PRINCIPIILE TERMOCUPLULUI

Natura gradientului termocuplelor

Termocuplele (TC) sunt probabil cele mai utilizate și cele mai puțin înțelese dintre toate dispozitivele de măsurare a temperaturii. Atunci când sunt conectate în perechi, TC sunt senzori simpli și eficienți care produc o tensiune DC extrem de mică, proporțională cu diferența de temperatură dintre cele două joncțiuni într-un circuit termoelectric închis (vezi figura 6.01). O joncțiune este ținută în mod normal la o temperatură de referință constantă, în timp ce joncțiunea opusă este imersată în mediul care urmează să fie măsurat. Principiul de funcționare depinde de valoarea unică a emf (tensiunea electromotoare) termice măsurată între capetele deschise ale conductoarelor și joncțiunea a două metale diferite ținute la o anumită temperatură.

Fig. 6.01. Un sistem de măsurare cu termocuplu necesită doi senzori, unul pentru mediul de măsurat și altul, o joncțiune de referință, ținută normal la 0˚C (32˚F). Tipul -T este unul dintre cele mai comune termocuple utilizate frecvent în aplicațiile de măsurare a temperaturii. El este făcut din cupru și constantan și funcționează, tipic, de la –270 la +400˚C sau –454 la +752˚F.

Principiul se numește Efect Seebeck, numit după descoperitor. Valoarea tensiunii prezentă la capetele deschise ale senzorului și gama de temperaturi pe care dispozitivul le poate măsura depind de coeficientul Seebeck, care, la rândul său, depinde de compoziția chimică a materialelor care compun firele termocuplului. Tensiunea Seebeck se calculează cu:

Ecuația 6.01. Tensiunea Seebeck: ∆eAB = α∆T

unde:
eAB = tensiunea Seebeck
T = temperatura la joncțiunea termocuplu
α = coeficientul Seebeck
∆ = o variație mică a tensiunii corespunde unei mici variații a temperaturii

Numai joncțiunile termocuplelor singure nu generează tensiuni. Tensiunea sau diferența de potențial care se dezvoltă la capătul de ieșire (deschis) este o funcție atât de temperatura joncțiunii T1, cât și de temperatura capătului deschis T1'. T1' trebuie menținut la o temperatură constantă, cum ar fi 0°C, pentru a se asigura că tensiunea la capătul deschis se schimbă proporțional cu variațiile de temperatură în T1. În principiu, un TC poate fi fabricat din oricare două metale diferite, cum ar fi nichelul și fierul. În practică, doar câteva tipuri TC au devenit standard, deoarece coeficienții lor de temperatură sunt foarte repetabili, sunt rezistente și produc tensiuni relativ mari. Cele mai comune tipuri de termocupluri sunt J, K, T și E, urmate de N28, N14, S, R și B (vezi tabelul din figura 6.02).

Fig. 6.02. Tabele emf (tensiunea electromotoare) ale termocuplelor de la NIST (National Institute of Standards and Technology) publică ieșirea emf a unui termocuplu bazat pe o joncțiune de termocuplu de referință corespondent ținută la 0˚C.

Teoretic, temperatura joncțiunii poate fi dedusă din tensiunea Seebeck prin consultarea tabelelor standard. În practică însă, această tensiune nu poate fi utilizată direct deoarece conexiunea cu firul termocuplu la terminalul de cupru de la dispozitivul de măsurare constituie o joncțiune de termocuplu (cu excepția cazului în care conductorul TC este de asemenea cupru) și emite o altă emf care trebuie compensată.

Compensarea joncțiunii reci

Un termocuplu cu joncțiune de referință rece imersat într-o baie de apă cu gheață și conectat în serie cu termocuplu de măsurare este metoda clasică utilizată pentru a compensa emf-ul la bornele instrumentului (vezi figura 6.03). În acest exemplu, ambele cabluri de cupru se conectează la terminalele de intrare ale instrumentului. O metodă alternativă utilizează un singur termocuplu cu conexiunea de cupru/constantan imersată în baia de apă cu gheață de referință, reprezentată și în figura 6.03.

Fig. 6.03. Dacă J2 este un termocuplu cumpărat sau nu, joncțiunea formată de constantan și firele de legătură din cupru la J2 trebuie să fie plasate în baie de gheață pentru compensarea temperaturii.

Joncțiunea J2 a termocuplului de constantan/cupru din baia de gheață contribuie cu o mică emf care se scade din emf de la termocuplul J1, astfel încât tensiunea măsurată la terminalele de intrare ale instrumentului sau ale sistemului de achiziție de date corespunde cu exactitate tabelelor NIST. De asemenea, firele de cupru conectate la bornele de cupru de pe blocul izotermic al instrumentului nu au nevoie de compensare deoarece sunt toate de cupru la aceeași temperatură. Citirea tensiunii provine în întregime de la firul termocuplu constantan/cupru ajustat de NIST.

Exemplul de mai sus este un caz special, totuși, deoarece un conductor din termocuplul tip-T este din cupru. Un termocuplu constantan/fier, pe de altă parte, are nevoie de o analiză suplimentară (a se vedea figura 6.04).

Fig. 6.04. O legătură a unui termocuplu tip-T este din cupru, astfel că ea nu necesită compensarea temperaturii când este conectată la terminale de cupru. Un termoclu tip J constantan/fier, pe de altă parte, necesită a privire mai atentă. J2 rămâne constantă în baia de gheață, iar J1 măsoară mediul. Deși J3 și J4 sunt efectiv joncțiuni de termocuplu, ele sunt la aceeași temperatură pe blocul izotermic, astfel că ele generează tensiuni egale și de semn contrar și se anulează. Fără un bloc izotermic, legăturile cu fire de cupru ar trebui adăugate între terminalul de intrare și legăturile cupru/fier, iar joncțiunile cupru/fier (J3 și J4) ar trebui ținute într-o baie de gheață.

Aici, J2 din baia de gheață este menținut constant, iar J1 măsoară mediul. Deși J3 și J4 sunt în mod efectiv joncțiuni de termocuplu, ele se află la aceeași temperatură pe blocul izotermic, deci produc tensiuni egale și opuse și astfel se anulează. Tensiunea netă este atunci ieșirea J1 a termocuplului reprezentând T1, calibrată în tabelul standard NIST. Dacă blocul I/O nu este izotermic, se vor adăuga cabluri de cupru între borna de intrare și conductorii de cupru/fier, iar joncțiunile de cupru/fier (J3 și J4) vor trebui ținute într-o baie cu gheață, așa cum este ilustrat în figura 6.05.

Fig. 6.05. Conectarea firelor chromel și alumel la legăturile de cupru constituie joncțiuni adiționale de termocuplu care trebuie să fie ținute la aceeași temperatură constantă. Ele generează potențiale egale și de semn contrar care previn contribuirea lor la ieșirea de tensiune de la termocuplul chromel/alumel.

Compensarea software

Băile cu gheață și joncțiunile de referință multiple în instalații de testare mari sunt dificil de instalat și întreținut și, din fericire, toate pot fi eliminate. Baia cu gheață poate fi ignorată atunci când temperatura firelor de legătură și a punctelor joncțiunilor de referință (blocul terminalului izotermic al instrumentului) este aceeași. Corecția emf necesară la terminale poate fi menționată și compensată conform standardelor NIST prin intermediul software-ului calculatorului.

În cazul în care băile cu gheață sunt eliminate, este totuși necesară o compensare a joncțiunii reci (CJC), pentru a obține măsurători exacte ale termocuplelor. Software-ul trebuie să citească temperatura blocului izotermic. O tehnică utilizată pe scară largă este un termistor, montat în apropierea blocului terminal izotermic care se conectează la legăturile termocuplului extern. Nu sunt permise gradiente de temperatură în regiunea care conține termistorul și terminalele (vezi figura 6.06).

Fig. 6.06. Un senzor termistor plasat lângă conexiunile firelor de legătură este o metodă alternativă de a înlocui baia cu gheață. Temperatura măsurată este diferența dintre temperatura termocuplului și temperatura termistorului de referință.

Tipul de termocuplu folosit este preprogramat pentru canalul său respectiv, iar datele dinamice de intrare pentru software includ temperatura blocului izotermic și temperatura măsurată a mediului. Software-ul utilizează temperatura blocului izotermic și tipul de termocuplu pentru a căuta valoarea temperaturii măsurate corespondente tensiunii sale într-un tabel, sau calculează mult mai repede temperatura cu o ecuație polinomială. Metoda permite conectarea simultană a numeroase canale de termocuple, de diferite tipuri, în timp ce computerul se ocupă automat de toate conversiile.

Compensarea hardware

Deși o abordare polinomică este mai rapidă decât un tabel de căutare, o metodă hardware este chiar mai rapidă, deoarece tensiunea corectă este imediat disponibilă pentru a fi scanată. O metodă constă în introducerea unei baterii în circuit pentru a anula tensiunea de offset de la joncțiunea de referință, astfel încât efectul net să fie egal cu o joncțiune la 0°C. O abordare mai practică bazată pe acest principiu este o "referință electronică a punctului de gheață", care generează o tensiune de compensare în funcție de circuitul de detectare a temperaturii alimentat de o baterie sau o sursă de tensiune similară (a se vedea figura 6.07A). Tensiunea respectivă corespunde unei joncțiuni de referință echivalentă la 0°C.

Fig. 6.07A. Un număr de circuite electronice sau module pot înlocui baia cu gheață. Rezistorul sensibil la temperatură modifică valoarea calibrată a tensiunii e proporțional cu valoarea cerută a compensării de temperatură.

Type Mixing

Sistemele de testare cu termocuple măsoară frecvent zeci la sute de puncte simultan. Pentru a gestiona convenabil un număr atât de mare de canale fără complicațiile unor TC-uri separate, de compensare unice, modulele de scanare cu termocuplu vin cu mai multe canale de intrare și pot accepta simultan oricare dintre diferitele tipuri de termocuple pe orice canal. Acestea conțin blocuri terminale de intrare bazate în special pe cupru, cu numeroși senzori de compensare a joncțiunii reci, pentru a asigura citiri exacte, indiferent de tipul de senzor utilizat. Mai mult, modulul conține un canal automat de aducere la zero integrat, precum și canalul de compensare a jonctiunii reci. Deși viteza de măsurare este relativ mai lentă decât majoritatea celorlalte tipuri de module de scanare, citirile sunt exacte, cu zgomot redus, stabile și captate numai în ms. De exemplu, un canal TC poate fi măsurat în 3 ms, 14 canale TC în 16 ms și până la 56 canale în 61 ms. Preciziile de măsurare tipice sunt mai bune decât 0,7°C, variația canal-canal fiind de obicei mai mică de 0,5°C (a se vedea figura 6.07B).

Fig. 6.07B. Un modul tipic de scanare a intrărilor poate lucra cu până la 56 termocuple de orice tip, și până la 896 canale pot fi conectate la un mainframe analogic-digital.

Liniarizarea

După configurarea emf de referință, echivalentă cu punctul de gheață, fie în hardware, fie în software, ieșirea termocuplului măsurată trebuie convertită la o citire de temperatură. Ieșirea termocuplului este proporțională cu temperatura joncțiunii TC, dar nu este perfect liniară pe o gamă foarte largă. (Consultați liniarizarea, capitolul 5. )

Metoda standard pentru obținerea unei precizii de conversie ridicate pentru orice temperatură utilizează valoarea tensiunii măsurate a termocuplului conectată într-o ecuație caracteristică pentru respectivul tip de termocuplu. Ecuația este un polinom cu un ordin de la șase la zece. Tabelul NIST din Figura 5.32 enumeră coeficienții polinomiali pentru unele termocuple comune. Calculatorul gestionează automat calculul, însă polinoamele de înalt ordin necesită un timp semnificativ pentru procesare. Pentru a accelera calculul, curba caracteristică a termocuplului este împărțită în mai multe segmente. Fiecare segment este apoi aproximat printr-un polinom de ordin inferior.

Circuitele analogice se folosesc ocazional pentru a lineariza curbele, dar când metoda polinomului nu este utilizată, ieșirea termocuplului se conectează frecvent la intrarea unui ADC unde se obține potrivirea corectă a tensiunii cu temperatura dintr-un tabel stocat în memoria calculatorului. De exemplu, un card TC al unui sistem de achiziție a datelor include un driver de software care conține o bibliotecă de conversie a temperaturii. Schimbă canalele TC binare brute și informația CJC în citiri de temperatură. Unele pachete software pentru sisteme de achiziție de date furnizează informația CJC și liniarizează automat termocuplele conectate la sistem.

CAPCANELE MĂSURĂRII CU TERMOCUPLE

Medii zgomotoase

Deoarece termocuplele generează o tensiune relativ mică, zgomotul este întotdeauna o problemă. Cea mai obișnuită sursă de zgomot este linia electrică de alimentare (50 sau 60 Hz). Deoarece lățimea de bandă a termocuplului este mai mică de 50 Hz, un filtru simplu în fiecare canal poate reduce zgomotul de linie AC de interferență. Filtrele frecvente includ rezistoare și condensatoare și filtre active, construite în jurul op-amp. Deși un filtru pasiv RC este ieftin și funcționează bine pentru circuitele analogice, nu este recomandat pentru un front-end multiplexat, deoarece sarcina multiplexorului poate schimba caracteristicile filtrului. Pe de altă parte, un filtru activ compus dintr-un op amp și câteva componente pasive funcționează bine, dar este mai scump și mai complex. Mai mult, fiecare canal trebuie calibrat pentru a compensa erorile de câștig și de offset (a se vedea figura 6.08).

Asamblare termocuplu

Termocuplele sunt perechi răsucite de fire diferite care sunt lipite sau sudate împreună la joncțiune. Atunci când nu sunt asamblate corect, pot produce o varietate de erori. De exemplu, firele nu ar trebui să fie răsucite împreună pentru a forma o joncțiune; acestea ar trebui să fie lipite sau sudate. Cu toate acestea, lipirea este suficientă numai la temperaturi relativ scăzute, de obicei mai mici de 200°C. Și deși lipirea introduce și un al treilea metal, cum ar fi un aliaj de plumb/staniu, probabil că nu va introduce erori dacă ambele părți ale joncțiunii sunt la aceeași temperatură. Se preferă sudarea joncțiunii, însă trebuie făcută fără a schimba caracteristicile firelor. Joncțiunile de termocuple fabricate comercial sunt în mod obișnuit îmbinate de sudori cu descărcare capacitivă care asigură uniformitatea și previne contaminarea.

Termocuplele pot deveni necalibrate și indică o temperatură greșită atunci când confecționarea fizică a firului este alterată. Apoi, nu poate respecta standardele NIST. Schimbarea poate veni dintr-o varietate de surse, inclusiv expunerea la temperaturi extreme, prelucrarea la rece a metalului, stresul plasat pe cablu atunci când este instalat, vibrațiile sau gradientele de temperatură.

Ieșirea termocuplului poate varia și atunci când rezistența sa de izolație scade odată cu creșterea temperaturii. Schimbarea este exponențială și poate produce o rezistență de scurgere atât de scăzută încât să ocolească un circuit de detectare a firelor cu termocuplu deschis. În cazul aplicațiilor la temperaturi înalte, folosind un fir subțire de termocuplu, izolația se poate degrada până la punctul de formare a unei joncțiuni virtuale, așa cum este ilustrat în figura 6.09. Sistemul de achiziție a datelor va măsura apoi tensiunea de ieșire a joncțiunii virtuale la T1 în loc de joncțiunea adevărată la T2.

Fig. 6.09. Un scurtcircuit sau o izolație defectă între legăturile unui termocuplu poate forma o joncțiune de termocuplu nedorită numită joncțiune virtuală.

În plus, temperaturile ridicate pot elibera impurități și substanțe chimice în izolația firelor termocuplului care difuzează în metalul termocuplului și îi schimbă caracteristicile. Atunci, relația temperatură vs. tensiune se abate de la valorile publicate. Alegeți izolația de protecție destinată funcționării la temperaturi ridicate pentru a minimiza aceste probleme.

Izolarea termocuplului

Izolarea termocuplului reduce zgomotul și erorile introduse, tipic, prin buclele de masă. Acest lucru este deosebit de dificil atunci când numeroase termocuple cu conductori lungi se fixează direct între un bloc motor (sau alt obiect metalic mare) și instrumentul de măsurare cu termocuple. Acestea pot fi raportate la mase diferite și, fără izolare, bucla de masă poate introduce erori relativ mari în citiri.

Corecția automată de zero

Scoaterea ieșirii unui canal scurtcircuitat de la citirile canalului de măsurare poate reduce la minimum efectele deviației timpului și temperaturii asupra circuitelor analogice ale sistemului. Deși este extrem de mică, această deviație poate deveni o parte semnificativă a tensiunii joase furnizate de un termocuplu.

O metodă eficientă de scădere a offset-ului datorată deviației se face în două etape. Mai întâi, secvențiatorul de canal intern comută la un nod de referință și stochează tensiunea erorii de offset pe un condensator. Apoi, pe măsură ce canalul termocuplului comută pe calea analogică, tensiunea de eroare stocată este aplicată la intrarea de corecție a offsetului a unui amplificator diferențial și anulează automat offsetul (vezi figura 6.10).

Fig. 6.10. Corecția automată de zero compensează deviația de timp și temperatură pentru circuitele analogice. Deși mic, offset-ul se poate apropia de magnitudinea semnalului de termocuplu.

Detectarea termocuplului deschis

Detectarea cu ușurință și rapidă a termocuplelor deschise este extrem de importantă în sistemele cu numeroase canale. Termocuplele au tendința de a se rupe sau de a crește rezistența atunci când sunt expuse la vibrații, manevrare precară și timp îndelungat de funcționare. Un circuit simplu de detecție a termocuplelor deschise cuprinde un condensator mic plasat pe legăturile termocuplului și comandat cu un curent de nivel scăzut. Impedanța scăzută a termocuplului intact prezintă un scurtcircuit virtual pe condensator, astfel încât acesta nu se poate încărca. Când un termocuplu se deschide sau schimbă semnificativ rezistența, condensatorul se încarcă și comandă intrarea pe una dintre șinele de tensiune, ceea ce indică un termocuplu defect (vezi figura 6.11).

Fig. 6.11. Termocuplul realizează o cale de scurtcircuit pentru condensator, acesta neputând să se încarce prin rezistoare. Când termocuplul este deschis, datorită manevrării greșite sau vibrațiilor, condensatorul se încarcă și comandă amplificatorul de intrare la șina de alimentare, semnalând o defecțiune.

Acțiunea galvanică

Unele materiale izolatoare pentru termocuplu conțin coloranți care formează un electrolit în prezența apei. Electrolitul generează o tensiune galvanică între conductori, care, în schimb, produc semnale de ieșire de sute de ori mai mari decât tensiunea netă de circuit deschis. Astfel, o bună practică de instalare necesită protejarea firelor termocuplelor de umiditate ridicată și de toate lichidele pentru a evita astfel de probleme.

Șuntarea termică

Un termocuplu ideal nu afectează temperatura dispozitivului măsurat, dar un termocuplu real are o masă care, atunci când este adăugată la dispozitivul testat, poate modifica măsurarea temperaturii. Masa termocuplului poate fi redusă la minimum cu fire cu diametru mic, dar firele mai mici sunt mai susceptibile la contaminare, recoacere, de-formație și impedanță de șunt. O soluție pentru această problemă este folosirea firului mic de termocuplu la joncțiune, dar adăugați un fir de prelungire a termocuplului special, mai greu pentru a acoperi distanțele lungi. Materialul utilizat în aceste fire de prelungire are coeficienți de tensiune la circuit deschis net, asemănători cu tipurile de termocuple specifice. Rezistența sa serie este relativ scăzută pe distanțe lungi și poate fi tras printr-o conductă mai ușor decât firul termocuplu de calitate premium. În plus față de avantajul practic de mărime, firul de prelungire este mai ieftin decât firul standard de termocuplu, mai ales pentru platină.

În ciuda acestor avantaje, firul de prelungire funcționează în general pe un interval de temperatură mult mai îngust și este mai probabil să primească stres mecanic. Din aceste motive, gradientul de temperatură al firului de prelungire trebuie menținut la un nivel minim pentru a asigura măsurători precise ale temperaturii.

Îmbunătățirea acurateței de calibrare a firului

Firul de termocuplu este fabricat conform specificațiilor NIST. Adesea, aceste specificații pot fi îndeplinite cu mai multă acuratețe atunci când firul este calibrat pe amplasament, în raport cu un standard de temperatură cunoscut.

MĂSURĂTORI CU RTD

Elementele de bază ale detectoarelor rezistive de temperatură

RTD sunt compuse din metale cu un înalt coeficient de rezistență pozitiv la temperatură. Majoritatea RTD-urilor sunt simple fire bobinate sau rezistoare cu peliculă subțire, realizate din material cu o relație cunoscută a rezistenței față de temperatură. Platina este unul dintre materialele cele mai utilizate pentru RTD-uri. Acestea vin într-o gamă largă de precizii, iar cele mai exacte sunt utilizate ca standarde de temperatură NIST.

Rezistențele RTD din platină variază de la aproximativ 10 Ω pentru o configurație colivie la 10 kΩ pentru un tip peliculă, dar cea mai comună este 100 Ω la 0°C. Sârma de platină comercială are un coeficient de temperatură standard, α, de 0,00385 Ω/Ω/°C, iar platina pură chimic are un coeficient de 0,00392 Ω/Ω/°C.

Următoarea ecuație prezintă relația dintre variația relativă a rezistenței senzorului și o variație a temperaturii pentru o rezistență nominală a senzorului și un α specific.

Ecuația 6.02. RTD Coeficientulul de temperatură al RTD: ∆R = αRo∆T

unde:
α = coeficientul de temperatură, Ω/Ω/°C
Ro = rezistența nominală a senzorului la 0°C, Ω
∆T = modificarea temperaturii de la 0°C, °C

Un fir de platină nominal de 100 Ω la 0°C va schimba rezistența, plus sau minus, pe o pantă de 0,385 Ω/°C. De exemplu, o creștere de 10°C a temperaturii va schimba ieșirea senzorului de la 100 Ω la 103,85 Ω și o scădere a temperaturii de 10°C va schimba rezistența RTD la 96,15 Ω.

Deoarece rezistențele senzorilor RTD și coeficienții de temperatură sunt relativ mici, firele de legătură cu o rezistență de minimum 10 ohmi și coeficienții de temperatură relativ înalți pot schimba calibrarea sistemului de achiziție a datelor. Schimbarea rezistenței firelor de legătură cu temperatura se poate adăuga sau scădea de la ieșirea senzorului RTD și poate produce erori semnificative în măsurarea temperaturii.

Rezistența RTD (sau a oricărui rezistor) este determinată prin trecerea unui curent măsurat prin acesta de la o sursă de tensiune cunoscută. Rezistența este apoi calculată folosind Legea Ohm. Pentru a elimina eroarea de măsurare a firelor de legătură, un al doilea set de legături de detectare a tensiunii trebuie să fie conectat la bornele senzorului, iar capetele opuse conectate la bornele de detectare corespunzătoare la condiționatorul de semnal. Aceasta se numește o măsurare RTD cu patru fire. Tensiunea senzorului este măsurată direct și elimină căderea de tensiune pe legăturile de transport curent.

Metode de măsurare

Configurații: 2, 3 și 4 fire

Cinci tipuri de circuite sunt utilizate pentru măsurători RTD folosind două, trei și patru fire de plumb: două fire cu sursă de curent, patru fire cu sursă de curent, trei fire cu sursă de curent, patru fire cu sursă de tensiune și trei fire cu sursă de tensiune.

Fig. 6.12. Cel mai simplu aranjament pentru o măsurare cu RTD este un
circuit serie ce conține numai două fire conectate la un ohmmetru.

Figura 6.12 prezintă o metodă simplă de măsurare a rezistenței prin două fire. Rezistența RTD este măsurată direct de la Ohmmetru. Dar această conexiune este rar utilizată, deoarece rezistența firelor de legătură și coeficientul de temperatură trebuie să fie cunoscute. Adesea, ambele proprietăți nu sunt cunoscute, nici nu sunt convenabile să se măsoare la stabilirea unui test.

Figura 6.13 prezintă o metodă de bază de măsurare cu patru fire utilizând o sursă de curent. Rezistența RTD este V/A. Această conexiune este mai exactă decât metoda cu două fire, dar necesită o sursă de curent de înaltă stabilitate și patru fire de legătură. Deoarece voltmetrul cu înaltă impedanță nu consumă curent apreciabil, tensiunea pe RDT este egală cu Vm.

Fig. 6.13. Metoda RTD cu patru-fire cu o sursă de curent elimină
rezistența firelor de legătură ca o sursă de erori.

Ecuația 6.03. 4-Wire RTD cu sursă de curent: Rrtd = Vm/Irtd

unde:
Rrtd = rezistența RTD, Ω
Vm = citirea voltmetrului, V
Irtd = curentul RTD, A

Figura 6.14 prezintă o tehnică de măsurare cu trei fire utilizând o sursă de curent. Simbolurile Va și Vb reprezintă două tensiuni măsurate de către voltmetrul de înaltă impedanță în secvență prin comutatoarele (sau un MUX), S1 și S2. Rezistența RTD este derivată din legea de tensiune a lui Kirchhoff și prin rezolvarea a două ecuații simultan. (Ilustrarea soluției este dincolo de scopul acestei cărți.) Beneficiul acestei conexiuni față de cel prezentat în figura 6.13 este un fir mai puțin. Cu toate acestea, această conexiune presupune că cele două fire care poartă curent au aceeași rezistență.

Fig. 6.14. Metoda RTD cu trei-fire cu o sursă de curent este similară celei cu patru-fire. Ea elimină simplu un fir suplimentar. Măsoară mai întâi Va, apoi măsoară Vb.

Ecuația 6.04. 3-Wire RTD cu sursă de curent: Rrtd = (Va - Vb)/Irtd

Figura 6.15 prezintă un sistem de măsurare cu patru fire utilizând o sursă de tensiune. Rezistența RTD este, de asemenea, derivată din legea de tensiune a lui Kirchhoff și din patru ecuații simultane bazate pe cele patru tensiuni, Va până la Vd. Sursa de tensiune din acest circuit poate varia într-o oarecare măsură atât timp cât rezistența senzorului rămâne stabilă.

Fig. 6.15. Circuitul RTD cu patru-fire cu o sursă de tensiune este mai complex decât cel cu patru-fire cu sursă de curent, dar se permite ca tensiunea să varieze oarecum atât timp cât rezistorul sensibil rămâne stabil.

Ecuația 6.05. 4-Wire RTD cu sursa de tensiune: Rrtd = Rs (Vb - Vc)/Vd

Figura 6.16 prezintă o tehnică de măsurare cu trei fire utilizând o sursă de tensiune. Rezistența RTD este derivată din legea de tensiune a lui Kirchhoff și din trei ecuații simultane. Sursa de tensiune poate varia atâta timp cât rezistența senzorului rămâne stabilă, iar circuitul este precis, atâta timp cât rezistențele celor două fire care poartă curent sunt aceleași.

Fig. 6.16. Acesta este o variantă a circuitului cu patru-fire cu o sursă de tensiune și un rezistor sensibil stabil.

Ecuația 6.06. 3-Wire RTD cu sursă de tensiune: Rrtd = Rs (2Vb - Va - Vc)/Vd

Ieșirea RTD este mai liniară decât termocuplul, dar gama sa este mai mică. Ecuația Callendar-Van Dusen este adesea folosită pentru a calcula rezistența RTD:

Ecuația 6.07. Aproximarea curbei RTD:

unde:
RT = rezistența la T, Ω
Ro = rezistența la T = 0°C, Ω
α = coeficient de temperatură la T = 0°C
δ = 1,49 (pentru platină)
β= 0, când T > 0;
β = 0,11 când T < 0

O metodă alternativă implică măsurarea rezistențelor RTD la patru temperaturi și rezolvarea unei ecuații polinomiale de ordinul 20 cu aceste valori. Acesta oferă date mai precise decât coeficienții α, d și β în ecuația Callendar-Van Dusen. Diagrama ecuației polinomiale din figura 6.17 arată că RTD este mai liniară decât termocuplul atunci când este utilizat sub 800°C, temperatura maximă pentru RTD.

Fig. 6.17. Platina este materialul de ales pentru RTD-uri și termocuple, deoarece el este stabil și rezistă la coroziune. Aici, RTD-ul este prezentat a fi mai liniar, sub temperaturi de 800˚C, decât termocuplul.

Auto încălzire

O altă sursă de eroare în măsurătorile RTD este încălzirea rezistivă. Curentul, I, care trece prin senzorul RTD, R, disipă puterea, P = I²R. De exemplu, 1 mA printr-un RTD de 100 Ω generează 100 μW. Acest lucru poate părea nesemnificativ, dar poate ridica temperatura unor RTD-uri o fracțiune semnificativă a unui grad. Un RTD tipic poate varia cu 1°C/mW prin auto-încălzire. Atunci când selectați RTD-uri mai mici pentru timpi de răspuns mai rapizi, luați în considerare faptul că acestea pot avea și erori de auto-încălzire mai mari.

O valoare tipică pentru eroarea de auto-încălzire este 1°C/mW în aer liber. Un RTD scufundat într-un mediu conductiv termic distribuie această căldură către mediu și eroarea rezultată este mai mică. Aceeași RTD se ridică la 0,1°C/mW în aer care curge la 1 m/s. Folosind curentul minim de excitație care asigură rezoluția dorită și utilizând cea mai mare RTD practică din punct de vedere fizic, veți contribui la reducerea erorilor de auto-încălzire.

Scanarea intrărilor

Deoarece curenții mai mici generează mai puțină căldură, în mod obișnuit se utilizează curenți între 100 și 500 μA. Aceasta reduce puterea de disipare la 10 până la 25 μW, ceea ce majoritatea aplicațiilor poate tolera. Reducerea în continuare a curentului scade acuratețea deoarece acestea devin mai sensibile la zgomot și sunt mai greu de măsurat. Dar comutarea curentului doar la măsurare poate reduce căldura RTD sub 10 μW. Într-un sistem multicanal, de exemplu, curentul de excitație poate fi multiplexat, la fel ca intrările analogice. Într-un sistem cu 16 canale, curentul va excita fiecare RTD 1/16 din timp, reducând puterea livrată la fiecare RTD de la 100% la doar 6%.

Fig. 6.18. Sursa de curent-constant este comutată secvențial între diferiți senzori RTD pentru a-i ține reci pe intervalul de măsurare și previne erorile de încălzire rezistive.

Două metode practice pentru scanarea unei RTD includ curentul constant și liniaritatea. Un exemplu de circuit de curent constant este prezentat în figura 6.18. Este un modul de scanare RTD, care comută o singură sursă de curent constant de 500 μA între 16 canale. O serie de front-end multiplexează direct, secvențial, curentul către fiecare canal în timp ce se fac măsurătorile. Atât conexiunile cu trei, cât și cele patru fire sunt suportate pentru a permite ambele tipuri de RTD-uri. Prin aplicarea curentului la un RTD la un moment dat, erorile datorate încălzirii rezistive devin neglijabile. Avantajele metodei cu curent constant includ circuite simple și imunitate la zgomot. Dar dezavantajul este costul ridicat al cumpărării sau construirii unei surse de curent constant extrem de stabile.

Dimpotrivă, metoda rațiometrică utilizează o sursă de tensiune constantă pentru a furniza un curent, Is, prin RTD și un rezistor, Rd. Se iau patru citiri de tensiune pentru fiecare canal RTD, Va, Vb, Vc și Vd (a se vedea figura 6.19).

Fig. 6.19. Patru citiri de tensiune sunt luate de la fiecare canal RTD. Rezistorul de precizie măsoară Is, curentul RTD; Vb și Vc măsoară tensiunea RTD; și rezistența RTD este egală cu (Vb – Vc)/Is.

Curentul, tensiunea și rezistența RTD sunt:

Ecuația 6.08. Măsurarea Rațiometrică 4-Wire RTD

Is = Vd/Rd

Vrtd = Vb - Vc

Rrtd = Vrtd/Is

Fig. 6.20. Circuitul rațiometric cu trei fire presupune că rezistențele ambelor fire de detecție în circuitul cu patru fire sunt la fel. Ecuația pentru calculul rezistenței RTD, pur și simplu ține cont de ea cu un factor de doi.

Fig. 6.21. Deși RTD-urile mai mici răspund mai repede la variații ale temperaturii, ele sunt mai susceptibile la scăderea acurateței prin auto-încălzire.

Pentru o conexiune cu trei fire (figura 6.20), tensiunea Va - Vc include căderea de tensiune pe un singur cablu. Deoarece cele două fire de extensie ale traductorului sunt realizate din același metal, se presupune că și căderea pe-al doilea fir este aceeași. Prin urmare, tensiunea pe RTD și rezistența sa este:

Ecuația 6.09. Măsurarea Rațiometrică RTD cu 3 fire: Vrtd = Va - 2(Va - Vb) - Vd

Rrtd = Rd (Vrtd Vd)

Precauții practice

RTD-urile necesită aceleași măsuri de precauție care se aplică termocuplelor, inclusiv folosind scuturi și perechi de fire torsadate, mantale corespunzătoare, evitarea solicitării și pante abrupte, și folosind fir de prelungire cu diametru mare. În plus, RTD este mai fragilă decât termocuplul și trebuie protejată în timpul utilizării. De asemenea, șuntarea termică este o preocupare mai mare pentru RTD decât pentru termocuple, deoarece masa RTD este în general mult mai mare (a se vedea figura 6.21).

MĂSURAREA cu TERMISTOR

Elementele de bază ale termistoarelor

Termistoarele sunt asemănătoare RTD-urilor prin faptul că-și variază rezistența între terminale cu variația temperaturii. Totuși, ele pot fi realizate cu un coeficient de temperatură pozitiv sau negativ. În plus, au un raport mult mai mare de variație a rezistenței per °C (mai multe %) decât RTD, ceea ce le face mai sensibile.

Termistoarele sunt în general compuse din materiale semiconductoare sau oxizi de elemente comune cum ar fi cobalt, cupru, fier, mangan, magneziu, nichel și altele. Ele vin de obicei cu conductoare de 3 până la 6 in., încapsulate și codate color. Ele sunt disponibile într-o gamă de acuratețe de la ± 15°C la ± 1°C, cu o rezistență nominală cuprinsă între 2.000 și 10.000 W la 25°C. O valoare de 2252 W este comună și poate fi folosită la majoritatea instrumentelor. O diagramă a curbelor caracteristice temperatură vs. rezistență este de obicei realizată cu dispozitivul pentru a determina temperatura de la o rezistență cunoscută. Cu toate acestea, dispozitivele sunt foarte neliniare și se poate utiliza următoarea ecuație pentru a calcula temperatura:

Ecuația 6.10. Temperatura termistorului: 1/T = A + B (logeR) + C (logeR)³

unde:
T = temperatura, °K
A, B și C = constante de aproximare
R = rezistența, Ω

Constantele A, B și C sunt calculate din trei ecuații simultane cu seturi de date cunoscute: Introduceți R1 și T1; R2 și T2; R3 și T3, apoi rezolvați pentru A, B și C. Interpolarea dă o soluție exactă la ± 0,01°C sau mai bună.

Linearizarea

Unii producători de termistori furnizează dispozitive care oferă o ieșire aproape liniară. Ele folosesc termistori multipli (coeficienți pozitivi și negativi) sau o combinație de termistori și rezistori cu peliculă metalică într-un singur pachet. Atunci când sunt conectate în anumite rețele, ele produc o tensiune sau o rezistență variabilă liniar, proporțională cu temperatura.

Fig. 6.22. Rezistoarele de compensare în serie cu termistoarele îmbunătățesc liniaritatea lângă centrul curbei caracteristice în formă de S a termistorului. Aceasta este acolo unde sensibilitatea este cea mai mare, iar temperaturile lor de funcționare pot fi extinse să acopere o gamă mai largă.

O ecuație utilizată pe scară largă pentru divizorul de tensiune prezentat în Figura 6.22 este:

Ecuația 6.11. Divizor de tensiune termistor Eout = Ein R/(R + Ro)

unde: Eout este căderea de tensiune pe R.

Dacă R este un termistor și tensiunea de ieșire este reprezentată grafic față de temperatură, curba seamănă cu o formă S cu o porțiune centrală relativ dreaptă. Cu toate acestea, adăugarea altor rezistențe sau a termistorilor la R linearizează porțiunea centrală a curbei pe un interval de temperatură mai mare. Secțiunea liniară urmează ecuația unei linii drepte, Y = mX + b:

Pentru modul tensiune:

Ecuația 6.12. Modul tensiune termistor Eout = ± MT + b

unde:
T = temperatura în °C sau °F
b = valoarea lui Eout când T = 0
M = panta, volți pe grad T în °C sau °F, V/°C sau V/°F

Pentru mod rezistență, a se vedea Figura 6.23.

Fig. 6.23. Rezistoarele de compensare în rețea liniarizează variația rezistenței cu temperatura în aceeași manieră ca cele pentru mod tensiune.

Ecuația 6.13. Mod rezistență termistor Rt = MT + b

unde:
T = temperatura în °C sau °F
b = valoarea rezistenței totale de rețea Rt în Ω când T = 0
M = panta, Ω per grad T în °C sau °F, Ω/°C sau Ω/°F

Deși o mulțime de cercetări au început să dezvolte termistoare liniare, cele mai moderne regulatoare de sistem de achiziție a datelor și software se ocupă de liniarizare, ceea ce face ca metodele de liniarizare hardware să fie virtual inaccesibile.

Stabilitatea

Termistorii sunt dispozitive în mod inerent și rezonabil stabile, care, în mod obișnuit, nu fac obiectul variațiilor mari ale rezistenței nominale cu îmbătrânirea și nici cu expunerea la câmpuri de radiații puternice. Cu toate acestea, funcționarea prelungită peste 90°C poate modifica toleranța termistorilor, în special a celor cu valori mai mici de 2.000 W. Ele sunt mai mici și mai fragile decât termocuplele și RTD-urile, astfel încât nu pot tolera prea multă manipulare.

Constanta de timp

Timpul necesar pentru un termistor pentru a ajunge la 63% din valoarea sa de rezistență finală după ce a fost aruncat într-un mediu de temperatură nou se numește constantă de timp. Condiția de timp pentru un termistor neprotejat plasat într-o baie lichidă poate varia de la 1 la 2,5 sec. Același dispozitiv expus unui mediu de aer ar putea necesita 10 secunde, în timp ce o unitate izolată ar putea necesita până la 25 secunde. Sapte constante de timp reprezintă o valoare universală acceptată de luat în considerare atunci când dispozitivul a atins platoul său sau aproximativ 99% din valoarea sa finală. Prin urmare, un dispozitiv în baia de lichid ar putea dura până la 7 secunde pentru a se stabiliza, în timp ce același dispozitiv în aer ar putea dura 125 secunde sau mai mult de două minute.

Factor de disipare

Puterea necesară pentru a ridica temperatura unui termistor cu 1°C peste temperatura ambiantă se numește factorul de disipare. Acesta este, de obicei, în gama mW pentru majoritatea dispozitivelor. Temperatura maximă de funcționare pentru un termistor este de aproximativ 150°C.

Toleranța curbelor

Producătorii nu au standardizat curbele caracteristice termistorului în măsura în care au făcut pentru termocuple și RTD-uri. Termistorii sunt potriviți pentru măsurarea punctelor de temperatură și fiecare marcă de termistor vine cu curba sa unică, care este adesea folosită pentru a proiecta circuite de comandă ON/OFF.

Metode măsurare

Măsurarea temperaturii

Puntea Wheatstone: Termistoarele oferă măsurători precise ale temperaturii atunci când sunt utilizate într-un braț al punții Wheatstone, chiar și la distanțe considerabile între termistor și circuitul punții (vezi figura 6.24A). Lungimea conductorului nu este un factor critic deoarece rezistența termistorului este de multe ori cea a firelor de legătură. Numeroase termistoare pot fi distribuite pe scară largă în cadrul laboratorului sau al instalației și comutate într-un sistem de achiziție a datelor fără căderi semnificative de tensiune pe contactele comutatoarelor (a se vedea figura 6.24B).

Fig. 6.24. Un senzor de temperatură exact poate fi format dintr-un termistor într-un braț al unui circuit punte. Lungimea legăturilor nu este semnificativă; astfel că mai mulți senzori pot fi comutați (în și de la) la un singur monitor fără pierderea acurateței. Două termistoare fac un termometru diferențial care poate fi utilizat pentru măsurarea variațiilor de temperatură de-a lungul unui sistem de conducte sau între diferite nivele dintr-o clădire pentru a echilibra încălzirea și unitățile de aer condiționat.

Termometre diferențiale: Două termistoare pot fi utilizate într-o punte Wheatstone pentru a măsura cu exactitate diferența de temperatură dintre ele. Termistoarele pot fi atașate la orice mediu de conducere a căldurii într-un sistem, în diferite puncte, pentru a măsura gradientul de temperatură de-a lungul lungimii sale. Două sau mai multe termistoare pot fi plasate într-o încăpere pentru a măsura temperaturile la mai multe nivele diferite folosind același aranjament de comutare de bază.