Układ pomiaru temperatury termoelementem typu K o

dużej szybkości

Paweł KowalczykMichał 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 działaniaSiła termoelektryczna termoelementu zbudowanego z metali A i B o temperaturach spoin T

0 i T

1 wyraża się wzorem:

SEMAB

(T0, T

1) = e

AB(T

1) – e

AB(T

0)

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, T

1) = S

AB*(T

1 – T

0)

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

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000-10,000

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

Temperatura [C]

STE

[mV]

Charakterystyka termometryczna termoelementu K (NiCr-NiAl)

wg. PN-81/M-53854.06 w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu

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 °CNa osi X temperatura jest zamodelowana napięciemWarunki idealne (25 °C), układ kompensacji nieaktywnySkalibrowany wzmacniacz pracuje w całym zakresie pracy

Analiza działania układu

Drugi zakres pomiarowy od 100 do 300 °CNa osi X temperatura jest zamodelowana napięciemWarunki idealne (25 °C), układ kompensacji nieaktywnySkalibrowany 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 temp zimnych końców

Leyout