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浅谈关于热电偶信号调节的全面基础常识细节讲解

来源:发表时间:2019-06-25


      金莎娱乐官方网站热电偶(TC)可能是所有温度测量设备中使用最广泛且最不了解的。当成对连接时,TC是简单而有效的传感器,其输出与闭合热电电路中两个结之间的温差成比例的极小DC电压(参见图1)。本文讲解了热电偶信号调节的全面基础常识。


      图1.基本热电偶测量系统需要两个传感器,一个用于测量环境,另一个用于参考接点,通常保持在0°C(32°F)。T型是通用应用中使用的十几种或更多种常见热电偶之一。它由铜和康铜金属制成,通常在-270°C至400°C(-454°F至752°F)的温度范围内运行。
      一个结通常保持在恒定的参考温度,而另一个结浸没在待测量的环境中。被称为塞贝克效应的工作原理取决于在引线的开口端和保持在特定温度下的两种不同金属的连接处之间测量的热电动势(EMF)的独特值。传感器开口端的电压量和器件可测量的温度范围取决于塞贝克系数,塞贝克系数又取决于构成热电偶线材料的化学成分。塞贝克电压的计算公式如下:


(1)
其中:
      EAB =塞贝克电压
      Δ EAB =小在塞贝克电压变化
      Δ ? =小变化在温度
热电偶结点
      α= Seebeck系数
      仅热电偶结不会产生电压。在输出(开路)端产生的电压或电位差是结T1的温度和开路端T19的温度的函数。T19必须保持在恒定温度,例如0°C,以确保开路端电压与T1中的温度变化成比例地变化。原则上,TC可以由任何两种不同的金属制成,例如镍和铁。然而,在实践中,只有少数TC类型已经成为标准,因为它们的温度系数是高度可重复的,它们是坚固的,并且它们输出相对大的电压。最常见的热电偶类型是J,K,T和E,其次是N28,N14,S,R和B(见图2)。理论上,可以通过查阅标准表从塞贝克电压推断出结温。


图2.常见的热电偶类型
冷端补偿(CJC)
      浸入实际冰水浴并与测量热电偶串联的冷参考结热电偶是用于补偿仪器端子EMF的经典方法(见图3)。在此示例中,两根铜引线都连接到仪器的输入端子。另一种方法是使用单个热电偶,铜 - 康铜连接浸入参考冰水浴中,如图3所示。冰浴中的康铜铜热电偶J2提供了一个小的EMF,它从热电偶J1的EMF中减去,因此仪器或DA系统输入端子处测得的电压与NIST表准确对应。同样,铜线连接到仪器上的铜端子' s等温块不需要补偿,因为它们都是铜并且温度相同。电压读数完全来自NIST调整的康铜铜热电偶线。


      图3.无论J2是否是购买的热电偶,必须将康铜和铜引线形成的连接点放在冰浴中进行温度补偿。
      然而,上述示例是一种特殊情况,因为T型热电偶的一个引线是铜。康铜铁热电偶需要进一步考虑(见图4)。这里,冰浴中的J2保持不变,J1测量环境。虽然J3和J4是有效的热电偶结,但它们在等温块上处于相同的温度,因此它们输出相等和相反的电压,从而抵消。然后,净电压是表示T1的热电偶J1输出,校准到NIST标准表。如果I / O块不是等温的,则在输入端子和铜 - 铁引线之间添加铜线引线,并且铜 - 铁连接点(J3和J4)也将保持在冰浴中(参见图5)。

 


      图5图4. T型热电偶的一根导线由铜制成,因此在连接铜端子时不需要温度补偿。另一方面,J型康铜铁热电偶需要仔细观察。J2在冰浴中保持恒定,J1测量环境。虽然J3和J4是有效的热电偶结,但它们在等温块上处于相同的温度,因此它们产生相等和相反的电压并取消。如果没有等温块,则在输入端子和铜 - 铁引线之间添加铜线引线,并且铜 - 铁连接点(J3和J4)也将保持在冰浴中。
      App补偿。大型测试夹具中的冰浴和多个参比接头是设置和维护的麻烦。幸运的是,他们都可以被淘汰。当引线温度和参考连接点(仪器上的等温端子块)相同时,可以忽略冰浴。终端所需的EMF校正可通过计算机App参考并补偿到NIST标准。


      图5.铜引线上的镍铬合金和铝镍合金线连接构成了额外的热电偶结,必须保持相同的恒定温度。它们产生相等和相反的电位,阻止它们对铬镍铝合金热电偶的电压输出做出贡献。
      当消除冰浴时,CJC仍然需要获得准确的热电偶测量。该App必须读取等温块温度。一种流行的解决方案是热敏电阻,安装在等温接线端子附近,连接到外部热电偶引线。在包含热敏电阻和端子的区域内不允许温度梯度(见图6)。所使用的热电偶类型针对其各自的通道进行了预编程,App的动态输入数据包括等温块温度和测量的环境温度。该App使用等温块温度和热电偶类型来查找与表中电压对应的测量温度值,或者使用多项式方程更快地计算温度。


      图6.放置在引线连接附近的热敏电阻是替换冰浴的另一种方法。测量的温度是热电偶温度和参考热敏电阻温度之间的差值。
      硬件补偿。多项式方法比查找表更快,并且硬件方法甚至更快,因为正确的电压可马上用于扫描。一种技术是向电路添加电池以使来自参考结的偏移电压为零,因此净效应等于0°C结。基于该原理的更实用的方法是“电子冰点参考”,其产生补偿电压,该补偿电压是由电池或类似电压源供电的温度感测电路的函数(参见图7A)。然后,电压对应于0°C时的等效参考结。


      图7(A)。或者,许多电子电路或模块可以代替冰浴。温度敏感电阻器根据所需的温度补偿量改变电压e的校准值
键入混合
      金莎娱乐官方网站热电偶测试系统通常同时测量数十至数百个点。为了方便地处理如此大量的通道而不需要为每个通道提供单独的,独特的补偿TC,热电偶扫描模块具有多个输入通道,并且可以同时接受任何通道上的任何类型的热电偶。它们包含特殊的铜基输入接线端子和许多CJC传感器,无论传感器类型如何,都能确保读数准确。此外,该模块还包含一个内置的自动调零通道以及CJC通道。尽管测量速度比大多数其他类型的扫描模块相对较慢,但读数准确,低噪声,稳定并且仅在几毫秒内捕获。例如,一个TC通道可以在3 ms内测量,14个通道在16 ms内测量,在61毫秒内最多56个。典型的测量精度优于0.7°C,通道间变化通常<0.5°C(见图7B)。


      图7(B)。典型的输入扫描模块最多可容纳56个任何类型的热电偶,最多可将896个通道连接到一个A / D主机。
      线性化。在硬件或App中设置等效冰点参考EMF后,必须将测量的热电偶输出转换为温度读数。输出与TC结的温度成比例,但在很宽的范围内不是完全线性的。
      获得任何温度的高转换精度的标准方法是使用插入特定类型热电偶的特征方程中的测量热电偶电压值。该等式是具有6到10阶的多项式。计算机自动处理计算,但高阶多项式需要大量时间来处理。为了加速计算,热电偶特性曲线分为几个部分。然后通过低阶多项式近似每个分段。
      模拟电路偶尔用于线性化曲线,但是当不使用多项式方法时,热电偶输出经常连接到ADC的输入,其中从存储在计算机存储器中的表获得正确的电压 - 温度匹配。例如,一个DA系统的TC卡包括一个带有温度转换库的App驱动程序,可将原始二进制TC通道和CJC信息更改为温度读数,并自动线性化连接到系统的热电偶。
潜在问题及其解决方案
      嘈杂的环境。由于热电偶产生相对较小的电压,噪声始终是一个问题。最常见的噪声源是公用电力线(50或60 Hz)。由于热电偶带宽低于50 Hz,每个通道中的简单滤波器可以降低干扰交流线路噪声。常见滤波器包括电阻器和电容器以及围绕运算放大器构建的有源滤波器。虽然无源RC滤波器价格低廉且适用于模拟电路,但不建议用于多路复用前端,因为多路复用器的负载会改变滤波器的特性。另一方面,由运算放大器和少数无源元件组成的有源滤波器效果很好,但它更昂贵,更复杂。此外,必须校准每个通道以补偿增益和偏移误差(见图8)。


      图8.无源滤波器(A)有多种配置以适应应用。它们以单个或多个部分构建,以提供越来越陡峭的斜坡,以实现更快的滚降。有源滤波器(B)可轻松消除与热电偶信号竞争的最常见电噪声源,例如50/60 Hz电源线的干扰。
      热电偶组件。热电偶是双绞线的不同导线,在接合处焊接或焊接在一起。如果组装不当,它们会产生各种错误。例如,不应将导线绞合在一起以形成连接点; 它们应该焊接或焊接。但是,焊料仅在相对较低的温度下才足够,通常<200°C。虽然焊接还添加了第三种金属,例如铅锡合金,但如果结的两侧温度相同,则不太可能引入误差。焊接接头是首选,但必须在不改变导线特性的情况下进行焊接。商业制造的热电偶接头通常与电容放电焊接机连接,以确保均匀性并防止污染。
      当电线的物理构成发生变化时,热电偶可能会丢失校准并指示错误的温度。然后他们不能满足NIST标准。这种改变可能来自各种来源,包括暴露于极端温度,冷加工金属,安装时对电缆施加的应力,振动或温度梯度。
      当绝缘电阻随温度升高而降低时,热电偶的输出也会发生变化。这种变化是指数级的,并且可以产生如此低的漏电阻,从而绕过开路热电偶线检测器电路。在使用薄热电偶线的高温应用中,绝缘会降低到形成虚拟结的程度(见图9)。然后,DA系统将测量T1处虚拟结的输出电压,而不是T2处的真实结。


      图9.热电偶引线之间的短路或绝缘故障会形成一个不需要的,无意的热电偶连接点,称为虚拟连接点。
      此外,高温会释放热电偶导线绝缘层内的杂质和化学物质,这些杂质和化学物质会扩散到热电偶金属中并改变其特性。然后温度与电压的关系偏离公布的值。选择用于高温操作的保护绝缘可以最小化这些问题。
      热电偶隔离。热电偶隔离可降低通常由接地回路引入的噪声和误差。当许多带有长引线的热电偶直接固定在发动机缸体(或其他大型金属物体)和热电偶测量仪器之间时,这尤其麻烦。热电偶可以参考不同的接地,并且在没有隔离的情况下,接地回路可以在读数中引入相对大的误差。
      自动归零校正。从测量通道的读数中减去短路通道的输出可以最大限度地减少时间和温度漂移对系统模拟电路的影响。尽管极小,但这种漂移可能成为热电偶提供的低电平电压的重要部分。减少由漂移引起的偏移的一种有效方法分两步完成。首先,内部通道序列器切换到参考节点并将偏移误差电压存储在电容器上。接下来,当热电偶通道切换到模拟路径时,存储的误差电压被施加到差分放大器的偏移校正输入,并自动使偏移无效(见图10)。


      图10.自动归零校正可补偿模拟电路随时间和温度的漂移。虽然很小,但偏移可能接近热电偶信号的幅度。
      打开热电偶检测。在具有多个通道的系统中,轻松快速地检测开放式热电偶尤其重要。当暴露于振动,操作不良和长使用时间时,热电偶往往会破坏或增加阻力。一个简单的开路热电偶检测电路由一个放在热电偶引线上的小电容组成,并由低电平电流驱动。完整热电偶的低阻抗会给电容器带来虚拟短路,使其无法充电。当热电偶打开或显着改变电阻时,电容器会充电并将输入驱动到其中一个电压轨,这表示热电偶有缺陷(参见图11)。


      图11.热电偶为电容器周围的DC提供短路路径,防止其通过电阻器充电。当热电偶因粗暴操作或振动而打开时,电容器会对输入放大器充电并将其驱动至电源轨,从而发出故障信号。
      电镀行动。一些热电偶绝缘材料含有在水存在下形成电解质的染料。电解质在引线之间产生电压,该电压又产生比净开路电压大数百倍的输出信号。因此,良好的安装实践要求保护热电偶线免受高湿度和所有液体的影响以避免此类问题。
      热分流。理想的热电偶不会影响被测设备的温度,但真正的热电偶的质量会在添加到被测设备时改变温度测量。使用小直径电线可以最大限度地减少热电偶质量,但是较小的电线更容易受到污染,退火,应变和并联阻抗的影响。一种解决方案是在接头处使用小型热电偶线,但添加特殊的,较重的热电偶延长线以覆盖长距离。这些延长线中使用的材料具有类似于特定热电偶类型的净开路电压系数。它的串联电阻在长距离上相对较低,并且它可以比优质级热电偶线更容易地通过导管拉动。除了实用的尺寸优势,延长线比标准热电偶线便宜,特别是铂。尽管有这些优点,但延长线通常在更窄的温度范围内操作并且更可能受到机械应力。由于这些原因,延长线上的温度梯度应保持最小,以确保精确的温度测量。热电偶线按照NIST规格制造,当电线在现场根据已知温度标准校准时,可以更好地满足。延长线上的温度梯度应保持最小,以确保精确的温度测量。金莎娱乐官方网站热电偶线按照NIST规格制造,当电线在现场根据已知温度标准校准时,可以更好地满足。延长线上的温度梯度应保持最小,以确保精确的温度测量。热电偶线按照NIST规格制造,当电线在现场根据已知温度标准校准时,可以更好地满足。

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