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分享热电偶温度测量方法和应用

日期:2020-01-23 04:41浏览次数:

  的大略元件。本文大略概述了热电偶,先容了行使热电偶举行计划的流程中常见的离间,并提出两种信号调明了决计划。第一种计划将参考接合点积累和信号医治集成正在一个模仿IC内,运用更轻松;第二种计划将参考接合点积累和信号医治独立开来,使数字输出温度感触更灵便、更切确。

  如图1所示,热电偶由正在一头相连的两根差异金属线构成,相连端称为丈量(“热”)接合点。金属线不相连的另一头接到信号医治电道走线,它通常由铜造成。正在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考(“冷”)接合点。

  *咱们运用术语“丈量接合点“和“参考接合点”而不是更古板的“热接合点”和“冷接合点”。古板定名体例也许会令人发生狐疑,由于正在很多操纵中,丈量接合点也许比参考接合点温度更低。

  正在参考接合点处发生的电压取决于丈量接合点和参考接合点两处的温度。因为热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度丈量器件,务必懂得参考接合点温度以得回切确的绝对温度读数。这一流程被称为参考接合点温度积累(冷接合点积累)。

  热电偶已成为正在合理精度内高性价比丈量宽温度局限的工业轨范措施。它们操纵于高达约+2500°C的百般局势,如汽锅、热水器、烤箱和风机引擎等。K型是最受接待的热电偶,蕴涵Chromel和Alumel(特性是不同含铬、铝、镁和硅的镍合金),丈量局限是–200°C至+1250°C。

  温度局限广:从低温到喷气引擎废气,热电巧合用于群多半现实的温度局限。热电偶丈量温度局限正在–200°C至+2500°C之间, 实在取决于所运用的金属线。

  相应速:由于它们体积幼,热容量低,热电偶对温度转变相应速,更加正在感触接合点裸露时。它们可正在数百毫秒内对温度转变作出相应。

  信号医治杂乱:将热电偶电压转换成可用的温度读数必要举行大方的信号医治。向来此后,信号医治花消大方计划年光,收拾不妥就会引入偏差,导致精度消重。

  精度低:除了因为金属性子导致的热电偶内部固有不切确性表,热电偶丈量精度只可抵达参考接合点温度的丈量精度,通常正在1°C至2°C内。

  易受侵蚀:由于热电偶由两种差异的金属所构成,正在极少工况下,随年光而侵蚀也许会消重精度。是以,它们也许须要守卫;且珍爱爱护必弗成少。

  抗噪性差:当丈量毫伏级信号转变时,杂散电场和磁场发生的噪声也许会惹起题目。绞合的热电偶线对也许大幅消重磁场耦合。运用障蔽电缆或正在金属导管内走线和防护可消重电场耦合。丈量器件该当供给硬件或软件办法的信号过滤,有力贬抑工一再率(50 Hz/60 Hz)及其谐波。

  将热电偶发生的电压变换成切确的温度读数并不是件轻松的事务,因为良多:电压信号太弱,温度电压合连呈非线性,须要参考接合点积累,且热电偶也许惹起接地题目。让咱们一一明白这些题目。

  电压信号太弱:最常见的热电偶类型有J、K和T型。正在室温下,其电压转变幅度不同为52 µV/°C、41 µV/°C和41 µV/°C。其它较少见的类型温度电压转变幅度乃至更幼。这种轻微的信号正在模数转换前须要较高的增益级。表1比拟了百般热电偶类型的灵巧度。

  由于电压信号轻微,信号医治电道通常须要约100掌握的增益,这是相当大略的信号医治。更棘手的事务是若何识别现实信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长,每每穿过电气噪声辘集处境。引线上的噪声可轻松吞噬细微的热电偶信号。

  通常连接两种计划来从噪声中提守信号。第一种计划运用差分输入放大器(如仪表放大器)来放大信号。由于群多半噪声同时浮现正在两根线上(共模),差分丈量可将其歼灭。第二种计划是低通滤波,歼灭带表噪声。低通滤波器应同时歼灭也许惹起放大器整流的射频骚扰(1 MHz以上)和50 Hz/60 Hz(电源)的工频骚扰。正在放大器前面安排一个射频骚扰滤波器(或运用带滤波输入的放大器)特别紧张。50Hz/60Hz滤波器的位子可有可无—它可能与RFI滤波器组合放正在放大器和ADC之间,行动∑-Δ ADC滤波器的一局部,或可行动均值滤波器正在软件内编程。

  参考接合点积累:要得回切确的绝对温度读数,务必懂得热电偶参考接合点的温度。当第一次运用热电偶时,这一程序通过将参考接合点放正在冰池内来达成。图2描绘一头处于未知温度,另一头处于冰池(0°C)内的热电偶电道。这种措施用来精确描绘百般热电偶类型的特性,是以险些完全的热电偶表都运用0°C行动参考温度。

  但对待群多半丈量体系而言,将热电偶的参考接合点连结正在冰池内不切现实。群多半体系改用一种称为参考接合点积累(又称为冷接合点积累)的本事。参考接合点温度运用另一种温度敏锐器件来丈量—通常为IC、热敏电阻二极管或RTD(电阻温度丈量器)。然后对热电偶电压读数举行积累以反应参考接合点温度。务必尽也许切确地读取参考接合点—将切确温度传感器连结正在与参考接合点不异的温度。任何读取参考接合点温度的偏差都邑直接反应正在最终热电偶读数中。

  热敏电阻:相应速、封装幼;但央求线性,精度有限,更加正在宽温度局限内。央求慰勉电流,会发生自愿热,惹起漂移。连接信号医治成效后的具体体系精度差。

  长途热二极管:二极管用来感触热耦维系器邻近的温度。治疗芯片将和温度成正比的二极管电压转换成模仿或数字输出。其精度限于约±1°C。

  集成温度传感器:集成温度传感器是一种片面感触温度的独立IC,应幼心地亲热参考接合点安设,并可组合参考接合点积累和信号医治。可得回远低于1°C的精度。

  电压信号非线性: 热电偶相应弧线的斜率随温度而转变。比如,正在0°C时,T型热电偶输出按39 µV/°C转变,但正在100°C时斜率填补至47 µV/°C。

  抉择弧线相对较平缓的一局部并正在此区域内将斜率近似为线性,这是一种稀奇适合于有限温度局限内丈量的计划,这种计划不须要杂乱的准备。K和J型热电偶比拟受接待的诸多因为之一是它们同时正在较大的温度局限内灵巧度的递增斜率(塞贝克系数)连结相当恒定(参见图1)。

  图3.热电偶灵巧度随温度而转变当心,从0°C至1000°C,K型塞贝克系数大致恒定正在约 41 µV/°C

  另一个计划是将查找表存储正在内存中,查找表中每一组热电偶电压与其对应的温度相成家。然后,运用表中两个比来点间的线性插值来得回其它温度值。

  第三种计划运用高阶等式来对热电偶的性子举行修模。这种措施固然最切确,但准备量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转换为热电偶电压(合用于参考接合点积累)。另一组将热电偶电压转换成温度。热电偶表和更高阶热电偶等式可从得回。这些表格和等式全盘基于0°C参考接合点温度。正在参考集结点处于任何其它温度时,务必运用参考接合点积累。

  计划热电偶信号医治时应正在丈量接地热电偶时避免接地回道,还要正在丈量绝缘热电偶时拥有一条放大器输入偏压电流道途。其它,倘使热电偶尖端接地,放大器输入局限的计划应可以应对热电偶尖端和丈量体系地之间的任何接地区别(图5)。

  对待非分开体系,双电源信号医治体系通常有帮于接地尖端和裸露尖端类型得回更安祥的出现。由于其宽共模输入局限,双电源放大器可能收拾PCB印刷电道板)地和热电偶尖端地之间的较大压差。倘使放大器的共典范围拥有正在单电源修设下丈量地电压以下的某些才干,那么单电源体系可能正在完全三种尖端情景下得回惬心的职能。要收拾某些单电源体系中的共模局部,将热电偶偏压至中央量程电压出格有效。这全部适合于绝缘热电偶大略或具体丈量体系分开的情景。不过,不倡议计划非分开体系来丈量接地或裸露热电偶。

  适用热电偶管理计划:热电偶信号医治比其它温度丈量体系的信号医治更杂乱。信号医治计划和调试所需的年光也许会延伸产物的上市年光。信号医治局部发生的偏差也许会消重精度,更加正在参考接合点积累段。下列两种管理计划可能管理这些题目。

  第一种计划周到先容了一种大略的模仿集成硬件管理计划,它运用一个IC将直接热电偶丈量和参考接合点积累连接正在一道。第二种计划周到先容了一种基于软件的参考接合点积累计划,热电偶丈量精度更高,可更灵便地运用多品种型热电偶。

  图6所示为K型热电偶丈量示图谋。它运用了AD8495热电偶放大器,该放大器特意计划用于丈量K型热电偶。这种模仿管理计划为缩短计划年光而优化:它的信号链比拟精练,不须要任何软件编码。

  增益和输出比例系数:轻微的热电偶信号被AD8495放大122的增益,酿成5-mV/°C的输出信号灵巧度(200°C/V)。

  降噪:高频共模和差分噪声由表部RFI滤波器歼灭。低频率共模噪声由AD8495的仪表放大器来贬抑。再由表部后置滤波器管理任何残存噪声。

  参考接合点积累:因为蕴涵一个温度传感器来积累处境温度转变,AD8495务必放正在参考接合点邻近以连结不异的温度,从而得回切确的参考接合点积累。

  非线性校正:通过校准,AD8495正在K型热电偶弧线 mV/°C输出,正在–25°C至+400°C温度局限内的线°C。倘使须要此局限以表的温度,ADI操纵札记AN-1087先容了若何正在微收拾器中运用查找表或公式来伸张温度局限。

  绝缘、接地和裸露热电偶的收拾:图5所示为一个接地1MΩ电阻,它合用于完全热电偶尖端类型。AD8495特意计划以正在如图所示搭配单电源时丈量地电压以下数百毫伏。倘使指望更大地压差,AD8495还可采用双电源作事。

  AD8495的更多详情:图7所示为AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2和A3(及所示电阻)一道酿成一个仪表放大器,它运用刚巧发生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出举行放大。正在符号“Ref junction compensation”(参考接合点积累)的框内是一个处境温度传感器。正在丈量接合点温度连结安祥的条款下,倘使参考接合点温度因为任何因为而上升,来自热电偶的差分电压就会消重。倘使微型封装的(3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm)AD8495亲密参考接合点的热区域,参考接合点积累电道将卓殊电压施加到放大器内,如此输出电压连结恒定,从而对参考温度转变举行积累。

  图8显示高精度丈量J、K或T型热电偶的示图谋。此电道蕴涵一个幼信号热电偶电压丈量用的高精度ADC,和一个参考接合点温度丈量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个表部微收拾器运用S举行左右。

  歼灭噪声并放大电压:AD7793如图9所示,运用AD7793—一种高精度、低功耗模仿前端来丈量热电偶电压。热电偶输出经由表部滤波后维系到一组差分输入AIN1(+)和AIN1(–)。信号然后次第经由一个多道复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器(放大热电偶幼信号)发送到一个ADC,它将该信号转换为数字信号。

  参考接合点温度积累:ADT7320 (详见图10)正在足够亲热参考接合点安排时正在–10°C至+85°C温度局限内参考接合点温度丈量精度可抵达±0.2°C。片上温度传感器发生与绝对温度成正比的电压,该电压与内部基准电压比拟较并输入至严谨数字调造器。该调造器输出的数字化结果一向改善一个16位温度值寄存器。然后通过SPI接口从微收拾器回读温度值寄存器,并连接ADC的温度读数一道告终积累。

  校正非线正在全部额定温度局限(–40°C至+125°C)内显示精采的线性度,不须要用户校正或校准。因此其数字输出可视为参考接合点形态的切确表现。

  为了确定现实热电偶温度,务必运用美国国度轨范本事磋议院(NIST)所供给的公式将此参考温度丈量值转换成等效热电电压。此电压与AD7793丈量的热电偶电压相加,然后再次运用NIST公式将和转换回成热电偶温度。

  收拾绝缘和接地热电偶:图8所示为拥有裸露尖端的热电偶。此供给最佳响当令间,但不异的修设还可能搭配绝缘尖端热电偶一道运用。

  热电偶正在相当宽的温度局限内供给安祥牢靠的温度丈量,但由于须要正在计划年光和精度之间举行折衷,它们往往不是温度丈量的首选。本文提出管理这些题目的高性价比办法。

  第一种管理计划重视借帮基于硬件的模仿参考接合点积累本事来消重丈量的杂乱度。它可能告终大略的信号链,不须要任何软件编程,依赖于AD8495热电偶放大器所供给的集成性子,该放大器发生5mV/°C输出信号,可馈入到百般微收拾器的模仿输入。

  第二种管理计划供给最高丈量精度,还可运用百般热电偶类型。行动一种基于软件的参考接合点积累本事,它依赖于高精度ADT7320数字温度传感器来供给精度远超迄今所告终精度的参考接合点积累丈量。ADT7320正在–40°C至+125°C温度局限全部校准并指定。全部透后,差异于古板的热敏电阻或RTD传感器丈量,它既不须要正在电道板装置后举行高本钱的校准程序,也不会因校准系数或线性化次第而损耗收拾器或内存资源。其功耗唯有数毫瓦,避免了消重古板电阻式传感器管理计划精度的自愿热题目。

  要使这种积累合连生效,参考接合点的两个端子务必保卫正在不异的温度。温度平衡是运用一个等温端子块使两个端子的温度不异,同时连结电气分开。

  正在丈量参考接合点温度后,务必将其转换成等效的热电电压,它正在接合点处于丈量温度下时发生。一种措施是运用幂级数多项式。热电电压准备如下:

  NIST颁发每一种热电偶的多项式系数表。这些表蕴涵系数列表、阶数(多项式的项数)、每个系数列表的有用温度局限和偏差局限。某些类型热电偶央求多个系数表以涵盖全部温度操作局限。幂级数多项式表正在正文中列出。

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