Принципът на работа на термодвойката и напрежение компенсация на студения край

Фиг. 1 показва температурната зависимост на електродвижещата сила от трите най-често срещаните видове термодвойки, в който температурата на референтния възел поддържа при 0 ° С Тип J термодвойки са най-чувствителни и разработване на най-високо изходно напрежение при същата температура. От друга страна, термодвойки тип S са най-чувствителни. Както се вижда от тези характеристики, сигналите, разработени от термоелементи, са много малки и изискват ниски усилватели шум с висок коефициент на усилване и нисък дрифт. Това трябва да се има предвид при проектирането на схеми за обработка на сигнала с термодвойка сензори.

За да се разбере поведението на термодвойки, помислете как се променя техния изходен сигнал при смяна на наблюдение част от температурата на термодвойка (горещ възел). Фигура 1 показва връзката между температурата на горещия възел и изходния сигнал разработен от различните видове термодвойки (във всички случаи, студена температура възел се поддържа при 0 ° С). Очевидно е, че термодвойката на връщане е нелинейна, но естеството на тази нелинейност все още не е напълно ясно.

Фигура 2 показва зависимостта на температурата на коефициента горещ възел линейност (коефициент Зеебек) на, т.е. увеличаване на изходното напрежение, съответстващо на повишаването на температурата на горещия възел при 1 ° С, с други думи, първата производна на изходния сигнал в зависимост от температурата. Имайте предвид, че ние все още разгледаме случая, когато температурата на студените възли поддържа при 0 ° C.

При избора на термодвойка за измерване на температурата на производство в достатъчно широк диапазон да бъдат избрани термодвойка коефициента на линейност, която варира малко от друга в рамките на този диапазон.

Например, за J-тип термодвойка в диапазона от 200 до 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 данни са полезни двойно: първо, Фиг. 1 показва обхвата и чувствителността на трите вида термодвойки така че разработчикът може накратко да определи, че термодвойката на S-тип има широк обхват на измерване, но J тип - по-чувствителни; На второ място, фактор на знанието Зеебек (фиг. 2) ви позволява бързо да се определи какво е линейността на избрания термодвойката. Използване на фиг. 2, разработчикът за използване в диапазона от 400 ... 800 ° С избира термодвойка тип К, чийто коефициент на линейност в тази област е минимална, като за диапазона от 900 ... 1700 ° С - тип термодвойка S. начини коефициент определяне линейност появява в случаите, когато някои отклонение зададената температура по-критично, отколкото предварително зададената температура от само себе си. Тези данни показват също, кои характеристики трябва да имат устройство 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.

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

Трябва да се помни, че термодвойката променя температурната разлика между двете кръстовища, но не и абсолютната температура в една от тях. За определяне на температурата в измервателната кръстовище, ние можем само в този случай, ако знаем температурата на втория възел (често наричан "референтен" или "студен").

Но това не е толкова лесно да се измери напрежението формира от термодвойка. Да приемем, че сме свързани с диаграми волтметър верига (Фиг. 3D). Проводници, свързани към волтметър, също образуват термодвойка в точката на свързване. Ако и двете тези допълнителни термодвойка при една и съща температура (няма значение кой), а след това те няма да окаже никакво влияние върху цялостната термоелектрически система. Ако температурата им варира, може да възникнат грешки. Тъй като всяка двойка в контакт с различни метали генерира термоелектрически (включително мед / спойка, Kovar / меден (kovar - сплав се използва за образуване на чип субстрат), алуминиев / kovar [в съединението в чип)), е очевидно, че се срещат в действителните вериги 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 примка около термодвойката (естествено освен възли на самата термодвойка) са при същата температура.

Термо-двойки са в напрежение, въпреки че много малко, но не се нуждаят от възбуждане на ток. Показано на фиг. 3, г има две термодвойки възли (Т1 - температура измерване 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 кръстовището на 0 ° С Следователно, произходът на термина "студен възел" или "възел при температурата на топене на леда." Следователно, ако точката за измерване се поставя в среда с нулева температура на термодвойка изхода е нула волта.

За провеждане на високо прецизни измервания, е необходимо внимателно да се поддържа температурата на студения възел, който трябва да бъде строго определена (въпреки че не е задължително равно на 0 ° С). А просто изпълнение на това изискване е показана на фиг. 4. Вана с топящ се лед може лесно да бъде приложена във всяка среда, въпреки че на практика това не винаги е удобно.

Днес "кръстовище при температура на топене на леда", с необходимите за изпълнението му вана с лед и вода беше успешно изгонени електроника. Датчикът за температура от друг вид (по-полупроводник, и понякога термистор) измерва студен температурата на кръстовище, и полученият резултат се използва за образуването на допълнителни напрежения в термодвойка верига, компенсиране на разликата между температурата на студения съединение и неговото идеално стойност (обикновено 0 ° С), както е показано Фиг. 5. В идеалния случай, напрежението на обезщетение трябва да се избира при стриктно спазване на разликата в напрежение. Напрежението на корекция е функция на температурата на позоваване възел Т2, толкова по-сложно, отколкото проста линейна връзка е описано KhT2 продукт, където К - проста постоянна. На практика, защото студените възли обикновено при температура от само няколко десетки градуса над 0 ° С, и неговата стойност варира от ± 10 ° С, линеен сближаване на изравнителната напрежение е допустимо. С други думи, въпреки че действителната стойност и напрежението корекция се определя от полином съгласно формула V = К1 + К2 XT XT XT 2 + K3 + 3, ..., но стойностите на K2 коефициенти. R3 и т. Е. Много малка за всички известни видове термодвойки. Стойностите на тези коефициенти за всички термодвойки могат да бъдат намерени в справочници.

Когато електронна компенсация напрежение на студено кръстовището, на практика свързването на проводниците към краищата на термодвойката е затворена в изотермични блок, както е показано на фиг. 6. Когато метал съединение А - В и металната мед - мед са при същата температура, това е еквивалентно spayu А метал - метал В, както е показано на фиг. 5.

Схемата, показана на Фиг. 7 осигурява измерване на температура от 0 ° С до 250 ° С с помощта на К термодвойка тип със студен възел компенсация напрежение. Захранване схема е еднополюсен напрежение от 3.3 до 12 V. Освен това, схемата е проектирана така, че степента на превръщане е 10 тУ / ° С

термодвойка тип К коефициент предаване е приблизително 41 тУ / ° С Следователно напрежението прилага за компенсиране на сензор с коефициент температура 10 тУ / ° C се използва TMP35 разделител за R1 и R2, осигуряване на необходимата стойност 41 тУ / ° С Елиминиране nonisothermicity пътеки между платката и термодвойка проводниците предотвратява грешки по време на измерванията при различни температури. Такива компенсационни схеми, подходящи за работа при околна температура от 20 до 50 ° С

Ако температурата на горещия кръстовището на термодвойката достига 250 ° С, неговото изходно напрежение ще бъде 10,151 СрН. Тъй като схемите на изходния сигнал трябва да бъдат равни на 2,5 V, усилвател трябва да има печалба от 246.3. Избор R4, равно на 4.99 Kohm за R5 определя стойността 1.22 MOhm. Най-близкото един процент стойност за R5 е 1.21 megohms, във връзка с които се използва фина настройка на амплитудата на изходния сигнал, заедно с R5 потенциометър съпротивление от 50 ома.

Въпреки OR193 позволява мощност от един източник, изходните етапи не са предназначени за използване в железопътния до железопътната експлоатация и минималната стойност на изхода си сигнал не трябва да бъде под 0.1 V. За тази цел резистор R3 към входа на операционния усилвател добавя малко напрежение че увеличава производството на 0,1 V за захранващото напрежение е 5 V. Това изместване (съответстващи на 10 ° с) трябва да се изважда след обработка или чете сигнал от изхода OR193. R3 осигурява също за определяне на счупване на термодвойката, ако термодвойката липсва, изходният сигнал става по-голямо от 3 V. Резистор R7 OR193 балансиран входно съпротивление на DC, и филм кондензатор 0.1 microfarad намалява смущенията от термодвойката в своята неинвертиращ вход.

AD594 / AD595 - апаратура усилвател и напрежение позоваване възел компенсатор е конфигуриран в един чип (Фигура 9.). Този чип извършва свързване на "точката на топене на лед" и предварително зададената съдържа усилвател, който осигурява изходно напрежение високо ниво (10 тУ / ° С) 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 амплификация компенсира напрежение, по този начин, изпълняващи функциите на температурен датчик на коефициент на преобразуване напрежение от 10 тУ / ° С В някои случаи, е важно, че чип е при същата температура като студен кръстовището на термодвойката. Това обикновено се извършва 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 достатъчно гъвкава и образуват TTL сигнал в състоянието. Устройството се захранва от един положителен мощност (напрежение върху него може да бъде само 5 V), но отрицателен захранващо напрежение позволява да се измери температурата под 0 ° С За да се намали самостоятелно отопление собствена консумация AD594 / AD595 (без товар) се намалява до 160 микроампера, чипът е в състояние да изпрати на товарния ток до ± 5ma.

Поради лазер почиства съпротивления вътре AD594 схема конфигурирани с термодвойки тип J (желязо / константан) и AD595 - термодвойка тип К (chromel / хромалумелова). офсет напрежение и факторите на печалба може да са различни чипове с външни елементи, така че всеки от тях може да се калибрира отново при всеки друг тип термодвойка. Възможно е също така с помощта на външни компоненти за изпълнение на по-точна калибриране на термодвойка за специални приложения.

AD594 / AD595 произведени в два варианта: "С" и "А" - калибриран точност ± 1 ° С и ± 3 ° С, съответно. И двете версии позволяват поддържане на ниска температура възел в границите от 0 ° С до 50 ° С Веригата, показана на Фигура 9, действа директно с термодвойка тип J (AD594) или тип К AD595) и дава възможност за измерване на температура от 0 ° С до 300 ° С

AD596 / AD597 - монолитни контролери, оптимизирани за използване при всякакви температури в различните случаи. Те извършва позоваване напрежение компенсация на възел и усилване на сигнали с J- или K-термодвойка, така че да се получи сигнал, пропорционален температура. Схемите могат да бъдат коригирани, за да се осигури изходното напрежение от 10 тУ / ° C директно от J тип термодвойка или К. Всяка от чипове е поставен в метална кутия с десет терминали и конфигуриран за работа при температура на околната среда от 25 ° С до 100 ° С

AD596 усилва термодвойката работи в температурен интервал от -200 ° С до 760 ° С, препоръчителната тип термодвойка J, докато AD597 има обхват от -200 ° С до 1250 ° С (гама тип термодвойка K) , Усилвател калибриран 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 усилватели 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. АЦП с висока разделителна способност, AD77hx включени в семейството, може да се използва за директна дигитализация на сигнала изведена от термодвойката без Preamplification. Трансформация и изпълнява линеаризация микроконтролер, заедно с ADC, както е показано на Фиг.10. Две вход мултиплексирани ADC използва за дигитализиране сигналната линия с термодвойка и термичен датчик в контакт със студена му възел. Вход PGA (програмируем усилвател) е програмиран да получи 1-128, и резолюцията на ADC е в диапазона от 16 до 22 бита, в зависимост от това коя от чипове, избрани от потребителя. Мик извършва както на компенсация напрежение студения край, както и характеристиките на линеаризация