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熱電対:基本原理と設計

熱電対:基本原理と設計


熱電対は20日の初めから臨界温度測定に広く使用されています

世紀、特に非常に高い温度範囲で起こる。 多くの産業およびプロセスにとって重要

アプリケーション、T / CおよびRTD(Resistance Temperature Detector)は、

温度測定。 RTDの精度と再現性は優れていますが、

熱電対には以下の利点があります。


•広い範囲


•高速応答時間


• より低いコストで

•耐久性の向上


•セルフパワー(励起信号は不要)


自己発熱効果なし

しかし、高精度の温度測定のための熱電対の使用は、より複雑な場合があります。 固体回路の設計と校正で測定精度を最適化できますが、熱電対の働きを理解すれば、回路の設計や温度計の使用に役立ちます。

電圧源がある長さのワイヤに印加されると、電流はプラス側から

マイナス側になり、ワイヤが加熱され、エネルギー損失の一部を引き起こす。 ゼーベック効果、

1821年にThomas Seibeckによって発見されたのは逆の現象である。温度勾配が

ワイヤーに適用すると、電位が生成される。 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。 ワイヤ上の2つの異なる温度点間の電圧は、温度に対するゼーベック係数関数の積分に等しい。

たとえば、図1のT1、T2、およびT3は、ワイヤ上の異なるポイントの温度を表します。 T1(青色)は最低温度点を示し、T3(赤色)は最高温度点を示します。 T2とT1との間の電圧は、

同様に、T3とT1との間の電圧は、

積分の加算的性質によれば、V31はまた、

熱電対の電圧と温度の変換について説明するときは、このことを念頭に置いてください。

図1:ゼーベック係数によれば、温度勾配は、

導電性金属。


熱電対は、2つの異なる金属からなり、ワイヤのゼーベック係数S(T)

一般的に異なります。 金属の温度差によって電圧差が生じることがあるので、

なぜ2つの金属を使用する必要がありますか? 図2のワイヤは、材料「A」で作られていると仮定する。

電圧計プローブが材料Aで作られている場合、理論上、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質が同じであれば、

潜在的な違いはありません。


その理由は、プローブがワイヤの端部に接続されているときに、

ワイヤー。 長いワイヤの2つの端は、電圧計の入力に接続され、

同じ温度(TM)。 ワイヤの2つの端部の温度が同じである場合、電圧は

生成される。 これを数学的に証明するために、全体の累積電圧を計算します

電圧計の正端子から負端子への金属リング。

積分の加法性によれば、上記の式は次のようになる。

積分の下限と上限が同じ場合、積分の結果はV = 0になります。図3に示すように、プローブの材質がBの場合、

上の方程式を単純化するために、

式9は、測定された電圧が2つの材料のゼーベック係数関数間の差の積分に等しいことを示す。 これが熱電対が2つの異なる金属を使用する理由です。

図3:電圧測定接続。 プローブおよびワイヤは異なる材料で作られており、

ゼーベック係数の物理的現実を示す。


材質A:材質A


材質B:材質B


電圧計:電圧計

図3および式9の回路に基づいて、冷接点における温度(TC)を知らない限り、高温側の温度(TH)は計算できません。SA(T)、SB測定された電圧は既知である。 熱電対の初期段階では、その低コスト、容易な実装、および自己調整温度のために、0℃の温度を持つアイスポイント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。 等価回路を図1に示す

図4:図に示すように、熱電対は0℃の基準温度を必要とします。

未知の温度THを計算する。


図4に示す回路の基準温度はわかりますが、実用的ではありません

統合によってTHを得る。 したがって、一般的なタイプの熱電対標準がサポートされています

対応テーブルの対応する電圧出力によってテーブルを得ることができる

温度。 ただし、標準的な熱電対のリファレンステーブルはすべて、

0℃を基準点として描いた。


熱電対システム


現代の熱電対は、一方の端(TH)に接続された2つの異なる線からなる。 電圧は

ワイヤ対の開放端で測定される。 図5に示す等価回路によれば、

VCは式(9)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


冷接点補償


冷接点補償冷接点(TC)温度を0℃に設定して凍結することができます

実際には、基準温度としてアイスバケットを使用していません。 使用

CJC(冷接点補償)方式では、ホットジャンクション温度を算出することができます

0℃の冷接点温度を使用しないでください。 冷接点温度でさえも

必然的に一定である。 この方法は、単一の温度センサのみを用いてTC点を測定する

温度。 TCが分かれば、THを得ることができる。


冷接点温度を測定するために温度センサーを使用する場合は、このセンサーを使用しないでください

ホット側の温度を直接測定するのですか? あなたが見ることができるように、冷接点温度

ホット・ジャンクションの温度範囲よりもはるかに狭いため、温度センサは

熱電対がサポートする極限の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


上記のように、すべての標準的な熱電対参照表は、0℃の寒さで得られます

ジャンクション。 どのようにリファレンステーブルを使ってホットサイド温度を取得するのですか? 開いていることを想像してください

上記の熱電対の端部に接続し、仮想端部を温度が

0℃(図6)。 V0の値を計算することができれば、参照テーブルを使用することは非常に簡単です

対応するホット側温度。

図6:拡張熱電対を0°C接合部に接続して、未知の高温を判定する

接合部温度、TH。

V0を決定する

上の数式を再整理する:

式13の最初の項は、式10(図5から取得)と同じです。 等価電圧出力はVCであり、これは冷接点における温度が電圧計によって測定されるので既知の値である。 第2項は、ホットジャンクション温度がTCに等しく、冷接点温度が0℃に等しいときの熱電対の出力に相当します。TCは別の温度センサーによっても測定されるため、標準参照テーブルを使用して対応する式13の第2項のゼーベック電圧(Vi):

このV0値により、THにおける対応する温度は、標準

参照表。


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

次のステップに分かれています。


•温度センサで冷接点温度(TC)を測定します。


•冷接点温度を測定します。


•TCは標準参照テーブルを使用して電圧(Vi)に変換されます。


•V0 = Vi + VCを計算します。


•標準の参照テーブルを使用して、V0を温度THに変換します。


標準の熱電対参照テーブルについては、NIST ITS-90熱電対データベースを参照してください。

NIST ITS-90ウェブサイトには、各熱電対タイプの式のセットも用意されています。

ルックアップテーブルを実装できない場合の温度/電圧変換に使用

メモリやその他の理由によりマイクロコントローラを使用することはできません。

システム設計の要点


これまでの議論は、熱電対の理論的知識に限られています。 のために

実際のシステムの精度を最適化するには、注意すべき点がいくつかあります。 各デバイスは

基本的な熱電対の信号チェーン(図7)は変換精度に影響し、

エラーを最小限に抑えるために注意深く選択

図7:熱電対測定システムの基本要素には、アンプとADC、

後で未知の温度を計算することができるマイクロコントローラとを含む。


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


図7の左側から、熱電対がシステムのコネクタに接続されています

回路基板。 熱電対自体もセンサーであり、エラー源でもあります。 より長いです

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。

ノイズを効果的に低減することができます。 次の要素は増幅器であり、これは高い

入力インピーダンスは非常に重要です。これは、アンプの入力インピーダンスと熱電対

分圧器を形成するための抵抗。 アンプの入力インピーダンスが高いほど、

エラー。

加えて、増幅器は熱電対の出力を増加させ、熱電対の出力は通常ミリボルト

範囲。 アンプの高い閉ループゲインは信号とノイズの両方を増幅しますが、

ローパス・フィルタをADC入力に接続すると、ほとんどのノイズが除去されます。 温度は

非常に迅速に変化しますが、そのようなアプリケーションのADC変換レートは通常非常に低く、

1秒間に数回しかサンプリングされないため、ローパスフィルタは非常に効率的です。


最後に、オンボードの温度センサは、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

熱電対線の端部に接触するが、多くの場合、その状態は許容されない)

最良の冷接点温度測定値を得る。 冷接点測定における誤差

ホットジャンクション温度の計算に反映されます。

熱電対回路と試験結果の例


独自の熱電対測定回路を設計する場合でも、リファレンスデザインを使用する場合でも、

その正確性を検証する。 MAXREFDES67#リファレンスデザインの精度検証

(図8)

以下に説明する。


この場合、


図8:MAXREFDES67#は電圧を測定する熱電対とRTDのリファレンスデザインです

-40℃〜150℃の温度範囲で電流と測定温度を測定します。


測定誤差を最小限にする方法を説明するために、まず熱電対システムを

たとえば、マキシムのMAXREFDES67リファレンスデザインなどです。 そのエラーを検証するために

測定システムまたは任意の測定システムの既知の温度および信頼できる機器は、

比較に必要です。 この例では、3つの参照温度計を使用しました:オメガHH41

温度計(現在HH42に置き換えられている)、ETI基準温度計、およびFluke 724の温度

キャリブレータ。 MAXREFDES67#に接続されたタイプK熱電対は、Fluke 7341

校正オーブンに入れ、20℃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デバイスを参照します。 赤いドットデータは、

Fluke 724キャリブレータを基準にして0.1℃よりも高いが、以前の試験とは異なり、Fluke 724は

基準機器として使用されていません。 理想的なKタイプの熱電対出力をシミュレートし、

MAXREFDES67#の熱電対延長コードへの入力。 図9にテスト結果を示します。

図9. Omnitec EC3TC(タイプKの熱電対、20℃で校正)を使用して、

MAXREFDES67#エラー対温度とそれを他の3つの基準温度計と比較してください。

結果は非常に高い精度を示します。

総括する


熱電対は、工業用温度測定アプリケーションに多くの利点があります。

温度範囲、応答時間、コスト、耐久性などがあります。 熱電対の理論はもう少しです

私たちはそれを完全に理解して、正確な測定を行うことができます。

電圧から温度への高精度遷移。 MAXREFDES67#を使用したリファレンスデザイン

MAX11254およびMAX6126は、これらの2つのチップで、特に熱電対温度に適しています

この小さな信号に敏感な高精度測定アプリケーションの測定。 MAX11254

低ノイズと高精度を実現しながら電力を削減する、6チャネル、24ビット、デルタシグマADCです。

10回の散逸。 MAX6126は超低ノイズ、超高精度、低ドロップアウトタンデム

温度係数は3ppm /°C(max)、優れた±0.02%(max)

初期精度。