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    使用熱電偶進行溫度測量的困難證明

    來源:www.jz82524.com作者:發表時間:2020-10-23 10:03:32

     熱電偶是一種簡單的,廣泛使用的用于測量溫度的組件。

     

    熱電偶理論

    如下圖所示,熱電偶由兩條不同金屬線組成,它們的一端連接在一起,稱為測量(“熱”)結。導線未連接的另一端連接到信號調節電路走線,通常由銅制成。熱電偶金屬和銅走線之間的這個結稱為參考(“冷”)結。

     

    熱電偶原理圖

    熱電偶原理圖

     

    參考結處產生的電壓取決于測量結點和參考結處的溫度。

    由于熱電偶是差分設備,而不是絕對溫度測量設備,因此必須知道基準結溫度才能獲得準確的絕對溫度讀數。此過程稱為參考結補償(冷結補償)。

    熱電偶已成為行業標準的方法,以合理的精度經濟有效地測量各種溫度。

     

    熱電偶類型

    熱電偶類型

     

    熱電偶的優點:

    溫度范圍:可以使用熱電偶提供從低溫到噴氣發動機排氣的大多數實際溫度范圍。根據所使用的金屬線,熱電偶能夠測量–200°C至+ 2500°C的溫度

    堅固:熱電偶是堅固的設備,可承受沖擊和振動,適合在危險環境中使用。

    快速響應:由于熱電偶體積小且熱容量低,因此它們對溫度變化快速響應,尤其是在檢測結暴露在外時。它們可以在幾百毫秒內響應迅速變化的溫度。

    無自發熱:因為熱電偶不需要勵磁功率,所以它們不容易自發熱并且本質安全。

     

    熱電偶的缺點:

    復雜的信號調節:必須進行大量的信號調節,才能將熱電偶電壓轉換為可用的溫度讀數。傳統上,信號調理需要在設計時間上進行大量投資,以避免引入會降低精度的誤差。

    精度:除了由于其冶金特性而導致的熱電偶固有的不準確性外,熱電偶的測量精度僅與基準結溫度的測量精度一樣,傳統上在1°C至2°C之間。

    腐蝕的可能性:由于熱電偶由兩種不同的金屬組成,因此在某些環境中,隨著時間的流逝腐蝕可能會導致精度下降。因此,他們可能需要保護;保養和維護至關重要。

    對噪聲的敏感性:在測量微伏級信號變化時,來自雜散電場和磁場的噪聲可能會成為問題。雙絞熱電偶線對可以大大減少磁場拾取。在金屬導管中使用屏蔽電纜或走線并進行防護可減少電場拾取。測量設備應以硬件或軟件方式對信號進行濾波,并強烈抑制線路頻率(50 Hz / 60 Hz)及其諧波。

     

    用熱電偶測量溫度的困難

    由于許多原因,將熱電偶產生的電壓轉換為準確的溫度讀數并不容易,原因有很多:電壓信號小,溫度-電壓關系呈非線性,需要基準結補償,并且熱電偶可能會引起接地問題。讓我們一一考慮這些問題。

    電壓信號?。?/p>

    最常見的熱電偶類型為J,K和T。在室溫下,它們的電壓分別在52μV/°C,41μV/°C和41μV/°C范圍內變化。其他不常見的類型具有隨溫度變化甚至更小的電壓。

     

    這個小信號在模數轉換之前需要高增益級。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

    熱電偶電壓變化與溫升

    熱電偶電壓變化與溫升

    由于電壓信號很小,因此信號調理電路通常需要約100左右的增益-相當簡單的信號調理。

     

    更加困難的是將實際信號與熱電偶引線上拾取的噪聲區分開。熱電偶引線很長,并且經常在電氣噪聲環境中運行。引線上拾取的噪聲很容易使微小的熱電偶信號不堪重負。

     

    通常將兩種方法結合起來以從噪聲中提取信號。第一種是使用差分輸入放大器(例如儀表放大器)來放大信號。由于很多噪聲都出現在兩條線上(共模),因此差分測量可以消除它。

     

    第二個是低通濾波,可消除帶外噪聲。低通濾波器應同時消除可能引起放大器整流的射頻干擾(1 MHz以上)和50 Hz / 60 Hz(電源)的交流聲。重要的是,將射頻干擾濾波器置于放大器之前(或使用輸入濾波后的放大器)。

     

    50Hz / 60Hz濾波器的位置通常并不關鍵,它可以與RFI濾波器結合,放置在放大器和ADC之間,作為sigma-delta ADC的一部分集成,或者可以用軟件編程作為平均濾波器。

     

    參考結補償:

    必須知道熱電偶參考結的溫度,才能獲得準確的絕對溫度讀數。首次使用熱電偶時,是通過將參考結保持在冰浴中來完成的。

     

    下圖顯示了一個熱電偶電路,一端處于未知溫度,另一端處于冰?。?°C)中。該方法用于詳盡地描述各種熱電偶類型,因此幾乎所有熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。

    熱電偶參考結補償

    熱電偶參考結補償

     

    但是,對于大多數測量系統而言,將熱電偶的基準結保持在冰浴中是不實際的。相反,大多數系統使用一種稱為參考結點補償的技術(也稱為冷結點補償)。

     

    基準結溫度是用另一種溫度敏感設備(通常是IC,熱敏電阻,二極管或RTD(電阻溫度檢測器))測量的。然后補償熱電偶電壓讀數以反映參考結溫。

     

    重要的是,要盡可能準確地讀取參考結-精確的溫度傳感器應保持與參考結相同的溫度。讀取參考結溫時的任何錯誤都會直接顯示在最終的熱電偶讀數中。

     

    多種傳感器可用于測量參考溫度:

    熱敏電阻:它們具有快速響應和小封裝的特點;但它們需要線性化,并且精度有限,尤其是在較寬的溫度范圍內。它們還需要激勵電流,這會產生自熱,導致漂移。與信號調理結合使用時,整個系統的精度可能會很差。

     

    電阻溫度檢測器(RTD):RTD準確,穩定并且線性合理,但是,封裝尺寸和成本限制了它們在過程控制應用中的使用。

     

    遠程熱敏二極管:二極管用于感測熱電偶連接器附近的溫度。調節芯片將與溫度成比例的二極管電壓轉換為模擬或數字輸出。其精度限制在±1°左右

     

    集成溫度傳感器:集成溫度傳感器是一個獨立的IC,可以局部感應溫度,應仔細安裝在基準結附近,并且可以將基準結補償和信號調理相結合。精度可達到1°C的很小一部分。

     

    電壓信號是非線性的:

    熱電偶響應曲線的斜率隨溫度變化。例如,在0°C時,T型熱電偶輸出的變化為39μV/°C,但在100°C時,斜率增加到47μV/°C。

     

    共有三種補償熱電偶非線性的方法。

     

    選擇曲線的相對平坦部分,并在該區域將斜率近似為線性-這種方法特別適合在有限溫度范圍內進行測量。

     

    無需復雜的計算。K型和J型熱電偶之所以受歡迎的原因之一是,它們都具有較大的溫度范圍,因此其靈敏度的增量斜率(塞貝克系數)保持相當恒定(參見下圖)。

     

    熱電偶電壓信號為非線性

     

    從上圖–熱電偶靈敏度隨溫度的變化。請注意,從0°C至1000°C,K型的塞貝克系數大致恒定,約為41μV/°C。

     

    另一種方法是在存儲器中存儲一個查找表,該查找表將一組熱電偶電壓中的每一個與其各自的溫度相匹配。然后在表中兩個最接近的點之間使用線性插值來獲取其他溫度值。

     

    第三種方法是使用對熱電偶的行為建模的高階方程。雖然此方法最準確,但也是計算量最大的。每個熱電偶有兩組方程式。一組將溫度轉換成熱電偶電壓(用于參考結補償)。另一組將熱電偶電壓轉換為溫度。

     

     

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