Układ pomiaru temperatury termoelementem typu K o dużej szybkości

Układ pomiaru temperatury
termoelementem typu K o
dużej szybkości
Paweł Kowalczyk
Michał Kotwica
Plan prezentacji
●
Fizyczne podstawy działania termopary
●
Zalety wykorzystania termopar
●
Właściwości termoelementu K
●
Założenia projektowe
●
Schemat blokowy
●
Realizacja układowa
●
Layout
Kluczowe odkrycia
●
●
●
W 1921 T. Seebeck zaobserwował, że w
zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch
różnych metali, o ile miejsca ich styku znajdują
się w różnych temperaturach przepływa prąd
W 1834 Peltier zaobserwował nagrzewanie lub
ochładzanie styku dwóch metali w zależności
od kierunku w którym płynie przez nie prąd
W 1854 Lord Kelvin (W. Thomson) odkrył, że
potencjały na końcach jednorodnego kawałka
metalu różnią się gdy końce mają inną
temperaturę
Podstawy działania termoelementu
Działanie termopary opiera się na dwóch
kluczowych zjawiskach:
●
●
Zjawisko Peltiera (występowanie siły
termoelektrycznej STE w punkcie złączenia
dwóch metali) wynika z różnicy liczby
swobodnych elektronów po obu stronach styku
metali w określonej temperaturze
Zjawisko Thomsona (występowanie STE na
całej długości przewodnika) wynika z
termicznych ruchów elektronów wzdłuż drutu o
różnym gradiencie temperatury
Zasada działania
Oba powyższe układy generują STE zależną od
różnicy
temperatury
spoiny
pomiarowej
i
temperatury odniesienia (w pierwszym przypadku
temperatury złącza, w drugim – temperatury spoiny
odniesienia)
Zasada działania
Siła termoelektryczna termoelementu zbudowanego z metali A i B o
temperaturach spoin T0 i T1 wyraża się wzorem:
SEMAB(T0, T1) = eAB(T1) – eAB(T0)
gdzie: eAB(T) – siła termoelektryczna metali A i B w temperaturze T
(uwzględniająca zarówno zjawisko Peltiera jak i Thomsona)
W przypadku liniowej aproksymacji wzór upraszcza się do postaci:
SEMAB(T0, T1) = SAB*(T1 – T0)
gdzie: SAB – współczynnik Seebecka metali A i B
Zalety wykorzystania
termoelementów
●
●
●
●
Prostota budowy i duża niezawodność
Nie wymagają zewnętrznej polaryzacji – należy
zapewnić jedynie swobodny przepływ prądu
Możliwość mierzenia wysokich temperatur
Niewielkie rozmiary i co za tym idzie mała
pojemność cieplna, mała bezwładność
czasowa, mozliwość lokalnego pomiaru
temperatury
Właściwości termoelementu K
(NiCr-NiAl)
●
●
●
NiCr – elektroda dodatnia, NiAl – elektroda
ujemna (ulega szybszemu zużyciu niż dodatnia)
Zakres temperatur: od -270°C do 1370°C (wg.
PN-81/M-53854.06)
Zakres krótkotrwałej stosowalności: powyżej
1000°C
●
Prawie liniowa charakterystyka termometryczna
●
Współczynnik Seebecka wynosi ok. 42μV/°C
Właściwości termoelementu K
(NiCr-NiAl)
●
●
●
●
Materiał: nikielchrom-nikielaluminium (85%Ni,
15% Cr – 95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si) lub
Chromel-Alumel (90%Ni, 10% Cr – 94% Ni, 3%
Mn, 2% Al, 1% Si)
Odporny na atmosferę utleniającą
W wyższych temperaturach wrażliwy na
atmosferę redukującą i na obecność związków
siarki
Domieszkowanie poprawia odporność na
korozję
Charakterystyka termometryczna
termoelementu K (NiCr-NiAl)
wg. PN-81/M-53854.06 w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
-270
-6,458
-110
-3,85
50
2,02
210
8,54
-260
-6,44
-100
-3,55
60
2,44
220
8,94
-250
-6,4
-90
-3,24
70
2,85
230
9,34
-240
-6,34
-80
-2,92
80
3,27
240
9,75
-230
-6,26
-70
-2,59
90
3,68
250
10,15
-220
-6,14
-60
-2,24
100
4,1
260
10,56
-210
-6,04
-50
-1,89
110
4,51
270
10,97
-200
-5,89
-40
-1,53
120
4,92
280
11,38
-190
-5,73
-30
-1,16
130
5,33
290
11,79
-180
-5,55
-20
-0,78
140
5,73
300
12,21
-170
-5,35
-10
-0,39
150
6,14
310
12,62
-160
-5,14
0
0
160
6,54
320
13,04
-150
-4,91
10
0,4
170
6,94
330
13,46
-140
-4,67
20
0,8
180
7,34
340
13,87
-130
-4,41
30
1,2
190
7,74
350
14,29
-120
-4,14
40
1,61
200
8,14
360
14,71
Charakterystyka termometryczna
termoelementu K (NiCr-NiAl)
wg. PN-81/M-53854.06 w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
T[°C]
E[mV]
370
15,13
530
21,92
690
28,71
850
35,31
380
15,55
540
22,35
700
29,13
860
35,72
390
15,97
550
22,77
710
29,55
870
36,12
400
16,4
560
23,2
720
29,97
880
36,52
410
16,82
570
23,62
730
30,38
890
36,93
420
17,24
580
24,05
740
30,8
900
37,33
430
17,66
590
24,48
750
31,21
910
37,72
440
18,09
600
24,9
760
31,63
920
38,12
450
18,51
610
25,33
770
32,04
930
38,52
460
18,94
620
25,75
780
32,46
940
38,92
470
19,36
630
26,18
790
32,87
950
39,31
480
19,79
640
26,6
800
33,28
960
39,7
490
20,21
650
27,02
810
33,69
970
40,1
500
20,64
660
27,45
820
34,1
980
40,49
510
21,07
670
27,87
830
34,5
990
40,88
520
21,49
680
28,29
840
34,91
1000
41,27
Charakterystyka termometryczna
termoelementu K (NiCr-NiAl)
wg. PN-81/M-53854.06 w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu
50,000
40,000
STE [mV]
30,000
20,000
10,000
0,000
-10,000
-300 -250 -200 -150 -100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperatura [C]
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
Założenia projektowe:
•
•
•
•
Temperatura pracy od -20°C do 300 °C
Dwa zakresy pomiarowe (w celu poprawy
dokładności)
Zasilanie z napięcia 3,3V
Przystosowanie do działania w niesprzyjających
warunkach (temperatura odniesienia)
Schemat blokowy
Realizacja Układowa
Układ kompensacji
•
•
Kompensacja zimnych końców umożliwia pracę
termopary przy temperaturze odniesienia innej od
tej podanej w nocie katalogowej
Zmiana temperatury wpływa na sygnał z termopary
i generuje jednocześnie zaburzenie o tej samej
wartości przeciwnie skierowane w układzie
kompensacji.
Sygnał z LM19 trafia na
dzielnik napięcia R1 R2 , którego
przekładnia jest równa
współczynnikowi Seebecke’a
zastosowanej termopary.
Napięcie z R2 odejmowane jest
od SEM uzyskanym na
termoparze, a skompensowana
wartość (o charakterystyce
temperaturowej malejącej)
odejmowana jest od stałego
napięcia, co w efekcie daje na
wyjściu charakterystykę rosnącą.
Wzmacniacz pomiarowy
Skompensowany sygnał jest podawany na
wzmacniacz AD8551. Zworka w torze sprzężenia
wzmacniacza odpowiada za zmianę zakresu pracy.
Po wybraniu zakresu za pomocą zworki, ostatecznej
kalibracji wzmocnienia dokonuje się za pomocą
potencjometru, tak aby dla górnego końca zakresu
wzmacniacz był w nasyceniu. Wtedy pomiar max
temp. zakresu będzie skutkował napięciem 3.3 V na
wzmacniaczu.
Analiza działania układu
Pierwszy zakres pomiarowy od -20 do 100 °C
Na osi X temperatura jest zamodelowana napięciem
Warunki idealne (25 °C), układ kompensacji nieaktywny
Skalibrowany wzmacniacz pracuje w całym zakresie pracy
Analiza działania układu
Drugi zakres pomiarowy od 100 do 300 °C
Na osi X temperatura jest zamodelowana napięciem
Warunki idealne (25 °C), układ kompensacji nieaktywny
Skalibrowany wzmacniacz pracuje w całym zakresie pracy
Analiza układu kompensacji
•
•
W celu zbadania pracy układu kompensacji
zasymulowane zostało jego zachowanie dla stałej
temperatury mierzonej przez czujnik w zakresie
zaburzeń wprowadzanych przez zmianę
temperatury zimnych końców.
Przytoczono po jednym wyniku dla każdego zakresu
pomiarowego, odpowiednio dla 0 i 180°C
Analiza układu kompensacji
•
Układ kompensacji działa jednak nie jest w stanie
usunąć całkowicie efektu zimnych końców, jest to
konsekwencja nie do końca liniowej ch-ki
termopary i bardzo dużych wzmocnień w torze
analogowym wymuszonych małymi wartościami
sygnału z termopary.
Szacunek błędu
•
•
Zmiana temp odniesienia o 10°C skutkuje
szacunkowym błędem w granicach 0,05-0,7°C
Na błędu pomiaru wynikająca z kompensacji
zimnych końców zależy:
-temperatura mierzona (w jakim pkt. ch- ki
termopary się znajduje)
-wartość i kierunek (± od temp
katalogowej dla termopary) zmiany
zimnych końców
temp
Leyout