थर्मोकपल: मूल सिद्धांत और डिजाइन

थर्मोकपल: मूल सिद्धांत और डिजाइन

20 वीं शुरुआत के बाद से महत्वपूर्ण तापमान माप के लिए थर्मोकॉउंस का बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है

सदी, विशेष रूप से बहुत उच्च तापमान रेंज में। कई औद्योगिक और महत्वपूर्ण प्रक्रिया के लिए

आवेदन, टी / सी और आरटीडी (प्रतिरोध तापमान डिटेक्टर) जीजी उद्धरण बन गए हैं; स्वर्ण मानक जीजी उद्धरण; के लिये

तापमान माप। हालांकि RTD में बेहतर सटीकता और दोहराव है, लेकिन अपेक्षाकृत

बोल, थर्मोकपल के निम्नलिखित फायदे हैं:

• बड़ी रेंज

• तेजी से प्रतिक्रिया समय

• कम दाम

• बेहतर स्थायित्व

• स्व-संचालित (कोई उत्तेजना संकेत की आवश्यकता)

• कोई आत्म-हीटिंग प्रभाव नहीं

हालांकि, उच्च-सटीक तापमान माप के लिए थर्मोक्यूल्स का उपयोग अधिक जटिल हो सकता है। आप अपनी माप सटीकता को ठोस सर्किट डिजाइन और अंशांकन के साथ अनुकूलित कर सकते हैं, लेकिन यह समझना कि थर्मोकपल कैसे काम करता है, आपको अपने सर्किट को डिजाइन करने या थर्मामीटर का उपयोग करने में मदद करता है।

जब एक वोल्टेज स्रोत को तार की लंबाई पर लागू किया जाता है, तो धारा दूसरी तरफ से प्रवाहित होती है

माइनस साइड, और तार गर्म होता है, जिससे ऊर्जा की हानि होती है। सीबेक प्रभाव,

1821 में थॉमस सिबेक द्वारा खोजा गया, एक रिवर्स घटना है: जब एक तापमान ढाल होता है

तार के एक टुकड़े पर लागू किया जाता है, एक क्षमता बनाई जाती है। यह थर्मोकपल का भौतिक आधार है

.

जहां ∇V वोल्टेज ढाल है, ∇T तापमान ढाल है, और S (T) सीबेक गुणांक है। सीबेक गुणांक सामग्री से संबंधित है और तापमान का एक कार्य भी है। तार के एक टुकड़े पर दो अलग-अलग तापमान बिंदुओं के बीच वोल्टेज तापमान पर Seebeck गुणांक समारोह के अभिन्न के बराबर है।

उदाहरण के लिए, चित्रा 1 में टी 1, टी 2 और टी 3 तार के एक टुकड़े पर विभिन्न बिंदुओं पर तापमान का प्रतिनिधित्व करते हैं। T1 (नीला) सबसे कम तापमान बिंदु को इंगित करता है, और T3 (लाल) उच्चतम तापमान बिंदु को इंगित करता है। T2 और T1 के बीच का वोल्टेज है:

इसी तरह, T3 और T1 के बीच का वोल्टेज है:

अभिन्न की योगात्मक प्रकृति के अनुसार, V31 भी इसके बराबर है:

थर्मोकपल वोल्टेज और तापमान रूपांतरण पर चर्चा करते समय हम इसे ध्यान में रखते हैं।

चित्रा 1: सीबेक गुणांक के अनुसार, तापमान ढाल एक वोल्टेज का निर्माण करता है

प्रवाहकीय धातु।

थर्मोकपल में दो अलग-अलग धातुएं होती हैं, तार के सीबेक गुणांक एस (टी)

आम तौर पर अलग है। चूंकि धातु का तापमान अंतर वोल्टेज अंतर पैदा कर सकता है,

दो धातुओं का उपयोग क्यों किया जाना चाहिए? यह माना जाता है कि अंजीर में तार 2 सामग्री&से बना है; एक" ;।

यदि एक वोल्टमीटर जांच सामग्री ए से बना है, तो सिद्धांत रूप में, वाल्टमीटर किसी का पता नहीं लगाएगा

वोल्टेज।

चित्रा 2: वोल्टेज माप कनेक्शन। जब जांच की सामग्री और तार समान हैं,

कोई संभावित अंतर नहीं होगा।

कारण यह है कि जब जांच तार के अंत से जुड़ी होती है, तो विस्तार के बराबर

तार। लंबे तार के दो सिरे वोल्टमीटर के इनपुट से जुड़े होते हैं और होते हैं

एक ही तापमान (TM)। यदि तार के दोनों सिरों का तापमान समान है, तो कोई वोल्टेज नहीं है

उत्पन्न हुआ। गणितीय रूप से यह साबित करने के लिए, हम पूरे संचित वोल्टेज की गणना करते हैं

धातु की अंगूठी सकारात्मक टर्मिनल से वोल्टमीटर के नकारात्मक टर्मिनल तक जाती है।

अभिन्न की लत के अनुसार, उपरोक्त समीकरण बन जाता है:

जब निचली सीमा और अभिन्न की ऊपरी सीमा समान होती है, तो एकीकरण का परिणाम V=0. है यदि जांच सामग्री B है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, तो:

उपरोक्त समीकरण को सरल बनाने के लिए, हम प्राप्त करते हैं:

समीकरण 9 दर्शाता है कि मापा वोल्टेज दो सामग्रियों के सीबेक गुणांक कार्यों के बीच अंतर के अभिन्न के बराबर है। यही कारण है कि थर्मोक्यूएंट्स दो अलग-अलग धातुओं का उपयोग करते हैं।

चित्रा 3: वोल्टेज माप कनेक्शन। जांच और तार विभिन्न सामग्रियों से बने होते हैं,

साएबेक गुणांक की भौतिक वास्तविकता का चित्रण।

सामग्री A: सामग्री A

सामग्री बी: ​​सामग्री बी

वोल्टमीटर: वोल्टमीटर

चित्रा 3 और समीकरण 9 में सर्किट के आधार पर, हम अभी भी गर्म पक्ष के तापमान (TH) की गणना नहीं कर सकते हैं जब तक कि हम ठंड जंक्शन पर तापमान (टीसी) को नहीं जानते हैं, यह देखते हुए कि SA (T), SB (T) और मापा वोल्टेज ज्ञात हैं। थर्मोकपल के शुरुआती चरणों में, 0 डिग्री सेल्सियस के तापमान के साथ एक बर्फ-बिंदु ओवन का उपयोग संदर्भ तापमान (शब्द जीजी उद्धरण; शीत अंत जीजी उद्धरण;) के रूप में किया गया था, क्योंकि इसकी कम लागत, कार्यान्वयन में आसानी, और स्व-विनियमन तापमान। बराबर सर्किट अंजीर में दिखाया गया है

चित्रा 4: थर्मोकपल को 0 ° C के संदर्भ तापमान की आवश्यकता होती है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है

अज्ञात तापमान TH की गणना करें।

यद्यपि हम चित्र 4 में दिखाए गए सर्किट के संदर्भ तापमान को जानते हैं, यह व्यावहारिक नहीं है

एकीकरण द्वारा TH प्राप्त करना। तो सामान्य प्रकार के थर्मोकपल मानक के लिए समर्थन है

संदर्भ तालिका, तालिका संबंधित वोल्टेज आउटपुट द्वारा प्राप्त की जा सकती है

तापमान। हालांकि, एक को ध्यान में रखना चाहिए कि सभी मानक थर्मोकपल संदर्भ टेबल हैं

संदर्भ बिंदु के रूप में 0 ° C पर खींचा गया।

थर्मोकपल प्रणाली

एक आधुनिक थर्मोकपल में एक छोर (TH) पर दो अलग-अलग तार जुड़े होते हैं। वोल्टेज था

तार जोड़ी के खुले अंत में मापा जाता है। छवि 5 में दिखाए गए समकक्ष सर्किट के अनुसार।

VC, अंजीर में समीकरण 9 के समान है।

चित्रा 5: ठंड जंक्शन मुआवजे के साथ आधुनिक थर्मोकपल कॉन्फ़िगरेशन।

ठंड जंक्शन मुआवजा

ठंड जंक्शन मुआवजा ठंड जंक्शन (टीसी) तापमान को ठंड के लिए 0 ° C पर सेट किया जा सकता है

बिंदु भट्ठी, लेकिन व्यवहार में, हम संदर्भ तापमान के रूप में बर्फ की बाल्टी का उपयोग नहीं करते हैं। का उपयोग करते हुए

CJC (ठंडा जंक्शन मुआवजा) विधि, गर्म जंक्शन तापमान की गणना की जा सकती है

0 ° C ठंडे जंक्शन तापमान का उपयोग किए बिना। यहां तक ​​कि ठंड जंक्शन तापमान भी नहीं है

जरूरी है निरंतर। टीसी बिंदु को मापने के लिए विधि केवल एक ही तापमान सेंसर का उपयोग करती है

तापमान। यदि TC ज्ञात है, तो TH प्राप्त किया जा सकता है।

अगर हम ठंडे जंक्शन तापमान को मापने के लिए तापमान सेंसर का उपयोग करते हैं, तो इस सेंसर का उपयोग क्यों न करें

सीधे गर्म पक्ष के तापमान को मापने के लिए? जैसा कि आप देख सकते हैं, ठंड जंक्शन तापमान

रेंज गर्म जंक्शन तापमान रेंज की तुलना में बहुत संकीर्ण है, इसलिए तापमान सेंसर नहीं करता है

थर्मोकपल द्वारा समर्थित चरम तापमान का समर्थन करने की आवश्यकता है।

गर्म अंत तापमान की गणना करने के लिए CJC का उपयोग करना

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, ठंड में सभी मानक थर्मोकपल संदर्भ तालिकाएं 0 डिग्री सेल्सियस पर प्राप्त की जाती हैं

संगम। तो गर्म पक्ष तापमान प्राप्त करने के लिए संदर्भ तालिका का उपयोग कैसे करें? खुले में शौच करने की कल्पना करें

ऊपर थर्मोकपल का अंत और एक तापमान के साथ एक जंक्शन पर काल्पनिक छोर को जोड़ना

0 डिग्री सेल्सियस (चित्रा 6)। यदि हम V0 मान की गणना कर सकते हैं, तो संदर्भ तालिका का उपयोग करना बहुत आसान है

इसी गर्म पक्ष तापमान।

चित्रा 6: अज्ञात गर्म निर्धारित करने के लिए विस्तारित थर्मोकपल को 0 ° C जंक्शन से कनेक्ट करें

जंक्शन तापमान, TH।

V0 निर्धारित करें

उपरोक्त सूत्र को फिर से व्यवस्थित करें:

समीकरण 13 में पहला शब्द समीकरण 10 (चित्र 5 से प्राप्त) के समान है। समतुल्य वोल्टेज आउटपुट कुलपति है, जो एक ज्ञात मूल्य है क्योंकि ठंडे जंक्शन पर तापमान एक वाल्टमीटर द्वारा मापा जाता है। दूसरा शब्द थर्मोकपल के आउटपुट के बराबर है जब गर्म जंक्शन तापमान टीसी के बराबर होता है और ठंडा जंक्शन तापमान 0 डिग्री सेल्सियस के बराबर होता है क्योंकि टीसी को एक अलग तापमान सेंसर द्वारा भी मापा जाता है, हम इसी को खोजने के लिए मानक संदर्भ तालिका का उपयोग कर सकते हैं। समीकरण 13 में दूसरे कार्यकाल के लिए सीबेक वोल्टेज (वीआई):

इस V0 मान के साथ, TH पर संगत तापमान मानक से निर्धारित किया जा सकता है

संदर्भ तालिका।

प्रक्रिया के गर्म अंत के तापमान की गणना करने के लिए ठंड जंक्शन मुआवजे का उपयोग

निम्नलिखित चरणों में विभाजित है:

• तापमान संवेदक के साथ ठंडे जंक्शन तापमान (टीसी) को मापें।

• ठंड जंक्शन तापमान को मापें।

• टीसी को मानक संदर्भ तालिका के माध्यम से वोल्टेज (वीआई) में परिवर्तित किया जाता है।

• V0=Vi + कुलपति की गणना करें।

• मानक संदर्भ तालिका का उपयोग करके V0 को तापमान TH में बदलें।

मानक थर्मोकपल संदर्भ तालिकाओं के लिए NIST ITS-90 थर्मोकपल डेटाबेस देखें।

NIST ITS-90 वेबसाइट प्रत्येक थर्मोकपल प्रकार के लिए सूत्रों का एक सेट प्रदान करती है जो हो सकता है

तापमान-से-वोल्टेज रूपांतरण के लिए उपयोग किया जाता है यदि लुक-अप तालिका में लागू नहीं किया जा सकता है

स्मृति या अन्य कारणों के कारण माइक्रोकंट्रोलर।

सिस्टम डिज़ाइन के मुख्य बिंदु

अब तक, उपरोक्त चर्चा थर्मोकपल के सैद्धांतिक ज्ञान तक सीमित है। के लिए

वास्तविक प्रणाली की सटीकता का अनुकूलन, ध्यान देने योग्य कुछ बातें हैं। में प्रत्येक डिवाइस

बुनियादी थर्मोकपल सिग्नल श्रृंखला (चित्र 7) रूपांतरण सटीकता को प्रभावित करेगी और होनी चाहिए

त्रुटियों को कम करने के लिए सावधानी से चुना गया।

चित्रा 7: एक थर्मोकपल माप प्रणाली के मूल तत्वों में एक एम्पलीफायर और एडीसी शामिल हैं,

और एक माइक्रोकंट्रोलर जो अज्ञात तापमान की गणना बाद में कर सकता है।

सिस्टम बोर्ड: सिस्टम बोर्ड

एम्पलीफायर: एम्पलीफायर

टेम्प सेंसर: तापमान सेंसर

चित्रा 7 के बाईं ओर से, थर्मोकपल सिस्टम के कनेक्टर से जुड़ा हुआ है

सर्किट बोर्ड। थर्मोकपल स्वयं भी एक सेंसर है और एक त्रुटि स्रोत भी हो सकता है। लंबे समय तक

थर्मोक्यूल्स आसानी से आसपास के वातावरण के विद्युत चुम्बकीय शोर को उठा सकते हैं;

परिरक्षित तार शोर को प्रभावी ढंग से कम कर सकते हैं। अगला तत्व एम्पलीफायर है, जिसमें एक उच्च है

इनपुट प्रतिबाधा बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि एम्पलीफायर इनपुट प्रतिबाधा और थर्मोकपल

वोल्टेज विभक्त बनाने के लिए प्रतिरोध। एम्पलीफायर का इनपुट प्रतिबाधा जितना अधिक होगा, छोटा होगा

त्रुटि।

इसके अलावा, एम्पलीफायर थर्मोकपल आउटपुट बढ़ाता है, थर्मोकपल आउटपुट आमतौर पर मिलिवोल्ट होता है

सीमा। हालांकि एम्पलीफायर जीजी का उच्च बंद-लूप लाभ सिग्नल और शोर दोनों को बढ़ाता है, एक जोड़

ADC इनपुट के लिए कम-पास फ़िल्टर शोर को समाप्त करता है। क्योंकि तापमान नहीं होता है

बहुत तेज़ी से बदलते हैं, ऐसे अनुप्रयोगों के लिए एडीसी रूपांतरण दर आमतौर पर बहुत कम है - यह हो सकता है

प्रति सेकंड केवल कुछ बार नमूना, इसलिए कम-पास फिल्टर बहुत कुशल है।

अंत में, ऑनबोर्ड तापमान संवेदक को शीत अंत कनेक्टर (आदर्श रूप से) के बहुत करीब होने की आवश्यकता है

थर्मोकपल तार के अंत के संपर्क में, लेकिन कई मामलों में स्थिति की अनुमति नहीं है)

सबसे अच्छा ठंड जंक्शन तापमान माप प्राप्त करने के लिए। ठंड जंक्शन माप में कोई त्रुटि

गर्म जंक्शन तापमान गणना में परिलक्षित होगा।

थर्मोकपल सर्किट के उदाहरण और परीक्षण के परिणाम

चाहे अपने स्वयं के थर्मोकपल माप सर्किट को डिजाइन करना या एक संदर्भ डिजाइन का उपयोग करना हो, आपको आवश्यकता है

इसकी सटीकता को सत्यापित करने के लिए। MAXREFDES67 # संदर्भ डिज़ाइन का सटीक सत्यापन

(आंकड़ा 8)

नीचे वर्णित है।

इस मामले में,

चित्र 8: MAXREFDES67 # थर्मोकोल और आरटीडी के लिए एक संदर्भ डिज़ाइन है जो वोल्टेज को मापता है

और -40 डिग्री सेल्सियस से 150 डिग्री सेल्सियस तापमान रेंज में वर्तमान और माप तापमान।

माप त्रुटियों को कम करने का तरीका बताने के लिए, हम पहले थर्मोकपल प्रणाली को एक के रूप में लेते हैं

उदाहरण, जैसे कि मैक्सिम जीजी का MAXREFDES67 संदर्भ डिज़ाइन। की त्रुटि को सत्यापित करने के लिए

माप प्रणाली या किसी भी माप प्रणाली, एक ज्ञात तापमान और एक विश्वसनीय उपकरण हैं

तुलना के लिए आवश्यक है। इस उदाहरण में, हमने तीन संदर्भ थर्मामीटर का उपयोग किया: ओमेगा एचएच 41

थर्मामीटर (अब HH42 द्वारा प्रतिस्थापित), ETI संदर्भ थर्मामीटर और फ्लूक 724 तापमान

अंशशोधक। MAXREFDES67 # से जुड़ी एक प्रकार K थर्मोकपल को Fluke 7341 में रखा गया है

अंशांकन ओवन और 20 डिग्री सेल्सियस पर कैलिब्रेट किया गया। नीला डॉट डेटा ओमेगा एचएच 41 द्वारा संदर्भित है, और

ग्रीन डॉट डेटा ETI डिवाइस के लिए संदर्भित है। लाल बिंदु डेटा कम की अधिकतम त्रुटि दिखाता है

फ्लूक 724 कैलिब्रेटर के आधार पर 0.1 डिग्री सेल्सियस से अधिक, लेकिन पिछले परीक्षण के विपरीत, फ्लूक 724 था

संदर्भ साधन के रूप में उपयोग नहीं किया जाता है। आदर्श K- प्रकार के थर्मोकपल आउटपुट का अनुकरण करें, और कनेक्ट करें

MAXREFDES67 # का थर्मोकपल एक्सटेंशन कॉर्ड में इनपुट। चित्रा 9 परीक्षण के परिणाम दिखाता है।

चित्रा 9. Omnitec EC3TC (टाइप K थर्मोकपल, 20 डिग्री सेल्सियस पर कैलिब्रेटेड) का उपयोग करके, का मूल्यांकन करें

MAXREFDES67 # तापमान बनाम त्रुटि और अन्य तीन संदर्भ थर्मामीटरों से इसकी तुलना करें।

परिणाम बहुत अधिक सटीकता दिखाते हैं।

सारांश में

थर्मोकोल के औद्योगिक तापमान माप अनुप्रयोगों में कई फायदे हैं, जिनमें शामिल हैं

तापमान रेंज, प्रतिक्रिया समय, लागत और स्थायित्व। थर्मोकपल सिद्धांत थोड़ा अधिक है

जटिल है, लेकिन हमें इसे पूरी तरह से समझना चाहिए ताकि हम सटीक माप भी कर सकें

वोल्टेज से तापमान तक उच्च-सटीक संक्रमण। MAXREFDES67 # संदर्भ डिज़ाइन का उपयोग करना

MAX11254 और MAX6126 इन दो चिप्स, विशेष रूप से थर्मोकपल तापमान के लिए उपयुक्त हैं

इस छोटे सिग्नल-संवेदनशील, उच्च-सटीक माप अनुप्रयोगों का मापन। MAX11254

एक 6-चैनल, 24-बिट, डेल्टा-सिग्मा एडीसी है जो शक्ति को कम करते हुए कम शोर और सटीकता प्राप्त करता है

10 बार से अपव्यय। MAX6126 बहुत कम शोर, अल्ट्रा-हाई सटीकता, कम ड्रॉपआउट टेंडेम है

वोल्टेज संदर्भ, तापमान गुणांक 3ppm / ° C (अधिकतम), एक उत्कृष्ट 2 0.02% (अधिकतम) के साथ

प्रारंभिक सटीकता।