Компенсация холодного спая | Сиб Контролс
Компенсация «холодного» спая
Существует несколько методов, чтобы компенсировать в контуре измерения влияние напряжения «холодного» спая. Один из методов состоит в том, чтобы сделать температуру «холодного» спая постоянной. При этом любые изменения измеренного напряжения будут вызваны только изменением температуры в точке измерений. Для этого можно, например, поместить место соединения с проводами от измерительного прибора в ванночку со льдом и водой, придав тем самым «холодному» спаю постоянную температуру таяния льда:
Можно воспользоваться таблицей, которая составлена с учетом того, что «холодный» спай находится при постоянной температуре таяния льда. В этом случае по этой таблице можно по напряжению вольтметра сразу определить температуру «горячего» спая, т. е. температуру в искомой точке.
Однако фиксация «холодного» спая при температуре таяния льда является малопригодным для любого применения реального термометра на основе термопары вне лаборатории.
Практический способ компенсировать напряжение «холодного» спая – это включение в контур дополнительной ЭДС, равной по величине напряжению «холодного» спая, но обратной полярности. Если эта дополнительная ЭДС непрерывно отслеживает напряжение «холодного» спая при изменении его температуры, то, естественно, влияние потенциала «холодного» спая полностью исключается:
Для того чтобы компенсирующее напряжение отслеживало температуру «холодного» спая, необходимо непрерывно измерять эту температуру, например, с помощью термистора или RTD. Далее электронное устройство непрерывно формирует соответствующее компенсирующее напряжение.
Напоминаем, что «холодный» спай – это всего лишь исторически сложившийся термин, на самом деле «холодный» спай может быть и теплее «горячего».
Ничто не мешает использовать термопару для измерения любой температуры ниже температуры таяния льда.
Некоторые изготовители продают электронные модули температуры таяния льда для компенсации напряжения «холодного» спая. Модуль «температуры таяния льда» выполняет функцию Vrjc, показанную на предыдущей диаграмме. Он добавляет противодействующее напряжение для компенсации напряжения, произведенного «холодным» спаем, так, чтобы вольтметр «видел» только напряжение «горячего» спая. Это напряжение компенсации поддерживается в значении, соответствующем температуре терминала, на котором провода термопары соединяются с модулем температуры таяния льда. Температура терминала измеряется термистором или RTD:
На первый взгляд может показаться бессмысленным, строить столь сложные схемы измерения температуры для того, чтобы иметь возможность использовать термопару. Не проще ли было бы вместо этого просто применить термистор или RTD?
Ответ на этот очень хороший вопрос – термопары применяются потому, что они обладают определенными преимуществами перед другими типами датчиков температуры.
Термопары являются чрезвычайно быстродействующими и имеют большие диапазоны измерения температуры, чем термисторы, RTD и другие сенсоры.
Однако, если применение не требует очень высокой прочности сенсора или больших диапазонов измерений, термисторы или RTD являются, возможно, лучшим выбором!
Компенсация холодного спая термопары | Уголок радиолюбителя
В предыдущей статье мы рассмотрели принцип работы термопары, и в частности метод измерения температуры с использованием «холодного спая» эталонного показателя. Устранение из системы измерения «холодного спая» и соответствующих ему контактов очень желательно в большинстве случаев применения, в частности для промышленных систем.
Это не только упрощает использование термопары, но также исключает необходимость обращения с потенциально большим количеством дополнительных входных каналов сбора данных и считывания датчиков отсчета.
Компенсация холодного спая термопары
Первое предположение, которое можно сделать, это то, что измерительный прибор термопары или плата сбора данных должны быть разработаны и построены таким образом, чтоб их внутренние цепи имели соответствующую термоэлектрическую компенсацию электромагнитных полей.
Затем можно сосредоточиться на том, что происходит между входом измерителя и термопарой. Основной причиной погружения датчика в ледяную ванну — получение на стыке известную температуру (0°C). Однако любая температура была бы хорошая, если только она была бы известна.
Из рисунка 1 (в предыдущей статье) следует, что подключение термопары к входам вольтметра, приводит к образованию дополнительных контактов в цепи в точках соединений, и каждое из них может также генерировать и термоэлектрическое электромагнитное поле. В случае идеальной насадки эти (J2 и J3) будут иметь одинаковую температуру.
Этого можно достичь путем размещения их в изотермическом корпусе (рис. 2а).
В свою очередь, мы можем переместить эталонный датчик вне ледяной ванны, в изотермический блок (рисунок 2b). Благодаря этому концы прибора и эталонного датчика (J2, J3 и J4) имеют одинаковую температуру. Эта температура может быть измерена через бесконтактный датчик, такой как термистор или полупроводниковый датчик температуры, находящийся в контакте с изотермическим блоком.
Последний шаг упрощения измерительной цепи термопары является удаление отрезка провода линии 2 от контакта (J4) к входу прибора (J3). Закон о промежуточных металлах гласит, что размещение третьего металла между двумя различными металлическими контакта термопары не влияет на выходное напряжение, пока два контакта, образованные дополнительным металлом имеют одинаковую температуру.
Так как эти контакты находиться в изотермическом блоке, то их температура одинакова. В этом случае датчик термопары можно представить себе, соединение медь и линия 1, с линией 2 в качестве промежуточного металла
Программная компенсация температуры “холодного спая” при работе с термопарой
Эта статья родилась, как часть статьи про датчик для работы с термопарой ads1118.Дело в том, что для повышения точности, компенсировать «холодный спай» необходимо. Первоначально, я имея ряд отсчетов, подобрал некую магическую формулу, которая давала неплохие результаты.
Под катом много математики и нет картинок и одна картинка ).
И чтобы далеко не ходить, обещанная картинка с температурой в доме:
Для тех, кому надо результат:
Берем приложенный файл. Делаем 3 замера:
Нагреваем плату с «холодным спаем» и измеряем температуру 100 градусов (кипящую воду).
Остужаем плату (например в холодильнике), и снова измеряем темепературу 100 градусов и 0 градусов.
Заносим данные в верхний левый угол таблицы.
Подбираем коэффициент КТ (первая срока), так, чтобы ошибка была минимальной.
Если хочется оптимизаций, то она описана в конце статьи.
Все. Дальше, только математика 🙂
Постановка задачи:
Мы измеряем температуру с помощью термопары, и неким образом знаем температуру «холодного спая» (например припаяв рядом специальную микросхему и читая ее данные).
Задача: нужно минимизировать ошибку измерения имея на входе некое волшебное число А — величина с термопары («горячий спай») и некое волшебное число B — величина температуры «холодного спая», а так-же найти коэффициент самой термопары.
Предварительные мысли:
Как правильно обратил внимание уважаемый DeepSOIC в комментарии к первоначальной статье:
Напряжение на термопаре пропорционально разности температур между её спаем и её разъёмом. Разъём называют «холодный спай» — cold junction — который кстати вовсе не обязательно холодный, просто так называется. Т.е. термопара измеряет не температуру, а разность температур. Чтобы получить полную температуру, нужно измеренную разность температур приплюсовать к температуре холодного спая.
термопара измеряет не температуру, а разность температуря уяснил только прочитав этот комментарий. Спасибо огромное!!!
Т.
е. нам по сути, необходимо просто прибавить температуру к той, что дает термопара. Проблема в том, что, разница не постоянна, и зависит и от температуры обоих спаев. Приходиться долго экспериментировать, изучать закон изменения разницы. + еще нужно найти коэффициент самой термопары (КТ)… И тут,
Эврика:
А зачем нам все это делать? Если мы допустим, что закон линеен (не линейный закон, мы все равно не вычислим, да и точность нам нужна не до тысячных), то получается элементарная задача:
1) Найти КТ
2) Вычислить некое число, линейно зависящее от А, В и КТ.
Из математики, мы получаем единственный вариант:
ЧИСЛО (Ч) = ВОЛШЕБНАЯ КОНСТАНТА (С) + ВОЛШЕБНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ 1 (К1) * А + ВОЛШЕБНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ 2 (К2) * В
Все что нам необходимо, это найти 3 волшебных числа. Т.е. решить систему линейных уравнений с 3-мы неизвестными. Для этого нужно иметь 3 уравнения. Не вопрос: проводим 3 замера (и еще 3 для контроля), подставляем, решаем.
Важное дополнение по итогам обсуждения: необходимо 3-е измерение брать при значительном изменении температуры «холодного спая». Это даст более точное решение.
Нагреваем плату с «холодным спаем» и измеряем температуру 100 градусов (кипящую воду).
Остужаем плату (например в холодильнике), и снова измеряем темепературу 100 градусов и 0 градусов.
Остается найти КТ, как число, которое дает минимальную ошибку для тестовых замеров. ВСЕ!!! Самое интересное, что система не явно, дает самый точный результат, при правильно КТ. Т.е. мы можем просто менять в условиях задачи КТ и смотреть, где ошибка меньше, там точнее КТ.
Математика за нас, учла и смещение 0, и взаимное влияние коэффициентов друг на друга и КТ. Для каждой схемы, решение будет разное. Но решение не зависит от внешних факторов. Оно зависит только от реализации схемы, и учитывает все погрешности и не точности (например разброс номиналов резисторов) — они получаются учтены в результатах тестовых измерений, и в решении они тоже учитываются.
Кроме того, системе не важно в каких «попугаях» заданы числа А и В. Единственное требование: (достаточно точная для задачи) линейность этих «попугаев».Пример из моей задачи:
КТ = 5
Температура Горячий спай Холодный спай
0 -116 3334
0 -122 3488
0 -124 3500
100 389 3432
100 382 3564
Система уравнений:
28,7414 = C + К1 * -116 + К2 * 3334
28,5902 = C + К1 * -122 + К2 * 3488
30,9189 = C + К1 * 389 + К2 * 3432
Решение:
K1 = 0,0044687231
K2 = -0,000878236
C = 32,1877900423
Итог для последнего измерения:
Ч = 32,1877900423 + 0,0044687231 * 382 - 0,000878236 * 3564 = 30,7648
Смещение = 3564 / 30,7648 = 115,8466
Результат = 382 + 115,8466 = 497,8466
Температура = 497,8466 / 5 = 99,5693
Все результаты:
Смещение Результат Температура Ошибка
116,0000 0,0000 0,0000 0,00
122,0463 0,0463 0,0093 0,01
122,5497 -1,4503 -0,2901 0,29
111,0248 500,0248 100,0050 0,00
115,8466 497,8466 99,5693 0,43
Должен заметить, что коэффициент КТ, подобран по минимальной ошибке.
Например, при КТ = 6 получается так:
Смещение Результат Температура Ошибка
116,0000 0,0000 0,0000 0,00
119,4133 -2,5867 -0,4311 0,43
119,5223 -4,4777 -0,7463 0,75
206,0085 595,0085 99,1681 0,83
208,3491 590,3491 98,3915 1,61Для упрощения расчетов, я приложил файлик с готовыми формулами. Надо только подставить данные и подобрать КТ.
ВНИМАНИЕ: никаких макросов я не использовал. Если они есть, значит это вирус!!! Будьте внимательны!!!
Оптимизация:
Если посмотреть на алгоритм, то расчеты это куча умножений и делений дробных чисел. Это и на ПК не быстро, а уж в МК и подавно… Поэтому я использую хитрость: работу с фиксированной запятой. В итоге, работа только с целыми числами!!!
Суть: все 3 коэффициента: С, К1 и К2 я умножаю на 65536 (думаю понятно почему 65536 :)):
K1 = 0,0044687231 * 65536 = 293
K2 = -0,000878236 * 65536 = -58
C = 32,1877900423 * 65536 = 2109459В результате, число Ч автоматически увеличивается в 65536 раз.
Только все операции целочисленные. При вычислении смещения, мы предварительно умножаем значение холодного спая на 65536 и при ЦЕЛОЧИСЛЕННОМ делении 65536 исчезает… 🙂 Конечно, точность немного страдает… Но скорость вырастает на порядки…Но и тут еще можно поднять точность, используя целые числа, т.к. смещение число не большое, и 1-ка очень важна (1% точности). Мы умножаем значение холодного спая не на 65536, а на 131072. И после деления, прибавляем единичку и делим на 2, чтобы компенсировать ошибку. В итоге получаем округление до 0.5 )
В приложенном файле, есть оба варианта (дробное и целое).
Целое дает ТОЧНЫЙ(!!!) результат на тестовых данных. Ошибка 0.
ОБНОВЛЕНИЕ:
Пояснения по решению, или ответы на вопросы:По сути мы хотим получить две прямые (но нас интересует их сумма).Первая прямая — горячий спай,
t1 = k1 * A + c1
Вторая — холодный
t2 = k2 * B + c2Нас интересует их сумма
t = k1 * A + k2 * B + c (где с = с1 + с2)
0 -122 3488 0 -124 3500 100 389 3432
К сожалению, мы НЕ ищем прямое преобразование А-В в температуру и НЕ решаем описанные уравнения.1 -116 3334 1 -122 3488 1 389 3432
Это было бы идеально. И для расчетов (2 умножения, 2 сложения) очень просто и не напряжно для МК. Проблема в том, что это НЕ работает 🙁По факту, как правильно заметили:
Вообще самое правильное это сначала измеренную температуру холодного спая преобразовать в эквивалентное термо ЭДС (Как если бы холодный спай был при нуле, а рабочий при измеренной температуре), затем сложить это напряжение с измеренным с термопары, а потом уже обратно преобразовать эту сумму в температуру. Таким образом полностью компенсируются нелинейности.Т.е. системой уравнений, мы как раз и ищем КОЭФФИЦИЕНТЫ для расчета КОЭФФИЦИЕНТА КОМПЕНСАЦИИ «холодного спая» для заданных условий.
Не понятно откуда взялись числа 28,7414 28,5902 30,9189Это как раз и есть КОЭФФИЦИЕНТы КОМПЕНСАЦИИ «холодного спая» для заданных условий. Они разные для разных данных.
При дальнейших расчетах, мы делим на этот коэффициент, тем самым внося нелинейность в формулу перевода «попугаев» в температуру.
Пояснение 2, математическое:
Пусть:
t – измеряемая температура
vx – измеренное значение «холодного спая»
vg — измеренное значение «горячего спая»
vg0 — измеренное значение «горячего спая» если бы измерение проводилось при vx = 0
КТ – коэффициент перевода vg0 в t:
(1) t = vg0/КТНо как правило, vx не равно 0, поэтому нам надо привести vx к нулю, изменив vg на некую величину, зависящую от vx:
Пусть kx – коэффициент компенсации:
(2) vg0 = vg + vx/kx, vx = 0Предположим, что kx линейно зависит от vx и vg:
(3) kx = c + k1 * vx + k2 * vgДля нахождения c, k1 и k2, необходимо решить систему линейных уравнений с 3-мя неизвестными для известных kx, vx, vg. vx и vg мы измеряем непосредственно.
kx мы находим по формуле (1) и (2), зная температуру в точках измерения:
(4) kx = vx/(vg0 - vg) и vg0 = t * KT => kx = vx/(t * KT - vg)Итого из (3) и (4):
(5) vx/(t * KT - vg) = c + k1 * vx + k2 * vgНо (5) это уже не линейное уравнение, поэтому проще всего подобрать КТ по минимальной ошибке решая систему линейных уравнений для каждого КТ.
Как работает внутренняя компенсация холодного спая ? – Другое
Объясняю проблему:
В качестве источника сигнала термопар я использовал ИКСУ-200ЕХ (потом повторял опыт для КИСС-03, ИКСУ-2000 отличий не обнаружено) и измеряю напряжение которое генерирует прибор:
Эксперимент 1.
Градуировка ХА (тип К)
Задаю температуру холодного спая 0, задаю температуру 100 С, разница 100 градусов
Измеряю напряжение: 4,096 мВ (100 С)– все в порядке
Задаю температуру холодного спая 20, температура 120 С, разница 100 градусов
Измеряю напряжение: 4,096 мВ (100 С)– все в порядке
Эксперимент 2
Градуировка ТПП (тип S)
Задаю температуру холодного спая 0, задаю температуру 100 С, разница 100 градусов
Измеряю напряжение: 0,646 мВ (100 С) – все в порядке
Задаю температуру холодного спая 20, температура 120 С, разница 100 градусов
Измеряю напряжение: 0,698 мВ (107 С) – откуда взялись 0,052 мВ ?
После чего подобные эксперименты проводили с другими градуировками термопар – на всех кроме ХА милливольты генерируемые без компенсации холодного спая отличаются от милливольтов генерируемых с компенсацией, хотя разница температур “холодного” и “горячего” спая одинакова.
Все приборы исправны, разных проиводителей, есть и с поверкой нашего ЦСМ есть и с заводской только купленные, отличий в показаниях не обнаружено.
———————————
При измерениях та же петрушка, т.е. подключаю измерительным прибором паралельно еще два ИКСУ одним меряю температуру, вторым напряжение и смотрю результат.
Подключаю датчики холодного спая к генерирующему и меряющему температуру приборам. Задаю температуру 100 С, в комнате 20 С.
Измеряющий температуру показывает мне 100 С, Генерирующий показывает что он генерирует 100 С, Измеряющий напряжение показывает что 0,698 мВ!
На генерируюем приборе задаю температуру холодного спая вручную 0.
Измеряющий температуру показывает мне 100 С, Генерирующий показывает что он генерирует 100 С, Измеряющий напряжение показывает что 0,646 мВ!
Меняю приборы местами и т.д. – результат одинаковый.
Потом была куча экспериментов в наших метрологических лабораториях с разными приборами (все образцовое оборудование перепробовали) – результат один и тот же .
Объясните что здесь неправильно ? измерение напряжения ? измерение температуры ? или я чего-то не понимаю
Холодный спай компенсация – Справочник химика 21
Сопротивление Яз является ограничивающим, а переменным сопротивлением Я устанавливается на шкале сопротивлений нуль прибора, соответствующий сопротивлению, равному бесконечности. Сопротивление Яг служит для формирования э. д. с., необходимой для компенсации влияния автоматической поправки па температуру холодных спаев термопары при измерении прибором сопротивления пленки. При напряжении батареи 90 в и чувствительности усили- [c.287]
Таким образом, принцип автоматической компенсации температуры холодных спаев заключается в том, что в цепь термопары последовательно включены сопротивления и из одной компенсационной ветви и / Ni — из другой параллельной ветви. Так как в никелевом сопротивлении ток идет в противоположном направлении, то увеличение его сопротивления приводит к увеличению напряжения в цепи термопары.
Чаще всего с помощью Re подбирают ток е , равный 2 ма. [c.24]
На рис. 33 показана принципиальная мостовая схема компенсации температуры холодных спаев термопары. [c.129]
ЛЮ. При изменении температуры помещения равновесие моста нарушается и между точками с и й вследствие изменения сопротивления / 4 возникает разность потенциалов, которая равна изменению электродвижущей силы термопары, но имеет противоположный знак. Эти э. д. с. взаимно компенсируют друг друга, и показания милливольтметра не зависят от переменной температуры свободных концов термопары. Устройство помещено в так называемой коробке компенсации холодных спаев термопары типа КТ-54. [c.130]
В действительной измерительной схеме имеются некоторые детали, не отображенные в принципиальной схеме. Прежде всего некоторое отличие измерительных схем зависит от того, для какого чувствительного прибора используется электронный потенциометр, т.
е. для термопар или радиационного пирометра. Кроме этого, в измерительную схему при использовании в качестве датчиков термопар включаются элементы компенсации изменения температуры холодных спаев термопар, элементы подгонки верхнего и нижнего пределов измерения и, наконец, элементы установки рабочего тока в балансирующей и компенсирующей цепях потенциометра. [c.474]СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ХОЛОДНЫХ СПАЕВ ТЕРМОПАРЫ [c.66]
Для достижения постоянства температуры холодного спая применяется особый прибор, так называемая коробка для автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары КТ-08 . Она питается от источника постоянного тока, напряжением в 4 в. При температуре окружающей среды 20° мост уравновешен. При отклонении темпера-ту ры окружающей среды от 20° сопротивление изменяется, и между точками Си Д возникает электродвижущая сила (рис. 22). [c.33]
Способы компенсации изменения температуры холодных спаев термопары 67 [c.
67]
Вследствие изменения температуры холодных спаев термопары одновременно изменяется ее т. э. д. с. на величину указанной разности потенциалов. Так как изменение т. э. д. с. равно разности потенциалов и имеет противоположное направление, то происходит автоматическая компенсация. Следовательно, компенсация может [c.68]
Компенсация температуры холодных спаев термопары обеспечивается шунтирующим никелевым сопротивлением 7. Зажимы 8 и 9 служат для присоединения измерительного прибора к телескопу. [c.166]
Поскольку температура холодного спая термопары обычно та же, что и баллона манометра, необходимость в специальной температурной компенсации таких манометров отпадает. [c.403]
Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 24. Чтобы исключить погрешности показаний прибора, вызываемые попаданием в усилитель переменного напряжения, возникающего в соединительных проводах, на выходе термопары включен фильтр, состоящий из конденсатора Сф и сопротивления/ ф.
Шунт Йшу предназначенный для подгонки сопротивления реохорда Яр к его расчетному значению, облегчает замену реохорда при износе. Сопротивления Р и обеспечивают требуемые потенциалы на входе и выходе реохорда по отношению к точке А. Сопротивление Як служит для автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары. Механическая связь реверсивного двигателя РД с движками двойного реостата осуществляется [c.69]
Если милливольтметр подключен к термопаре последовательно с компенсационным мостиком КТ—08, обеспечивается автоматическая компенсация изменения температуры холодных спаев термопары. При этом у отключенного прибора стрелка должна стать на нулевой отметке в противном случае ее устанавливают ручкой корректора. Установку стрелки на нуль поверяют каждую смену. [c.235]
На рис. 9 приведена схема с двойным реохордом и автоматической компенсацией температуры холодных спаев термопары, па которой А — сухой элемент, НП —нуль-гальванометр, НЭ — нормальный элемент, Яу,, и — сопротивление двойного реохорда, 7 — сопротивление для подгонки тока, протекающего через реохорд, Rg — сопротивление для подгонки критического сопротивления в цепи гальванометра.
. N1 — никелевое сопротивление для автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары. [c.23]
Автоматический электронный потенциометр типа ЭП-120. Измерительная схема прибора в принципе аналогична схемам других электронных потенциометров. Для автоматической компенсации температуры свободных кондов термопары служит медное сопротивление (рис. 24, стр. 69). Эю сопротивление обладает иной тепловой инерцией, чем зажимы свободных концов термопары, что приводит к изменениям показаний прибора. Для корректировки этих изменений и повышения точности показаний в цепь рабочей термопары включена компенсационная медь-кон-стантановая термопара 1 Т, горячий спай которой помещен в обмотку сопротивления а холодный спай имеет тепловой контакт с зажимами свободных концов рабочей термопары. [c.71]
Коробка для автоматической компенсации холодных спаев термопар. ………. [c.355]
Измерительная цепь и компенсация холодного спая [c.
104]
Вариант Б. Термический анализ легкоплавких смесей может быть проведен при помощи термопары и автоматического самопишущего потенциометра КСП-4. Для этого один спай (горячий) помещают в исследуемую смесь, а другой (холодный) подключают к компенсационной схеме автоматического самопишущего потенциометра КСП-4. На концах термопары возникает термо-э. д. с., величина которой прямо пропорциональна разности температур на концах спаев. Поэтому шкала потенциометра отградуирована в градусах Цельсия. В момент компенсации стрелка прибора показывает температуру исследуемой системы, а регистрирующее устройство печатает на диаграммной ленте точку с номером. Наличие в приборе переключателя позволяет с интервалом 20 с измерять и регистрировать температуры параллельно шести исследуемых смесей. [c.243]
При этом паразитные термо-ЭДС, возникающие в холодных спаях термопары, взаимно компенсируются [1]. Однако, когда температура обоих концов электродов термопары не только непостоянна, но и неодинакова, применяется второй тип удлинительных проводов — с поэлектродной компенсацией.
В заданном интервале температур электроды таких проводов развивают с третьим электродом, например платиной, ту же термо-ЭДС, что и соответствующие электроды термопары. [c.10]
После ознакомления с действием ТЭМ, во второй части программы разработчик может переходить к проектированию собственно термоэлектрической системы охлаждения. От любой такой системы требуется обеспечить в некотором объекте температуру Т ь-, чаще ниже температуры окружающей среды Та. При этом термоэлектрические модули должны иметь определенную холодопроизводительность Q , достаточную для компенсации натеканий тепла через изоляцию или для поглощения энергии в случае тепловыделяющего объекта. Исходя из задаваемых значений температур среды Та, объекта Tob и суммарного теплового сопротивления по холодной стороне Re, программой вычисляются температуры спаев Тс и Th, которые используются в уравнении для холодопроизводительности [c.114]
Для точных измерений температуры предпочтительно применять для компенсации холодного спая сосуды Дюара со льдом, недостатком которых явл1яется необходимость периодического наполнения охлаждающей смесью.
Но для регулирующих приборов лучше пользоваться контролируемыми термостатами. Неисправность термостата обычно сопровождается его охлаждением до комнатной температуры, что дает ошибку 5°. [c.105]
В некоторых терморегуляторах и самопишущих приборах сделана попытка избежать компенсации холодного спая включением устройства, которое прибавляет или вычитает небольшую э. д. с. по мере повышения или понижения комнатной температуры. В приборе этого типа проволоки термопары или компенсационные концы подаются прямо на зажимы прибЬра, и эти зажимы служат холодным спаем, так что отпадает надобность в применении сосуда Дюара. [c.105]
Холодный спай компенсация – Энциклопедия по машиностроению XXL
Каналы нагрева отличаются от каналов нагружения нормирующими преобразователями и наличием устройств компенсации температуры холодных спаев термопар. Выходы регуляторов выполнены в двух вариантах для управления ЭГР и тиристорным регулятором с возможностью переключения.
Число каналов нагрева и нагружения произвольно, но сумма их не более 120.
[c.61]I ЭВМ 2 — устройство цифрового управления тиристорами 3 — тиристорные регуляторы электрической мощности 4 — нагреватели 5 — объект испытаний 6 — термопары 7 — устройство компенсации температуры холодных спаев 8 — устройство ввода аналоговых сигналов [c.62]
Комплекс М-40 осуществляет сбор информации с аналоговых датчиков автоматическую компенсацию температуры холодных спаев термоэлектрических термометров преобразование аналоговых сигналов в цифровой код линеаризацию и масштабирование параметров сравнение контролируемых параметров с уставками вывод информации на цифровые индикаторы и электронно-лучевые трубки периодическую регистрацию текущих значений измеряемых параметров регистрацию параметров по вызову оператора регистрацию параметров, отклонившихся за уставку выдачу двухпозиционных сигналов на исполнительные механизмы прием сигналов с двухпозиционных датчиков запись информации на перфоленту или магнитную ленту обмен информацией с ЭВМ более высокого уровня иерархии.
[c.811]Блок нормализации типа БН-12 Предназначен для автоматической компенсации термо-э. д. с. холодных спаев термометров термоэлектрических, преоб-, разования сигналов термометров сопротивления в напряжение постоянного тока, преобразования сигналов потенциометрических датчиков в напряжение постоянного тока, используется в качестве источников регулируемого напряжения, Количество каналов в каждом блоке 2. Количество типов блоков 13. [c.876]
Измерительная цепь и компенсация холодного спая [c.104]
Датчиком как для положительной, так и для отрицательной температуры являются две хромель-копелевые термопары. Одна термопара служит для регулирования заданной температуры и подключается к электронному потенциометру ЭПВ, вторая — контрольная. Для компенсации температуры холодных спаев термопар в схеме применяется специальная компенсационная коробка. Коробка получает питание от источника сетевого питания. Измерение температур следует производить при работе потенциометра в режиме Норма .
[c.89]
Температурная поправка к показаниям автоматического самопишущего потенциометра незначительна благодаря автоматической компенсации температуры холодного спая (см. указанную выше погрешность 0,1% на отклонение 10°С от 20° С). [c.126]
Коробка для автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары КТ-08 [c.383]
Автоматическая компенсация температуры свободных концов (холодных спаев) термопар обеспечивается коробкой типа КТ-54 группы ХА. Схема коробки и принцип ее работы следующие. Одно из четырех сопротивлений, образующих мостовую схему коробки, выполнено из никеля — материала, обладающего высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления три остальные сопротивления выполнены из манганина — материала с нулевым коэффициентом. Мост питается постоянным током от внешнего источника (напряжение 4 в). Величины сопротивления подобраны так, что при температуре коробки 20° мост находится в равновесии.
При изменении температуры коробки величина сопротивления, изготовленного из никелевой проволоки, изменяется остальные сопротивления сохраняют свои величины неизменными. Мост выходит из равновесия, на выходе моста (на диагонали) появляется напряжение небаланса, равное по величине и знаку изменению термоэлектродвижущей силы термопары, обусловленному отклонением температуры свободных концов термопары от стандартной температуры градуировки 20°. Напряжение небаланса моста алгебраически складывается ст. э.д.с.термопары,автоматически компенсируя погрешности вызванные изменением температуры свободных концов термопары.
[c.98]
Стационарные милливольтметры МВУ6-41А, которыми оснащены лабораторные установки, включенные в практикум по термодинамике и теплопередаче, выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Они снабжены устройством КТ-3, для автоматической компенсации изменения термо-э.д.с., вызванного отклонением температуры холодного спая от градуировочной, равной 0°С.
Погрешность компенсации термо-э.д.с. с помощью блока КТ-3 в диапазоне от О до 50°С для термопар ТХА и ТХК не превышает 3°С.
[c.29]Надежность повышается путем резервирования усилителя И-102, а также возможностью быстрой замены неисправного блока. При работе системы с датчиком мощности выбирается модификация ВРТ-3 без компенсации температуры холодных спаев. Такая же модификация ВРТ-3 работает при использовании вольфрам-рениевой термопары. Если в системе имеются термопары градуировки ХА, ХК и т. д., компенсация температуры холодного 84 спая должна обеспечиваться вне прибора ВРТ-3 по известным схемам. [c.84]
В качестве примера остановимся на ошнбо шом подключении к электронному потенциометру, ррадуированному по X—К с компенсацией температуры холодных спаев, хромель-алюминиевой термопары или какого-либо датчика с выходом в милливольтах. Расшифровку следует начать с определения электрического нуля прибора. [c.251]
Для точных измерений температуры предпочтительно применять для компенсации холодного спая сосуды Дюара со льдом, недостатком которых является необходимость периодического наполнения охлаждающей смесью.
Но для регулирую-ихих приборов лучше пользоваться контролируемыми термостатами. Неисправьюсть термостата обычно сопровождаегея его охлаждением до комнатной температуры, что дает ошибку 5°.
[c.105]
В некоторых терморегуляторах и самопишущих приборах сделана попытка избежать компенсации холодного спая включением устройства, которое прибавляет или вычитает небольшую э. д. с. по мере повышения или понижения комнатной температуры. В приборе этого типа проволоки термопары или компенсационные концы подаются прямо на зажимы прибЬра, и эти зажимы служат холодным спаем, так что отпадает надобность в применении сосуда Дюара. [c.105]
Надежность [52], которую применяли при первом способе испытаний. В целях регулирования использовали два аналоговых автомата ААН-1 (один для нагревания, один для нагружения). Автоматы ААН-1 управляли гидроагрегатами (ГА) нагружения и регуляторами напряжения тиристоров РНТО. Программу регулирования задавали с помощью ЭВМ через сегмент-генераторы (СГ).
Сигнал от динамометра и сигналы от управляющих микротермопар через нормирующие преобразователи автоматов ААН-1, коммутатор каналов и аналого-цифровой преобразователь АЦП поступали в ЭВМ. Для компенсации влияния холодных спаев термопар использовали блок компенсации (ВК). Погрешность измерения и выдачи программ АСУ (без погрешности датчиков) 1%.
[c.359]
Температуру резания измеряли с помощью термопары инструмент— деталь. Холодные спаи термопар размещали на максимально возможных расстояниях от горячих и принимали специальные меры по компенсации паразитных термо-ЭДС. Усиление сигнала термо-ЭДС производилось микровольтмиллиамперметром типа Ф-116/2 с высокоомным входом и с записью на потенциометре КСП-4, измерение составляющих силы резания — динамометром [c.61]
MAX31855KASA+, Преобразователь сигнала термопар в цифровой сигнал с компенсацией холодного спая [SOIC-8]
Описание
The MAX31855KASA+ is a cold junction compensated thermocouple to digital converter with built-in 14bit analogue to digital converter in 8 pin NSOIC package.
The device contains cold junction compensation sensing and correction, digital controller, SPI compatible interface and associated control logic. It is designed to work in conjunction with an external microcontroller (µC) in thermostatic, process control or monitoring applications. The MAX31855K performs cold junction compensation and digitizes the signal from K type thermocouple with measuring temperature range of -200°C to +1350°C. The Thermocouple temperature gain and offset error ((41.276µV/°C nominal sensitivity)) is ±2°C at T (thermocouple) = -200°C to +700°C, TA = -20°C to +85°C. The data outputs in a signed 14bit, SPI compatible read only format.
• Supply voltage range from 3V to 3.6V
• Serial clock frequency of 5MHz
• Integration reduces design time and lowers system cost
• Detects thermocouple shorts to GND or VCC and open thermocouple
• 14bit, 0.25°C resolution converter
• Power supply current is 900µA
• Thermocouple input bias current is 100nA
• Temperature conversion time is 70ms and thermocouple conversion power-up time is 200ms
Технические параметры
| Maximum Operating Temperature | +1350 °C |
| Length | 5мм |
| Typical Single Supply Voltage | 3. 3 V |
| Brand | Maxim Integrated |
| Power Supply Type | Одинарный |
| Package Type | SOIC |
| Mounting Type | Поверхностный монтаж |
| Minimum Operating Temperature | -200 °C |
| Width | 4мм |
| Maximum Supply Current | 1500 мкА |
| Rail to Rail | No |
| Высота | 1.5мм |
| Pin Count | 8 |
| Dimensions | 5 x 4 x 1.5мм |
| Вес, г | 0.15 |
Техническая документация
Дополнительная информация
Datasheet MAX31855KASA+
SMD справочник
Типы корпусов импортных микросхем
Компенсация холодного (эталонного) спая термопары
В этом сообщении блога я кратко рассмотрю термопары, особенно холодный спай и различные методы компенсации холодного спая.
В течение многих лет работы с калибровкой технологических инструментов меня часто удивляет, что даже люди, которые много работают с термопарами, не всегда понимают, как работают термопары, и особенно холодный (эталонный) спай, и поэтому они могут погрешности измерения и калибровки.
Чтобы иметь возможность обсудить холодный спай, нам нужно сначала кратко рассмотреть теорию термопары и то, как термопара работает.
Я не буду углубляться в теоретическую науку, но остановлюсь на практических соображениях, которые вы должны знать при работе с измерениями и калибровкой термопар на типичном технологическом предприятии.
Загрузите эту статью бесплатно в формате pdf:
Терминология: Холодный спай или опорный спай
«Холодный спай» термопары часто называют «опорным спаем», но мне кажется, что люди используют «Холодный спай» чаще, поэтому я буду использовать его в этом тексте.
Термопары
Термопары – очень распространенные датчики температуры на производственных предприятиях.
Термопары имеют несколько преимуществ, благодаря которым они широко используются. Их можно использовать для измерения очень высоких температур, намного более высоких, чем с RTD (резистивный датчик температуры). Термопара также является очень прочным датчиком, поэтому ее нелегко сломать. Хотя термопары не так точны, как датчики RTD, они достаточно точны для многих приложений. Термопары также являются относительно дешевыми датчиками, и для схемы измерения термопары не требуется ток возбуждения, как это требуется для схемы RTD, поэтому схема в этом смысле более проста в изготовлении.Существует множество различных типов термопар, оптимизированных для различных приложений.
Датчик термопары кажется очень простым в использовании – всего два провода – что может пойти не так?
Но, учитывая холодный спай и все спая в измерительной цепи, это не всегда так просто, как кажется.
Давайте приступим к обсуждению холодного спая, но перед этим еще несколько слов о теории термопар, чтобы лучше понять обсуждение холодного спая.
Как работает термопара?
Давайте посмотрим, как работает термопара. Термопара состоит из двух проводов, состоящих из разных электрических проводников, соединенных вместе на одном конце («горячий» конец), то есть на конце, которым вы хотите измерять температуру.
Как было обнаружено еще в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, когда точка соединения этих проводов подвергается разным температурам, возникает термоэлектрический ток, вызывающий небольшое напряжение между проводами на открытом конце.Напряжение зависит от температуры и материалов проводящих проводов. Этот эффект получил название эффекта Зеебека.
Упрощенное принципиальное изображение термопары:
На изображении выше: «Материал термопары 1 и 2» представляет два разных материала, из которых изготовлена термопара. «T1» – это горячий конец термопары, то есть точка, которая используется для измерения температуры.
Два «Tcj» – это температуры холодных спаев.
Приведенное выше объяснение несколько упрощено, поскольку термовольт фактически создается градиентами температуры в проводе термопары на всем пути между «горячим» и «холодным» спаями. Таким образом, на самом деле напряжение генерируется не в точках соединения, а в градиенте температуры вдоль провода. Это легче понять, если подумать, что термовольт создается в переходах, горячих и холодных. Возможно, более научная теория термопар может быть представлена в другом посте позже, но в этом давайте остановимся на практических соображениях.
Типы и материалы термопар
Существует множество типов термопар, которые изготавливаются из различных материалов и сплавов. Различные материалы будут вызывать разную чувствительность, различное количество термовольт, генерируемых при одной и той же температуре, и будут влиять на другие характеристики, такие как максимальная температура.
Стандартизированы несколько различных типов термопар, и указаны названия используемых материалов.
Имена обычно представляют собой очень короткие имена, часто состоящие из одной буквы, например типа K, R, S, J, K и т. Д.
Некоторые из наиболее распространенных термопар и их материалы перечислены в таблице ниже:
Цвета проводов
Хорошая новость заключается в том, что провода термопар имеют цветовую маркировку для облегчения распознавания.
Плохая новость в том, что существует много разных стандартов для цветовых кодов, и они отличаются друг от друга.
Основными стандартами являются IEC60584-3 (международный) и ANSI (США), но есть и многие другие, такие как японский, французский, британский, нидерландский, немецкий и т. Д.стандарты. Так что, к сожалению, распознать шрифт по цвету немного сложно.
Термонапряжение термопары
Поскольку разные термопары изготовлены из разных материалов, термовольтное напряжение также отличается, это показано на рисунке ниже. Существует большая разница в напряжении, генерируемом при одинаковой температуре между разными типами.
Если вы хотите измерить более низкую температуру, очевидно, что лучше использовать более чувствительные типы, поскольку они дают более высокое напряжение, которое легче измерить.Но если вам нужно перейти на высокие температуры, вам нужно выбрать некоторые из менее чувствительных типов, которые можно использовать при таких высоких температурах.
Коэффициент Зеебека показывает, насколько изменяется напряжение термопары по сравнению с изменением температуры. Подробнее об этом позже.
Приведенный выше рисунок, иллюстрирующий разную чувствительность различных термопар, также объясняет, почему калибратор термопар обычно имеет разные характеристики точности для разных типов термопар.Измерительное устройство или калибратор обычно имеет точность измерения напряжения, указанную в напряжении. Например, он может иметь точность до 4 микровольт. Эта погрешность в 4 микровольта соответствует различной точности измерения температуры в зависимости от типа термопары из-за разной чувствительности термопары.
Пример измерительного устройства (калибратора)
Давайте посмотрим на две крайности: тип E и B при температуре 200 ° C. Чувствительность (коэффициент Зеебека) типа E при 200 ° C составляет около 74 мкВ / ° C, а коэффициент для типа B при 200 ° C составляет около 2 мкВ / ° C.Итак, разница между этими двумя значениями составляет 37 раз.
Например, если ваше измерительное устройство может выполнять измерения с электрической точностью 4 мкВ, это означает, что оно обеспечивает точность около 0,05 ° C (4 мкВ, деленные на 74 мкВ / ° C) для типа E при 200 ° C, и точность 2 ° C (4 мкВ, разделенные на 2 мкВ / ° C) для типа B при 200 ° C.
Итак, мы можем понять, почему часто существуют очень разные характеристики точности для измерительного устройства / калибратора термопар для разных типов термопар.
Точность калибратора
Если вы видите технический паспорт калибратора температуры, который имеет одинаковые характеристики точности для всех типов термопар, будьте осторожны! Обычно это означает, что спецификации / технические данные были составлены в отделе маркетинга, а не в техническом отделе… 😉
Это просто не очень реалистично.
Стандарты
Существуют также некоторые стандарты (например, AMS2750E), которые требуют одинаковой точности для всех типов термопар, и это не имеет большого смысла на практике из-за огромной разницы в чувствительности для разных типов. .
Коэффициенты Зеебека
Я уже упоминал коэффициент Зеебека ранее. Это чувствительность термопары, то есть она объясняет, сколько напряжения генерируется при изменении температуры.
На рисунке ниже показаны коэффициенты Зеебека для некоторых различных термопар:
Холодный спай
Теперь приступим к изучению «холодного спая» …
Ранее я показал картину упрощенного принципа термопары. показывая, что термовольт создается в соединении с «горячим» концом, где два разных проводника соединены вместе. Главный вопрос, который вы должны здесь задать: А как насчет другого конца проводов?
Какой хороший вопрос! Я рад, что вы спросили… 😉
Когда вы измеряете напряжение термопары, вы можете соединить провода термопары в мультиметр, просто правда? Не совсем! Материал соединения мультиметра обычно медный или позолоченный, поэтому это другой материал, чем материал термопары, означает, что вы создаете две новые термопары в соединениях мультиметра!
Давайте проиллюстрируем это на картинке:
На картинке выше материал 1 и материал 2 представляют собой два материала термопары, из которых состоит термопара.
«Горячий конец» – это точка, где они свариваются, и это точка, которая измеряет температуру процесса, здесь генерируется напряжение U1. Это U1 и есть то, что мы хотим измерить. В точках «холодного спая» термопара подключается к измерителю напряжения, соединения которого выполнены из другого материала, материала 3. В этих соединениях генерируются термовольтные напряжения U2 и U3. Именно эти напряжения U2 и U3 мы не хотим измерять, поэтому мы хотим избавиться от них или компенсировать их.
Как видно из рисунка выше, вы фактически измеряете напряжение трех (3) термопар, соединенных последовательно. Очевидно, вы хотели бы измерять только напряжение / температуру только «горячего» перехода, а не двух других переходов.
Итак, что вы можете сделать?
Вам нужно как-то устранить или компенсировать образование термопар в холодных спаях. Есть разные способы сделать это. Давайте посмотрим на них дальше.
Варианты холодного спая и методы компенсации
1.
Холодный спай в ледяной ваннеПо своей природе спай термопары не генерирует термовольт, когда он находится при температуре 0 ° C (32 ° F). Таким образом, вы можете сделать холодный спай при этой температуре, например, в ледяной бане или в точном температурном блоке. Вы можете соединить провода термопары с медными проводами в ледяной ванне, и в этом соединении не будет генерироваться термовольт. Тогда вам вообще не придется беспокоиться о холодном спине.
Соединения должны быть электрически изолированы от воды в ледяной ванне, чтобы избежать любых токов утечки, вызывающих ошибки, или возможной коррозии.
Это очень точный способ, которым обычно занимаются калибровочные лаборатории. В любом случае это не очень практично на производственных цехах, поэтому обычно не используется на производственных предприятиях.
Пример:
Термопара типа N подключается, как показано на рисунке. Измеритель напряжения показывает 20808 мкВ.
Какая измеренная температура?
E = E N (t U1 ) – E N (t r )
Где:
- E = измеренное напряжение = 20808 мкВ
- E N (t U1 ) = напряжение, генерируемое в горячем соединении
- Е Н (т г ) = напряжение, генерируемое в холодном (ссылка) спая = 0 мкВ (МЭК 60584 тип N, 0 ° с)
- Е Н (т U1 ) = E + E N (t r ) = 20808 мкВ + 0 мкВ = 20808 мкВ = 605 ° C (IEC 60584 тип N, 20808 мкВ)
Итак, температура 605 ° C.
2. Холодный спай при известной фиксированной температуре
Поскольку ледяная ванна оказалась непрактичной, вы также можете выполнить соединение холодного спая при некоторой другой известной фиксированной температуре. У вас может быть небольшая соединительная коробка с регулятором температуры, поддерживающая постоянную температуру в коробке.
Как правило, температура выше, чем температура окружающей среды, поэтому ящик требует только обогрева, а не охлаждения.
Зная температуру холодного спая, а также тип термопары, вы можете рассчитать и компенсировать термовольтное напряжение холодного спая.
Многие измерительные устройства или калибраторы температуры имеют функцию, в которой вы можете ввести температуру холодного спая, и устройство выполнит все вычисления за вас и произведет компенсацию.
Пример:
Термопара типа N подключается, как показано на рисунке. Измеритель напряжения показывает 19880 мкВ. Температура холодного (эталонного) спая 35 ° C. Какая измеренная температура?
E = E N (t U1 ) – E N (t r )
Где:
- E = измеренное напряжение = 19880 мкВ
- E N (t U1 ) ) = напряжение, генерируемое горячий конец
- E Н (т г ) = напряжение генерируется в качестве ссылки (или холода) спай = 928 мов (МЭК 60584 типа N, 35 ° с)
- Е Н ( t U1 ) = E + E N (t r ) = 19880 мкВ + 928 мкВ = 20808 мкВ = 605 ° C (IEC 60584 тип N, 20808 мкВ)
Итак, измеренная температура составляет 605 ° C.
Обратите внимание, , что расчеты термопар всегда должны производиться по напряжению. Распространенной ошибкой является поиск табличного значения измеренного напряжения и прибавление температуры холодного спая. В этом случае соответствующая температура для измеренного значения 19880 мкВ согласно стандарту IEC 60584 составляет 581,2 ° C. Расчет с использованием значений температуры даст 581,2 ° C + 35 ° C = 616,2 ° C. Погрешность + 11,2 ° C.
3. Измерьте температуру холодного спая
Если вы не регулируете температуру холодного спая, как в предыдущем примере, вы можете в любом случае измерить температуру холодного спая с помощью датчика температуры.Затем вы можете компенсировать эффект холодного спая, но это немного сложнее, так как вам нужно постоянно измерять температуру холодного спая и, зная тип термопары, производить расчеты, чтобы узнать эффект холодного спая.
К счастью, многие калибраторы температуры предоставляют возможность использовать температурный датчик для измерения температуры холодного спая, и устройство выполняет все компенсации и вычисления автоматически.
4.Автоматическая онлайн-компенсация в измерительном устройстве
Я упоминал, что предыдущий пример был трудным, поскольку вам нужно было рассчитывать компенсацию все время, но вы можете оставить это измерительному устройству, чтобы оно выполнялось автоматически. Измерительное устройство (преобразователь, входная плата DCS или калибратор температуры) может постоянно измерять температуру холодного спая и автоматически выполнять оперативную компенсацию ошибки холодного спая. Поскольку измерительный прибор также знает тип термопары (вы выбираете его в меню), он может выполнять компенсацию автоматически и непрерывно.
Это, естественно, самый простой и практичный способ компенсации холодного спая при обычных измерениях и калибровках, так как вам не нужно беспокоиться о холодном спаде и оставить оборудование для ухода за ним. Вы просто вставляете провод термопары в устройство.
Калибраторы температуры Beamex также поддерживают такую автоматическую компенсацию.
Скачать бесплатно технический документ
Загрузите эту статью бесплатно в формате pdf:
Сопутствующие продукты Beamex
Обратите внимание на калибратор температуры Beamex MC6-T.Он также может использоваться для калибровки термопар и имеет автоматическую компенсацию холодного спая. Он также предлагает универсальный разъем, к которому вы можете подключать различные разъемы термопар или оголенные провода термопар.
Щелкните изображение ниже, чтобы узнать больше о Beamex MC6-T:
Также обратите внимание на калибратор Beamex MC6 для справки.
Что такое компенсация холодного спая для зонда термопары?
Когда требуются точные измерения с помощью термопары, обычно обе ветви привязаны к медному проводу в точке обледенения, чтобы медные выводы могли быть подключены к прибору для считывания ЭДС из-за наличия холодного спая.Эта процедура позволяет избежать образования термоэдс на выводах считывающего прибора.
Изменения температуры холодного спая влияют на выходной сигнал, и практические приборы должны быть снабжены средствами для устранения этого потенциального источника ошибок.
Рисунок 1
Генерируемая ЭДС зависит от разницы температур, поэтому для проведения измерения необходимо знать эталон. Это схематично показано на рис. 1 и может быть достигнуто путем помещения эталонного спая в баню с ледяной водой при постоянной температуре 0 ° C (32 ° F).Поскольку ледяные ванны часто неудобны в обслуживании и не всегда практичны, часто используются несколько альтернативных методов.Основной принцип компенсации холодного спая заключается в том, что для расчета температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного спая. Это связано с тем, что напряжение, генерируемое в цепи термопары, пропорционально разности клемм между горячим и холодным спаем.
Основное уравнение для этого:
E ЭДС = −S∆T = S (T HOT – T COLD ), где:
- E ЭДС – выходное напряжение термопары
- S – это свойство материала, зависящее от температуры, известное как коэффициент Зеебека (для термопары типа K это примерно 4.
1 мкВ / ° C между 0 ° C и 1000 ° C) - T COLD – температура холодного спая
- T HOT – температура горячего спая (это то, что вы хотите знать!)
1 мкВ / ° C между 0 ° C и 1000 ° C)Преобразование этого уравнения для T HOT дает:
Способы компенсации холодного спая
Метод электрического моста
В этом методе обычно используется самокомпенсирующийся холодный спай.
электрическая мостовая схема, как показано на рисунке 2.Эта система включает
термочувствительный элемент сопротивления (RT), находящийся в одном
опора мостовой сети и термически интегрирована с холодным
соединение (Т2). Мост обычно питается от ртутного
аккумулятор или стабильный постоянный ток источник питания. Выходное напряжение пропорционально
к дисбалансу между предварительно установленным эквивалентным заданием
температура в (T2) и горячий спай (T1).
В этой системе
может быть выбрана эталонная температура 0 ° или 32 ° F.
Как температура окружающей среды вокруг холодного спая (T2) меняется, появляется термически генерируемое напряжение и вызывает ошибку в выход. Однако автоматически устанавливается равное и противоположное напряжение. введены последовательно с тепловой ошибкой. Это отменяет погрешность и поддерживает эквивалентную температуру холодного спая в широком диапазоне температур окружающей среды с высокой точностью.За счет объединения медных проводов с холодным спаем термопара сам материал не подключен к выходной клемме измерительное устройство, тем самым исключая вторичные ошибки.
Термоэлектрический метод охлаждения
Термоэлектрический прибор Omega¨ TRC
Контрольная камера ice pointTM основана на фактическом равновесии
льда и дистиллированной деионизированной воды при атмосферном давлении
для поддержания температуры в нескольких контрольных лунках точно 0 ° C.
Колодцы
расширяются в герметичную цилиндрическую камеру, содержащую чистую
дистиллированная деионизированная вода.
Внешние стенки камеры охлаждаются термоэлектрическими охлаждающими элементами, чтобы вызвать замерзание воды в ячейке для работы в качестве эталона холодного спая. Увеличение объема за счет замораживания льда оболочка на клеточной стенке ощущается расширением сильфона который управляет микровыключателем, обесточивая охлаждающий элемент.Поочередное замораживание и оттаивание ледяной оболочки точно поддерживает температуру окружающей среды 0 ° C вокруг контрольных скважин. Приложение Схема показана на рис. №3.
Полностью
автоматический режим работы исключает необходимость частого внимания
требуется от обычных ледяных ванн. Показания термопары могут быть сняты
непосредственно из справочных таблиц ледовых точек без внесения поправок
температура перехода.
Использование эталонной камеры
Портативная калибровочная эталонная камера Ice Point ™
Новая эталонная камера Ice Point ™ TRCIII-A – последнее дополнение к прекрасной линейке эталонных калибровочных приборов OMEGA. Контрольная камера TRCIII-A ice point ™ основана на равновесии льда и дистиллированной деионизированной воды при атмосферном давлении для поддержания точно 0 ° C в шести контрольных лунках.
Любая комбинация термопар может быть
используется с этим инструментом, просто вставив эталонные спайки
в эталонных колодцах. Калибровка температуры другого типа
датчики при 0 ° C также могут быть выполнены. Ссылки на горячую печь:
Тип двойной печи включает две печи с регулируемой температурой.
для моделирования эталонных температур ледяной точки, как показано на рис.
4. Две печи используются при разных температурах, чтобы получить эквивалентную
низкой эталонной температуры, отличной от температуры
любой из духовок.
Например, провода от термопары типа К. датчик соединен с духовкой на 150 ° для производства хромега-аломега и соединение Аломега-Хромега при 150 ° F (2,66 мВ каждый).
В напряжение между выходными проводами первой духовки будет вдвое 2.66 мВ или 5,32 мВ. Чтобы компенсировать этот уровень напряжения, выходные провода (Chromega и Alomega) подключены к медным проводам во второй печи, поддерживаемой при температуре 265,5 ° F. Это точный температура, при которой производятся хромега-медь и аломега-медь понижающее напряжение дифференциала 5,32 мВ.
Таким образом, это напряжение
нивелирует перепад 5,32 мВ на выходе из первой печи
0 мВ на медных выходных клеммах.
Это эквивалент напряжения
32 ° F (0 ° C).
Компенсация холодного спая в термопаре
Аннотация: Термопары являются одними из наиболее широко используемых устройств для измерения температуры благодаря своей прочности, воспроизводимости и малому времени отклика.В этом примечании к применению обсуждаются основные операции термопары, включая определение и функцию эталонного (холодного) спая. В примечании также даются рекомендации по выбору устройства для измерения температуры холодного спая в зависимости от области применения. Показаны три примера схем.
Введение
Из множества преобразователей, доступных для измерения температуры, термопары являются одними из самых распространенных. Термопары используются в повседневных системах, таких как автомобили и бытовая техника.Они предлагают экономически эффективные средства для измерения гораздо более широкого диапазона температур, чем другие распространенные решения, такие как терморезисторы (RTD), термисторы и термочувствительные интегральные схемы (IC).
Кроме того, надежность, повторяемость и быстрое время отклика делают термопары популярным выбором во многих средах.Однако у использования термопар есть некоторые недостатки, в частности, отсутствие линейности. Хотя термопары могут использоваться в более широком диапазоне температур, чем RTD и термочувствительные ИС, они гораздо менее линейны.Кроме того, термометры сопротивления и термочувствительные ИС обычно предлагают лучшую чувствительность и точность – две характеристики, которые необходимы для более точных приложений. Сигналы термопар имеют очень низкий уровень и часто требуют усиления или преобразователя данных с высоким разрешением для обработки сигналов.
Несмотря на указанные выше недостатки, общая стоимость, простота использования и широкий диапазон температур по-прежнему делают термопары популярными.
Основы термопар
Термопары – это устройства для измерения дифференциальной температуры.Они состоят из двух проводов из разнородных металлов. Один провод предварительно обозначен как положительный, а другой как отрицательный.
В таблице 1 перечислены четыре наиболее распространенных типа термопар, используемые металлы или сплавы, а также допустимый диапазон температур для каждого типа. Каждый тип термопары предлагает уникальные термоэлектрические характеристики в заданном диапазоне температур.Таблица 1. Основные характеристики термопары
| Тип | Положительный металл / сплав | Отрицательный металл / сплав | Диапазон температур (° C) |
| Т | Медь | Константан | -200 по +350 |
| Дж | Утюг | Константан | 0 до +750 |
| К | Хромель | Алюмель | от -200 до +1250 |
| E | Хромель | Константан | от -200 до +900 |
Если соединить два разных металла (т.е.е., сварные или припаянные) для образования двух соединений, как показано на рисунке , рис.
1a, , напряжение, создаваемое контуром, является функцией разницы температур между двумя соединениями. Это явление известно как эффект Зеебека, обычно описываемый как процесс преобразования тепловой энергии в электрическую. Эффект Зеебека противоположен эффекту Пельтье, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую, что наблюдается в таких приложениях, как термоэлектрические охладители.На рисунке 1a показано, что измеренное выходное напряжение V OUT представляет собой разницу между измеренным напряжением (горячего) перехода и опорным напряжением (холодного) перехода. Поскольку V H и V C генерируются разницей температур между двумя переходами, V OUT также является функцией этой разницы температур. Масштабный коэффициент, который связывает разницу напряжений с разницей температур, известен как коэффициент Зеебека.
Рисунок 1а.Напряжение контура, создаваемое разницей температур между двумя спаями в термопаре, является результатом эффекта Зеебека.
Рисунок 1б. В наиболее распространенной конфигурации термопары два провода термопары соединены на одном конце. Открытый конец каждого провода подсоединяется к изотермическому соединителю из меди.
На рисунке 1b показана конфигурация, наиболее часто используемая в приложениях с термопарами. Эта конфигурация вводит третий металл (также известный как промежуточный металл ) в петлю и два дополнительных соединения.В этом примере открытые концы каждого провода электрически соединены с проводами или дорожками из меди. Эти соединения вводят в систему два дополнительных соединения. Пока эти два перехода имеют одинаковую температуру, промежуточный металл (медь) не влияет на выходное напряжение. Такая конфигурация позволяет использовать термопару без отдельного холодного спая. V OUT по-прежнему является функцией разницы между температурами горячего и холодного спая, связанной с коэффициентом Зеебека.Однако, поскольку термопара измеряет температуру по-разному, температура холодного спая должна быть известна, чтобы определить фактическую температуру, измеренную в горячем спай.
Самый простой случай возникает, когда температура холодного спая составляет 0 ° C, также известная как эталон ледяной ванны. Если T C = 0 ° C, то V OUT = V H . В этом случае напряжение, измеренное на горячем спайе, является прямым переводом фактической температуры на этом спайе. Национальное бюро стандартов (NBS) предоставляет справочные таблицы, содержащие данные о характеристиках напряжений термопар по сравнению стемпературы для различных типов термопар. Все данные основаны на температуре холодного спая 0 ° C. Используя эталонную ледяную баню, вы можете определить температуру горячего спая, посмотрев V H в соответствующей таблице.
На заре создания термопар эталонная ледяная баня служила стандартом для термопар. Применение ледяной ванны сегодня нецелесообразно в большинстве ситуаций. Следовательно, когда температура холодного спая не равна 0 ° C, температура этого спая должна быть известна, чтобы определить фактическую температуру горячего спая.
Выходное напряжение термопары также необходимо компенсировать, чтобы учесть напряжение, создаваемое ненулевой температурой холодного спая. Этот процесс известен как компенсация холодного спая.
Выбор прибора для измерения температуры холодного спая
Как объяснялось выше, для реализации компенсации холодного спая необходимо определить температуру холодного спая. Этот расчет может быть выполнен с помощью любого типа устройства для измерения температуры. К наиболее популярным устройствам относятся термочувствительные ИС, термисторы и термометры сопротивления.Каждое семейство устройств имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими, поэтому требования конкретного приложения определяют, какой тип использовать.Для приложений, требующих высочайшей точности, откалиброванный платиновый RTD обеспечивает наилучшую производительность в самом широком диапазоне температур. Однако такая производительность обходится дорого.
Термисторы и кремниевые термочувствительные ИС являются экономичной альтернативой RTD для приложений, которые не требуют такой высокой точности.
Термисторы работают в более широком диапазоне температур, чем кремниевые ИС. Тем не менее, термочувствительные ИС часто предпочтительнее термисторов из-за их линейности; Коррекция нелинейности термистора может потребовать слишком много работы от микроконтроллера системы. Чувствительные к температуре ИС обеспечивают отличную линейность, но работают в более узком температурном диапазоне.
Таким образом, необходимо выбрать устройство для измерения температуры холодного спая в соответствии с требованиями системы.Как и в любом другом приложении для измерения температуры, точность, температурный диапазон, стоимость и линейность являются важными факторами при выборе. Каждое требование необходимо тщательно взвесить, чтобы выбрать оптимальное сочетание стоимости и производительности.
Цифры в цифрах
После того, как вы установили метод компенсации холодного спая, скомпенсированное выходное напряжение необходимо перевести в соответствующую температуру. В простом методе «перевода» используются таблицы поиска из NBS.
Реализация таблиц поиска в программном обеспечении требует памяти для хранения, но таблицы обеспечивают быстрое и точное решение, когда измерения необходимо повторять постоянно. Два других метода перевода напряжений термопар в температуру требуют несколько больше работы, чем справочные таблицы: 1) линейная аппроксимация с использованием полиномиальных коэффициентов; 2) аналоговая линеаризация выходного сигнала термопары. Программная линейная аппроксимация популярна, потому что не требуется никакого хранения, за исключением предварительно определенных полиномиальных коэффициентов.Однако у этого метода есть недостаток: время обработки, связанное с решением многочленов нескольких порядков. Время обработки увеличивается для полиномов более высокого порядка, которые обычно требуются при работе с более широким диапазоном температур. Для температур, где требуются полиномы более высокого порядка, справочные таблицы могут оказаться более точными и более эффективными, чем линейное приближение.
До появления современного программного обеспечения аналоговая линеаризация обычно использовалась для преобразования измеренного напряжения в температуру (в дополнение к ручному поиску в справочных таблицах).Этот аппаратный метод использует аналоговую схему для коррекции нелинейности отклика термопары. Его точность зависит от порядка используемого приближения поправки. Этот подход до сих пор широко используется в мультиметрах, которые принимают сигналы термопар.
Цепи приложений
В следующих примерах показаны три метода компенсации холодного спая, в которых используются кремниевые термочувствительные ИС. Эти три схемы ориентированы на простые решения для приложений, требующих только узкого диапазона температур холодного спая (от 0 ° C до + 70 ° C и от -40 ° C до + 85 ° C) и точности с точностью до нескольких градусов.Цепь 1 включает в себя ИС местного измерения температуры рядом с холодным спаем для определения его температуры. Схема 2 включает в себя датчик температуры с выносным диодом, который питается от транзистора с диодным соединением, установленного непосредственно на разъеме термопары.
Схема 3 включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП) со встроенной компенсацией холодного спая. Во всех трех примерах используется термопара K-типа, изготовленная из хромеля и алюмеля. Пример № 1
В схеме, показанной на рис. 2 , 16-разрядный сигма-дельта АЦП преобразует низкоуровневое напряжение термопары в 16-разрядный последовательный цифровой выход.Интегрированный усилитель с программируемым усилением увеличивает разрешение АЦП, которое часто требуется при работе с низкоуровневыми сигналами термопар. Чувствительная к температуре ИС, расположенная в непосредственной близости от разъема термопары, измеряет температуру в области холодного спая. Этот метод основан на предположении, что температура на ИС примерно равна температуре холодного спая. Выходное напряжение датчика температуры холодного спая преобразуется каналом 2 АЦП.на чипе опорного 2.56V датчика температуры устраняет необходимость в отдельном справочнике IC.
Рис. 2. Микросхема местного измерения температуры (MAX6610) определяет температуру холодного спая.
Чувствительная к температуре ИС расположена рядом с разъемом термопары (холодный спай). Выходные напряжения для термопары и датчика температуры холодного спая преобразуются 16-битным АЦП (MX7705).
При работе в биполярном режиме АЦП может преобразовывать положительные и отрицательные уровни напряжения термопары на канале 1.Канал 2 АЦП преобразует несимметричный выход напряжения MAX6610 в цифровой сигнал для обработки микроконтроллером. Выходное напряжение термочувствительной ИС пропорционально измеренной температуре холодного спая.
Для определения фактической температуры горячего спая необходимо сначала определить температуру холодного спая. Затем воспользуйтесь справочными таблицами, предоставленными NBS для термопар K-типа, чтобы перевести температуру холодного спая в соответствующее ей термоэлектрическое напряжение.После корректировки усиления PGA добавьте это напряжение к оцифрованным показаниям термопары. Затем переведите сумму в температуру, снова используя справочные таблицы.
В результате получается фактическая температура горячего спая. В таблице 2 показаны измерения, сделанные при подметании холодного спая от -40 ° C до + 85 ° C в печи и поддержании температуры горячего спая на + 100 ° C в отдельной печи. Точность измерений во многом зависит от точности локальной ИС измерения температуры и температуры печи.
Таблица 2. Примеры измерений для схемы на Рисунке 2 с холодным и горячим спаями в отдельных печах
| Холодный спай Температура (° C) | Измеренное значение температуры спая * (° C) | |
| Измерение № 1 | -39,9 | +101,4 |
| Измерение № 2 | 0,0 | +101,5 |
| Измерение № 3 | +25.2 | +100,2 |
| Измерение № 4 | +85,0 | +99.0 |
Пример № 2
В Рис. 3 , ИС с удаленным датчиком температуры измеряет температуру холодного спая схемы. В отличие от ИС с локальным датчиком температуры, датчик температуры с удаленным диодом не обязательно должен находиться рядом с холодным спаем, поскольку он использует внешний NPN-транзистор с диодным соединением для измерения температуры холодного спая.Этот транзистор устанавливается непосредственно на медный фиксатор разъема термопары. Микросхема измерения температуры преобразует сигнал этого транзистора с диодным соединением в цифровой выходной сигнал.
Канал 1 АЦП преобразует напряжение термопары в цифровой выход. Канал 2 АЦП не используется и заземлен. опорный вход АЦП подается ссылкой стабильная 2.5V IC.
Рис. 3. ИС датчика температуры с удаленным диодом не обязательно должна находиться рядом с холодным спаем, поскольку для измерения температуры в ней используется внешний диод.Этот диод может быть установлен непосредственно на дополнительный фиксатор разъема термопары.
MAX6002 обеспечивает стабильное опорное напряжение 2.5В для АЦП.
В таблице 3 показаны измерения, выполненные при изменении температуры холодного спая от -40 ° C до + 85 ° C при сохранении температуры горячего спая на уровне + 100 ° C. Точность измерений зависит от точности как ИС с дистанционным датчиком температуры, так и температуры печи.
Таблица 3.Примеры измерений для схемы на рис. 3 с холодным и горячим спаями в отдельных печах.
| Холодный спай Температура (° C) | Измеренное значение температуры спая * (° C) | |
| Измерение № 1 | -39,8 | +99,1 |
| Измерение № 2 | -0,3 | +98,4 |
| Измерение № 3 | +25.0 | +99.7 |
| Измерение № 4 | +85,1 | +101,5 |
Пример № 3
Рисунок 4 включает в себя ИС, которая объединяет 12-разрядный АЦП с термочувствительным диодом. Температурный диод преобразует температуру окружающей среды в напряжение. ИС принимает это напряжение и напряжение термопары и вычисляет скомпенсированную температуру горячего спая.Цифровой выход – это скомпенсированная температура горячего спая, измеренная термопарой. Гарантированная температурная погрешность этого устройства находится в пределах ± 9 LSB для температур горячего спая от 0 ° C до + 700 ° C. Хотя это устройство может измерять широкий диапазон температур горячего спая, оно не может измерять температуры ниже 0 ° C.
Рис. 4. АЦП со встроенной компенсацией холодного спая преобразует напряжение термопары без необходимости во внешней компенсации.
В таблице 4 показаны измерения, сделанные для схемы на Рисунке 4 с изменением температуры холодного спая от 0 ° C до + 70 ° C при сохранении температуры горячего спая на уровне + 100 ° C.
Таблица 4. Примеры измерений для схемы на рис. 4 с холодным и горячим спаями в отдельных печах
| Холодный спай Температура (° C) | Измеренное значение температуры спая * (° C) | |
| Измерение № 1 | 0,0 | +100,25 |
| Измерение № 2 | +25,2 | +100,25 |
| Измерение № 3 | +50.1 | +101.0 |
| Измерение № 4 | +70.0 | +101,25 |
Заключение
При работе с термопарами вы должны установить контрольную точку, потому что термопары являются устройствами для измерения дифференциальной температуры. Термопара обеспечивает напряжение, которое представляет собой разницу температур между горячим и холодным спаями.
Если вам известна как температура холодного спая, так и температура горячего спая по отношению к температуре холодного спая, вы можете определить фактическую температуру горячего спая.Основными критериями выбора подходящего устройства компенсации холодного спая являются точность, стоимость, линейность и температурный диапазон. Некоторые платиновые термометры сопротивления предлагают лучшую точность, но при высокой стоимости. Термисторы недорогие и работают в широком диапазоне температур, но их отсутствие линейности может быть проблематичным.Кремниевые термочувствительные ИС работают в узком температурном диапазоне, но обеспечивают разумную точность, линейность и низкую стоимость, что делает их подходящим выбором для многих приложений компенсации холодного спая термопар.
Аналогичная статья появилась на сайте ECN в марте 2005 года.
Дом Продукты Приложения Сбор данных Примеры из практики Контроль DSP Программные методы Интегрированные системы Документы Поддержка Свяжитесь с нами Компания Поиск | Термопара холодного спая Термины горячий спай и холодный
спай применительно к устройствам термопары
в основном исторический.
На практике измерить Зеебека сложно. Классическая конфигурация контура термопарыДля измерения тепловых эффектов два разных используются металлические жилы. Они должны быть химически, электрически и физически совместимы. Они производят разные электрические потенциалы при воздействии одного и того же тепловой градиент. В классической конфигурации разнородный провода термопар свариваются при измерении конец (горячий спай), и снова на эталонном конце (холодный стык), образуя петлю. Горячий спай обеспечивает что потенциал в этой точке совпадает в двух металлах. Погружение эталонного перехода в ледяную суспензию гарантирует, что градиенты температуры одинаковы по оба материала. Суспензия ледяной воды устанавливает эталон температура 0 градусов Цельсия . Сварка проводов термопар в месте холодного спая
также уравнивает там потенциалы.
Холодный спай на практике Поддержание суспензии ледяной воды и фактического холода
соединение редко возможно.Обычно холод
соединение опускается, а потенциал измеряется напрямую
через два терминальных конца проводов термопары
при температуре окружающей среды. Компенсация холодного спаяОбычно используются два подхода.
LT1025A твердотельные устройства измерения температуры
доступно на оконечных платах MSTB009 и опционально
доступны на платах аналогового расширения MSXB037 для измерения
температура холодного спая при включении проводов термопар
подключайтесь непосредственно к клеммам на платах.Любые ошибки
при чтении появится температура холодного спая
непосредственно как ошибки в окончательном измерении температуры.
Показания составляют 10 милливольт на градус Цельсия.
абсолютная температура. Установите заглушку на свой
доска для активации измерений температуры, которые вы можете
маршрут непосредственно в предоставленную команду |
Вам не нужно иметь переходы , чтобы получить эффекты термопары. Если вы нагреете
конец металлического проводника и удерживайте другой конец за
постоянная эталонная температура, две важные вещи
происходить.
эффект напрямую.Когда вы прикрепляете измерительные щупы, там
это разница температур между выводами зонда, производящая
дополнительные эффекты термопары, которые мешают
измерения.
Чтобы раскрыть потенциал
разница снова наблюдается, необходимо нарушить
петля. Выберите место на одном из проводов термопары, где
температура соответствует температуре измерения
приводит. Разорвите петлю и прикрепите соответствующие выводы к
две стороны разрыва для измерения потенциала.
По историческим причинам мы говорим о
клеммы концов проводов термопары как холодный
перекресток, несмотря на то, что больше нет
намеренное соединение. (По тем же историческим причинам
мы называем измерительный спай термопары как
горячий спай , даже если он используется для измерения
минусовые температуры.) Измеренный потенциал показывает
разница температур между точкой горячего спая
и неизвестные терминалы холодного спая. Чтобы завершить
измерение температуры, необходимо определить терминал
температура каким-то образом.
Примените кривую линеаризации к сумме, получая таким образом расчетную абсолютную температуру напрямую. Это известно как компенсация холодного спая . Обычно моделирование выполняется в электронном виде с помощью специализированных устройств на интегральных схемах.
Компенсация холодного спая термопары
Что такое компенсация холодного спая?
Для каждого типа термопар имеются калибровочные таблицы (таблицы ЭДС), приводящие выходное напряжение к температуре измерительного спая.Очевидно, что при проведении термометрии с помощью термопары необходимо каким-либо образом связать выходное напряжение датчика с ними, чтобы определить истинную температуру
Наиболее важно то, что для данной разницы температур между измерительным и эталонным спаями вырабатываются разные выходные напряжения сети, если допускается изменение самой температуры эталонного спая.
Таким образом, упомянутые выше калибровочные таблицы всегда прямо предполагают, что эталонный спай поддерживается при 0 ° C.
Простые медные переходы во льду
Этого можно достичь, вставив медный переход (-ы) в тающий лед, через изолирующие стеклянные трубки или в камеру с регулируемой температурой, такую как изотермический блок с подходящими датчиками температуры.Сегодня для промышленных измерений такие функции обычно выполняет электроника, корректирующая температуру – в то время как линеаризация электроники (обычно цифровой), используя методы подбора кривой, учитывают неотъемлемые нелинейности в соответствии с калибровочными таблицами.
Практическая производственная компенсация
По сути, колебания эталонной температуры воспринимаются устройством, например термистором, как можно ближе к эталонному спайу. Затем индуцируется ЭДС, которая изменяется в зависимости от температуры, чтобы компенсировать колебания температуры на опорных клеммах.
Методы компенсации холодного спая
Как объяснялось ранее, термопары обеспечивают выходной сигнал, связанный с температурами двух спаев.
Чтобы они функционировали как устройства измерения абсолютной температуры, а не как дифференциальные, эталонные спаи должны поддерживаться при известной температуре (см. Рисунок 5.1).
Компенсация за лабораторное использование
Установленный, простой метод поддержания стабильности эталонной температуры, который до сих пор используется в лабораториях, заключается в погружении эталонных спаев в слякоть тающего льда.Учитывая, что у вас чистый водяной лед, температурное плато в процессе таяния устанавливается на постоянном уровне 0 ° C в пределах ± 0,001 ° C. На практике все, что требуется, – это заполненная льдом колба Дьюара, и тогда установка может быть весьма точной. Однако он требует регулярного внимания и пополнения для чего-либо, кроме краткосрочного использования, и явно не подходит для промышленных требований. Источники погрешности включают смещение эталона на 4 ° C, которое произойдет, если тает достаточно льда, так что эталонные спаи фактически будут погружены только в воду – с льдом, плавающим выше! Также, если использованный лед хранился в морозильной камере, он будет намного холоднее 0 ° C.
Неудивительно, что существуют более практичные альтернативы холодного спая для промышленного использования, также разработанные для обеспечения эталонной температуры 0 ° C. Один из них включает в себя корпус с автоматическим контролем температуры, в который вставляются опорные спая. Это непрерывно удерживает переходы в точке обледенения с помощью полупроводниковых термоэлектрических охлаждающих устройств (Пельтье). Здесь температурные ошибки обычно менее 0,1 ° C. Использование эталонной точки замерзания или ее эквивалента (независимо от того, генерируется) по-прежнему предпочтительнее альтернатив, не только с точки зрения точности и стабильности, но также потому, что справочные таблицы для термопар основаны на эталонной температуре 0 ° C. .
Встроенная электронная компенсация холодного спая (CJC)
Еще одно очень распространенное сегодня устройство основано на чувствительной к температуре электрической сети (есть несколько вариантов), которая отслеживает температуру холодного спая и вырабатывает эквивалентное напряжение.
Такая так называемая компенсация холодного спая встроена в каждую цепь термопары или в сам измерительный прибор в точке подключения (см. Ниже). Эти устройства доступны в виде дискретных модулей с питанием от сети или батареи и обеспечивают точность в пределах нескольких ° C.
Многие приборы, предназначенные для работы с термопарами, имеют клеммы для прямого подключения к проводникам термопары или удлинительного кабеля без необходимости использования отдельного эталонного спая. Такие устройства, как электронные термометры, контроллеры температуры, регистраторы данных и т. Д., Часто включают в себя собственные генераторы эталонного напряжения эквивалентной точки льда (как описано выше).
Температуры в точке соединения может быть определена с помощью интегрального термометра сопротивления, термистора или транзистора , и, таким образом подходящего опорного напряжения, разработанный.Между прочим, стоит позаботиться о физическом размещении эталонного генератора, поскольку точность и стабильность показаний термопары зависят от того, действительно ли задействованная сеть находится в той же температурной среде, что и сами соединения.
В любом случае, опорное напряжение может быть добавлено к выходу термопары либо путем включения в электрической цепи, или, в частности, в случае контроллеров, регистраторов данных и других цифровых систем, путем манипулирования данных в расчетах температуры.Фактически, многие современные контроллеры, регистраторы и т. Д. Могут использовать последний подход для всех потребностей компенсации холодного спая.
Системы с несколькими термопарами
Для больших схем, включающих множество термопар, также доступны стеллажные системы и шкафы, имеющие, скажем, 100 эквивалентных опорных (холодных) спаев, уже встроенных в корпус с однородной температурой. Ограждение может представлять собой уже описанный ледяной узел или в равной степени термостойкий металлический блок, который поддерживает достаточно стабильную температуру, близкую к температуре окружающей среды.В последнем случае температура блока постоянно контролируется электрическим компенсатором, и, опять же, эквивалентное напряжение точки замерзания затем доступно для добавления к каждому выходному сигналу термопары – электрически или численно.
Повышенные температуры
Помимо этого, существуют также эталонные блоки, предназначенные для корпусов, работающих при повышенных температурах. Они могут быть полезны в областях с особенно высокими температурами окружающей среды, но выходы термопар должны быть настроены на эквивалентные значения 0 ° C.По сути, пока известна эталонная температура, температуру измерительного спая можно получить, добавив поправочный коэффициент из стандартных таблиц, охватывающих соответствующую термопару.
Компенсация холодного спая термопары – Инструментальные средства
Для термопары температуру следует измерять с холодным спаем при 0 ° C или 32 ° F (на стороне термоэлемента, т. Е. Передатчике).
Это означает, что мы должны поддерживать 0 ° C или 32 ° F на клеммах датчика температуры, что практически невозможно.поэтому для корректировки показаний измеренной температуры требуется компенсация.
Когда термопара или ее удлинительные провода подключаются к клеммам такого устройства, как преобразователь термопары, холодный спай имеет комнатную температуру T1 ° C.
Если температура горячего и холодного спая выше 0 ° C, устройство получает более низкую ЭДС, чем при температуре холодного спая 0 ° C.
Чтобы точно измерить температуру, нам нужно добавить значение ЭДС, которое соответствует T1, к измеренной ЭДС.Добавление этой ЭДС называется компенсацией холодного спая.
На рисунках показана кривая температура-ЭДС (без шкалы) и схема измерения температуры с термопарой и милливольтметром. Предположим, что холодный и горячий спаи находятся при T1 ° C и T2 ° C соответственно.
Согласно таблице «температура-ЭДС» стандарта, термопара генерирует ЭДС E1 мВ при температуре T1 и E2 мВ при T2. Милливольтметр получает разность потенциалов E2 – E1, которая соответствует T2 – T1.
Чтобы получить T2, нам нужно добавить E1 к разности потенциалов, E2 – E1 для исключения E1.
Фактический пример может лучше прояснить приведенное выше обсуждение. Предположим, что мы используем термопару типа E для измерения T2 (скажем, температуры процесса), которая составляет 550 ° C (1022 ° F).
Теперь другой спай термопары T1 говорит, что заканчивается на датчике температуры или в диспетчерской, а температура T1 соответствует комнатной температуре, которая составляет 25 ° C (77 ° F)
Согласно таблице температура-ЭДС типа E, термопара генерирует (относительно ° C):
Температура процесса (T2) составляет 550 ° C и, следовательно, согласно таблице термопар типа E или измеренное напряжение составляет: 41.045 мВ при 550 ° C
Теперь комнатная температура (T1) составляет 25 ° C, и поэтому в соответствии с таблицей термопар типа E или измеренное напряжение составляет: 1,495 мВ при 25 ° C
Разность потенциалов составляет 39,550 мВ.
Датчик температуры термопарного типа отображает значение температуры на основе 39,55 мВ, что эквивалентно 531,5 ° C. Но фактическая температура процесса составляет 550 ° C, поэтому существует ошибка 18,5 ° C (ошибка = 550-531,5).
Эта температурная погрешность будет компенсирована с помощью метода компенсации холодного спая.
При компенсации холодного спая мы размещаем датчик температуры рядом с выводами датчика температуры (если термопара подключается в поле) или на выводах в диспетчерской (если термопара подключается в диспетчерской), тогда этот датчик температуры измеряет значение T1 комнатной температуры, например, 1,495 мВ @ 25 ° С.
Теперь этот измеренный милливольт будет добавлен к уже измеренному значению разности потенциалов, т.е. 39,55 мВ, так что 39,55 мВ + 1,495 мВ = 41,045 мВ, поэтому датчик температуры покажет скорректированное значение температуры с поправкой.
Читать дальше:
Что такое термопара? Компенсация холодного спая?
Теория, лежащая в основе термопар и компенсации холодного спая (CJC), хотя и не сложна для применения, похоже, часто путает инженеров по контролю и технологическому процессу. В этой статье я объясню, что такое термопара, и попытаюсь развенчать концепцию компенсации холодного спая.
Термопары – относительно недорогое термоэлектрическое устройство, которое часто используется в промышленных приложениях.
Если вы задались вопросом: , что такое термопара, , то уверяю вас, что вы обратились по адресу.
Что такое термопара?
Термопара – это электрический термометр, состоящий из двух разнородных металлических проводов, соединенных на одном конце для образования «горячего спая» , и устройства измерения напряжения, такого как вольтметр или ПЛК, на другом конце для измерения напряжения. Спай термопары или «горячий спай» – это точка, где соединяются два разнородных провода.Это хорошо видно на изображении ниже.
Источник изображения: Кирк, Уидон, Кирк, Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессамиКогда горячий спай имеет температуру, отличную от температуры холодного спая, через холодный спай создается измеряемое напряжение. « холодный спай» или « спай», является концом термопары, используемой, чтобы обеспечить опорную точку.
Для чего используется термопара?
Термопары используются для измерения температуры твердых тел, жидкостей и газов в различных промышленных приложениях.
Они, без сомнения, являются наиболее распространенными приборами для измерения температуры, используемыми сегодня в промышленных приложениях.
Это происходит по нескольким причинам, в том числе:
- Термопары просты по конструкции.
- Они довольно недорогие.
- Имеют широкий температурный диапазон.
- Термопары имеют достаточно хорошую точность (хотя и нелинейную по напряжению).
- Они имеют автономное питание, то есть устройство (например, ПЛК), принимающее сигнал термопары, не должно подавать на него электроэнергию.
Как выглядит термопара?
Теоретически термопара – это не что иное, как два разнородных металла, скрученных вместе на одном конце. Фактически, я сделал надежные электрические датчики температуры на панели управления именно этим!
Просто возьмите часть изношенного или отрезанного провода термопары, скрутите один конец вместе, чтобы образовался горячий спай, и подключите другой конец к свободному каналу на модуле термопары вашего ПЛК.
Он добавляет отличную функцию контроля температуры на ваш дисплей HMI!Однако это в лучшем случае грубовато.Наиболее распространенный способ создания термопары заключается в сварке двух проводов термопары вместе, а затем надевании керамических шариков на открытые концы проводов, чтобы обеспечить разделение и изолировать их от защитной гильзы.
Источник изображения: Кирк, Уидон, Кирк, Контрольно-измерительные приборы и управление процессамиТеория работы термопар
Термопары воздействуют на явление, известное как эффект Зеебека. Эффект Зеебека – это преобразование разницы температур непосредственно в электричество.
Когда цепь разомкнута на холодном спайе , между двумя разнородными проводами на этом стыке существует разность электрических потенциалов (напряжение Зеебека).
Эффект Зеебека вызывает прохождение электрического потенциала и тока, когда два разнородных провода соединяются и конец нагревается. Создаваемое напряжение во многом зависит от состава двух проводов (из чего они сделаны – подробнее об этом позже) и разницы температур между горячим спаем и холодным спаем .
Важно понимать, что напряжение НЕ генерируется на стыке двух металлов, а, скорее, по длине двух разнородных металлов, которое подвергается воздействию к температурному градиенту.
Поскольку оба отрезка разнородных металлов испытывают одинаковый температурный градиент, конечным результатом является небольшая измеримая разность потенциалов (мВ) между ними.
Однако, как упоминалось ранее, эта взаимосвязь не является линейной, обычно это полином 8-го порядка, который выглядит примерно так… yikes!
К счастью, нам не нужно перебирать числа, чтобы выяснить, какая температура должна отображаться при заданном напряжении… введите «Таблицы термопар» .Вместо этого мы используем таблицы, в которых перечислены кривые зависимости температуры (T) от кривых напряжения (V) – подробнее об этом чуть позже!
Что такое компенсация холодного спая?
Для измерения температуры, один из переходов – нормально на термокомпенсации – поддерживаются при известной эталонной температуре (точка льда или 0 ° C) , а другой спай при температуре, чтобы быть воспринят формирование горячего спая .
Если вы изучите изображение ниже, вы увидите, что мы пытаемся измерить напряжение Зеебека на холодном спайе, помещая цифровой мультиметр между железными и константановыми выводами термопары.
Проблема в том, что когда мы соединяем медные выводы с выводами термопары, мы создаем еще один эффект Зеебека, потому что выводы нашего измерителя не похожи на металлы термопары. С этим введением нового или «промежуточного» металла нужно обращаться… давайте узнаем, как!
Источник изображения: Кирк, Уидон, Кирк, Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессамиСуществует закон, известный как Закон промежуточных металлов , который гласит, что третий металл может быть вставлен в систему термопары, не влияя на генерируемое напряжение. , тогда и только тогда, когда спаи с третьим металлом сохраняются при одной температуре.
Поэтому, чтобы обойти эту проблему, холодный спай помещается в «ледяную ванну» , чтобы этот спай металлов имел известную эталонную температуру, мы назовем Tref .
Конечно, иметь ведро со льдом у каждого спая термопары не очень практично в промышленных условиях, ведь… здесь в игру вступает компенсация холодного спая.
Компенсация холодного спая
Компенсация холодного спая (CJC) – это процесс использования автоматической компенсации для расчета температур, когда эталонный или холодный спай не находится в точке льда (или 0 ° C) .Вместо этого мы используем искусственный холодный спай с использованием термочувствительного устройства, такого как термистор, RTD или диод, для измерения температуры входных соединений на приборе или ПЛК.
Большинство модулей термопар ПЛК имеют встроенную компенсацию холодного спая, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы не создавать холодных спаев в полевой проводке. Вот почему важно всегда использовать изотермические блоки (постоянной температуры) всякий раз, когда вы подключаете полевые термопары в распределительных коробках или панелях управления.
Источник изображения: Кирк, Уидон, Кирк, Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессами Также должно быть ясно, что следует соблюдать осторожность, чтобы минимизировать любой температурный градиент между этими клеммами.
Однако, если можно измерить или смоделировать напряжение или температуру известного холодного спая, можно применить соответствующие поправки. Это известно как компенсация холодного спая.
Какие бывают типы термопар?
Термопары бывают различных типов и обозначаются кодами ANSI J, K, T, E, N, R, S и B.Буквы термопары указывают на тип сплава, из которого изготовлена термопара.
Например, из приведенной ниже таблицы термопара типа J состоит из двух разнородных металлов: железа (Fe) и медно-никелевого сплава (Cu-Ni). Где положительный вывод – железо, а отрицательный – медно-никелевый.
Кроме того, глядя на таблицу ниже, вы можете увидеть, что диапазон температур термопары J-типа составляет от -346 ° F до 2193 ° F при использовании провода класса термопары и от 32 ° F до 392 ° F при использовании провода класса удлинителя.Этот большой рабочий диапазон делает термопары очень универсальными для множества применений.
Следует отметить, что сегодня термопары типа J и K являются одними из наиболее широко используемых в промышленных приложениях.
Это связано с их высокими рабочими диапазонами, а также с их большей чувствительностью к изменению температуры (что означает значительное изменение мВ на градус) по сравнению, например, с термопарой типа B.
В таблице ниже перечислены различные типы термопар, их комбинации металлов (сплавов), стандарты цветовой кодировки и максимальные рабочие диапазоны.
Источник изображения: Kirk, Weedon, Kirk, Instrumentation and Process ControlКак использовать таблицы термопар
Обычно таблицы термопар содержат показания в милливольтах (мВ) от 2 до 3 знаков после запятой. Обычно они бывают с шагом температуры 1, 5 или 10 градусов, где шаг 1 градус дает разрешение 1 градус.
Ниже приведен пример таблицы данных для термопары типа J.
Чтобы использовать таблицу термопар, подобную приведенной выше, выполните следующие действия:- Найдите правильную таблицу термопар того типа, который вы используете.
- Найдите, где находится эталонный спай в цепи, и, используя точный термометр, измерьте и запишите его температуру.
- Измерьте и запишите напряжение, создаваемое термопарой. Следите за полярностью (красный провод – ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ) и запишите правильный знак с вашим показанием. Это измерительный узел напряжения, на основе спая схемы.
- Найдите напряжение холодного спая в таблице термопар. Включите знак.
- Алгебраически (т.е. включите знаки) добавьте напряжение, создаваемое термопарой, и напряжение холодного спая, указанное в таблицах. Это позволит «скорректировать» измеренное напряжение до температуры холодного спая в таблицах термопар. Где Vmeasured + Vreference = Vtrue
- Перейдите в таблицы и найдите это новое (полное) напряжение. Обратите внимание на температуру, с которой это связано. Это температура процесса на измерительном (или горячем) спайе.
Я знаю, что это, наверное, сбивает с толку.Приведем небольшой пример.
Пример расчета термопары
Вопрос: Представьте, что термопара типа J показывает + 15,935 мВ на цифровом измерителе в месте ее холодного спая и имеет контрольный спай при 25 ° C.
Рассчитайте истинную температуру процесса в горячем спай.
Ответ: Напомним, что Vtrue = Vmeasured + Vreference
Так что нам нужно сделать, это поиск того, что опорное напряжение при 25 ° C из таблицы выше. Мы находим, что температура 25 ° C соответствует напряжению 1.277мВ (убедитесь, что найдете сами!).
Теперь мы просто добавляем измеренное напряжение и опорное напряжение, мы просто нашли вместе, чтобы вычислить, что истинное чтение напряжения на спае.
Следовательно, Vtrue = 15,935 мВ + 1,277 мВ = 17,212 мВ
Теперь нам нужно вернуться к таблице, чтобы найти исправленные 17,212 мВ, которые мы только что рассчитали. Используя правильную строку и столбец, мы видим, что температура, соответствующая напряжению 17,212 мВ, составляет 316 ° C.
Поскольку наша таблица имеет приращение 1 ° C, это наше максимальное разрешение.
Следовательно, считываемая температура горячего спая составляет 316 ° C.
Теперь вы, вероятно, спрашиваете, а что, если истинное значение напряжения находится между двумя числами в таблице? Следует ли просто округлить до ближайшего числа?
Ну, технически НЕТ, однако в зависимости от вашего приложения это может быть нормально. Более правильный способ сделать это – выполнить линейную интерполяцию, однако мы отложим это обсуждение на другой раз.
Заключительные слова…
Что ж, надеюсь, я дал вам некоторые вещи для размышления, и теперь вы лучше понимаете не только принцип работы термопар, но и концепцию компенсации холодного спая.
Если вы еще этого не сделали, я рекомендую вам стать участником этого сайта. PLCGurus.NET быстро становится одним из крупнейших и наиболее быстрорастущих сообществ профессиональных инженеров, техников и технологов, которые разделяют страсть к промышленной автоматизации и системам управления.
Регистрация есть и всегда будет полностью бесплатной. Зарегистрируйтесь здесь!
Также посетите наш канал YouTube, чтобы увидеть несколько отличных видео .
