图3:电压测量连接。探头和金属丝采用不同的材料,说明了塞贝克系数的物理现实。图3:电压测量连接。探针和导线由不同的材料制成,显示了Zeebek系数的物理真实性。

材料A:材料A

材料B:材料B

电压表:电压表

根据图3中的电路和等式9,假设已知SA(T)、SB(T)和测得的电压,我们仍然无法计算热端的温度(th ),除非我们知道冷端的温度(TC)。热电偶早期采用温度为0°C的凝固点炉作为参考温度(因此有“冷端”一词),因为这种方法成本低,容易实现,可以自调温度。等效电路如图4所示。

图4:热电偶需要一个参考温度,图中所示的0°C,以便计算未知温度TH。图4:热电偶需要一个参考温度0 ℃,如图所示,以便计算未知温度Th。

虽然我们知道图4所示电路的基准温度,但通过积分获得TH是不实际的。于是出现了一个支持常见热电偶类型的标准参考表,通过查找可以得到对应电压输出的对应温度。但是,必须记住,所有标准热电偶参考表都是以0°C为参考点绘制的。

热电偶系统

现代热电偶由两根不同的导线连接在一端(th)。测量线对开路端的电压。根据图5所示的等效电路,VC与上面图3中的公式9相同。

(公式10)

图5:带冷端补偿的现代热电偶配置。

冷端补偿

冷端补偿冷端(TC)温度可以设置为冰点炉的0°C,但在实际应用中,我们不使用冰桶作为参考温度。使用CJC(冷端补偿)方法,可以在不使用0°C冷端温度的情况下计算热端温度。甚至冷端温度也不一定恒定。这种方法只使用一个独立的温度传感器来测量TC点的温度。如果已知TC,则可以获得TH。

如果我们用温度传感器测量冷端温度,为什么不用这个传感器直接测量热端温度呢?如您所见,冷端温度范围比热端温度范围窄得多,因此温度传感器不需要支持热电偶支持的极端温度。

利用CJC计算热端温度

如上所述,所有标准热电偶参考表都是在0°c的冷端获得的,那么如何使用参考表获得热端温度呢?想象将上面热电偶的开路端延长,并将假想端连接到温度为0°C的节点(图6)。如果我们可以计算出V0的值,那么利用参考表就可以很容易地得到相应的热端温度。

图6:将延长后的热电偶连接到0°C结点,即可确定未知热端温度TH。图6:未知的热端温度Th可以通过将扩展热电偶连接到0°C节点来确定。

确定V0

(公式11)

对上面的公式重新排序:

(公式12)

(公式13)

(公式14)

等式13的第一项与等式10完全相同(从图5获得)。等效电压输出为VC,这是一个已知值,因为冷端的温度是通过电压表测量的。当热端温度等于TC且冷端温度等于0°c时,第二项相当于热电偶的输出,因为TC也是由独立的温度传感器测量的,所以我们可以使用标准参考表来找到等式13中第二项的对应Zeebek电压(Vi ):

(公式15)

使用该值,可以通过标准参考表确定th处的相应温度。

使用冷端补偿计算热端温度的过程分为以下步骤:

用温度传感器测量冷端温度(TC)。

测量冷端温度。

TC通过标准参考表转换为电压(Vi)。

计算V0=Vi+VC。

通过标准参考表将V0转换为温度TH。

标准热电偶参考表可在NIST ITS-90热电偶数据库中找到。如果由于存储器或其他原因无法在微控制器中实现查找表,NIST ITS-90网站还为每种热电偶类型提供了一组公式,可用于温度和电压之间的转换。

系统设计要点

到目前为止,上述讨论仅限于热电偶的理论知识。为了优化实际系统的精度,有几点需要注意。基本热电偶信号链(图7)中的每个器件都会影响转换精度,必须仔细选择,以将误差降至最低。

图7:热电偶测量系统的基本元件包括放大器和ADC,以及之后可计算未知温度的微控制器。图7:热电偶测量系统的基本元件包括放大器和ADC,然后是一个可以计算未知温度的微控制器。

系统板:系统电路板

放大器:放大器

温度传感器:温度传感器

从图7的左侧开始,热电偶连接到系统电路板的连接器。热电偶本身也是传感器,也可能是误差源。长热电偶很容易拾取周围环境的电磁噪声;屏蔽线可以有效降低噪音。下一个元件是放大器,它具有高输入阻抗,因为放大器的输入阻抗和热电偶电阻构成分压器。放大器的输入阻抗越高,误差越小。

(公式16)

此外,放大器会增加热电偶输出,通常在毫伏范围内。虽然放大器的高闭环增益会放大信号和噪声,但在ADC输入端增加一个低通滤波器可以消除大部分噪声。由于温度变化不是很快,这类应用的ADC转换率一般很低——每秒可能只采样几次,所以低通滤波器非常有效。

最后,片上温度传感器需要非常靠近冷端连接器(理想情况下,它与热电偶线的末端接触,但许多情况下条件不允许),以获得最佳的冷端温度测量结果。冷端测量中的任何误差都会反映在热端温度的计算中。

热电偶电路实例及测试结果

无论是自行设计热电偶测量电路,还是采用参考设计,都需要验证其精度。下面介绍MAXREFDES67#参考设计的精度验证(图8)。

图8:MAXREFDES67#是用于热电偶和RTD的参考设计,可测量电压和电流,进而测量温度,测量温度范围为-40°C至150°C。图8: MAXREFDES 67 #是热电偶和RTD的参考设计,可以测量电压和电流,然后测量温度。测量温度范围为-40℃至150℃..

为了说明如何最小化测量误差,我们首先以热电偶系统为例,如Maxim的MAXREFDES67参考设计。为了验证这个测量系统或任何测量系统的误差,需要一个已知的温度和一个可靠的仪器进行比较。在这个例子中,我们使用三个参考温度计:欧米茄HH41温度计(现已被HH42取代),ETI参考温度计和福禄克724温度校准器。连接到MAXREFDES67#的k型热电偶放置在Fluke 7341校准炉中,并在20°c下校准。蓝点数据由Omega HH41参考,绿点数据由ETI设备参考。红点数据显示最大误差小于0.1°C,这是基于Fluke 724校准器,但与以往测试不同的是,Fluke 724不是作为参考仪器。模拟理想K型热电偶的输出,并将MAXREFDES67#的输入与热电偶延长线相连。图9显示了测试结果。

图9. 利用Omnitec EC3TC(K型热电偶,在20°C下经过校准),评估MAXREFDES67#的误差与温度关系,并将其与其它三款参考测温仪进行比较。结果表明达到了非常高的精度。图9。使用Omnitec EC3TC(K型热电偶,在20°C时校准),评估MAXREFDES67#的误差与温度之间的关系,并与其他三种参考温度计进行比较。结果表明,精度很高。

图10:MAXREFDES67#参考设计框图。图10:Maxrefdes 67 #参考设计的框图。

热电偶:热电偶

信号输入:信号输入

输入电路:输入电路

数字隔离器:数字隔离器

连接器:连接器

控制器:控制器

基准电压:基准电压

稳压电源:稳压电源

反激式转换器:反激式转换器

总结

热电偶在工业温度测量应用中具有许多优势,包括温度范围、响应时间、成本和耐用性。热电偶理论有点复杂,但是一定要充分理解,这样才能做出正确的测量和电压到温度的高精度转换。MAXREFDES67#参考设计使用MAX11254和MAX6126两个芯片,特别适合热电偶温度测量,这是一种对噪声敏感的小信号和高精度测量应用。其中,MAX11254是一款6通道、24位、δ-σ型ADC,在实现低噪声和高精度的同时,功耗降低了10倍。MAX6126是一款具有超低噪声、超高精度和低压差的系列基准电压源,温度系数为3 ppm/°C(最大值),出色的初始精度为0.02%(最大值)。

免责声明:本站所有文章内容,图片,视频等均是来源于用户投稿和互联网及文摘转载整编而成,不代表本站观点,不承担相关法律责任。其著作权各归其原作者或其出版社所有。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容,侵犯到您的权益,请在线联系站长,一经查实,本站将立刻删除。

本文来自网络,若有侵权,请联系删除,作者:青岛热电,如若转载,请注明出处:https://cnautoinfo.com/7349.html

发表回复

登录后才能评论