Método de compensación de unión fría para instrumentos de medición de temperatura basados en termopar
El termopar es un tipo de sensor de temperatura de uso común. Utiliza el efecto termoeléctrico para medir la temperatura según la fuerza electromotriz termoeléctrica producida por la diferencia de temperatura entre los extremos calientes y fríos. Tiene las ventajas de una alta precisión de medición, estructura simple y uso conveniente. Ha sido ampliamente utilizado en instrumentos de medición de temperatura. El método general de compensación de la unión fría tiene una gran influencia en el resultado de la medición debido a su estructura complicada, gran ruido y poca linealidad.
1 Método de compensación de unión fría de termopar universal
1.1 Principio del método de compensación del puente
Como se muestra en la Figura 1, donde R1, R2, R3 tienen la misma resistencia. Hecho de cobre de manganeso con un coeficiente de temperatura de aproximadamente cero, es decir, su resistencia no cambia con la temperatura. Rt utiliza la resistencia térmica PT1000, que se encuentra en el mismo campo de temperatura que la unión fría del termopar, y su valor de resistencia cambia con la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la resistencia aumenta. Cuando la temperatura de la unión fría es cero, R1 = R3 = R2 = R1, lo que hace que la salida del puente sea cero. Si la temperatura de la unión fría aumenta, el potencial termoeléctrico del termopar disminuirá y se producirá el error de medición. Pero en este momento, la resistencia de PT1000 aumentará con el aumento de la temperatura, entonces el puente de compensación estará desequilibrado y el valor de salida no será cero. El valor de cambio de la salida del puente es el mismo que el del potencial termoeléctrico de termopar, y la dirección de cambio de los dos es opuesta. Los dos se cancelan entre sí para que la salida total no cambie con el cambio de temperatura final fría.
1.2 Registro de datos experimentales
El potencial termoeléctrico del termopar tipo K se simuló con un generador de voltaje de milivoltios durante el experimento. Después de que se completa la conversión A / D en la placa de circuito, la computadora superior se carga a través de la MCU, y la computadora host convierte el valor A / D en temperatura y se muestra. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 1.
Este método requiere alta precisión para R1, R2 y R3, y ruido V +, la deriva de temperatura es pequeña y la estabilidad es alta. Para cumplir con los requisitos experimentales, es necesario hacer que el puente sea un valor adecuado y la depuración es difícil.
Cuando se realiza una medición multicanal, se deben organizar múltiples dispositivos y la estructura es complicada.
2 Nuevo método para compensación de unión fría de termopar
2.1 Principio
Este método mide la temperatura de la unión fría del PT1000. Después de la conversión A / D, el valor de resistencia se transfiere de MCU a PC, que el software convierte en valor de voltaje y se agrega al voltaje del termopar. Luego, la influencia del cambio de temperatura en el extremo frío se elimina mediante un bloque de compensación, para compensar.
2.2 Diseño del bloque de compensación
El dispositivo principal para la compensación del extremo frío de este método es una pieza de aluminio con buena conductividad térmica, y su estructura se muestra en la figura 2.
Se taladran tres agujeros pasantes en el eje central transversal del bloque de aluminio cuboide y se cortan a lo largo del eje central transversal. En el proceso de cableado posterior, los dos cables de compensación se presionan como dos agujeros pasantes a la izquierda y a la derecha, y los agujeros pasantes medios se presionan en la resistencia térmica PT1000. Para garantizar la uniformidad de la conducción de calor durante el proceso de prensado, los diámetros de la resistencia térmica y el cable de compensación deben ser consistentes y estar completamente en contacto con el bloque de compensación, y el material de aislamiento debe ser el mismo.
2.3 Diseño del circuito de compensación
Como se muestra en la Figura 3, el termopar se conecta a la placa de compensación en la caja de instrumentos a través del cable de compensación y luego se conecta a la placa de circuito dentro de la caja a través del cable Cu.
El bloque de compensación y la unión fría del termopar están en la caja de instrumentos.
El PT1000 se usa para medir la temperatura dentro de la caja de instrumentos. Toc es la temperatura ambiente fuera de la caja de instrumentos.
Debido a los requisitos del diseño del programa, cuando el circuito de compensación no está conectado, la computadora superior muestra que la temperatura T1 es la temperatura real Tr en A más la temperatura Tb en la caja, es decir, T1 = Tr + Tb. En el uso real del instrumento, la temperatura dentro del cuadro de temperatura cambiará. Para evitar la influencia del cambio de temperatura dentro de la caja en la temperatura real medida, el circuito de compensación de acceso está diseñado.
Cuando la temperatura dentro de la caja de instrumentos aumenta, la computadora superior mostrará la temperatura T1 a medida que aumenta la temperatura dentro de la caja. Después de agregar el circuito de compensación, el bloque de compensación se calienta uniformemente en la caja, y ambos extremos del cable de compensación están en el mismo campo de temperatura que el PT1000. El voltaje generado por el cable de compensación puede compensar la influencia del cambio de temperatura en el extremo frío, asegurando que el valor medido no se ve afectado por el cambio de temperatura dentro de la caja, y solo está relacionado con la temperatura ambiente Tc fuera de la caja, que es decir, T1 = Tr + Tc.
2.4 Registro de datos experimentales
El proceso experimental es similar al del método del puente. Se utiliza un generador de voltaje de milivoltios para simular el potencial termoeléctrico del termopar de tipo K. Después de que se completa la conversión A / D en la placa de circuito, la computadora superior se carga a través de la MCU, y la computadora host convierte el valor A / D en temperatura y se muestra. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 2.
Como se puede ver en la tabla anterior, el método de compensación tiene mayor precisión, el error está dentro de 1 ° C y la linealidad es buena. En la medición multicanal, solo se pueden agregar unos pocos conjuntos de orificios pasantes al bloque de compensación, y la estructura es simple para satisfacer las necesidades de las aplicaciones industriales.
3 Comparación y análisis de datos entre el método de bloque de compensación y el método de puente
Según los datos de la Tabla 1 y la Tabla 2, las curvas de error de los dos métodos a diferentes temperaturas se hacen respectivamente con el voltaje de entrada como la abscisa y el valor de error como la ordenada, como se muestra en la Fig. 4 y la Fig. 5.
Como se puede ver en el gráfico de la Fig. 5, la linealidad del método del puente es pobre. Debido a que las características de entrada y salida del termopar y las características de salida del puente de compensación son no lineales y no coinciden, el error de compensación se puede compensar por completo dentro del rango de compensación solo a la temperatura final fría correspondiente al punto de intersección de Las dos curvas. Otras temperaturas de unión fría solo pueden compensarse parcialmente, y hay un error de compensación. En uso real, se necesitan circuitos más complejos para reducir el error debido a la no linealidad.
A partir de las cuatro curvas del método de bloque de compensación de la Fig. 4, se puede ver que el error máximo no excede 1 ° C y la linealidad es mejor, lo que puede cumplir con mayor precisión los requisitos de medición.
4. Conclusión
El método de compensación de unión fría basado en termopar basado en termopar es simple, estable, de bajo ruido y buena linealidad. Cuando se realiza una medición multicanal, solo necesita perforar algunos agujeros pasantes en el bloque de compensación para presionar el cable de compensación en él, y la precisión de la medición se garantiza bajo la premisa de controlar el costo, y se alcanza el índice técnico .
1 Método de compensación de unión fría de termopar universal
1.1 Principio del método de compensación del puente
Como se muestra en la Figura 1, donde R1, R2, R3 tienen la misma resistencia. Hecho de cobre de manganeso con un coeficiente de temperatura de aproximadamente cero, es decir, su resistencia no cambia con la temperatura. Rt utiliza la resistencia térmica PT1000, que se encuentra en el mismo campo de temperatura que la unión fría del termopar, y su valor de resistencia cambia con la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la resistencia aumenta. Cuando la temperatura de la unión fría es cero, R1 = R3 = R2 = R1, lo que hace que la salida del puente sea cero. Si la temperatura de la unión fría aumenta, el potencial termoeléctrico del termopar disminuirá y se producirá el error de medición. Pero en este momento, la resistencia de PT1000 aumentará con el aumento de la temperatura, entonces el puente de compensación estará desequilibrado y el valor de salida no será cero. El valor de cambio de la salida del puente es el mismo que el del potencial termoeléctrico de termopar, y la dirección de cambio de los dos es opuesta. Los dos se cancelan entre sí para que la salida total no cambie con el cambio de temperatura final fría.
1.2 Registro de datos experimentales
El potencial termoeléctrico del termopar tipo K se simuló con un generador de voltaje de milivoltios durante el experimento. Después de que se completa la conversión A / D en la placa de circuito, la computadora superior se carga a través de la MCU, y la computadora host convierte el valor A / D en temperatura y se muestra. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 1.
Este método requiere alta precisión para R1, R2 y R3, y ruido V +, la deriva de temperatura es pequeña y la estabilidad es alta. Para cumplir con los requisitos experimentales, es necesario hacer que el puente sea un valor adecuado y la depuración es difícil.
Cuando se realiza una medición multicanal, se deben organizar múltiples dispositivos y la estructura es complicada.
2 Nuevo método para compensación de unión fría de termopar
2.1 Principio
Este método mide la temperatura de la unión fría del PT1000. Después de la conversión A / D, el valor de resistencia se transfiere de MCU a PC, que el software convierte en valor de voltaje y se agrega al voltaje del termopar. Luego, la influencia del cambio de temperatura en el extremo frío se elimina mediante un bloque de compensación, para compensar.
2.2 Diseño del bloque de compensación
El dispositivo principal para la compensación del extremo frío de este método es una pieza de aluminio con buena conductividad térmica, y su estructura se muestra en la figura 2.
Se taladran tres agujeros pasantes en el eje central transversal del bloque de aluminio cuboide y se cortan a lo largo del eje central transversal. En el proceso de cableado posterior, los dos cables de compensación se presionan como dos agujeros pasantes a la izquierda y a la derecha, y los agujeros pasantes medios se presionan en la resistencia térmica PT1000. Para garantizar la uniformidad de la conducción de calor durante el proceso de prensado, los diámetros de la resistencia térmica y el cable de compensación deben ser consistentes y estar completamente en contacto con el bloque de compensación, y el material de aislamiento debe ser el mismo.
2.3 Diseño del circuito de compensación
Como se muestra en la Figura 3, el termopar se conecta a la placa de compensación en la caja de instrumentos a través del cable de compensación y luego se conecta a la placa de circuito dentro de la caja a través del cable Cu.
El bloque de compensación y la unión fría del termopar están en la caja de instrumentos.
El PT1000 se usa para medir la temperatura dentro de la caja de instrumentos. Toc es la temperatura ambiente fuera de la caja de instrumentos.
Debido a los requisitos del diseño del programa, cuando el circuito de compensación no está conectado, la computadora superior muestra que la temperatura T1 es la temperatura real Tr en A más la temperatura Tb en la caja, es decir, T1 = Tr + Tb. En el uso real del instrumento, la temperatura dentro del cuadro de temperatura cambiará. Para evitar la influencia del cambio de temperatura dentro de la caja en la temperatura real medida, el circuito de compensación de acceso está diseñado.
Cuando la temperatura dentro de la caja de instrumentos aumenta, la computadora superior mostrará la temperatura T1 a medida que aumenta la temperatura dentro de la caja. Después de agregar el circuito de compensación, el bloque de compensación se calienta uniformemente en la caja, y ambos extremos del cable de compensación están en el mismo campo de temperatura que el PT1000. El voltaje generado por el cable de compensación puede compensar la influencia del cambio de temperatura en el extremo frío, asegurando que el valor medido no se ve afectado por el cambio de temperatura dentro de la caja, y solo está relacionado con la temperatura ambiente Tc fuera de la caja, que es decir, T1 = Tr + Tc.
2.4 Registro de datos experimentales
El proceso experimental es similar al del método del puente. Se utiliza un generador de voltaje de milivoltios para simular el potencial termoeléctrico del termopar de tipo K. Después de que se completa la conversión A / D en la placa de circuito, la computadora superior se carga a través de la MCU, y la computadora host convierte el valor A / D en temperatura y se muestra. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 2.
Como se puede ver en la tabla anterior, el método de compensación tiene mayor precisión, el error está dentro de 1 ° C y la linealidad es buena. En la medición multicanal, solo se pueden agregar unos pocos conjuntos de orificios pasantes al bloque de compensación, y la estructura es simple para satisfacer las necesidades de las aplicaciones industriales.
3 Comparación y análisis de datos entre el método de bloque de compensación y el método de puente
Según los datos de la Tabla 1 y la Tabla 2, las curvas de error de los dos métodos a diferentes temperaturas se hacen respectivamente con el voltaje de entrada como la abscisa y el valor de error como la ordenada, como se muestra en la Fig. 4 y la Fig. 5.
A partir de las cuatro curvas del método de bloque de compensación de la Fig. 4, se puede ver que el error máximo no excede 1 ° C y la linealidad es mejor, lo que puede cumplir con mayor precisión los requisitos de medición.
4. Conclusión
El método de compensación de unión fría basado en termopar basado en termopar es simple, estable, de bajo ruido y buena linealidad. Cuando se realiza una medición multicanal, solo necesita perforar algunos agujeros pasantes en el bloque de compensación para presionar el cable de compensación en él, y la precisión de la medición se garantiza bajo la premisa de controlar el costo, y se alcanza el índice técnico .
