Thermocouple: principe de base et conception
Les thermocouples ont été largement utilisés pour les mesures de températures critiques depuis le début du 20e
siècle, en particulier dans la plage de température très élevée. Pour de nombreux industriels et processus critiques
applications, T / C et RTD (Resistance Temperature Detector) sont devenus le" gold standard" pour
mesure de température. Bien que le RTD ait une meilleure précision et répétabilité, mais relativement
parlant, le thermocouple présente les avantages suivants:
• Large gamme
• Temps de réponse rapides
• Moindre coût
• Meilleure durabilité
• Auto-alimenté (aucun signal d'excitation requis)
• Aucun effet d'auto-échauffement
Cependant, l'utilisation de thermocouples pour la mesure de température de haute précision peut être plus complexe. Vous pouvez optimiser la précision de vos mesures grâce à la conception et à l'étalonnage de circuits solides, mais comprendre le fonctionnement du thermocouple vous aide à concevoir votre circuit ou à utiliser un thermomètre.
Lorsqu'une source de tension est appliquée à une longueur de fil, le courant circule du côté plus vers le
côté négatif, et le fil se réchauffe, provoquant une partie de la perte d'énergie. L'effet Seebeck,
découvert par Thomas Seibeck en 1821, est un phénomène inverse: lorsqu'un gradient de température est
appliqué à un morceau de fil, un potentiel est créé. C'est la base physique du thermocouple
.
Où ∇V est le gradient de tension, ∇T est le gradient de température et S (T) est le coefficient de Seebeck. Le coefficient Seebeck est lié au matériau et est également fonction de la température. La tension entre deux points de température différents sur un morceau de fil est égale à l'intégrale de la fonction de coefficient Seebeck sur la température.
Par exemple, T1, T2 et T3 sur la figure 1 représentent les températures en différents points sur un morceau de fil. T1 (bleu) indique le point de température le plus bas et T3 (rouge) indique le point de température le plus élevé. La tension entre T2 et T1 est:
De même, la tension entre T3 et T1 est:
Selon la nature additive de l'intégrale, V31 est également égal à:
Nous gardons cela à l'esprit lorsque nous discutons des conversions de tension et de température du thermocouple.
Figure 1: Selon le coefficient Seebeck, le gradient de température produit une tension aux bornes
le métal conducteur.
Le thermocouple se compose de deux métaux différents, le coefficient Seebeck S (T) du fil
est généralement différent. Puisqu'une différence de température du métal peut produire une différence de tension,
pourquoi faut-il utiliser deux métaux? On suppose que le fil de la figure 2 est fait du matériau&"A GG".
Si une sonde de voltmètre est faite du matériau A, en théorie, le voltmètre ne détectera aucun
Tension.
Figure 2: Connexion de mesure de tension. Lorsque le matériau de la sonde et du fil sont identiques,
il n'y aura pas de différence de potentiel.
La raison en est que lorsque la sonde est connectée à l'extrémité du fil, l'équivalent d'étendre
le fil. Les deux extrémités du long fil sont connectées à l'entrée du voltmètre et ont le
même température (TM). Si la température des deux extrémités du fil est la même, aucune tension n'est
généré. Pour le prouver mathématiquement, nous calculons la tension accumulée sur l'ensemble du
anneau métallique de la borne positive à la borne négative du voltmètre.
Selon l'additivité de l'intégrale, l'équation ci-dessus devient:
Lorsque la limite inférieure et la limite supérieure de l'intégrale sont identiques, le résultat de l'intégration est V=0. Si le matériau de la sonde est B, comme le montre la figure 3, alors:
Pour simplifier l'équation ci-dessus, nous obtenons:
L'équation 9 montre que la tension mesurée est égale à l'intégrale de la différence entre les fonctions de coefficient Seebeck des deux matériaux. C'est pourquoi les thermocouples utilisent deux métaux différents.
Figure 3: Connexion de mesure de tension. La sonde et le fil sont faits de différents matériaux,
illustrant la réalité physique du coefficient Seebeck.
Matériel A: Matériel A
Matériel B: Matériel B
Voltmètre: Voltmètre
Sur la base du circuit de la figure 3 et de l'équation 9, nous ne pouvons toujours pas calculer la température (TH) du côté chaud à moins de connaître la température (TC) à la jonction froide, étant donné que SA (T), SB (T) et la tension mesurée est connue. Dans les premiers stades du thermocouple, un four à point de glace avec une température de 0 ° C a été utilisé comme température de référence (le terme" extrémité froide"), en raison de son faible coût, sa facilité de mise en œuvre et température autorégulée. Le circuit équivalent est illustré à la Fig
Figure 4: Le thermocouple nécessite une température de référence de 0 ° C comme indiqué sur la figure pour
calculer la température inconnue TH.
Bien que l'on connaisse la température de référence du circuit représenté sur la figure 4, ce n'est pas pratique
pour obtenir TH par intégration. Il existe donc un support pour le type commun de norme de thermocouple
table de référence, la table peut être obtenue par la sortie de tension correspondante du
Température. Cependant, il faut garder à l'esprit que toutes les tables de référence de thermocouple standard sont
dessiné à 0 ° C comme point de référence.
Système de thermocouple
Un thermocouple moderne se compose de deux fils différents connectés à une extrémité (TH). La tension était
mesurée à l'extrémité ouverte de la paire de fils. Selon le circuit équivalent représenté sur la figure 5,
VC est le même que l'équation 9 de la Fig.
Figure 5: Configuration de thermocouple moderne avec compensation de soudure froide.
Compensation de soudure froide
Compensation de soudure froide La température de soudure froide (TC) peut être réglée à 0 ° C pour une congélation
four ponctuel, mais dans la pratique, nous n'utilisons pas le seau à glace comme température de référence. Utilisant
la méthode CJC (compensation de jonction froide), la température de jonction chaude peut être calculée
sans utiliser une température de soudure froide de 0 ° C. Même la température de la jonction froide n'est pas
forcément constant. La méthode utilise un seul capteur de température pour mesurer le point TC
Température. Si TC est connu, TH peut être obtenu.
Si nous utilisons le capteur de température pour mesurer la température de la soudure froide, pourquoi ne pas utiliser ce capteur
mesurer directement la température du côté chaud? Comme vous pouvez le voir, la température de jonction froide
la plage est beaucoup plus étroite que la plage de température de la jonction chaude, de sorte que le capteur de température ne
doivent supporter les températures extrêmes supportées par le thermocouple.
Utilisation de CJC pour calculer la température d'extrémité chaude
Comme mentionné ci-dessus, tous les tableaux de référence de thermocouple standard sont obtenus à 0 ° C à froid
jonction. Alors, comment utiliser le tableau de référence pour obtenir la température du côté chaud? Imaginez étendre l'ouverture
extrémité du thermocouple ci-dessus et reliant l'extrémité imaginaire à une jonction avec une température de
0 ° C (figure 6). Si nous pouvons calculer la valeur V0, l'utilisation de la table de référence est très facile à obtenir
la température du côté chaud correspondante.
Figure 6: Connectez le thermocouple étendu à la jonction 0 ° C pour déterminer le chaud inconnu
température de jonction, TH.
Déterminer V0
Réorganisez la formule ci-dessus:
Le premier terme de l'équation 13 est identique à l'équation 10 (obtenue à partir de la figure 5). La tension de sortie équivalente est VC, qui est une valeur connue car la température à la jonction froide est mesurée par un voltmètre. Le deuxième terme est équivalent à la sortie du thermocouple lorsque la température de la jonction chaude est égale à TC et la température de la jonction froide est égale à 0 ° C.Depuis que TC est également mesuré par un capteur de température séparé, nous pouvons utiliser le tableau de référence standard pour trouver le correspondant Tension de Seebeck (Vi) pour le deuxième terme de l'équation 13:
Avec cette valeur V0, la température correspondante à TH peut être déterminée à partir de la norme
table de référence.
L'utilisation de la compensation de soudure froide pour calculer la température de l'extrémité chaude du processus
est divisé en les étapes suivantes:
• Mesurer la température de soudure froide (TC) avec un capteur de température.
• Mesurez la température de soudure froide.
• TC est converti en tension (Vi) au moyen d'une table de référence standard.
• Calculez V0=Vi + VC.
• Convertissez V0 en température TH à l'aide du tableau de référence standard.
Reportez-vous à la base de données de thermocouple NIST ITS-90 pour les tableaux de référence de thermocouple standard.
Le site Web NIST ITS-90 fournit également un ensemble de formules pour chaque type de thermocouple pouvant être
utilisé pour la conversion température-tension si la table de consultation ne peut pas être implémentée dans
microcontrôleurs en raison de la mémoire ou d'autres raisons.
Points clés de la conception du système
Jusqu'à présent, la discussion ci-dessus est limitée à la connaissance théorique du thermocouple. Pour
optimiser la précision du système actuel, il y a quelques points à noter. Chaque appareil du
la chaîne de signaux de base du thermocouple (Figure 7) affectera la précision de la conversion et doit être
soigneusement sélectionnés pour minimiser les erreurs.
Figure 7: Les éléments de base d'un système de mesure par thermocouple comprennent un amplificateur et ADC,
et un microcontrôleur qui peut calculer la température inconnue plus tard.
Carte système: carte système
Amplificateur: Amplificateur
Capteur de température: capteur de température
Depuis le côté gauche de la figure 7, le thermocouple est connecté au connecteur du système
carte de circuit imprimé. Le thermocouple lui-même est également un capteur et peut également être une source d'erreur. Plus long
les thermocouples peuvent facilement capter le bruit électromagnétique de l'environnement environnant;
un fil blindé peut réduire efficacement le bruit. L'élément suivant est l'amplificateur, qui a un haut
l'impédance d'entrée est très importante car l'impédance d'entrée de l'amplificateur et le thermocouple
résistance pour former un diviseur de tension. Plus l'impédance d'entrée de l'amplificateur est élevée, plus petite
l'erreur.
De plus, l'amplificateur augmente la sortie du thermocouple, la sortie du thermocouple est généralement en millivolts
gamme. Bien que le gain en boucle fermée élevé de l'amplificateur&lifie à la fois le signal et le bruit, l'ajout d'un
le filtre passe-bas à l'entrée ADC élimine la plupart du bruit. Parce que la température ne
changer très rapidement, le taux de conversion ADC pour de telles applications est généralement très faible - il peut
échantillonnez seulement quelques fois par seconde, le filtre passe-bas est donc très efficace.
Enfin, le capteur de température embarqué doit être très proche du connecteur d'extrémité froide (idéalement
en contact avec l'extrémité du fil du thermocouple, mais dans de nombreux cas, la condition n'est pas autorisée)
pour obtenir la meilleure mesure de température de soudure froide. Toute erreur dans la mesure de la soudure froide
sera reflétée dans le calcul de la température de la jonction chaude.
Exemples de circuits de thermocouple et résultats de test
Que vous conceviez votre propre circuit de mesure de thermocouple ou que vous utilisiez une conception de référence, vous avez besoin
pour vérifier son exactitude. La vérification de la précision de la conception de référence MAXREFDES67 #
(Figure 8)
est décrit ci-dessous.
Dans ce cas,
Figure 8: Le MAXREFDES67 # est une conception de référence pour les thermocouples et les RTD qui mesurent la tension
et le courant et mesurer la température dans la plage de températures de -40 ° C à 150 ° C.
Pour illustrer comment minimiser les erreurs de mesure, nous prenons d'abord le système de thermocouple comme un
exemple, comme la conception de référence MAXREFDES67 de Maxim GG. Afin de vérifier l'erreur du
système de mesure ou de tout système de mesure, une température connue et un instrument fiable sont
requis pour la comparaison. Dans cet exemple, nous avons utilisé trois thermomètres de référence: l'Omega HH41
thermomètre (maintenant remplacé par HH42), le thermomètre de référence ETI et la température Fluke 724
calibrateur. Un thermocouple de type K connecté au MAXREFDES67 # est placé dans un Fluke 7341
four d'étalonnage et étalonné à 20 ° C. Les données du point bleu sont référencées par l'Omega HH41, et
les données du point vert sont référencées au périphérique ETI. Les données du point rouge indiquent une erreur maximale de moins
inférieure à 0,1 ° C, sur la base du calibrateur Fluke 724, mais contrairement au test précédent, le Fluke 724 était
non utilisé comme instrument de référence. Simulez la sortie de thermocouple de type K idéale et connectez le
entrée du MAXREFDES67 # à la rallonge de thermocouple. La figure 9 montre les résultats du test.
Figure 9. À l'aide de l'Omnitec EC3TC (thermocouple de type K, étalonné à 20 ° C), évaluez le
MAXREFDES67 # erreur en fonction de la température et comparez-la aux trois autres thermomètres de référence.
Les résultats montrent une très grande précision.
Pour résumer
Les thermocouples présentent de nombreux avantages dans les applications de mesure de température industrielle, notamment
plage de température, temps de réponse, coût et durabilité. La théorie du thermocouple est un peu plus
complexe, mais nous devons bien le comprendre afin de pouvoir effectuer des mesures précises ainsi que
transitions de haute précision de la tension à la température. MAXREFDES67 # conception de référence utilisant
MAX11254 et MAX6126 ces deux puces, particulièrement adaptées à la température du thermocouple
mesure de ces petites applications de mesure de haute précision sensibles au signal. Le MAX11254
est un CAN delta-sigma à 6 canaux, 24 bits, qui offre un faible bruit et une précision tout en réduisant la puissance
dissipation par 10 fois. Le MAX6126 est un tandem à très faible bruit, ultra-haute précision et à faible décrochage
référence de tension, coefficient de température de 3ppm / ° C (max), avec un excellent ± 0,02% (max)
précision initiale.
