Hai cách đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện là một thành phần đơn giản, được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan cơ bản của cặp nhiệt điện, mô tả những thách thức phổ biến gặp phải khi thiết kế với chúng, và gợi ý hai giải pháp điều hòa tín hiệu. Giải pháp đầu tiên kết hợp cả bù bù liên kết tham chiếu và điều hòa tín hiệu trong một IC tương tự để thuận tiện và dễ sử dụng; giải pháp thứ hai tách bù trừ đường giao nhau tham chiếu khỏi điều kiện tín hiệu để cung cấp cảm biến nhiệt độ đầu ra kỹ thuật số với độ linh hoạt và độ chính xác cao hơn.

Lý thuyết cặp nhiệt điện

Một cặp nhiệt điện, thể hiện trong hình 1, bao gồm hai dây kim loại khác nhau nối với nhau ở một đầu, được gọi là đường giao nhau đo lường ("nóng"). Đầu kia, nơi các dây không nối, được nối với các dấu vết mạch điều hòa tín hiệu, thường được làm bằng đồng. Mối nối giữa kim loại cặp nhiệt điện và các dấu vết bằng đồng được gọi là đường giao nhau ("lạnh"). *

* Chúng tôi sử dụng thuật ngữ "đường giao nhau đo lường" và "đường giao nhau tham chiếu" thay vì "đường giao nhau" truyền thống và "đường giao nhau lạnh". Hệ thống đặt tên truyền thống có thể gây nhầm lẫn bởi vì trong nhiều ứng dụng, mối nối đo có thể lạnh hơn đường giao nhau tham chiếu.

Điện áp được tạo ra tại điểm giao nhau tham chiếu phụ thuộc vào nhiệt độ ở cả điểm tiếp xúc đo và đường giao nhau tham chiếu. Vì cặp nhiệt điện là một thiết bị vi sai chứ không phải là một thiết bị đo nhiệt độ tuyệt đối, nhiệt độ đường giao nhau tham chiếu phải được biết là có được nhiệt độ chính xác tuyệt đối. Quá trình này được gọi là bù trừ đường giao nhau tham chiếu (bù liên kết lạnh).

Cặp nhiệt điện đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn của ngành để đo lường hiệu quả chi phí của một phạm vi nhiệt độ rộng với độ chính xác hợp lý. Chúng được sử dụng trong một loạt các ứng dụng lên đến khoảng + 2500 ° C trong nồi hơi, máy đun nước nóng, lò nướng và động cơ máy bay — để đặt tên chỉ là một vài. Cặp nhiệt điện phổ biến nhất là loại K, bao gồm Chromel® và Alumel® (các hợp kim niken đã được đăng ký nhãn hiệu có chứa crom và nhôm, mangan và silic, tương ứng), với phạm vi đo từ -200 ° C đến + 1250 ° C.

Tại sao sử dụng một cặp nhiệt điện?

Ưu điểm

Phạm vi nhiệt độ: Hầu hết các phạm vi nhiệt độ thực tế, từ cryogenics đến động cơ phản lực xả, có thể được phục vụ bằng cách sử dụng cặp nhiệt điện. Tùy thuộc vào dây kim loại được sử dụng, một cặp nhiệt điện có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng –200 ° C đến + 2500 ° C.

Mạnh mẽ: Cặp nhiệt điện là những thiết bị chắc chắn không bị sốc và rung và phù hợp để sử dụng trong môi trường nguy hiểm.

Phản ứng nhanh: Vì chúng nhỏ và có công suất nhiệt thấp, các cặp nhiệt điện phản ứng nhanh chóng với những thay đổi nhiệt độ, đặc biệt nếu tiếp xúc cảm biến được tiếp xúc. Chúng có thể phản ứng với nhiệt độ thay đổi nhanh chóng trong vòng vài trăm mili giây.

Không tự sưởi ấm: Bởi vì các cặp nhiệt điện không yêu cầu nguồn kích thích, chúng không dễ bị tự sưởi và thực chất là an toàn.

Nhược điểm

Điều hòa tín hiệu phức tạp: Điều kiện tín hiệu đáng kể là cần thiết để chuyển đổi điện áp cặp nhiệt thành một đọc nhiệt độ có thể sử dụng. Theo truyền thống, điều hòa tín hiệu đã yêu cầu đầu tư lớn trong thời gian thiết kế để tránh giới thiệu các lỗi làm suy giảm độ chính xác.

Độ chính xác: Ngoài các tính không chính xác vốn có trong cặp nhiệt điện do đặc tính luyện kim của chúng, đo lường cặp nhiệt điện chỉ chính xác khi nhiệt độ đường giao nhau có thể đo được, theo truyền thống trong khoảng từ 1 ° C đến 2 ° C.

Tính nhạy cảm với sự ăn mòn: Bởi vì các cặp nhiệt điện gồm hai kim loại khác nhau, trong một số môi trường ăn mòn theo thời gian có thể dẫn đến độ chính xác xấu đi. Do đó, họ có thể cần được bảo vệ; và chăm sóc và bảo trì là rất cần thiết.

Tính nhạy cảm với tiếng ồn: Khi đo các thay đổi tín hiệu vi mô, tiếng ồn từ điện trường và từ trường đi lạc có thể là một vấn đề. Xoắn cặp dây cặp nhiệt điện có thể làm giảm đáng kể khả năng đón từ trường. Sử dụng cáp được che chắn hoặc chạy dây trong ống dẫn kim loại và bảo vệ có thể giảm tải điện trường. Thiết bị đo phải cung cấp lọc tín hiệu, hoặc bằng phần cứng hoặc phần mềm, với sự loại bỏ mạnh mẽ tần số dòng (50 Hz / 60 Hz) và các sóng hài của nó.

Đo bằng cặp nhiệt điện

Không dễ biến đổi điện áp được tạo ra bởi một cặp nhiệt điện thành nhiệt độ chính xác đọc vì nhiều lý do: tín hiệu điện áp nhỏ, mối quan hệ nhiệt độ điện áp phi tuyến, yêu cầu bù liên kết tham chiếu và cặp nhiệt điện có thể gây ra vấn đề tiếp đất. Hãy xem xét những vấn đề này từng cái một.

Tín hiệu điện áp nhỏ: Các loại cặp nhiệt điện phổ biến nhất là J, K và T. Ở nhiệt độ phòng, điện áp của chúng thay đổi ở 52 µV / ° C, 41 µV / ° C và 41 µV / ° C tương ứng. Các loại ít phổ biến khác có thay đổi điện áp thậm chí nhỏ hơn với nhiệt độ. Tín hiệu nhỏ này đòi hỏi một giai đoạn tăng cao trước khi chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số. Bảng 1 so sánh độ nhạy của các loại cặp nhiệt điện khác nhau.

Vì tín hiệu điện áp nhỏ, mạch điều hòa tín hiệu thường đòi hỏi mức tăng khoảng 100 hoặc hơn - điều kiện tín hiệu khá đơn giản. Những gì có thể khó khăn hơn là phân biệt tín hiệu thực tế từ tiếng ồn được chọn trên các dây dẫn nhiệt. Cặp nhiệt điện dẫn dài và thường xuyên chạy qua môi trường ồn ào điện. Tiếng ồn phát ra từ dây dẫn có thể dễ dàng áp đảo tín hiệu cặp nhiệt điện nhỏ.

Hai phương pháp thường được kết hợp để trích xuất tín hiệu từ nhiễu. Đầu tiên là sử dụng bộ khuếch đại đầu vào vi sai, chẳng hạn như bộ khuếch đại thiết bị, để khuếch đại tín hiệu. Bởi vì nhiều tiếng ồn xuất hiện trên cả hai dây (chế độ chung), đo lường khác nhau loại bỏ nó. Thứ hai là lọc thông thấp, loại bỏ nhiễu ngoài dải tần. Bộ lọc low-pass nên loại bỏ cả nhiễu tần số vô tuyến (trên 1 MHz) có thể gây ra sự chỉnh lưu trong bộ khuếch đại và độ ồn 50 Hz / 60 Hz (nguồn điện). Điều quan trọng là đặt bộ lọc cho nhiễu tần số vô tuyến trước bộ khuếch đại (hoặc sử dụng bộ khuếch đại có đầu vào được lọc). Vị trí của bộ lọc 50 Hz / 60 Hz thường không quan trọng - nó có thể được kết hợp với bộ lọc RFI, được đặt giữa bộ khuếch đại và ADC, được tích hợp như một bộ phận của ADC sigma-delta, hoặc nó có thể được lập trình trong phần mềm dưới dạng bộ lọc trung bình.

Bù trừ đường giao nhau tham chiếu: Nhiệt độ của đường giao nhau tham chiếu của cặp nhiệt điện phải được biết để có được kết quả đọc nhiệt độ tuyệt đối chính xác. Khi các cặp nhiệt điện lần đầu tiên được sử dụng, điều này được thực hiện bằng cách giữ mối nối tham chiếu trong bồn đá. Hình 2 mô tả một mạch cặp nhiệt điện với một đầu ở một nhiệt độ không xác định và đầu kia trong một bể đá (0 ° C). Phương pháp này được sử dụng để mô tả đầy đủ các loại cặp nhiệt điện khác nhau, do đó hầu như tất cả các bảng cặp nhiệt độ sử dụng 0 ° C làm nhiệt độ tham chiếu.

Nhưng việc giữ mối liên hệ tham chiếu của cặp nhiệt điện trong bồn đá không thực tế đối với hầu hết các hệ thống đo lường. Thay vào đó, hầu hết các hệ thống sử dụng một kỹ thuật gọi là bù trừ đường giao nhau tham chiếu, (còn được gọi là bù liên kết lạnh). Nhiệt độ đường giao nhau tham chiếu được đo bằng một thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ khác - thường là một IC, thermistor, diode hoặc RTD (detector nhiệt độ kháng). Việc đọc điện áp cặp nhiệt điện sau đó được bù để phản ánh nhiệt độ đường giao nhau tham chiếu. Điều quan trọng là giao lộ tham chiếu phải được đọc chính xác nhất có thể - với cảm biến nhiệt độ chính xác được giữ ở cùng nhiệt độ với điểm giao nhau tham chiếu. Bất kỳ lỗi nào trong việc đọc nhiệt độ đường giao nhau tham chiếu sẽ hiển thị trực tiếp trong lần đọc cặp nhiệt điện cuối cùng.

Một loạt các cảm biến có sẵn để đo nhiệt độ tham chiếu:

Thermistors: Họ có phản ứng nhanh và một gói nhỏ; nhưng chúng yêu cầu tuyến tính hóa và có độ chính xác giới hạn, đặc biệt là trên một phạm vi nhiệt độ rộng. Họ cũng yêu cầu hiện tại cho kích thích, có thể sản xuất tự sưởi ấm, dẫn đến trôi dạt. Độ chính xác tổng thể của hệ thống, khi kết hợp với điều hòa tín hiệu, có thể kém.

Máy dò nhiệt độ điện trở (RTDs): RTD là chính xác, ổn định và tuyến tính hợp lý, tuy nhiên, kích thước gói và chi phí hạn chế việc sử dụng chúng cho các ứng dụng điều khiển quá trình.

Điốt nhiệt từ xa: Một diode được sử dụng để cảm nhận nhiệt độ gần đầu nối cặp nhiệt điện. Một chip điều hòa chuyển đổi điện áp diode, tỷ lệ thuận với nhiệt độ, thành một đầu ra analog hoặc kỹ thuật số. Độ chính xác của nó được giới hạn ở khoảng ± 1 ° C.

Cảm biến nhiệt độ tích hợp: Một cảm biến nhiệt độ tích hợp, một IC độc lập cảm nhận được nhiệt độ cục bộ, nên được lắp đặt cẩn thận gần đường giao nhau tham chiếu và có thể kết hợp bù liên kết tham chiếu và điều hòa tín hiệu. Có thể đạt được độ chính xác trong các phần nhỏ của 1 ° C.

Tín hiệu điện áp phi tuyến: Độ dốc của đường cong phản ứng cặp nhiệt điện thay đổi theo nhiệt độ. Ví dụ, ở 0 ° C, đầu ra cặp nhiệt điện loại T thay đổi ở 39 µV / ° C, nhưng ở 100 ° C, độ dốc tăng lên 47 µV / ° C.

Có ba cách phổ biến để bù đắp cho tính phi tuyến của cặp nhiệt điện.

Chọn một phần của đường cong tương đối bằng phẳng và gần đúng độ dốc như tuyến tính trong vùng này — một cách tiếp cận hoạt động đặc biệt tốt cho các phép đo trong phạm vi nhiệt độ giới hạn. Không cần tính toán phức tạp. Một trong những lý do các cặp nhiệt điện loại K và J là phổ biến là cả hai đều có độ giãn lớn của nhiệt độ mà độ dốc gia tăng của độ nhạy (hệ số Seebeck) vẫn khá ổn định (xem Hình 3).

Một cách tiếp cận khác là lưu trữ trong bộ nhớ một bảng tra cứu phù hợp với mỗi bộ điện áp cặp nhiệt điện với nhiệt độ tương ứng của nó. Sau đó sử dụng phép nội suy tuyến tính giữa hai điểm gần nhất trong bảng để nhận các giá trị nhiệt độ khác.

Cách tiếp cận thứ ba là sử dụng phương trình bậc cao hơn để mô hình hóa hành vi của cặp nhiệt điện. Trong khi phương pháp này là chính xác nhất, nó cũng là tính toán chuyên sâu nhất. Có hai bộ phương trình cho mỗi cặp nhiệt điện. Một bộ chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp cặp nhiệt điện (hữu ích cho bù liên kết tham chiếu). Bộ kia chuyển đổi điện áp cặp nhiệt thành nhiệt độ. Các bảng cặp nhiệt điện và các phương trình cặp nhiệt độ bậc cao có thể được tìm thấy tại http://srdata.nist.gov/its90/main/. Các bảng và phương trình đều dựa trên nhiệt độ đường giao nhau tham chiếu là 0 ° C. Phải sử dụng bù trừ đường giao nhau nếu đường giao nhau tham chiếu ở bất kỳ nhiệt độ nào khác.

Yêu cầu nối đất: Các nhà sản xuất cặp nhiệt điện tạo ra các cặp nhiệt điện có cả lời khuyên cách điện và nối đất cho đường giao nhau đo (Hình 4).

Điều chỉnh tín hiệu cặp nhiệt điện nên được thiết kế sao cho tránh được các vòng đất khi đo cặp nhiệt điện nối đất, nhưng cũng có một đường dẫn cho dòng khuynh hướng đầu vào khuếch đại khi đo một cặp nhiệt điện cách điện. Ngoài ra, nếu đầu dây cặp nhiệt được nối đất, phạm vi đầu vào bộ khuếch đại phải được thiết kế để xử lý bất kỳ sự khác biệt nào về điện thế đất giữa đầu cặp nhiệt điện và mặt đất hệ thống đo (Hình 5).

Đối với các hệ thống không bị xâm phạm, hệ thống điều hòa tín hiệu kép cung cấp thông thường sẽ mạnh mẽ hơn cho các đầu nối đất và các loại đầu nhọn. Do phạm vi đầu vào phổ biến rộng chế độ của nó, một bộ khuếch đại cung cấp kép có thể xử lý một sự khác biệt điện áp lớn giữa mặt đất PCB (bảng mạch in) và mặt đất tại đầu cặp nhiệt điện. Các hệ thống cung cấp đơn có thể hoạt động thỏa đáng trong cả ba trường hợp tip nếu phạm vi chế độ chung của bộ khuếch đại có một số khả năng đo dưới mặt đất trong cấu hình cung cấp đơn. Để đối phó với giới hạn chế độ chung trong một số hệ thống cung cấp đơn, xu hướng cặp nhiệt điện đến một điện áp midscale là hữu ích. Điều này hoạt động tốt cho các mẹo nhiệt điện cách ly, hoặc nếu hệ thống đo lường tổng thể được phân lập. Tuy nhiên, nó không được khuyến khích cho các hệ thống nonisolated được thiết kế để đo nhiệt độ tiếp xúc hoặc tiếp xúc.

Các giải pháp cặp nhiệt điện thực tế: Điều hòa tín hiệu cặp nhiệt điện phức tạp hơn so với các hệ thống đo nhiệt độ khác. Thời gian cần thiết để thiết kế và gỡ lỗi tín hiệu điều hòa có thể làm tăng thời gian của sản phẩm ra thị trường. Lỗi trong điều kiện tín hiệu, đặc biệt là trong phần bù trừ đường giao nhau tham chiếu, có thể dẫn đến độ chính xác thấp hơn. Hai giải pháp sau giải quyết những mối quan ngại này.

Chi tiết đầu tiên là giải pháp phần cứng tích hợp tương tự đơn giản kết hợp đo lường cặp nhiệt điện trực tiếp với bù trừ đường giao nhau bằng cách sử dụng một IC duy nhất. Giải pháp thứ hai nêu chi tiết chương trình bù liên kết tham chiếu dựa trên phần mềm cung cấp độ chính xác được cải thiện cho phép đo cặp nhiệt điện và tính linh hoạt khi sử dụng nhiều loại cặp nhiệt điện.