Cặp nhiệt điện: Nguyên tắc và thiết kế cơ bản
Cặp nhiệt điện đã được sử dụng rộng rãi cho các phép đo nhiệt độ quan trọng kể từ đầu những năm 20
kỷ, đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ rất cao. Đối với nhiều công nghiệp và quy trình quan trọng
ứng dụng, T / C và RTD (Máy dò nhiệt độ điện trở) đã trở thành" tiêu chuẩn vàng" cho
đo nhiệt độ. Mặc dù RTD có độ chính xác và độ lặp lại tốt hơn, nhưng tương đối
nói, cặp nhiệt điện có những ưu điểm sau:
• Phạm vi rộng lớn
• Thời gian phản hồi nhanh
• Chi phí thấp hơn
• Độ bền tốt hơn
• Tự cấp nguồn (không cần tín hiệu kích thích)
• Không có hiệu ứng tự làm nóng
Tuy nhiên, việc sử dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ chính xác cao có thể phức tạp hơn. Bạn có thể tối ưu hóa độ chính xác của phép đo với thiết kế và hiệu chuẩn mạch rắn, nhưng việc hiểu cách hoạt động của cặp nhiệt điện sẽ giúp bạn thiết kế mạch hoặc sử dụng nhiệt kế.
Khi một nguồn điện áp được đặt vào một chiều dài của dây dẫn, dòng điện chạy từ cực cộng sang
bên trừ, và dây nóng lên, gây ra tổn thất một phần năng lượng. Hiệu ứng Seebeck,
được phát hiện bởi Thomas Seibeck vào năm 1821, là một hiện tượng ngược lại: khi gradient nhiệt độ là
đặt vào một đoạn dây, một thế năng được tạo ra. Đây là cơ sở vật lý của cặp nhiệt điện
.
Trong đó ∇V là gradient điện áp, ∇T là gradient nhiệt độ và S (T) là hệ số Seebeck. Hệ số Seebeck liên quan đến vật liệu và cũng là một hàm của nhiệt độ. Hiệu điện thế giữa hai điểm nhiệt độ khác nhau trên một đoạn dây bằng tích phân của hàm hệ số Seebeck theo nhiệt độ.
Ví dụ, T1, T2 và T3 trong Hình 1 đại diện cho nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên một đoạn dây. T1 (màu xanh) cho biết điểm nhiệt độ thấp nhất và T3 (màu đỏ) cho biết điểm nhiệt độ cao nhất. Hiệu điện thế giữa T2 và T1 là:
Tương tự, hiệu điện thế giữa T3 và T1 là:
Theo tính chất cộng của tích phân, V31 cũng bằng:
Chúng tôi ghi nhớ điều này khi thảo luận về chuyển đổi điện áp và nhiệt độ của cặp nhiệt điện.
Hình 1: Theo hệ số Seebeck, gradient nhiệt độ tạo ra điện áp trên
kim loại dẫn điện.
Cặp nhiệt điện gồm hai kim loại khác nhau, hệ số Seebeck S (T) của dây
nói chung là khác nhau. Vì sự chênh lệch nhiệt độ kim loại có thể tạo ra sự chênh lệch điện áp,
tại sao phải dùng hai kim loại? Giả thiết rằng dây trong Hình 2 được làm bằng vật liệu" A" ;.
Nếu một đầu dò vôn kế được làm bằng vật liệu A, về lý thuyết, vôn kế sẽ không phát hiện ra bất kỳ
Vôn.
Hình 2: Kết nối đo điện áp. Khi vật liệu của đầu dò và dây giống nhau,
sẽ không có sự khác biệt tiềm năng.
Lý do là khi đầu dò được kết nối với đầu dây, tương đương với việc kéo dài
dây. Hai đầu của dây dài được nối với đầu vào của vôn kế và có
cùng nhiệt độ (TM). Nếu nhiệt độ hai đầu dây như nhau thì không có hiệu điện thế là
được tạo ra. Để chứng minh điều này về mặt toán học, chúng tôi tính toán điện áp tích lũy trên toàn bộ
vòng kim loại nối từ cực dương sang cực âm của vôn kế.
Theo phép cộng của tích phân, phương trình trên trở thành:
Khi biên dưới và biên trên của tích phân giống nhau, kết quả của tích phân là V=0. Nếu vật liệu thăm dò là B, như trong Hình 3, thì:
Để đơn giản hóa phương trình trên, chúng ta thu được:
Công thức 9 cho thấy rằng điện áp đo được bằng tích phân của sự khác biệt giữa các hàm hệ số Seebeck của hai vật liệu. Đây là lý do tại sao cặp nhiệt điện sử dụng hai kim loại khác nhau.
Hình 3: Kết nối đo điện áp. Đầu dò và dây được làm bằng các vật liệu khác nhau,
minh họa thực tế vật lý của hệ số Seebeck.
Chất liệu A: Chất liệu A
Chất liệu B: Chất liệu B
Voltmeter: Vôn kế
Dựa vào mạch điện trong hình 3 và phương trình 9, chúng ta vẫn không thể tính được nhiệt độ (TH) của mặt nóng trừ khi chúng ta biết nhiệt độ (TC) tại điểm tiếp xúc lạnh, cho rằng SA (T), SB (T) và điện áp đo được đã biết. Trong giai đoạn đầu của cặp nhiệt điện, lò nướng điểm băng có nhiệt độ 0 ° C được sử dụng làm nhiệt độ chuẩn (thuật ngữ" đầu lạnh"), vì chi phí thấp, dễ thực hiện và nhiệt độ tự điều chỉnh. Mạch tương đương được hiển thị trong hình
Hình 4: Cặp nhiệt điện yêu cầu nhiệt độ tham chiếu là 0 ° C như trong hình để
tính nhiệt độ chưa biết TH.
Mặc dù chúng ta biết nhiệt độ tham chiếu của mạch được hiển thị trong Hình 4, nhưng nó không thực tế
để có được TH bằng cách tích hợp. Vì vậy, có hỗ trợ cho loại tiêu chuẩn cặp nhiệt điện phổ biến
bảng tham chiếu, bảng có thể thu được bằng đầu ra điện áp tương ứng của
nhiệt độ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tất cả các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện tiêu chuẩn là
được vẽ ở 0 ° C làm điểm chuẩn.
Hệ thống cặp nhiệt điện
Một cặp nhiệt điện hiện đại bao gồm hai dây khác nhau được kết nối ở một đầu (TH). Điện áp là
đo ở đầu mở của cặp dây. Theo mạch tương đương trong hình 5,
VC giống như Phương trình 9 trong Hình.
Hình 5: Cấu hình cặp nhiệt điện hiện đại có bù điểm lạnh.
Bù điểm lạnh
Bù điểm lạnh Nhiệt độ điểm nối lạnh (TC) có thể được đặt thành 0 ° C để đóng băng
nhưng trong thực tế, chúng tôi không sử dụng thùng đá làm nhiệt độ tham chiếu. Sử dụng
phương pháp CJC (bù điểm lạnh), nhiệt độ điểm nối nóng có thể được tính toán
mà không cần sử dụng nhiệt độ điểm giao nhau lạnh 0 ° C. Ngay cả nhiệt độ giao nhau lạnh cũng không
nhất thiết không đổi. Phương pháp chỉ sử dụng một cảm biến nhiệt độ duy nhất để đo điểm TC
nhiệt độ. Nếu biết TC thì có thể thu được TH.
Nếu chúng ta sử dụng cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ mối nối lạnh thì tại sao lại không sử dụng cảm biến này
để đo trực tiếp nhiệt độ của mặt nóng? Như bạn có thể thấy, nhiệt độ giao nhau lạnh
phạm vi hẹp hơn nhiều so với phạm vi nhiệt độ mối nối nóng, do đó, cảm biến nhiệt độ không
cần hỗ trợ nhiệt độ khắc nghiệt được hỗ trợ bởi cặp nhiệt điện.
Sử dụng CJC để tính toán nhiệt độ đầu nóng
Như đã đề cập ở trên, tất cả các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện tiêu chuẩn thu được ở 0 ° C ở nhiệt độ lạnh
giao lộ. Vậy làm thế nào để sử dụng bảng tham chiếu để có được nhiệt độ bên nóng? Hãy tưởng tượng mở rộng sự mở rộng
đầu của cặp nhiệt điện ở trên và nối đầu tưởng tượng với một đường giao nhau có nhiệt độ là
0 ° C (Hình 6). Nếu chúng ta có thể tính toán giá trị V0, sử dụng bảng tham chiếu thì rất dễ lấy
nhiệt độ bên nóng tương ứng.
Hình 6: Kết nối cặp nhiệt điện mở rộng với đường giao nhau 0 ° C để xác định độ nóng chưa biết
nhiệt độ mối nối, TH.
Xác định V0
Sắp xếp lại công thức trên:
Số hạng đầu tiên trong Phương trình 13 giống với Phương trình 10 (thu được từ Hình 5). Đầu ra điện áp tương đương là VC, là một giá trị đã biết vì nhiệt độ tại điểm nối lạnh được đo bằng vôn kế. Số hạng thứ hai tương đương với đầu ra của cặp nhiệt điện khi nhiệt độ điểm nối nóng bằng TC và nhiệt độ điểm nối lạnh bằng 0 ° C. Vì TC cũng được đo bằng cảm biến nhiệt độ riêng biệt, chúng ta có thể sử dụng bảng tham chiếu tiêu chuẩn để tìm giá trị tương ứng. Tìm kiếm điện áp (Vi) cho số hạng thứ hai trong Công thức 13:
Với giá trị V0 này, nhiệt độ tương ứng tại TH có thể được xác định từ tiêu chuẩn
bảng tham khảo.
Việc sử dụng bù điểm lạnh để tính toán nhiệt độ của đầu nóng của quá trình
được chia thành các bước sau:
• Đo nhiệt độ mối nối lạnh (TC) bằng cảm biến nhiệt độ.
• Đo nhiệt độ mối nối lạnh.
• TC được chuyển đổi sang điện áp (Vi) bằng bảng tham chiếu tiêu chuẩn.
• Tính V0=Vi + VC.
• Chuyển đổi V0 sang nhiệt độ TH bằng cách sử dụng bảng tham chiếu tiêu chuẩn.
Tham khảo Cơ sở dữ liệu về cặp nhiệt điện NIST ITS-90 để biết các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện tiêu chuẩn.
Trang web NIST ITS-90 cũng cung cấp một bộ công thức cho từng loại cặp nhiệt điện có thể
được sử dụng để chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp nếu bảng tra cứu không thể được triển khai trong
vi điều khiển do bộ nhớ hoặc các lý do khác.
Các điểm chính của thiết kế hệ thống
Cho đến nay, phần thảo luận trên chỉ giới hạn trong kiến thức lý thuyết về cặp nhiệt điện. Để mà
tối ưu hóa độ chính xác của hệ thống thực tế, có một số điều cần lưu ý. Mỗi thiết bị trong
chuỗi tín hiệu cặp nhiệt điện cơ bản (Hình 7) sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của việc chuyển đổi và phải
được lựa chọn cẩn thận để giảm thiểu sai sót.
Hình 7: Các phần tử cơ bản của hệ thống đo lường cặp nhiệt điện bao gồm bộ khuếch đại và ADC,
và một bộ vi điều khiển có thể tính toán nhiệt độ chưa biết sau này.
Bảng hệ thống: Bảng hệ thống
Bộ khuếch đại: Bộ khuếch đại
Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ
Từ phía bên trái của Hình 7, cặp nhiệt điện được kết nối với đầu nối của hệ thống
bảng mạch. Bản thân cặp nhiệt điện cũng là một cảm biến và cũng có thể là một nguồn lỗi. Lâu hơn
cặp nhiệt điện có thể dễ dàng nhận nhiễu điện từ của môi trường xung quanh;
dây bảo vệ có thể giảm tiếng ồn hiệu quả. Yếu tố tiếp theo là bộ khuếch đại, có
trở kháng đầu vào là rất quan trọng vì trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại và cặp nhiệt điện
điện trở để tạo thành một bộ phân áp. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại càng cao thì càng nhỏ
lỗi.
Ngoài ra, bộ khuếch đại tăng đầu ra cặp nhiệt điện, đầu ra cặp nhiệt điện thường là milivôn
phạm vi. Mặc dù độ lợi vòng kín cao của bộ khuếch đại' khuếch đại cả tín hiệu và tiếng ồn, thêm một
bộ lọc thông thấp đến đầu vào ADC loại bỏ hầu hết nhiễu. Bởi vì nhiệt độ không
thay đổi rất nhanh, tỷ lệ chuyển đổi ADC cho các ứng dụng như vậy thường rất thấp - nó có thể
chỉ lấy mẫu một vài lần mỗi giây, vì vậy bộ lọc thông thấp rất hiệu quả.
Cuối cùng, cảm biến nhiệt độ trên bo mạch cần phải rất gần với đầu nối lạnh (lý tưởng là
tiếp xúc với đầu dây của cặp nhiệt điện, nhưng trong nhiều trường hợp điều kiện không cho phép)
để có được phép đo nhiệt độ điểm nối lạnh tốt nhất. Bất kỳ lỗi nào trong phép đo đường giao nhau lạnh
sẽ được phản ánh trong tính toán nhiệt độ mối nối nóng.
Ví dụ về mạch cặp nhiệt điện và kết quả thử nghiệm
Cho dù thiết kế mạch đo cặp nhiệt điện của riêng bạn hay sử dụng thiết kế tham chiếu, bạn cần
để xác minh tính chính xác của nó. Xác minh độ chính xác của thiết kế tham chiếu MAXREFDES67 #
(Hình 8)
được mô tả dưới đây.
Trong trường hợp này,
Hình 8: MAXREFDES67 # là thiết kế tham chiếu cho cặp nhiệt điện và RTD để đo điện áp
và dòng điện và đo nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ -40 ° C đến 150 ° C.
Để minh họa cách giảm thiểu sai số đo lường, trước tiên chúng tôi lấy hệ thống cặp nhiệt điện làm
ví dụ, chẳng hạn như thiết kế tham chiếu MAXREFDES67 của Maxim' s. Để xác minh lỗi của
hệ thống đo lường hoặc của bất kỳ hệ thống đo lường nào, nhiệt độ đã biết và một thiết bị đáng tin cậy là
cần thiết để so sánh. Trong ví dụ này, chúng tôi sử dụng ba nhiệt kế tham chiếu: Omega HH41
nhiệt kế (hiện được thay thế bằng HH42), nhiệt kế tham chiếu ETI và nhiệt độ Fluke 724
máy hiệu chuẩn. Cặp nhiệt điện Loại K được kết nối với MAXREFDES67 # được đặt trong Fluke 7341
lò hiệu chuẩn và được hiệu chuẩn ở 20 ° C. Dữ liệu chấm màu xanh lam được tham chiếu bởi Omega HH41, và
dữ liệu chấm màu xanh lá cây được tham chiếu đến thiết bị ETI. Dữ liệu chấm đỏ hiển thị lỗi tối đa ít hơn
hơn 0,1 ° C, dựa trên thiết bị hiệu chuẩn Fluke 724, nhưng không giống như thử nghiệm trước, Fluke 724 là
không được sử dụng như một công cụ tham chiếu. Mô phỏng đầu ra cặp nhiệt điện kiểu K lý tưởng và kết nối
đầu vào của MAXREFDES67 # vào dây nối của cặp nhiệt điện. Hình 9 cho thấy kết quả thử nghiệm.
Hình 9. Sử dụng Omnitec EC3TC (cặp nhiệt điện loại K, được hiệu chuẩn ở 20 ° C), đánh giá
MAXREFDES67 # lỗi so với nhiệt độ và so sánh nó với ba nhiệt kế tham chiếu khác.
Kết quả cho thấy độ chính xác rất cao.
tóm lại
Cặp nhiệt điện có nhiều ưu điểm trong các ứng dụng đo nhiệt độ công nghiệp, bao gồm
phạm vi nhiệt độ, thời gian đáp ứng, chi phí và độ bền. Lý thuyết về cặp nhiệt điện là một chút
phức tạp, nhưng chúng ta phải hiểu đầy đủ về nó để có thể thực hiện các phép đo chính xác cũng như
chuyển đổi chính xác cao từ điện áp sang nhiệt độ. MAXREFDES67 # thiết kế tham chiếu sử dụng
MAX11254 và MAX6126 hai chip này, đặc biệt thích hợp cho nhiệt độ của cặp nhiệt điện
đo lường của các ứng dụng đo lường độ chính xác cao, nhạy cảm với tín hiệu nhỏ này. MAX11254
là bộ ADC 6 kênh, 24 bit, delta-sigma, đạt được độ ồn và độ chính xác thấp trong khi giảm công suất
độ tiêu tan gấp 10 lần. MAX6126 có độ ồn rất thấp, độ chính xác cực cao, tỷ lệ bỏ cuộc thấp song song
tham chiếu điện áp, Hệ số nhiệt độ 3ppm / ° C (tối đa), với ± 0,02% (tối đa) tuyệt vời
độ chính xác ban đầu.
