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使用热电偶进行温度测量的困难证明

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2020-10-23 10:03:32

 热电偶是一种简单的,广泛使用的用于测量温度的组件。

 

热电偶理论

如下图所示,热电偶由两条不同金属线组成,它们的一端连接在一起,称为测量(“热”)结。导线未连接的另一端连接到信号调节电路走线,通常由铜制成。热电偶金属和铜走线之间的这个结称为参考(“冷”)结。

 

热电偶原理图

热电偶原理图

 

参考结处产生的电压取决于测量结点和参考结处的温度。

由于热电偶是差分设备,而不是绝对温度测量设备,因此必须知道基准结温度才能获得准确的绝对温度读数。此过程称为参考结补偿(冷结补偿)。

热电偶已成为行业标准的方法,以合理的精度经济有效地测量各种温度。

 

热电偶类型

热电偶类型

 

热电偶的优点:

温度范围:可以使用热电偶提供从低温到喷气发动机排气的大多数实际温度范围。根据所使用的金属线,热电偶能够测量–200°C至+ 2500°C的温度

坚固:热电偶是坚固的设备,可承受冲击和振动,适合在危险环境中使用。

快速响应:由于热电偶体积小且热容量低,因此它们对温度变化快速响应,尤其是在检测结暴露在外时。它们可以在几百毫秒内响应迅速变化的温度。

无自发热:因为热电偶不需要励磁功率,所以它们不容易自发热并且本质安全。

 

热电偶的缺点:

复杂的信号调节:必须进行大量的信号调节,才能将热电偶电压转换为可用的温度读数。传统上,信号调理需要在设计时间上进行大量投资,以避免引入会降低精度的误差。

精度:除了由于其冶金特性而导致的热电偶固有的不准确性外,热电偶的测量精度仅与基准结温度的测量精度一样,传统上在1°C至2°C之间。

腐蚀的可能性:由于热电偶由两种不同的金属组成,因此在某些环境中,随着时间的流逝腐蚀可能会导致精度下降。因此,他们可能需要保护;保养和维护至关重要。

对噪声的敏感性:在测量微伏级信号变化时,来自杂散电场和磁场的噪声可能会成为问题。双绞热电偶线对可以大大减少磁场拾取。在金属导管中使用屏蔽电缆或走线并进行防护可减少电场拾取。测量设备应以硬件或软件方式对信号进行滤波,并强烈抑制线路频率(50 Hz / 60 Hz)及其谐波。

 

用热电偶测量温度的困难

由于许多原因,将热电偶产生的电压转换为准确的温度读数并不容易,原因有很多:电压信号小,温度-电压关系呈非线性,需要基准结补偿,并且热电偶可能会引起接地问题。让凯时k66登录一一考虑这些问题。

电压信号小:

最常见的热电偶类型为J,K和T。在室温下,它们的电压分别在52μV/°C,41μV/°C和41μV/°C范围内变化。其他不常见的类型具有随温度变化甚至更小的电压。

 

这个小信号在模数转换之前需要高增益级。表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。

热电偶电压变化与温升

热电偶电压变化与温升

由于电压信号很小,因此信号调理电路通常需要约100左右的增益-相当简单的信号调理。

 

更加困难的是将实际信号与热电偶引线上拾取的噪声区分开。热电偶引线很长,并且经常在电气噪声环境中运行。引线上拾取的噪声很容易使微小的热电偶信号不堪重负。

 

通常将两种方法结合起来以从噪声中提取信号。第一种是使用差分输入放大器(例如仪表放大器)来放大信号。由于很多噪声都出现在两条线上(共模),因此差分测量可以消除它。

 

第二个是低通滤波,可消除带外噪声。低通滤波器应同时消除可能引起放大器整流的射频干扰(1 MHz以上)和50 Hz / 60 Hz(电源)的交流声。重要的是,将射频干扰滤波器置于放大器之前(或使用输入滤波后的放大器)。

 

50Hz / 60Hz滤波器的位置通常并不关键,它可以与RFI滤波器结合,放置在放大器和ADC之间,作为sigma-delta ADC的一部分集成,或者可以用软件编程作为平均滤波器。

 

参考结补偿:

必须知道热电偶参考结的温度,才能获得准确的绝对温度读数。首次使用热电偶时,是通过将参考结保持在冰浴中来完成的。

 

下图显示了一个热电偶电路,一端处于未知温度,另一端处于冰浴(0°C)中。该方法用于详尽地描述各种热电偶类型,因此几乎所有热电偶表都使用0°C作为参考温度。

热电偶参考结补偿

热电偶参考结补偿

 

但是,对于大多数测量系统而言,将热电偶的基准结保持在冰浴中是不实际的。相反,大多数系统使用一种称为参考结点补偿的技术(也称为冷结点补偿)。

 

基准结温度是用另一种温度敏感设备(通常是IC,热敏电阻,二极管或RTD(电阻温度检测器))测量的。然后补偿热电偶电压读数以反映参考结温。

 

重要的是,要尽可能准确地读取参考结-精确的温度传感器应保持与参考结相同的温度。读取参考结温时的任何错误都会直接显示在最终的热电偶读数中。

 

多种传感器可用于测量参考温度:

热敏电阻:它们具有快速响应和小封装的特点;但它们需要线性化,并且精度有限,尤其是在较宽的温度范围内。它们还需要激励电流,这会产生自热,导致漂移。与信号调理结合使用时,整个系统的精度可能会很差。

 

电阻温度检测器(RTD):RTD准确,稳定并且线性合理,但是,封装尺寸和成本限制了它们在过程控制应用中的使用。

 

远程热敏二极管:二极管用于感测热电偶连接器附近的温度。调节芯片将与温度成比例的二极管电压转换为模拟或数字输出。其精度限制在±1°左右

 

集成温度传感器:集成温度传感器是一个独立的IC,可以局部感应温度,应仔细安装在基准结附近,并且可以将基准结补偿和信号调理相结合。精度可达到1°C的很小一部分。

 

电压信号是非线性的:

热电偶响应曲线的斜率随温度变化。例如,在0°C时,T型热电偶输出的变化为39μV/°C,但在100°C时,斜率增加到47μV/°C。

 

共有三种补偿热电偶非线性的方法。

 

选择曲线的相对平坦部分,并在该区域将斜率近似为线性-这种方法特别适合在有限温度范围内进行测量。

 

无需复杂的计算。K型和J型热电偶之所以受欢迎的原因之一是,它们都具有较大的温度范围,因此其灵敏度的增量斜率(塞贝克系数)保持相当恒定(参见下图)。

 

热电偶电压信号为非线性

 

从上图–热电偶灵敏度随温度的变化。请注意,从0°C至1000°C,K型的塞贝克系数大致恒定,约为41μV/°C。

 

另一种方法是在存储器中存储一个查找表,该查找表将一组热电偶电压中的每一个与其各自的温度相匹配。然后在表中两个最接近的点之间使用线性插值来获取其他温度值。

 

第三种方法是使用对热电偶的行为建模的高阶方程。虽然此方法最准确,但也是计算量最大的。每个热电偶有两组方程式。一组将温度转换成热电偶电压(用于参考结补偿)。另一组将热电偶电压转换为温度。