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浅谈使用热电偶进行设计时遇到的常见挑战

来源:作者:澳门银河注册发表时间:2018-12-01


好处

      温度范围:从低温技术到喷气发动机排气的大多数实际温度范围都可以使用热电偶。根据所使用的金属线,热电偶能够测量-200°C至+ 2500°C范围内的温度。

      坚固耐用:热电偶是坚固耐用的设备,不受冲击和振动影响,适用于危险环境。

      快速响应:由于热电偶体积小且热容量低,因此热电偶对温度变化反应迅速,特别是在感应结露出的情况下。它们可以在几百毫秒内响应快速变化的温度。

无自加热:由于热电偶不需要激励功率,因此它们不易自热并且本身安全。

缺点

      复杂的信号调理:需要进行大量的信号调理才能将热电偶电压转换为可用的温度读数。传统上,信号调节需要在设计时间上投入大量资金,以避免引入降低精度的错误。

      精度:除了由于其冶金特性导致的热电偶固有的不精确性之外,热电偶测量仅与可测量的参考结温度一样准确,传统上在1°C至2°C范围内。

      易受腐蚀:由于热电偶由两种不同的金属组成,在某些环境中随着时间的推移腐蚀可能导致精度下降。因此,他们可能需要保护; 护理和保养至关重要。

      对噪声的敏感性:当测量微伏级信号变化时,来自杂散电场和磁场的噪声可能成为问题。扭转热电偶线对可以大大减少磁场拾取。在金属导管和防护装置中使用屏蔽电缆或导线可以减少电场拾取。测量设备应提供硬件或软件信号滤波,强烈抑制线路频率(50 Hz / 60 Hz)及其谐波。

用热电偶测量的困难挑战

      由于多种原因,将热电偶产生的电压转换为精确的温度读数并不容易:电压信号很小,温度 - 电压关系是非线性的,需要参考结补偿,热电偶可能会引起接地问题。让我们逐一考虑这些问题。

      电压信号很小:最常见的热电偶类型是J,K和T.在室温下,它们的电压分别在52μV/°C,41μV/°C和41μV/°C时变化。其他不太常见的类型随温度变化甚至更小。这种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。

      由于电压信号很小,信号调理电路通常需要大约100左右的增益 - 相当简单的信号调节。更难的是将实际信号与热电偶引线上拾取的噪声区分开来。热电偶引线很长并且经常在电噪声环境中运行。引线上拾取的噪声很容易超过微小的热电偶信号。

      通常组合两种方法来从噪声中提取信号。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。由于大部分噪声都出现在两根导线上(共模),因此差分测量会消除噪声。第二种是低通滤波,它可以消除带外噪声。低通滤波器应消除可能导致放大器整流和50 Hz / 60 Hz(电源)嗡嗡声的射频干扰(1 MHz以上)。在放大器之前放置射频干扰滤波器(或使用带滤波输入的放大器)非常重要。50 Hz / 60 Hz滤波器的位置通常并不重要 - 它可以与RFI滤波器组合,放置在放大器和ADC之间,作为sigma-delta ADC的一部分,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。当首次使用热电偶时,这是通过将参比接头保持在冰浴中来完成的。图2描绘了一个热电偶电路,其一端处于未知温度,另一端处于冰浴(0°C)。该方法用于详尽地表征各种热电偶类型,因此几乎所有热电偶表都使用0°C作为参考温度。

图2.基本的铁 - 康铜热电偶电路。

      但是,对于大多数测量系统而言,将热电偶的参考接点保持在冰浴中是不实际的。相反,大多数系统使用称为参考结补偿的技术(也称为冷端补偿)。参考结温度使用另一个温度敏感器件测量 - 通常是IC,热敏电阻,二极管或RTD(电阻温度检测器)。然后补偿热电偶电压读数以反映参考结温度。重要的是尽可能准确地读取参考接头 - 精确的温度传感器保持与参考接点相同的温度。读取参考结温度时的任何错误都将直接显示在最终的热电偶读数中。

有多种传感器可用于测量参考温度:

      热敏电阻:响应速度快,封装小; 但它们需要线性化并且精度有限,尤其是在很宽的温度范围内。它们还需要电流来激励,这会产生自加热,导致漂移。当与信号调节相结合时,整体系统精度可能很差。

      电阻温度检测器(RTD):RTD精确,稳定且线性合理,但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:二极管用于检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°C左右。

      集成温度传感器:集成温度传感器,一个独立的IC,可以在本地检测温度,应小心地安装在参考接点附近,并可以结合参考结补偿和信号调理。可以实现在1°C的小部分内的精度。

      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型热电偶输出在39μV/°C时变化,但在100°C时,斜率增加到47μV/°C。

有三种常用方法可以补偿热电偶的非线性。

      选择相对平坦的曲线的一部分并且在该区域中将斜率近似为线性 - 这种方法对于在有限温度范围内的测量特别有效。不需要复杂的计算。K型和J型热电偶很受欢迎的原因之一是它们都具有较大的温度范围,其灵敏度的增量斜率(塞贝克系数)保持相当稳定(见图3)。

图3.热电偶灵敏度随温度的变化。请注意,从0°C到1000°C,K型塞贝克系数大约恒定在41μV/°C左右。

      另一种方法是在存储器中存储查找表,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。然后在表格中两个最近点之间使用线性插值来获得其他温度值。

第三种方法是使用高阶方程来模拟热电偶的行为。虽然这种方法最准确,但它也是计算量最大的方法。每个热电偶有两组方程式。一组将温度转换为热电偶电压(用于参考结补偿)。另一组将热电偶电压转换为温度。热电偶表和更高阶的热电偶方程可以在http://srdata.nist.gov/its90/main/找到。表格和公式均基于0°C的参考结温度。如果参考结处于任何其他温度,则必须使用参考结补偿。

接地要求:热电偶制造商制造的热电偶带有绝缘和接地尖端,用于测量接头(图4)。

图4.热电偶测量结点类型。

      热电偶信号调理应设计成在测量接地热电偶时避免接地回路,并且在测量绝缘热电偶时还要有放大器输入偏置电流的路径。此外,如果热电偶尖端接地,则放大器输入范围应设计为处理热电偶尖端和测量系统接地之间的地电位差异(图5)。

图5.使用不同尖端类型时的接地选项。

      对于非隔离系统,双电源信号调节系统通常对于接地尖端和裸露尖端类型更加稳健。由于其宽共模输入范围,双电源放大器可以处理PCB(印刷电路板)地与热电偶尖端的地之间的大电压差。如果放大器的共模范围具有在单电源配置中测量地下的能力,则单电源系统可以在所有三种尖端情况下都能令人满意地工作。为了解决某些单电源系统中的共模限制,将热电偶偏置到中间电压是很有用的。这适用于绝缘热电偶尖端,或整个测量系统是隔离的。,