КАТЕГОРИЯ:


Принципа на работа на термодвойката и напрежението на компенсация на студения край




Термо - малка, стабилна и сравнително евтин устройство. В допълнение, всички температурни сензори работят в широк температурен диапазон. Термо-двойки са необходими за измерване на високи температури (до 2300 ° C) във враждебна среда. Те генерират термоелектрически мощност в обхвата от микроволта до миливолта обаче изисква стабилна печалба за последваща обработка. Освен това е необходимо да се прилага напрежение на компенсацията на студен възел, което ще бъде обсъдено накратко по-долу. Те са много по-линейна от много други сензори и тяхното нелинейност към днешна дата е добре проучено и описани в литературата.

Таблица. 2 са най-честите термодвойки. По време на производството им често се използват метали като желязо, платина, родий, рений, волфрам, мед, Alumel (сплав на никел и алуминий) Chromel (сплав на никел с хром) и константан (медно-никелова сплав).

Таблица 2

Chromel-хромалумелова -184 ... 1260 K
Платина (13%) / платина родий 0 ... 1593 11.7 R
Платина (10%) / платина родий 0 ... 1538 10.4 S
Мед-Константан -184 ... 400 T

Фиг. 1 показва температурната зависимост ЕВФ на трите най-често срещаните видове термодвойки, чиито референтни кръстовище температура се поддържа при температура от 0 ° C. Тип J термодвойка най-чувствителен и развива най-високата изходното напрежение при същата температура. От друга страна, термодвойката на S-тип са най-малко чувствителни. Както се вижда от характеристиките, сигналите, разработени от термодвойките, са много малки и изискват ниски усилватели шум с висока печалба и нисък дрейф. Това трябва да се има предвид, когато проектирането на схеми за обработка на сигнала с термодвойка сензори.

Фиг. 1

За да се разбере поведението на термодвойки, помисли как те се променят изходния сигнал при смяна на една чувствителна част от температурата на термодвойка (горещ възел). Фигура 1 показва връзката между температурата на горещия възел и изходния сигнал, за разработване на различни видове термодвойки (във всички случаи температурата на възел позоваване се поддържа при 0 ° С). Очевидно е, че термодвойката на отката е нелинейна, но естеството на тази нелинейност все още не е напълно ясно.

Фигура 2 показва зависимостта на температурата на коефициента на линейност горещ възел (Зеебек коефициент), т.е. увеличаване на изходното напрежение, съответстващо на температура възел повишаването гореща от 1 ° С, с други думи, първото производно на изходния сигнал в зависимост от температурата. Имайте предвид, че все още за това е случаят, когато температурата на позоваване възел се поддържа при 0 ° С



Фиг. 2

При избора на термодвойка за измерване на температурата в производството на достатъчно широка гама от термодвойката трябва да бъде избрано, линеен коефициент, който варира по-малко от другите в този обхват.

Например, J-тип термодвойка в интервала 200-500 ° С коефициент линейност варира малко от 1 тУ / ° С, което го прави идеален за използване в този диапазон.

Показано на фиг. 1 и 2, полезни данни два пъти: първо, Фиг. 1 показва обхвата и чувствителността на трите типа термодвойки, така че възложителят може да видите с един поглед, че термодвойка тип S на има широк диапазон на измерване, но тип J - по-чувствителна; второ, знания Зеебек коефициент (фиг. 2) ви позволява бързо да се определи какво е линейността на избрания термодвойката. Използване на фиг. 2, разработчикът за използване в обхвата на 400 ... 800 ° C избира тип K термодвойката, чийто коефициент на линейност в този регион е минимална, и за редица 900 ... 1700 ° C - тип термодвойка S. коефициент Behavior линейност е при определяне момента на отклонение от желаната температура по-критични от зададената температура от само себе си. Тези данни показват също, какви характеристики трябва да имат устройството работи във връзка с контролната верига различна термодвойката.

За да използвате успешно термодвойки, трябва да разберат основните принципи на тяхната работа. Разглеждане на веригата, показана на Фиг. 3.

Фиг. 3

Ако ние комбинираме два различен метал при температура над абсолютната нула (-273,16 ° С), като разликата между тях ще потенциали (т.нар Зеебек - термоелектрически EMF, или "контакт потенциална разлика"), което е функция на точка на свързване (фиг. 3а). Ако ние се свърже двата проводника на две места, ще образуват две кръстовища (фиг. 3б) Ако тези кръстовища са при различни температури, на топлоелектрическа генерирани от проводниците протича ток в една верига, стойността на които се определя от стойността на топлоелектрически и съпротивителни проводници.

Разкъсването един от проводниците, ние виждаме, че напрежението в точки на прекъсване, е равна на топлоелектрическа, и ако се измери напрежението, получената стойност може да се използва за определяне на температурната разлика между двете кръстовища (фиг. 3в).

Трябва да се помни, че термодвойката променя температурната разлика между двете кръстовища, но не абсолютната температура в една от тях. Определя се температурата в измерената кръстовището ние само ако знаем втората точка кръстовище (често наричан "референтен" или "студен").

Но това не е толкова лесно да се измери напрежението, образуван от термодвойка. Да предположим, че се свържете волтметър в примката на схема (фиг. 3d). Проводници, свързани към волтметър, също образуват термодвойка в точката на свързване. Ако и двете от тези допълнителни термодвойки са при същата температура (няма значение кой), те няма да имат влияние върху цялостното термоелектрически електроенергийната система. Ако температурата им варира, може да се получат грешки. Тъй като всеки чифт в контакт различни метала произвежда термоелектрически (включително мед / спойка, Kovar / мед (Kovar - сплав, използвана за образуване на чип субстрат), алуминий / kovar [в съединението вътре чип)), е очевидно, че в реални експлоатационни вериги като много по-сериозни проблеми, отколкото тези, описани по-горе. Следователно е необходимо да се опита да се гарантира, че всички контакти на различни метали в кръг около термодвойката (разбира се, в допълнение към съединенията на самия термодвойка) са при същата температура.

Термо създават напрежение, въпреки че много малка, но не се нуждаят от ток на възбуждане. Показано на фиг. 3 г термодвойката има две възли (Т1 - температурата на измервателния възел, Т2 - справка). Ако Т1 = Т2, след V2 = V1 и изходното напрежение V = 0. Изходното напрежение на термодвойката обикновено се дефинира като стойност, получена чрез поддържане на температурата на студения край на 0 ° С Следователно произходът на термина "студен възел" или "кръстовище при температурата на топене на леда." Следователно, ако точката за измерване се поставя в среда с температура нула на изхода термодвойка е нула волта.

За да се извърши с висока точност измервания, трябва внимателно да се поддържа температурата на студения край, които трябва да бъдат строго определени (макар и не непременно равна на 0 ° C). А просто изпълнение на това изискване е показано на фиг. 4. Баня с топящ се лед могат лесно да бъдат приложени във всяка среда, въпреки че на практика това не винаги е удобно.

Фиг. 4

Днес "кръстовище температура на топене на леда" с необходимите за изпълнението му баня от лед и вода и изместени електроника. Температурен сензор от друг вид (по-полупроводник, и понякога термистор) измерва студена температура на кръстовище, и резултатът се използва за генериране на допълнително напрежение в термодвойка верига, компенсиране на разликата между действителната температура на студено съединение и неговото идеално стойност (обикновено 0 ° С), както е показано Фиг. 5. В идеалния случай, напрежението на компенсация трябва да бъде избран при стриктно спазване на разликата в напрежението. напрежение корекция е функция на температурата на референтния възел Т2, и по-сложни от проста линейна връзка е описано от продукта KhT2, където К - проста постоянна. На практика, защото студените възли обикновено при температура само няколко десетки градуса над 0 ° С, и неговите граници стойност от ± 10 ° С, линеен сближаване на изравнителната напрежение е допустимо. С други думи, въпреки че действителната стойност на напрежението на корекция се определя от полином съгласно формулата V = K 1 XT + K 2 XT 2 + K 3 HT 3 + ..., но стойностите на коефициентите К 2, К 3 и др .. Е. много малки за всички известни видове термодвойки. Стойностите на тези коефициенти за всички термодвойки могат да бъдат намерени в справочници.

Фиг. 5

При използване на електронен напрежение при компенсация на студения край, на практика, кабели за свързване на краищата на термодвойката е затворена в изотермичен блок, както е показано на фиг. 6. Когато връзката A метал - медта и метал в - мед са при същата температура, това е еквивалентно на метална spayu A - метал B, както е показано на фиг. 5.

Фиг. 6

Схемата, показана на Фиг. 7, осигурява измерване на температура от 0 ° С до 250 ° С с помощта на термодвойка тип К компенсира напрежение позоваване възел. Мощност схема е еднополюсен напрежение от 3,3 до 12 V. Освен това, схемата е проектирана така, че обменният курс беше 10 мВ / ° C.

Фиг. 7

термодвойка тип K Печалбата е приблизително 41 мВ / ° C. Следователно, искането за компенсация на напрежението на датчика с температурен коефициент от 10 мВ / ° C TMP35 използва с разделител в R1 и R2, предоставяне на необходимата стойност 41 мВ / ° C. Елиминиране на не-изотермични пътеки между платката и проводници термоелементи предотвратява грешки при измерванията при различни температури. Такива компенсационни схеми, подходящи за работа при околна температура от 20 до 50 ° C.

Ако температурата на работния възел достигне 250 ° С, си изходното напрежение ще бъде 10,151 тУ. Тъй като верига изходния сигнал трябва да бъде равно на 2.5 V, усилвателя трябва да има печалба от 246.3. Избор R4, равно на 4.99 ома, определя стойността на R5 до 1,22 MW. Най-близкото един процент стойност за R5 е 1.21 megohms, следователно фина настройка на амплитудата на изходния сигнал се използват заедно с резистентност R5 потенциометър 50 ома.

Въпреки OR193 позволява мощност от един източник, неговите изходни етапи не са проектирани да работят в експлоатацията на железопътния към железопътен и минималната стойност на изхода на сигнала не трябва да бъде по-ниска от 0,1 V. За тази цел, резистора R3 добавя към входа на оп-усилвател с ниско напрежение че увеличава производството на 0.1 V за захранващото напрежение на 5 V. Това изместване (съответстващи на 10 ° с) трябва да се изважда или след лечение с изход OR193 отчитане на сигнала. R3 също дава определение на термодвойка недостатъчност: ако термодвойката не присъства, на изхода става повече от 3 W. резистор R7 балансира входно съпротивление OR193 DC, и филм кондензатор от 0.1 ДФ намалява смущенията от термодвойката на своя неинвертиращия вход.

AD594 / AD595 - апаратура усилвател и студения край компенсатор напрежение, образувана в един чип (Фигура 9.). Този чип се свързва с "точката на топене на леда" и предварително зададената съдържа усилвател, който осигурява изходно напрежение високо ниво (10 мВ / ° C) директно към изхода на термодвойката. AD594 / AD595 може да се използва като линеен усилвател ехото или като превключване контролер използва за постоянно или мобилен контрол и регулиране. Схемата може да се използва за насочване на усилване компенсира напрежение, което изпълнение функцията на температурен датчик с коефициент на преобразуване напрежение от 10 тУ / ° С В някои случаи, е важно, че чип е при същата температура като студения край на термодвойката. Това обикновено се постига чрез поставяне на двамата в непосредствена близост един до друг и да ги изолира от източници на топлина.

AD594 / AD595 сензор включва увреждане термодвойка, което показва, че един или двата края на термодвойката е изключен от чипа. Авариен изход е достатъчно гъвкава, за да се образува TTL сигнал в държавата. Устройството се захранва от един положителен доставка (напрежение в него може да бъде само 5), но отрицателно напрежение осигурява измерване на температурата под 0 ° С За да се намали Самонагряването собствена консумация AD594 / AD595 (без натоварване) е намалено до 160 mA, и чипа е в състояние да даде на товарния ток до ± 5ma.

Фиг. 8

Благодарение на лазерно почиства резистори вътре веригата AD594 конфигуриран да работи с термодвойки тип J (желязо / константан) и AD595 - термодвойка тип K (chromel / хромалумелова). компенсира напрежения и печалби чипове могат да се различават от външни елементи, така че всеки от тях може да бъде пренастроено от всеки друг тип термодвойка. Също така е възможно с помощта на външни компоненти да се приложи по-точно калибриране термодвойка за специфични приложения.

AD594 / AD595 се предлага в две версии: "C" и "A" - калибриран точност ± 1 ° C и ± 3 ° С, съответно. И двете версии позволяват да се поддържа температурата на студения край от 0 ° С до 50 ° С Веригата е показано на фигура 9, пряко работи с термодвойка тип J (AD594) или Type K AD595) и ви позволява да се измери температурата от 0 ° C до 300 ° C.

Фиг. 9

AD596 / AD597 - монолитни контролери, които са оптимизирани за използване във всички температури в различни случаи. Те извършват справка напрежение компенсация на кръстовище и да получат сигнали J- или K-термодвойка по този начин да се получи сигнал, пропорционален на температурата. Схеми могат да се регулират така, че да осигури изходно напрежение от 10 тУ / ° C директно от термодвойките на J-тип или К. Всеки чип помещава в метален корпус с десет терминали и конфигуриран за работа при температура на околната среда от 25 ° С до 100 ° С

AD596 термодвойка усилва сигнали, работещи в температурния диапазон от -200 ° C до 760 ° C, препоръчителната термодвойка тип J, докато AD597 има обхват от -200 ° C до 1250 ° C (диапазон термодвойка тип K) , Усилвателите са калибрирани в рамките на ± 4 ° С при температура на околната среда 60 ° С температура стабилност и се характеризират с 0.05 ° C / ° С при промяна на температурата на околната среда от 25 ° С до 100 ° С

Всички по-горе усилвателите не са в състояние да компенсират нелинейност на термодвойката: те са в състояние да се приспособи и да подобри сигнала от изхода на термодвойка само. ADCs с висока резолюция AD77hx включени в семейството, може да се използва директно дигитализиране изходния сигнал от термодвойката без Preamplification. Реализациите и линеаризация осигурява микроконтролер свързан с ADC, както е показано на Фигура 10. Две ADC вход мултиплексиране се използва за директен сигнал записа термодвойка и топлинен сензор в контакт със студена кръстовището му. Вход PGA (програмируем усилвател) печалба е програмируем 1-128, и резолюцията на ADC е в диапазона от 16 до 22 бита, в зависимост от това коя от чипове, избрани от потребителя. The микроконтролера прилага компенсация напрежение студения край и характеристики линеаризация