Cách đo cặp nhiệt điện
Tổng quan về nhiệt độ và cặp nhiệt điện
Nhiệt độ là động năng trung bình của các hạt trong phép đo mẫu vật thể,
đơn vị tiêu chuẩn là "bằng cấp". Nhiệt độ có thể được đo theo những cách khác nhau, và chi phí và
độ chính xác của các phép đo có thể khác nhau. Cặp nhiệt điện là một trong những cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất
, bởi vì các cặp nhiệt điện tương đối rẻ tiền và chính xác, và có một
phạm vi đo.
Bất cứ khi nào hai tiếp điểm kim loại khác nhau, lắp ráp điểm tiếp xúc tạo ra điện áp không tải thấp hơn
như một chức năng của nhiệt độ, đó là hiệu ứng nhiệt điện. Chênh lệch nhiệt độ là
điện áp Seebeck, đến năm 1821 đã tìm thấy hiện tượng nhà vật lý Thomas Seebeck được đặt tên. Điện áp này
phi tuyến tính đối với nhiệt độ, nhưng có thể được ước tính là tuyến tính cho
thay đổi nhiệt độ, hoặc:
Trong đó ΔV là sự thay đổi điện áp, S là hệ số Seebeck và ΔT là sự thay đổi nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện có sẵn trong nhiều loại khác nhau và được chỉ định bằng các chữ cái lớn hơn theo
công ước của Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI). Ví dụ: cặp nhiệt điện loại J
bao gồm một dây dẫn sắt và một dây dẫn hợp kim đồng-niken. Các loại cặp nhiệt điện khác
bao gồm B, E, K, N, R, S và T.
Cách đo cặp nhiệt điện
kiến thức nền tảng
Để hiểu rõ hơn về cách thực hiện các phép đo cặp nhiệt điện, điều quan trọng là phải hiểu
cách thức hoạt động của cặp nhiệt điện. Phần đầu tiên của tài liệu này sẽ giải thích các nguyên tắc cơ bản của
cặp nhiệt điện, phần sau của cặp nhiệt điện sẽ giải thích cách đạt được kết nối
giữa dụng cụ và cách đo nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện Điện áp Seebeck, nếu được kết nối trực tiếp với hệ thống đo, được kết nối với
hệ thống đo lường và tạo ra một cặp nhiệt điện bổ sung. Điều này không thể được đo lường đơn giản bằng
kết nối nó với vôn kế hoặc hệ thống đo lường khác.
Biểu đồ 1. Cặp nhiệt điện loại J
Như trong Hình 1, mạch sử dụng cặp nhiệt điện loại J trên nhiệt độ nến
Đo lường. Hai dây chuyền cặp nhiệt điện được kết nối với các thiết bị đầu cuối đồng của việc thu thập dữ liệu
Thiết bị. Lưu ý rằng có ba kết nối kim loại trong mạch này - J1, J2 và J3. J1 là
điểm đo cặp nhiệt điện, tạo ra điện áp Seebeck tỷ lệ thuận với nhiệt độ của tÔng
Nến. Ngoài ra, J2 và J3 đều có hệ số Seebeck riêng và trong dữ liệu
thiết bị đầu cuối mua lại sẽ tạo ra nhiệt độ tỷ lệ thuận với điện áp chênh lệch nhiệt độ
, được gọi là điện áp phía lạnh. Để xác định thành phần điện áp của J1, nó là
cần thiết để biết nhiệt độ của các tiếp điểm J2 và J3 và biết mối quan hệ giữa
điện áp tiếp xúc và nhiệt độ. Do đó, điện áp của ngã ba J1 có thể thu được bằng
trừ các thành phần điện áp ngã ba ký sinh J2 và J3 khỏi điện áp đo được.
Cặp nhiệt điện yêu cầu tham chiếu nhiệt độ cụ thể để bù đắp cho mặt lạnh của
lỗi được tạo ra. Phương pháp được quy định phổ biến nhất là sử dụng cảm biến nhiệt độ có thể được
đọc trực tiếp để có được nhiệt độ ngã ba tham chiếu, trừ điện áp thiết bị đầu cuối ký sinh
thành phần. Quá trình này, được gọi là bù ngã ba lạnh, có thể đơn giản hóa việc tính toán lạnh
bù ngã ba bằng cách sử dụng các đặc tính của một số cặp nhiệt điện.
Bằng cách sử dụng định luật cặp nhiệt điện của lớp chuyển tiếp kim loại và các giả định khác, chúng ta có thể thấy rằng
việc đo lường hệ thống thu thập dữ liệu điện áp chỉ phụ thuộc vào loại cặp nhiệt điện,
điện áp tại thiết bị đầu cuối đo và nhiệt độ ngã ba lạnh. Điện áp đo được
độc lập với các thành phần điện áp của các đầu đo và các thiết bị đầu cuối lạnh J2, J3.
Biểu đồ 2. Định luật cặp nhiệt điện lớp chuyển tiếp kim loại
Hãy xem xét mạch trong Hình 3. Mạch này tương tự như mạch được mô tả trong Hình 1
ở trên, ngoại trừ một đoạn ngắn của dây hợp kim đồng-niken được chèn vào trước ngã ba J3.
Tất cả các tiếp điểm đều ở cùng nhiệt độ. Giả sử rằng nhiệt độ giao nhau J3 và J4 là
tương tự, định luật cặp nhiệt điện lớp chuyển tiếp kim loại nói rằng mạch trong Hình 3 là
điện giống như mạch trong Hình 1. Do đó, bất kỳ kết quả nào của mạch
Hình 3 có thể được áp dụng cho mạch được hiển thị trong Hình.
Biểu đồ 3. Chèn một dây dẫn bổ sung trong môi trường đẳng nhiệt
Hình 3, J2 và J4 tiếp xúc thuộc cùng loại (hợp kim đồng-niken); bởi vì hai người đang ở trong
môi trường đẳng nhiệt, J2 và J4 có cùng nhiệt độ. Bởi vì hướng của
dòng điện trong mạch, J4 tạo ra điện áp dương Seebeck, J2 tạo ra seebeck âm
Áp. Do đó, tiếp xúc bù đắp ảnh hưởng của nhau, đo tổng điện áp là
Zero. Tiếp điểm J1 và J3 là tiếp điểm hợp kim sắt-đồng-niken. Nhưng nhiệt độ của chúng có thể
khác nhau, vì chúng có thể không ở trong môi trường đẳng nhiệt. Bởi vì họ đang ở trong những
môi trường nhiệt độ, tiếp điểm J1 và J3 có thể tạo ra điện áp Seebeck, nhưng kích thước khác nhau
. Để bù đắp cho ngã ba lạnh J3, nhiệt độ được đo và áp dụng
điện áp được trừ khỏi phép đo cặp nhiệt điện.
Sử dụng ký hiệu VJx (Ty) để đại diện cho điện áp được tạo ra bởi ngã ba Jx ở nhiệt độ Ty,
vấn đề cặp nhiệt điện chung được đơn giản hóa như sau:
VMEAS= VJ1(TTc) + VJ3(TRef) (2)
Trong đó, hệ thống thu thập dữ liệu VMEAS có giá trị điện áp đo được, cặp nhiệt điện ngã ba TTC J1
nhiệt độ, Tref cho biết mặt tham chiếu của nhiệt độ.
Lưu ý rằng trong công thức (2), VJx (Ty) đại diện cho điện áp được tạo ra ở nhiệt độ Ty
môi trường đối với một nhiệt độ tham chiếu nhất định. Phương trình 2 giữ lâu như VJ1 và
VJ3 là các chức năng nhiệt độ liên quan đến cùng một nhiệt độ tham chiếu. Ví dụ: NIST
bảng tham chiếu cặp nhiệt điện như được mô tả ở trên được tạo ra với đầu tham chiếu được giữ ở mức 0
độ C.
Bởi vì J3 và J1 cùng loại, nhưng tạo ra điện áp tương đối, VJ3 (Tref) = -VJ1 (Tref).
Ngoài ra, vì VJ1 là điện áp được tạo ra bởi thử nghiệm loại cặp nhiệt điện, điện áp có thể được
đổi tên thành VTC. Do đó, 2 loại có thể được viết lại như sau:
VMEAS= VTc(TTc) - VTc(TRef) (3)
Do đó, bằng cách đo VMEAS và Tref biết mối quan hệ giữa điện áp cặp nhiệt điện và
nhiệt độ, bạn có thể xác định nhiệt độ của phía đo cặp nhiệt điện.
Có hai công nghệ để đạt được bù ngã ba lạnh - bồi thường phần cứng và
bồi thường phần mềm. Cả hai kỹ thuật đều yêu cầu sử dụng cảm biến đọc trực tiếp để có được
nhiệt độ bên tham chiếu. Cảm biến đọc trực tiếp có đầu vào chỉ được xác định bởi
nhiệt độ của điểm đo. Cảm biến bán dẫn, thermistors và RTD thường được sử dụng
để đo nhiệt độ của mặt tham chiếu của thiết bị.
Sử dụng bù phần cứng, một nguồn điện áp thay đổi có thể được đưa vào mạch để loại bỏ
điện áp nhiệt điện ký sinh. Nguồn điện áp biến đổi tạo ra điện áp bù
nhiệt độ môi trường xung quanh, được thêm vào điện áp điều chỉnh để hủy bỏ
tín hiệu chênh lệch nhiệt độ không mong muốn. Khi các tín hiệu ký sinh trùng này được loại bỏ, tín hiệu duy nhất
được đo bằng hệ thống thu thập dữ liệu là điện áp được đo từ phép đo cặp nhiệt điện
. Trong trường hợp bù phần cứng, nhiệt độ của thiết bị đầu cuối hệ thống thu thập dữ liệu là
không được sao lưu vì điện áp cặp nhiệt điện ký sinh trong hệ thống thu thập dữ liệu đã được
Bị hủy bỏ. Nhược điểm chính của bù phần cứng là mỗi cặp nhiệt điện phải có
mạch bù riêng biệt có thể được thêm vào để điều chỉnh điện áp bù, điều này sẽ rất nhiều
tăng chi phí của mạch. Trong trường hợp bình thường, khoản bồi thường phần cứng không được áp dụng
độ chính xác và bù phần mềm.
Hoặc bạn có thể chọn sử dụng phần mềm để bù ngã ba lạnh. Sau khi sử dụng
cảm biến đọc trực tiếp để đo nhiệt độ bên tham chiếu, phần mềm có thể bổ sung một
giá trị điện áp đến điện áp đo được để loại bỏ ảnh hưởng của điện áp phía lạnh. Nhớ
(3) điện áp đo được VMEAS bằng (cặp nhiệt điện) đo chênh lệch điện áp
giữa điểm chấm dứt và ngã ba lạnh.
Điện áp đầu ra của cặp nhiệt điện rất phi tuyến tính. Hệ số Seebeck thay đổi do ba
hoặc nhiều yếu tố trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của một số cặp nhiệt điện. Do đó, bạn phải sử dụng
một đa thức để mô hình hóa đường cong điện áp so với nhiệt độ trong cặp nhiệt điện hoặc sử dụng tra cứu
phương pháp bảng.
Kết nối cặp nhiệt điện với thiết bị
Phần này sử dụng cánh sau NI cDAQ-9172 và mô-đun cặp nhiệt điện dòng C NI 9211 làm mô-đun
Ví dụ. Một quy trình tương tự được áp dụng để kết nối cặp nhiệt điện với các thiết bị khác nhau
(xem Hình 4).
Thiết bị cần thiết:
Máy quay số USB tốc độ cao DAQ-9172 8 khe cho NI CompactDAQ
NI 9211 bốn kênh, 14Sa / s, 24-bit, mô-đun ∓ nhiệt điện 80 millivolt
Cặp nhiệt điện loại J
Biểu đồ 4. Hệ thống NI CompactDAQ
NI 9211 có đầu nối đầu nối vít 10 cực, có thể tháo rời cung cấp kết nối cho
lên đến bốn kênh đầu vào cặp nhiệt điện. Mỗi kênh có một điểm kết nối cho
cặp nhiệt điện, TC +, và kết nối với thiết bị đầu cuối âm, TC-. NI 9211 cũng có một
điểm nối dây, COM. Thông thường cổng này được kết nối nội bộ với mặt đất tham chiếu của mô-đun
. Hình 5 cho thấy các bài tập nối dây cho mỗi kênh và Hình 6 hiển thị sơ đồ nối dây.
Biểu đồ 5. Gán thiết bị đầu cuối
Biểu đồ 6. Sơ đồ kết nối
Xem các phép đo của bạn: NI LabVIEW
Bây giờ cặp nhiệt điện được kết nối với thiết bị kiểm tra, bạn có thể sử dụng đồ họa LabVIEW
phần mềm lập trình để chuyển dữ liệu sang máy tính để trực quan hóa và phân tích.
Hình 7 cho thấy một ví dụ về việc hiển thị dữ liệu nhiệt độ đo được trong chương trình LabVIEW
Môi trường.
Địa chỉ: Số 16, Đường số 3, Khu công nghiệp Tam Giang, Shengzhou, Chiết Giang, Trung Quốc
Liên hệ:Eric Xie
Email:sale@benoelectric.com
Đám đông: +861598895936
Skype:ericxie123@outlook.com
Wechat & Whatsapp: +8615988295936
Trang web:www.benoindustry.com
