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全面分析如何使用热电偶以及如何设计热电偶接口

来源:www.chems4you.com作者:发表时间:2018-08-06 11:02:32

 

    无论您是要构建温度感应设备还是需要为更大的系统添加感应功能,您都应该熟悉热电偶并了解如何设计热电偶接口。
    例如,在设计一阶或二阶滤波器时,考虑到负担得起的元件的容差和温度依赖性,3通常足够接近pi。但是,在我们可以逃避并进行粗略近似之前,我们必须了解我们正在设计的系统中涉及的物理原理。在没有深入理解所涉问题的情况下似乎遭受粗略近似的一个主题是使用热电偶进行温度测量。
    热电偶是简单的温度传感器,由两根不同合金制成的导线组成。这些装置结构简单,易于使用。但是,与任何电子元件一样,它们需要一定的解释。本文的目的是介绍和解释如何使用热电偶以及如何设计热电偶接口。
两个金属的尾部
    图1a显示了一个热电偶。一个结被称为热结。另一个结被指定为冷或参考结。环路中产生的电流与热结和冷结之间的温度差成比例。热电偶测量温度差异,而不是绝对温度。
 
图1a:形成热电偶所需的两根导线。
    要理解电流形成的原因,我们必须回归物理学。不幸的是,我不是一个物理学家,所以这个解释可能会弯曲一两个概念,但我会继续。考虑均匀的金属线。如果在一端施加热量,则该端的电子变得更有活力。它们吸收能量并从正常的能量状态转移到更高的能量状态。有些人将完全从他们的原子中解放出来。这些新释放的高能电子移向电线的冷端。当这些电子加速导线时,它们将能量转移到其他原子上。这就是能量(热量)从电线的热端传递到冷端的方式。
    当这些电子在导线的冷端积聚时,它们会经历静电排斥。冷端的不那么高能量的电子向导线的热端移动,这就是导体中电荷中性的维持方式。从冷端向热端移动的电子比从热端移动的高能电子向冷端移动的速度慢。但是,在宏观层面上,保持了电荷平衡。当两种不同的金属用于形成热电偶回路时,如图1a所示,两种金属对电子的亲和力的差异使得当两个结之间建立温差时电流会发展。
    随着电子从冷结移动到热结,这些不那么高能的电子在一种金属中比在另一种金属中更容易移动。从热端移动到冷端的电子已经吸收了大量的能量,并且在两根导线中都可以自由移动。这就是在回路中产生电流的原因。我可能已经错过了物理学的一些细节,但我想我已经达到了亮点。如果有人可以提供更深入或详细的解释,请发电子邮件给我。为技术受众撰写文章的最好方法之一就是向读者学习。
打破循环
    如果使用热电偶,则必须在回路中插入测量设备,以获取有关热接点和冷接点之间温差的信息。图1b显示了典型设置。热电偶线被带到接线盒,电路测量开路电压。
 
QQ截图20180803131237.jpg
 
图1b:要使用热电偶,您必须拥有测量系统。
    当热电偶线连接到接线盒时,形成另外一对热电偶(每个螺钉端子一个)。如果螺钉端子是与热电偶线不同的合金,则情况确实
如此。图1c示出了图1b的替代表示。结2和结3是与测量电路连接的不希望的伪像。这两个结通常称为寄生热电偶。
 
QQ截图20180806105347.jpg
 
图1c:连接由铜制成的测量系统的行为引入了两个寄生热电偶。
    在物理电路中,寄生热电偶形成在每个焊点,连接器甚至每个内部IC键合线上。如果它不适用于中间金属定律,这些寄生结会给我们带来无穷无尽的麻烦。中间金属定律规定,当且仅当与第三金属的接合处保持等温(在相同温度下)时,可以将第三金属插入热电偶系统而不影响系统。
    在图1c中,如果结2和结3处于相同的温度,它们将对环路中的电流没有影响。图1b中的电压表所见的电压将与结1和结2和3之间的温度差成比例。1号交叉口是热点。等温接线盒有效地从电路中移除,因此冷接点的温度是接线盒的温度。
测量温度
    热电偶产生的电压(或回路电流)与热结和参比结之间的温差成比例。如果您想知道热结处的绝对温度,您必须知道参考结的绝对温度。
    有三种方法可以找出参比结的温度。最简单的方法是使用热敏电阻或半导体温度传感器(如ADI公司的TMP03 / 04)测量参比端的温度。然后,在软件中,将测量的热电偶温度(热结和参比结之间的差值)添加到参考结的测量温度。该计算将产生热结的绝对温度。
    第二种方法涉及将参考接点保持在固定且已知的温度下。冰浴或冰泥是实验室环境中最常用的方法之一。图2显示了如何实现这一目标。
 QQ截图20180806105359.jpg
图2:通过在金属B通常连接的接线盒上插入金属A的短尾纤,我们移动冷接点。
    或者,我们可以省略金属A的尾纤,只是将接线盒浸入冰中。这样可以正常工作,但它比图2所示的方法要麻烦得多。有时,图1c中的冷端(端子块)的温度允许浮动到环境温度。然后假设环境温度为“约25°C”或其他一些“足够接近”的温度。这种方法通常在知道热结温度不是过于关键的系统中找到。用于确定冷端温度的第三种方法是使用冷端补偿IC,如三畅仪表公司的AD594或Linear Technology LT1025。这种方法结合了前两种方法。
    这些IC内部有一个温度传感器,用于检测冷端的温度。这可能与安装IC的电路板的温度相同。然后,IC产生的电压与热电偶产生的电压成正比,热电偶的环境温度为0℃,冷端温度为0°C。该电压加到热电偶产生的EMF上。净效应与冷接点物理保持在0°C时相同。
    知道(或近似)冷端温度并将该信息考虑在整体测量中的行为称为冷端补偿。我讨论的三种技术都是冷端补偿的方法。冰浴可能是最准确的方法。冰泥可以毫不费力地保持约0.1℃的均匀性。我读过冰浴可以保持0.01°C的均匀度,但我从来没有达到这种均匀度。冰浴在物理上很不方便,因此通常不适合工业测量。
    现成的冷端补偿IC可能很昂贵,并且通常仅精确到几摄氏度,但许多系统使用这些设备。使用热敏电阻,甚至二极管或BJT上的PN结来测量冷端温度可能相当便宜且非常准确。该系统遇到的最常见的困难是校准。传感器在接线端子附近或接线端子上的谨慎定位非常重要。
    如果要将接线端子用作冷端(见图1b),则端子排必须保持等温。在实践中,保持接线端子真正等温几乎是不可能的。因此,必须妥协。这是工程师的股票和交易。知道什么是等温“足够”的应用程序是诀窍。
    如果允许接线端子的螺钉端子产生显着的热梯度,则可能会浪费很多钱。当功率元件放置在接线端子附近时,通常会发生这种情况。您必须特别注意保持接线端子周围的温度稳定。
温度测量应用有两大类。第一类涉及测量绝对温度。例如,您可能想知道烤箱内部的温度相对于标准温度刻度(如摄氏温标)。这种类型的应用要求您准确了解参考接点的绝对温度。第二种测量涉及测量温度差异。例如,在微量热仪中,您可能需要测量系统的温度,然后开始一些化学反应并在反应进行时测量温度。有价值的信息是第一次测量和后续测量之间的差异。
    测量温差的系统通常更容易构造,因为不需要控制或精确测量参考接合点。所需要的是在两次测量发生时参考结保持恒定温度。参考结是在25.0°C还是30.0°C是不相关的,因为连续测量的减法将从计算的答案中消除参考结温度。
    您可以使用热电偶进行精确的温差测量,但必须确保形成冷端的接线端子“足够接近”等温。您还必须确保冷端具有足够的热质量,以便在测量之间不会改变温度。
实际问题
    热电偶的字母标识表示它们的材料。此字母名称称为热电偶“类型”。表1显示了常用的热电偶及其可用的温度范围。
 
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表1:形成标准热电偶的工业标准合金组合种类繁多。最常用的是J,K,T和E.
    对于给定的一组温度条件,每种热电偶类型将产生不同的开路电压(塞贝克电压)。这些设备在整个温度范围内都不是线性的。有标准表可以将塞贝克电压表示为温度的函数。[1] 还有可用于热电偶的标准多项式模型。
    热电偶产生小的塞贝克电压。例如,当两个结接近室温时,K型热电偶每摄氏度产生约40μV。最敏感的热电偶E型,当两个结都接近室温时,每摄氏度产生约60μV。
    在许多应用中,测量的温度范围足够小,以致塞贝克电压被假定为在感兴趣的范围内是线性的。这消除了对系统中的查找表或多项式计算的需要。通常,绝对精度的损失可以忽略不计,但这种权衡是设计工程师必须仔细权衡的。
在设计热电偶接口时,您只需要知道几条信息:
    1将使用什么类型的热电偶
    2热接点将暴露的全部温度是多少
    3冷结将暴露的全部温度范围是多少
    4什么是您的应用所需的温度分辨率
    5您的系统是否需要电流隔离
    6将使用何种类型的冷端补偿
    如果上一个问题的答案需要从商用冷端补偿IC中模拟添加电压,那么IC的制造商可能会为您提供足够的参考设计。如果您计划通过物理(通过冰浴)或软件(通过使用其他设备测量冷端温度)进行冷端补偿,则必须构建或购买数据采集系统。电流隔离是许多工业应用中的重要特征。由于热电偶实际上只是长线圈,因此它们通常会产生高水平的共模噪声。在一些应用中,热电偶可以连接到线电压(或更高)的设备。
    在这种情况下,需要采用电流隔离将高压AC保持在数据采集系统之外。这种类型的隔离通常以两种方式之一完成 - 使用光隔离器或变压器。两种系统都需要热电偶信号调节器使其地面相对于地面浮动。图3a和3b概述了这些方案。
 
QQ截图20180806105416.jpg
 
图3:使用VFC和变压器(b),使用光隔离(a)和廉价(但更具挑战性)的电流隔离到几千伏很容易(但有点贵)。
    由于本文的重点是热电偶的接口,我将不得不将实现电流隔离的细节留给另一篇文章。鉴于热电偶产生的微小电压电平,信号调理模块的设计者应该专注于噪声抑制。使用差分放大器的共模抑制(CMR)特性是一个很好的起点。图4显示了一个简单而有效的热电偶接口
 
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图4:共模滤波器和共模抑制特性在热电偶放大器中得到了回报。
    单片仪表放大器(仪表放大器)的价格为2美元至5美元(取决于等级和制造商)。这些通常是8引脚DIP或SOIC器件。仪表放大器是简单的差分放大器。增益通过一个外部电阻设置。仪表放大器的输入阻抗通常为10千兆欧姆。当然,您可以使用运算放大器,甚至是分立部件来构建信号调理器。然而,单片仪表放大器上的所有有源元件都在同一个骰子上,并保持或多或少的等温。这意味着仪表放大器的特性在整个温度范围内表现良好。良好的CMR,可控增益,小尺寸和高输入阻抗使仪表放大器完美地成为热电偶调节电路的核心。
    温度趋于相对缓慢地变化。因此,如果您发现系统有噪音,通常可以安装补充低通滤波器。这些可以用硬件或软件实现。在许多系统中,在1秒内进行128次测量然后对结果取平均值并不罕见。数字滤波器是生产系统中的大成本降低器。设计热电偶电路时经常遇到的另一个问题是使放大器偏移归零。您可以通过各种方式使放大器偏移为零[2],但我最喜欢的是通过切入输入。图5显示了如何完成此过程。
 
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图5:像CD4052这样的输入斩波器是使信号调节器偏移无效所必需的。
    热电偶具有如此小的信号电平,大约1000 V / V的增益并不罕见,这意味着运算放大器或仪表放大器的电压偏移均为1 mV,输出端的电压偏差为伏特数量级。图5中的斩波器允许微控制器反转热电偶的极性。要使电路归零,微控制器将进行两次测量然后减去它们。    首先,设置斩波器,使三畅仪表测量GAIN(Vsensor + Voffset)。其次,设置斩波器,使三畅仪表测量GAIN(-Vsensor +Voffset)。从第一个减去第二个测量并除以2。结果是GAIN * Vsensor。如您所见,这正是我们感兴趣的数量。仪表放大器的偏移已从测量中移除。
    关闭时间1821年,如果加热两种不同金属的连接处,就会产生电压。此后该电压被称为塞贝克电压。热电偶适用于从工业炉到医疗设备的各种应用。乍一看,热电偶似乎充满了神秘色彩。他们不是。毕竟,一个用两根电线构建并且已经存在了180年的设备怎么能够很难搞清楚?
    在使用热电偶进行设计时,请牢记这四个概念,项目将更加顺畅。首先,热电偶产生的电压与热结和参比结之间的温差成比例。其次,由于热电偶测量相对温差,如果系统要报告绝对温度,则需要冷端补偿。冷端补偿仅意味着知道冷端的绝对温度并相应地调整重新分配的温度值。
    要记住的第三件事是热电偶具有小的塞贝克电压系数,通常在每摄氏度几十微伏的数量级。最后,热电偶在其温度范围内是非线性的。如果需要,线性化最好在软件中完成。有了这些概念,本文中的电路以及一些时间,您应该有一个良好的开端,能够将热电偶设计到您的下一个项目中。设计了农学,土壤物理和水活动研究仪器。他还为各种其他应用设计了嵌入式控制器。
 
 

 

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