Termocuplele, RTD-urile și termistorii funcționează pe principiul conform căruia anumite materiale răspund previzibil și măsurabil la variațiile de temperatură. În toate cele trei cazuri, răspunsul măsurat este, în general, destul de mic și, la fel ca în cazul tuturor măsurătorilor de nivel scăzut, este dificil de măsurat cu acuratețe și fiabilitate. Capacitățile adecvate de condiționare a semnalului în componentele hardware și software ale sistemului dvs. de măsurare pot simplifica foarte mult sarcina de măsurare a temperaturii. Următoarele secțiuni acoperă condiționarea de semnal recomandată, necesară măsurătorilor cu acuratețe cu termocuple, RTD-uri și termistori.

Cerințele condiționării semnalelor

Filtrarea

Măsurătorile de temperatură trebuie făcute, adesea, departe de echipamentul de măsurare. Acest lucru înseamnă că firele senzorilor care poartă semnalul analogic către digitizor trebuie să se întindă pe o distanță lungă. Prin lungimea cablului, zgomotul din mediul de operare poate să se strecoare în semnalul analogic și să conducă la măsurători inexacte. Trebuie să minimalizați această problemă luând în considerare cu atenție unde vă executați cablarea. Evitarea liniilor de curent alternativ, a luminilor fluorescente și a monitoarelor de calculator poate contribui la evitarea zgomotului de 50/60 Hz pe care îl transmit frecvent. De asemenea, puteți aplica un filtru lowpass semnalului de intrare sau puteți include unul în hardware-ul de măsurare pentru a ajuta la eliminarea semnalelor nedorite de înaltă frecvență.

Izolarea

La baza lor, termocuplele, RTD-urile și termistorii sunt realizate din materiale conductive din punct de vedere electric. Dacă nu luați în considerare izolarea, puteți să efectuați din greșeală o măsurătoare care este potențial periculoasă pentru hardware-ul de măsurare sau pentru utilizator.

Luați în considerare aplicarea de termocuple la carcasa unui motor electric mare. Motoarele mari necesită adesea tensiuni foarte ridicate și apar chiar vârfuri mari de tensiune în timpul funcționării. Dacă carcasa motorului este expusă la una dintre aceste tensiuni înalte, datorită unei scurtcircuite interne, un vârf de tensiune poate trece la hardware-ul de măsurare prin cablajul termocuplului. Puteți utiliza termocuple izolate pentru a preveni acest lucru, dar acest lucru duce la un timp de răspuns mai lent și costuri suplimentare.

În mod alternativ, un dispozitiv de măsurare cu izolare de canal poate ajuta la protejarea circuitelor convertorului analogic-digital (ADC), precum și la minimizarea zgomotului de la canalele adiacente. De asemenea, puteți utiliza un dispozitiv de măsurare izolat pentru a face măsurători exacte atunci când sunt prezente tensiuni înalte de mod-comun prin izolarea circuitelor ADC de masă și permițând măsurătorii să floteze până la semnalul de interes (în limitele dispozitivului).

Liniarizarea

Tensiunea de ieșire pe unitate de temperatură dintr-un termocuplu, RTD sau termistor nu este o relație liniară. Din acest motiv, nu puteți aplica pur și simplu un coeficient de scalare pentru a converti tensiunea măsurată la o ieșire de temperatură semnificativă pe întreaga gamă a termocuplului. Figura 1, de exemplu, arată tensiunea termoelectrică a diferitelor termocuple într-o gamă de temperaturi. Rețineți relația neliniară.

Figura 1. Tensiunea de ieșire a termocuplului față de temperatură *)

Puteți alege între două opțiuni pentru a scala cu acuratețe măsurătorile și pentru a corecta această neliniaritate:

*. Utilizați un tabel de căutare și o interpolare liniară pentru tensiunile măsurate între punctele de date din tabel. Acest lucru este destul de eficient, dar necesită codarea unui tabel de căutare cu potențial mare ca subsetul unui termocuplu tip K prezentat în figura 2 și menținut de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST).

ITS-90 TABEL PENTRU TERMOCUPUL DE TIP K (TENSIUNE TERMOELECTRICĂ ÎN mV)

°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0.000 0.039 0.079 0.119 0.158 0.198 0.238 0.277 0.317 0.357 0.397

10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758 0,798

20 0,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1,163 1,203

30 1.203 1.244 1.285 1.326 1.366 1.407 1.448 1.489 1.530 1.571 1.612

40 1,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1,982 2,023

50 2.023 2.064 2.106 2.147 2.188 2.230 2.271 2.312 2.354 2.395 2.436

60 2.436 2.478 2.519 2.561 2.602 2.644 2.685 2.727 2.768 2.810 2.851

70 2.851 2.893 2.934 2.976 3.017 3..059 3.100 3.142 3.184 3.225 3.267

80 3.267 3.308 3.350 3.391 3.433 3.474 3.516 3.557 3.599 3.640 3.682

90 3.682 3.723 3.765 3.806 3.848 3.889 3.931 3.972 4.013 4.055 4.096

100 4.096 4.138 4.179 4.220 4.262 4.303 4.344 4.385 4.427 4.468 4.509

110 4.509 4.550 4.591 4.633 4.674 4.715 4.756 4.797 4.838 4.879 4.920

120 4,920 4,961 5,002 5,043 5,084 5,124 5,155 5,206 5,247 5,288 5,328

130 5,328 5,369 5,410 5,450 5,491 5,532 5,572 5,613 5,653 5,694 5,735

140 5.735 5.775 5.815 5.856 5.896 5.937 5.977 6.017 6.058 6.098 6.138

150 6.138 6.179 6.219 6.259 6.299 6.339 6.380 6.420 6.460 6.500 6.540

160 6.540 6.580 6.620 6.660 6.701 6.741 6.781 6.821 6.861 6.901 6.941

170 6.941 6.981 7.021 7.060 7.100 7.140 7.180 7.220 7.260 7.300 7.340

180 7,340 7,380 7,420 7,460 7,500 7,540 7,579 7,619 7,659 7,699 7,739

190 7.739 7.779 7.819 7.859 7.899 7.939 7.979 8.019 8.059 8.099 8.138

200 8.138 8.178 8.218 8.258 8.298 8.338 8.378 8.418 8.458 8.499 8.539

210 8.539 8.579 8.619 8.659 8.699 8.739 8.779 8.819 8.860 8.900 8.940

220 8.940 8.980 9.020 9.061 9.101 9.141 9.181 9.222 9.262 9.302 9.343

230 9.343 9.383 9.423 9.464 9.504 9.545 9.585 9.626 9.666 9.707 9.747

240 9.747 9.788 9.828 9.869 9.909 9.950 9.991 10.031 10.072 10.113 10.153

250 10,153 10,194 10,235 10,276 10,316 10,357 10,398 10,439 10,480 10,520 10,561

260 10.561 10.602 10.643 10.684 10.725 10.766 10.807 10.848 10.889 10.930 10.971

270 10.971 11.012 11.053 11.094 11.135 11.176 11.217 11.259 11.300 11.341 11.382

280 11.382 11.423 11.465 11.506 11.547 11.588 11.630 11.671 11.712 11.753 11.795

290 11.795 11.836 11.877 11.919 11.960 12.001 12.043 12.084 12.126 12.167 12.209

300 12.209 12.250 12.291 12.333 12.374 12.416 12.457 12.499 12.540 12.582 12.624

310 12.624 12.665 12.707 12.748 12.790 12.831 12.873 12.915 12.956 12.998 13.040

320 13.040 13.081 13.123 13.165 13.206 13.248 13.290 13.331 13.373 13.415 13.457

330 13.457 13.498 13.540 13.582 13.624 13.665 13.707 13.749 13.791 13.833 13.874

340 13.874 13.916 13.958 14.000 14.042 14.084 14.126 14.167 14.209 14.251 14.293

2. Aplicați ecuația de tensiune - temperatură pentru tipul de senzor pe care îl utilizați pentru efectuarea măsurătorilor. De exemplu, polinomul de ordin înalt necesar pentru orice termocuplu dat este:

Termistoarele necesită, de asemenea, o ecuație complexă similară pentru a converti cu precizie semnalele pe o gamă largă de temperaturi. RTD, pe de altă parte, furnizează răspunsul cel mai liniar din cei trei senzori de măsurare a temperaturii. Relația dintre rezistență și temperatură pentru RTD este definită de ecuația Callendar-Van Dusen după cum urmează:

Rețineți că efectuarea acestor calcule în software poate necesita o putere de calcul semnificativă în funcție de numărul de canale și de rata de eșantionare, precum și de intervalul de temperatură de funcționare. Având o platformă software care se integrează strâns cu hardware-ul de măsurare se poate simplifica foarte mult această sarcină de scalare prin furnizarea de capabilități de scalare interne.

Considerații specifice pentru RTD/Termistor

Excitația de curent

Termistorii și RTD-urile sunt senzori rezistivi care necesită o excitație de curent pentru a crea o tensiune măsurabilă pe dispozitiv. O sursă de curent constantă și precisă este esențială pentru asigurarea unei tensiuni exacte și corecte pentru măsurare. Sistemul DAQ pe care îl selectați pentru măsurătorile cu RTD și termistor trebuie să furnizeze o sursă de excitație de curent care este specificată ca fiind fiabilă, astfel încât să puteți obține cu cea mai mare acuratețe măsurători precise.

Conectarea la hardware utilizând configurațiile cu 2-, 3- și 4 fire (RTD numai)

Puteți achiziționa RTD-uri în trei configurații de cabluri. Diferențele și avantajele fiecăruia sunt discutate în detaliu în referința senzorului RTD. Hardware-ul de măsurare pe care îl selectați pentru sistemul dvs. trebuie să fie suficient de flexibil pentru a încorpora tipurile de RTD pe care le cere aplicația dvs. Unele echipamente de măsurare permit doar RTD-uri cu 2 fire, în timp ce alte echipamente oferă detectarea automată a RTD-urilor cu 3 sau 4 fire. Trebuie să selectați un dispozitiv DAQ proiectat pentru nivelul de rezistență al RTD, de exemplu, RTD de 100 Ω sau 1000 Ω.

Considerații specifice pentru Termocuplu

Amplificare

Pe cont propriu, termocuplele produc tensiuni foarte mici pentru o anumită modificare a temperaturii, care sunt, de obicei, de ordinul milivolților și uneori mai mică. De exemplu, termocuplele tip K produc doar 40 μV per grad Celsius. Majoritatea echipamentelor de măsurare convenționale fac măsurători într-un anumit interval, iar rezoluția dispozitivului determină cea mai mică variație detectabilă din acest interval de tensiune. Deoarece tensiunea pe care o măsurați este atât de mică în cazul unui termocuplu, vă recomandăm să amplificați semnalul măsurat pentru a profita de gama de intrare completă a dispozitivului de măsurare.

Într-un scenariu ideal, amplificarea are loc cât mai aproape posibil de măsurarea primară. Acest lucru ajută la evitarea amplificării oricărui zgomot injectat în semnal de-a lungul lungimii firelor termocuplului. Dacă amplificarea externă nu este posibilă sau dacă este nevoie să simplificați sistemul de măsurare, puteți utiliza un dispozitiv de măsurare cu un ADC pe 24 de biți. Acest tip de dispozitiv poate oferi o sensibilitate de măsurare de ordinul a 0,2 ° C.

Compensarea joncțiunii reci (CJC)

Natura măsurării cu termocuplu, așa cum este discutată în prezentarea generală a termocuplelor, se bazează pe diferența de tensiune creată atunci când două metale diferite sunt sudate și expuse la o anumită temperatură relativă. O problemă apare atunci când luați în considerare conexiunea dintre termocuplu și terminalele hardware-ului de măsurare. La această conexiune, este creată o altă joncțiune de metale diferite, care generează, de asemenea, o diferență de tensiune, în funcție de mediul înconjurător. Dacă nu țineți cont de acest "termocuplu parazitar" secundar, acesta poate schimba măsurarea dorită a temperaturii suficient de semnificativ pentru a produce un rezultat nevalid.

Pentru a combate acest lucru, puteți incorpora o măsurătoare de referință sau o "măsurare a joncțiunii reci" în hardware-ul de măsurare, după cum se arată în figura 4. Luați această măsurare de referință la o anumită distanță de măsurarea primară și în mod ideal adiacent la "termocuplul parazitar" cauzat de conectarea termocuplului efectiv la bornele dispozitivului de măsurare. Utilizați un senzor de temperatură cu măsurare directă (ca RTD sau termistor) și apoi scădeți măsurarea de referință rezultată din măsurarea primară pentru a îndepărta sau compensa componenta parazitară. Acest proces este cunoscut sub denumirea de compensație a joncțiunii reci sau CJC.

Eliminarea erorii de offset

Așa cum am discutat anterior, CJC este importantă pentru a corecta efectul termocuplului parazitar creat prin conectarea firelor de termocuplu la terminalele metalice ale hardware-ului. Termocuplul parazitar a cauzat un offset în tensiunea măsurată, care a condus la rezultate inexacte. În mod similar, temperatura ambientală care înconjoară un dispozitiv de măsurare poate conduce la un offset în tensiunea măsurată de la un termocuplu datorită tensiunilor induse în hardware-ul însuși.

Pentru a corecta acest lucru, ar trebui să măsurați periodic tensiunea latentă fără termocuplu și să scădeți această valoare de la fiecare măsurătoare a termocuplului. Pentru a simplifica acest proces, unele echipamente de măsurare oferă o funcție autozero pentru a corecta regulat sau semiregulat pentru orice tensiune de offset cauzată de mediul ambiant. Acest lucru vă poate îmbunătăți considerabil acuratețea generală a măsurătorilor.

Detectarea termocuplelor deconectate

Termocuplele pot fi susceptibile la coroziune și uzură în timp, din cauza compoziției lor (metalele diferite în contact pot provoca coroziunea în anumite medii) și mediul de funcționare tipic pentru acest tip de senzor. Un termocuplu rupt sau deconectat poate să nu fie aparent pentru utilizator și poate produce date nevalabile. Detectarea termocuplului deschis este o caracteristică hardware care oferă un curent mic care împinge intrarea de tensiune în afara gamei atunci când hardware-ul detectează o conexiune deschisă. Puteți verifica cu ușurință acest lucru în software. Când utilizați această caracteristică, rețineți că curentul mic poate fi o sursă de eroare de polarizare în aplicațiile cu acuratețe ridicată. Pentru a corecta acest lucru, puteți să asociați detecția termocuplului deschis cu anularea offset-ului legăturilor, care ia diferența măsurată cu și fără curentul aplicat și îl scade din măsurătorile viitoare. Aceasta se corectează în mod eficient pentru o eroare de offset indusă de utilizator.

Concluzii

Pentru a obține un nivel fiabil al acurateței în măsurarea temperaturii, trebuie să treceți prin mai multe straturi de condiționare a semnalului, unele recomandate și unele necesare. Când selectați un sistem de măsurare pentru termocuple, termorezistente sau termistori, trebuie să aveți în vedere filtrarea integrată pentru a elimina zgomotul, izolarea pentru a preveni buclele de masă și liniarizarea pentru scalarea tensiunii la temperatură. Dacă utilizați termocuple ca senzor de temperatură, țineți cont de aceste surse suplimentare de eroare care pot influența acuratețea măsurătorilor:

* Eroare la joncțiunea rece - corectată prin compensarea joncțiunii reci sau CJC

* Eroare de offset - corectată de autozero și anularea offset-ului de legături

* Detectarea termocuplurilor deschise pentru asigurarea fiabilității sistemului și a timpului de funcționare

Aflați cum să obțineți măsurători de temperatură corecte și corecte cu hardware-ul NI.

Sisteme NI de măsurare cu termocuplu

Sisteme NI de măsurare cu RTD