Kaltstellenkompensations verfahren für ein auf einem Thermoelement basierendes Temperaturmessgeraet
Thermoelement ist eine Art häufig verwendeter Temperatursensor. Mit Hilfe des thermoelektrischen Effekts wird die Temperatur gemäß der thermoelektrischen elektromotorischen Kraft gemessen, die durch die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Ende erzeugt wird. Es hat die Vorteile einer hohen Messgenauigkeit, eines einfachen Aufbaus und einer bequemen Handhabung. Es ist in Temperaturmessgeräten weit verbreitet. Die allgemeine Vergleichsstellenkompensationsmethode hat aufgrund ihres komplizierten Aufbaus, des großen Rauschens und der schlechten Linearität einen großen Einfluss auf das Messergebnis.
1 Universal-Vergleichsstellenkompensations methode für Thermoelemente
1.1 Prinzip der Brücke Compensation Method
Wie in Abbildung 1 gezeigt, haben R1, R2, R3 den gleichen Widerstand. Hergestellt aus Mangankupfer mit einem Temperaturkoeffizienten von ungefähr Null, dh sein Widerstand ändert sich nicht mit der Temperatur. RT verwendet den Wärmewiderstand PT1000, der sich im gleichen Temperaturfeld befindet wie die Vergleichsstelle des Thermoelements, und dessen Widerstandswert ändert sich mit der Temperatur. Wenn die Temperatur steigt, steigt der Widerstand. Wenn die Vergleichsstellentemperatur Null ist, ist R1 = R3 = R2 = R1, wodurch der Ausgang der Brücke Null wird. Wenn die Temperatur der Vergleichsstelle ansteigt, nimmt das thermoelektrische Potential des Thermoelements ab und der Messfehler wird verursacht. Zu diesem Zeitpunkt steigt der Widerstand des PT1000 jedoch mit zunehmender Temperatur an, und die Kompensationsbrücke ist aus dem Gleichgewicht geraten und der Ausgangswert ist nicht Null. Der Änderungswert des Brückenausgangs ist der gleiche wie der des thermoelektrischen Potentials des Thermoelements, und die Änderungsrichtung der beiden ist entgegengesetzt. Die beiden heben sich gegenseitig auf, damit sich die Gesamtleistung bei Änderung der Kaltendtemperatur nicht ändert.
1.2 Versuchsdatensatz
Das thermoelektrische Potential des K-Thermoelements wurde während des Experiments mit einem Millivolt-Spannungsgenerator simuliert. Nachdem die A / D-Wandlung auf der Leiterplatte abgeschlossen ist, wird der obere Computer über die MCU hochgeladen und der A / D-Wert wird vom Host-Computer in Temperatur umgewandelt und angezeigt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Dieses Verfahren erfordert eine hohe Präzision für R1, R2 und R3 sowie V + Rauschen, eine geringe Temperaturdrift und eine hohe Stabilität. Um die experimentellen Anforderungen zu erfüllen, muss der Brückenstrom auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, und das Debuggen ist schwierig.
Bei der Durchführung von Mehrkanalmessungen müssen mehrere Geräte angeordnet werden, und der Aufbau ist kompliziert.
2 Neue Methode zur Kompensation von Thermoelementen an Vergleichsstellen
2.1 Prinzip
Diese Methode misst die Vergleichsstellentemperatur des PT1000. Nach der A / D-Wandlung wird der Widerstandswert von der MCU zum PC übertragen, der per Software in einen Spannungswert umgewandelt und zur Spannung des Thermoelements addiert wird. Dann wird der Einfluss der Temperaturänderung am kalten Ende durch den Kompensationsblock beseitigt, um dies zu kompensieren.
2.2 Ausführung des Ausgleichsblocks
Die Hauptvorrichtung für die Kaltendkompensation dieses Verfahrens ist ein Stück Aluminium mit guter Wärmeleitfähigkeit, und sein Aufbau ist in Fig. 2 gezeigt.
Aufgrund der Anforderungen der Programmgestaltung zeigt der obere Computer, wenn die Kompensationsschaltung nicht angeschlossen ist, dass die Temperatur T1 die tatsächliche Temperatur Tr bei A plus der Temperatur Tb in der Box ist, dh T1 = Tr + Tb. Bei der tatsächlichen Verwendung des Instruments ändert sich die Temperatur im Temperaturfeld. Um den Einfluss der Temperaturänderung in der Box auf die tatsächlich gemessene Temperatur zu vermeiden, ist die Zugangskompensationsschaltung ausgelegt.
Wenn die Temperatur in der Instrumentenkiste ansteigt, zeigt der obere Computer die Temperatur T1 an, wenn die Temperatur in der Box ansteigt. Nachdem die Kompensationsschaltung hinzugefügt wurde, wird der Kompensationsblock gleichmäßig in der Box erwärmt und beide Enden des Kompensationskabels befinden sich im gleichen Temperaturfeld wie der PT1000. Die von der Ausgleichsleitung erzeugte Spannung kann den Einfluss der Temperaturänderung am kalten Ende ausgleichen, wodurch sichergestellt wird, dass der gemessene Wert nicht von der Temperaturänderung im Inneren der Box beeinflusst wird und sich nur auf die Umgebungstemperatur Tc außerhalb der Box bezieht ist, T1 = Tr + Tc.
2.4 Experimentelle Datensatz
Das experimentelle Verfahren ähnelt dem der Brückenmethode. Ein Millivolt-Spannungsgenerator wird verwendet, um das thermoelektrische Potential eines K-Thermoelements zu simulieren. Nachdem die A / D-Wandlung auf der Leiterplatte abgeschlossen ist, wird der obere Computer über die MCU hochgeladen und der A / D-Wert wird vom Host-Computer in Temperatur umgewandelt und angezeigt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, weist die Kompensationsmethode eine höhere Genauigkeit auf, der Fehler liegt innerhalb von 1 ° C und die Linearität ist gut. Bei der Mehrkanalmessung können nur wenige Sätze von Durchgangslöchern zum Kompensationsblock hinzugefügt werden, und der Aufbau ist einfach, um die Anforderungen industrieller Anwendungen zu erfüllen.
3 Vergleich und Analyse der Daten zwischen der Kompensationsblockmethode und der Brückenmethode
Gemäß den Daten in Tabelle 1 und Tabelle 2 werden die Fehlerkurven der beiden Verfahren bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils mit der Eingangsspannung als Abszisse und dem Fehlerwert als Ordinate erstellt, wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt.
1 Universal-Vergleichsstellenkompensations methode für Thermoelemente
1.1 Prinzip der Brücke Compensation Method
Wie in Abbildung 1 gezeigt, haben R1, R2, R3 den gleichen Widerstand. Hergestellt aus Mangankupfer mit einem Temperaturkoeffizienten von ungefähr Null, dh sein Widerstand ändert sich nicht mit der Temperatur. RT verwendet den Wärmewiderstand PT1000, der sich im gleichen Temperaturfeld befindet wie die Vergleichsstelle des Thermoelements, und dessen Widerstandswert ändert sich mit der Temperatur. Wenn die Temperatur steigt, steigt der Widerstand. Wenn die Vergleichsstellentemperatur Null ist, ist R1 = R3 = R2 = R1, wodurch der Ausgang der Brücke Null wird. Wenn die Temperatur der Vergleichsstelle ansteigt, nimmt das thermoelektrische Potential des Thermoelements ab und der Messfehler wird verursacht. Zu diesem Zeitpunkt steigt der Widerstand des PT1000 jedoch mit zunehmender Temperatur an, und die Kompensationsbrücke ist aus dem Gleichgewicht geraten und der Ausgangswert ist nicht Null. Der Änderungswert des Brückenausgangs ist der gleiche wie der des thermoelektrischen Potentials des Thermoelements, und die Änderungsrichtung der beiden ist entgegengesetzt. Die beiden heben sich gegenseitig auf, damit sich die Gesamtleistung bei Änderung der Kaltendtemperatur nicht ändert.
1.2 Versuchsdatensatz
Das thermoelektrische Potential des K-Thermoelements wurde während des Experiments mit einem Millivolt-Spannungsgenerator simuliert. Nachdem die A / D-Wandlung auf der Leiterplatte abgeschlossen ist, wird der obere Computer über die MCU hochgeladen und der A / D-Wert wird vom Host-Computer in Temperatur umgewandelt und angezeigt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Dieses Verfahren erfordert eine hohe Präzision für R1, R2 und R3 sowie V + Rauschen, eine geringe Temperaturdrift und eine hohe Stabilität. Um die experimentellen Anforderungen zu erfüllen, muss der Brückenstrom auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, und das Debuggen ist schwierig.
Bei der Durchführung von Mehrkanalmessungen müssen mehrere Geräte angeordnet werden, und der Aufbau ist kompliziert.
2 Neue Methode zur Kompensation von Thermoelementen an Vergleichsstellen
2.1 Prinzip
Diese Methode misst die Vergleichsstellentemperatur des PT1000. Nach der A / D-Wandlung wird der Widerstandswert von der MCU zum PC übertragen, der per Software in einen Spannungswert umgewandelt und zur Spannung des Thermoelements addiert wird. Dann wird der Einfluss der Temperaturänderung am kalten Ende durch den Kompensationsblock beseitigt, um dies zu kompensieren.
2.2 Ausführung des Ausgleichsblocks
Die Hauptvorrichtung für die Kaltendkompensation dieses Verfahrens ist ein Stück Aluminium mit guter Wärmeleitfähigkeit, und sein Aufbau ist in Fig. 2 gezeigt.
Auf der Quermittelachse des quaderförmigen Aluminiumblocks werden drei Durchgangslöcher gebohrt und entlang der Quermittelachse geschnitten. Bei der anschließenden Verdrahtung werden die beiden Kompensationsdrähte als zwei linke und rechte Durchgangsbohrungen gedrückt und die mittleren Durchgangsbohrungen in den Wärmewiderstand PT1000 gedrückt. Um die Gleichmäßigkeit der Wärmeleitung während des Einpressvorgangs zu gewährleisten, sollten die Durchmesser des Wärmewiderstands und des Ausgleichsdrahtes gleichbleibend und vollständig mit dem Ausgleichsblock in Kontakt sein und das Isolationsmaterial sollte gleich sein.
2.3 Aufbau der Kompensationsschaltung
Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird das Thermoelement über das Kompensationskabel mit der Kompensationsplatine in der Instrumentenkiste verbunden und anschließend über das Cu-Kabel mit der Platine in der Box verbunden.
Der Kompensationsblock und die Vergleichsstelle des Thermoelements befinden sich im Instrumentenkasten.
Mit dem PT1000 wird die Temperatur im Inneren der Instrumentenkiste gemessen. Toc ist die Umgebungstemperatur außerhalb der Instrumentenkiste.
2.3 Aufbau der Kompensationsschaltung
Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird das Thermoelement über das Kompensationskabel mit der Kompensationsplatine in der Instrumentenkiste verbunden und anschließend über das Cu-Kabel mit der Platine in der Box verbunden.
Der Kompensationsblock und die Vergleichsstelle des Thermoelements befinden sich im Instrumentenkasten.
Mit dem PT1000 wird die Temperatur im Inneren der Instrumentenkiste gemessen. Toc ist die Umgebungstemperatur außerhalb der Instrumentenkiste.
Aufgrund der Anforderungen der Programmgestaltung zeigt der obere Computer, wenn die Kompensationsschaltung nicht angeschlossen ist, dass die Temperatur T1 die tatsächliche Temperatur Tr bei A plus der Temperatur Tb in der Box ist, dh T1 = Tr + Tb. Bei der tatsächlichen Verwendung des Instruments ändert sich die Temperatur im Temperaturfeld. Um den Einfluss der Temperaturänderung in der Box auf die tatsächlich gemessene Temperatur zu vermeiden, ist die Zugangskompensationsschaltung ausgelegt.
Wenn die Temperatur in der Instrumentenkiste ansteigt, zeigt der obere Computer die Temperatur T1 an, wenn die Temperatur in der Box ansteigt. Nachdem die Kompensationsschaltung hinzugefügt wurde, wird der Kompensationsblock gleichmäßig in der Box erwärmt und beide Enden des Kompensationskabels befinden sich im gleichen Temperaturfeld wie der PT1000. Die von der Ausgleichsleitung erzeugte Spannung kann den Einfluss der Temperaturänderung am kalten Ende ausgleichen, wodurch sichergestellt wird, dass der gemessene Wert nicht von der Temperaturänderung im Inneren der Box beeinflusst wird und sich nur auf die Umgebungstemperatur Tc außerhalb der Box bezieht ist, T1 = Tr + Tc.
2.4 Experimentelle Datensatz
Das experimentelle Verfahren ähnelt dem der Brückenmethode. Ein Millivolt-Spannungsgenerator wird verwendet, um das thermoelektrische Potential eines K-Thermoelements zu simulieren. Nachdem die A / D-Wandlung auf der Leiterplatte abgeschlossen ist, wird der obere Computer über die MCU hochgeladen und der A / D-Wert wird vom Host-Computer in Temperatur umgewandelt und angezeigt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, weist die Kompensationsmethode eine höhere Genauigkeit auf, der Fehler liegt innerhalb von 1 ° C und die Linearität ist gut. Bei der Mehrkanalmessung können nur wenige Sätze von Durchgangslöchern zum Kompensationsblock hinzugefügt werden, und der Aufbau ist einfach, um die Anforderungen industrieller Anwendungen zu erfüllen.
3 Vergleich und Analyse der Daten zwischen der Kompensationsblockmethode und der Brückenmethode
Gemäß den Daten in Tabelle 1 und Tabelle 2 werden die Fehlerkurven der beiden Verfahren bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils mit der Eingangsspannung als Abszisse und dem Fehlerwert als Ordinate erstellt, wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt.
3 Vergleich und Analyse der Daten zwischen der Kompensationsblockmethode und der Brückenmethode
Gemäß den Daten in Tabelle 1 und Tabelle 2 werden die Fehlerkurven der beiden Verfahren bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils mit der Eingangsspannung als Abszisse und dem Fehlerwert als Ordinate erstellt. wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt.
Gemäß den Daten in Tabelle 1 und Tabelle 2 werden die Fehlerkurven der beiden Verfahren bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils mit der Eingangsspannung als Abszisse und dem Fehlerwert als Ordinate erstellt. wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt.
Wie aus dem Diagramm in 5 ersichtlich ist, ist die Linearität der Brückenmethode schlecht. Da die Eingangs- und Ausgangskennlinie des Thermoelements und die Ausgangskennlinie der Kompensationsbrücke beide nicht linear sind und nicht zusammenfallen, kann der Kompensationsfehler innerhalb des Kompensationsbereichs nur bei der dem Schnittpunkt von entsprechenden Kaltendtemperatur vollständig kompensiert werden die zwei Kurven. Andere Vergleichsstellentemperaturen können nur teilweise kompensiert werden, und es liegt ein Kompensationsfehler vor. Im tatsächlichen Gebrauch werden komplexere Schaltungen benötigt, um den Fehler aufgrund der Nichtlinearität zu verringern.
Aus den vier Kurven des Kompensationsblockverfahrens von 4 ist ersichtlich, dass der maximale Fehler 1 ° C nicht überschreitet und die Linearität besser ist, was die Messanforderungen genauer erfüllen kann.
4. Fazit
Die Vergleichsstellenkompensationsmethode basierend auf einem Thermoelement basierend auf einem Thermoelement ist einfach, stabil, rauscharm und gut linear. Bei der Mehrkanalmessung müssen nur einige Durchgangslöcher in den Kompensationsblock gestanzt werden, um den Kompensationsdraht einzudrücken. Die Genauigkeit der Messung wird unter der Voraussetzung der Kostenkontrolle sichergestellt und der technische Index wird erreicht .
Aus den vier Kurven des Kompensationsblockverfahrens von 4 ist ersichtlich, dass der maximale Fehler 1 ° C nicht überschreitet und die Linearität besser ist, was die Messanforderungen genauer erfüllen kann.
4. Fazit
Die Vergleichsstellenkompensationsmethode basierend auf einem Thermoelement basierend auf einem Thermoelement ist einfach, stabil, rauscharm und gut linear. Bei der Mehrkanalmessung müssen nur einige Durchgangslöcher in den Kompensationsblock gestanzt werden, um den Kompensationsdraht einzudrücken. Die Genauigkeit der Messung wird unter der Voraussetzung der Kostenkontrolle sichergestellt und der technische Index wird erreicht .
