熱電対:基本原理と設計
熱電対は20世紀初頭から臨界温度測定に広く使用されてきた
世紀、特に非常に高温範囲で。多くの産業およびプロセスに重要
アプリケーション、T / CおよびRTD(抵抗温度検出器)は、のための「ゴールドスタンダード」となっています
温度測定。RTDは精度と再現性が優れていますが、比較的
熱電対には次の利点があります。
•大きい範囲
• 高速な応答時間
• 低コスト
• 耐久性の向上
• 自己給電(励起信号は不要)
• 自己加熱効果なし
しかし、高精度の温度測定に熱電対を使用すると、より複雑になる可能性があります。固体回路の設計とキャリブレーションで測定精度を最適化できますが、熱電対の仕組みを理解することで、回路の設計や温度計の使用に役立ちます。
電圧源をワイヤの長さに印加すると、電流はプラス側から
マイナス側、およびワイヤが加熱し、エネルギー損失の一部を引き起こします。ゼーベック効果、
1821年にトーマス・セイベックによって発見された逆現象である:温度勾配が
ワイヤに適用され、電位が作成されます。これは熱電対の物理的基礎です
.
ここで∇Vは電圧勾配、∇Tは温度勾配、S(T)はゼーベック係数です。ゼーベック係数は材料に関連し、温度の関数でもあります。1 本のワイヤの 2 つの異なる温度ポイント間の電圧は、温度に対するゼーベック係数関数の積分と等しくなります。
たとえば、図 1 の T1、T2、T3 は、ワイヤの異なるポイントの温度を表します。T1(青)は最低の温度を示し、T3(赤)は最高温度を示します。T2 と T1 の間の電圧は次のとおりです。
同様に、T3 と T1 の間の電圧は次のとおりです。
積分の添加物性によれば、V31も次の物と等しくなります。
熱電対電圧と温度変換について説明する際には、この点に留意してください。
図1:ゼーベック係数によると、温度勾配は電圧を渡る
導電性金属。
熱電対は、ワイヤのゼーベック係数S(T)の2つの異なる金属で構成されています。
は一般的に異なります。金属温度差が電圧差を生み出すことができるため、
なぜ2つの金属を使用する必要がありますか?図2の電線は「A」の材料で作られていると仮定しています。
電圧計プローブが材料Aで作られている場合、理論的には、電圧計は何も検出しません
電圧。
図2:電圧測定接続プローブとワイヤの材料が同じ場合、
潜在的な違いはありません。
その理由は、プローブがワイヤーの端に接続されている場合、プローブが延長と同等である
ワイヤー。長いワイヤーの2つの端は電圧計の入力に接続され、
同じ温度(TM)。配線の両端の温度が同じ場合、電圧は無し
生成。これを数学的に証明するために、全体にわたって蓄積された電圧を計算します。
正の端子から電圧計の負の端子までの金属リング。
積分の付加性に従って、上記の式は次のようになります。
積分の下限と上側の境界が同じ場合、積分の結果は V = 0 になります。図 3 に示すように、プローブ材料が B の場合は、次のようになります。
上記の方程式を単純化するために、次の情報を得ます。
式9は、測定電圧が2つの材料のゼーベック係数関数間の差の積分と等しいことを示す。熱電対が2つの異なる金属を使用するのはこのためです。
図3:電圧測定接続プローブとワイヤは異なる材料で作られています。
ゼーベック係数の物理的現実を示す。
マテリアル A: マテリアル A
材料B: 材料B
電圧計:電圧計
図3と式9の回路に基づいて、SA(T)、SB(T)および測定電圧が既知であることを考えると、冷接合部の温度(TC)を知らない限り、ホット側の温度(TH)を計算することはできません。熱電対の初期段階では、温度が0°Cの氷点オーブンを基準温度(コールドエンドという用語)として使用しました。等価回路は図
図4:熱電対は、図に示すように0°Cの基準温度を必要とします
未知の温度THを計算します。
図4に示す回路の基準温度は分かっていますが、実用的ではありません。
統合によってTHを得るために。だから熱電対標準の共通のタイプのためのサポートがある
参照テーブルは、対応する電圧出力によってテーブルを得ることができます
温度。ただし、すべての標準熱電対参照テーブルは、以下の点に留意する必要があります。
基準点として0°Cで描かれる。
熱電対システム
現代の熱電対は、一端(TH)で接続された2つの異なるワイヤで構成されています。電圧は
ワイヤペアの開いた端で測定されます。図5に示す等価回路によれば、
VCは図9の式と同じである。
図5:冷接点補償を備えた最新の熱電対構成。
コールドジャンクション補償
冷接点補償 冷接合(TC)温度は、凍結のために0°Cに設定することができます
点炉ですが、実際には氷のバケツを基準温度として使用しません。使用
CJC(冷接点補償)法では、高温接合温度を計算することができます
0°Cの冷接合温度を使用しない。冷接合温度でさえ、
必ずしも一定です。この方法では、TC ポイントを測定するために単一の温度センサーのみを使用します。
温度。TCが既知であれば、THが得られる。
温度センサーを使用して冷接点温度を測定する場合は、このセンサーを使用してみませんか?
直接ホットサイドの温度を測定するには?ご覧のとおり、冷接合温度
範囲は熱い接合の温度範囲よりずっと狭いので、温度センサーは
熱電対でサポートされる極端な温度をサポートする必要があります。
CJC を使用してホット エンド温度を計算する
前述のように、すべての標準的な熱電対参照テーブルは、寒さで0°Cで得られます
ジャンクション。それでは、参照テーブルを使用して高温側温度を取得する方法は?オープンを拡張することを想像してみてください
上記の熱電対の終わりと、温度を持つ接合部に架空の端点を接続する
0°C(図6)。V0値を計算できれば、参照テーブルを使用すると、非常に簡単に取得できます
対応するホットサイド温度。
図6:拡張熱電対を0°C接合部に接続して未知のホットを決定する
接合温度、TH.
V0 を決定する
上記の数式を並べ替えます。
式13の第1項は、式10(図5から得られる)と同一である。等価電圧出力はVCで、これは、コールドジャンクションの温度が電圧計で測定されるため既知の値です。第2項は、熱接合温度がTCに等しく、冷接合温度が0°Cである場合の熱電対の出力と同等である。TCは別の温度センサでも測定されるため、標準のリファレンステーブルを使用して、方程式13の2項に対応するゼーベック電圧(Vi)を見つけることができます。
このV0値を使用すると、THで対応する温度を標準から決定することができます
参照テーブル。
プロセスのホットエンドの温度を計算するための冷接点補償の使用
は、次の手順に分かれています。
• 温度センサーで冷接合温度(TC)を測定します。
• 冷接点温度を測定します。
• TCは標準の参照テーブルによって電圧(Vi)に変換されます。
• V0 = Vi + VC を計算します。
• 標準参照テーブルを使用して、V0を温度THに変換します。
標準的な熱電対リファレンス表については、NIST ITS-90熱電対データベースを参照してください。
NIST ITS-90のウェブサイトには、熱電対タイプごとに一連の式が用意されています。
検索テーブルを実装できない場合、温度から電圧への変換に使用されます。
メモリまたはその他の理由によるマイクロコントローラ。
システム設計の要点
これまでのところ、上記の議論は熱電対の理論的知識に限定されています。
実際のシステムの精度を最適化し、注意すべき点がいくつかあります。の各デバイス
基本的な熱電対信号チェーン(図7)は、変換精度に影響を及ぼし、
エラーを最小限に抑えるために、慎重に選択してください。
図7:熱電対測定システムの基本要素には、アンプとADCが含まれ、
未知温度を後で計算できるマイクロコントローラ。
システム ボード: システム ボード
アンプ:アンプ
温度センサ: 温度センサー
図7の左側から、熱電対はシステムのコネクタに接続されています。
基板。熱電対自体もセンサーであり、エラー源である可能性があります。長い
熱電対は周囲の環境の電磁ノイズを容易に拾うことができます。
シールドワイヤーは効果的にノイズを低減することができます。次の要素は、高いアンプを持っています
アンプ入力インピーダンスと熱電対のため、入力インピーダンスは非常に重要です
抵抗を使用して、分圧器を形成します。アンプの入力インピーダンスが高いほど、小さい
エラー。
さらに、アンプは熱電対出力を増加させ、熱電対出力は通常ミリボルトである
範囲。アンプの高いクローズドループゲインは信号とノイズの両方を増幅しますが、
ADC入力へのローパスフィルタは、ノイズの大部分を除去します。温度が
非常に迅速に変化し、そのようなアプリケーションのADC変換率は、通常、非常に低い - それは
1 秒に数回だけサンプリングするので、ローパス フィルタは非常に効率的です。
最後に、オンボード温度センサーは、コールドエンドコネクタに非常に近い必要があります(理想的には
熱電対線の端に接触するが、多くの場合、条件は許可されていません)
最高の冷接合温度測定を得るために。冷接点測定のエラー
ホットジャンクション温度計算に反映されます。
熱電対回路の例と試験結果
独自の熱電対測定回路を設計するか、リファレンス設計を使用するかに関わらず、必要
をクリックして、その精度を確認します。MAXREFDES67 #リファレンス設計の精密検証
(図8)
は以下に説明します。
この場合、
図 8: MAXREFDES67 # は、電圧を測定する熱電対および RTD 用のリファレンス設計です。
-40°C~150°Cの温度範囲での温度を測定し、電流を測定します。
測定誤差を最小限に抑える方法を説明するために、まず熱電対システムを
マキシムのMAXREFDES67リファレンスデザインなどの例を示します。のエラーを確認するために、
測定システムまたは任意の測定システム、既知の温度および信頼できる器械は
比較には必須です。この例では、3つの基準温度計を使用しました: オメガHH41
温度計(現在はHH42に置き換えられる)、ETI参照温度計、およびFluke 724温度
キャリブレータ。MAXREFDES67#に接続されたタイプK熱電対は、フルーク7341に配置されます
較正オーブンを20°Cで校正した。青色のドットデータは、オメガHH41によって参照され、
緑のドットデータはETIデバイスに参照されます。赤い点データは、より小さいの最大誤差を示しています
0.1°Cより、Fluke 724キャリブレータに基づいて、以前のテストとは異なり、Fluke 724は、
参照機器として使用されません。理想的なK型熱電対出力をシミュレートし、接続
MAXREFDES67 # の入力を熱電対延長コードに入力します。図 9 に、テスト結果を示します。
図 9.オムニテックEC3TC(K型熱電対、20°Cで校正)を使用して、
MAXREFDES67 # 誤差対温度を、他の 3 つの基準温度計と比較します。
結果は非常に高い精度を示しています。
まとめると
熱電対は、工業用温度測定アプリケーションにおいて多くの利点を有する。
温度範囲、応答時間、コストと耐久性。熱電対理論はもう少しです
複雑ですが、正確な測定を行うことができるように、十分に理解する必要があります。
電圧から温度への高精度な移行。MAXREFDES67 # 参照設計
MAX11254およびMAX6126これらの2つのチップ、熱電対温度に特に適しています
この小さな信号に敏感な、高精度の測定アプリケーションの測定。ザ・マックス11254
は、6 チャンネル、24 ビット、デルタシグマ ADC で、低ノイズと精度を実現しながら、電力を削減します。
10倍の散逸。MAX6126は非常に低い騒音、超高精度、低いドロップアウトタンデムタンデムである
電圧参照、3ppm /°Cの温度係数(最大)、優れた±0.02%(最大)
初期精度。
