ترموکوپل

ترموکوپل


ترموکوپل

یکی از پراستفاده ترین مبدل های دما، ترموکوپل است. ترموکوپل ها ابزارهایی محکم و ارزان هستند و می توانند در طیف دمایی گسترده ای عمل کنند. ترموکوپل زمانی به ساخته می شود که دو فلز نامتشابه به هم متصل باشند و نقطه تماس یک ولتاژ کوچک به عنوان تابعی از دما به وجود آورد. این ولتاژ ترموالکتریکی به عنوان «ولتاژ سیبک» شناخته می شود که آن را در سال 1821 کشف کرد. این ولتاژ در رابطه با دما غیرخطی است. ولی درمورد تغییرات اندک دما، تقریبا خطی است، یا

المنت

در صورتی که ΔV تغییر در ولتاژ باشد، S ضریب سیبک باشد و ΔV تغییر دما باشد.

S با تغییر دما تغییر می کند اما باعث می شود ولتاژهای خروجی در طیف های عملکردی خود غیرخطی باشند. چند نوع ترموکوپل موجود است؛ حروف بزرگ به این ترموکوپل ها اختصاص داده شده است که نشان دهنده ترکیب آن ها مطابق با قراردادهای موسسه استاندارد ملی آمریکا (ANSI) است. برای مثال، یک ترموکوپل نوع J دارای یک رسانای آهن و یک رسانای کونستانتن (آلیاژ مس-نیکل) است.

می توانید ترموکوپل ها را با سیستم های کسب داده انعطاف پذیر مبتنی بر PC نظارت کنید. ترموکوپل ها دارای الزامات تنظیم سیگنال ویژه ای هستند که این مطلب آن را توصیف می کند. سیستم بسط تنظیم سیگنال برای بهره گیری (SCXI) که در شکل 1 نشان داده شده است، یک نوع تنظیم سیگنال ابتدا به  انتها برای ابزارهای اندازه گیری است. سیستم های SCXI برای مضاعف سازی، فیلترینگ، و حتی عایق سازی ولتاژهای بسیار کم که ترموکوپل ها تولید می کنند، ایده آل هستند.

المنت

شکل 1. سیستم تنظیم سیگنال ابتدا به انتهای SCXI برای ابزارهای متصل به DAQ

المنت

شکل 2. ترموکوپل نوع J

مدارهای ترموکوپل

مورد عمومی

برای اندازه گیری ولتاژ سیبک نمی تواند به سادگی ترموکوپل را به یک ولتمتر یا سایر سیستم های اندازه گیری متصل کنید زیرا وصل کردن سیم های ترموکوپل به سیستم اندازه گیری باعث ایجاد مدارهای ترموالکتریکی بیشتر می شود.

مدار نشان داده شده در شکل 2 را در نظر بگیرید که در آن ترموکوپل نوع J در یک شعله شمع قرار داد و به دمای مورد نظر شما برای اندازه گیری می رسد. سیم ترموکوپل به لیدهای مسی تخته DAQ وصل هستند. توجه داشته باشید که مدار  دربردارنده سه اتصال فلزی نامتشابه J1،J2 و J3 است. J1 که اتصال ترموکوپل است، ولتاژ سیبک را به نسبت دمای شعله شمع تولید می کند. J2 و J3 هریک دارای ضریب سیبک خود بوده و ولتاژ ترموالکتریکی خود را نسبت به دما در پایانه های DAQ تولید می کنند. برای تعیین تاثیر دمایی J1، باید دماهای J2 و J3 و همین طور روابط ولتاژ-دما را برای این اتصالات بدانید. بعد می توانید تاثیرات اضافی ترموکوپل ها در J2 و J3 را از ولتاژ  اندازه گیری شده کسر کنید.

جبران اتصال سرد

ترموکوپل ها مستلزم نوعی مرجع دما برای جبران این ترموکوپل های اضافی ناخواسته هستند. اصطلاح «اتصال سرد» از آن رویه سنتی قرار دادن اتصال مرجع در 0درجه سانتیگراد در یک حمام یخ نشات گرفته است. جداول مرجع ترموکوپل موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی (NIST) در چنین چینشی که در شکل 3 نشان داده شده است، به وجود آمده اند.

المنت

شکل 3. اندازه گیری دمای سنتی با برابر قرار دادن اتصال مرجع با 0درجه سانتیگراد

در شکل 3، ولتاژ اندازه گیری شده به اختلاف دمای T1 و Tref بستگی دارد که در این مورد، Tref برابر 0 °C  است. توجه داشته باشید به خاطر آن که اتصالات لید ولتسنج دمای یکسانی یا ایزوترمال هستند (این اصطلاح باجزئیات در این مطلب توصیف می شود)، ولتاژهای تولیدی در این دو نقطه برابر و مخالف هستند. بنابراین، خطای ولتاژ خالص این اتصالات صفر خواهد بود.

در چنین شرایطی، در صورتی که دمای اندازه گیری بالای صفر درجه باشد، یک ترموکوپل دارای خروجی مثبت خواهد بود؛ در صورتی که زیر صفر باشد، خروجی آن منفی خواهد بود. وقتی اتصال مرجع و اتصال اندازه گیری دمای یکسانی داشته باشند، ولتاژ خالص صفر خواهد بود.

با این که مرجع حمام یخ دقیق است اما همیشه عملی نیست. یک رویکرد عملی تر این است که دمای اتصال مرجع با یک حسگر خوانش مستقیم دما اندازه گیری شود و تاثیرات ولتاژ ترموالکتریکی اضافی ترموکوپل از آن کسر شود. این فرایند «جبران اتصال سرد» نام دارد. شما می توانید محاسبه جبران اتصال سرد را با بهره گیری از مزیت برخی ویژگی های ترموکوپل ساده کنید.

با استفاده از قانون ترموکوپل در خصوص فلزات میانجی و چند فرض ساده، می توانید ببینید ولتاژی که تخته DAQ در شکل 2  اندازه گیری می کند تنها به نوع ترموکوپل، ولتاژ ترموکوپل، و دما اتصال سرد بستگی دارد. ولتاژ اندازه گیری شده در حقیقت مستقل از ترکیب لیدهای اندازه گیری و اتصالات سرد J2 و J3 است.

طبق قانون ترموکوپل در خصوص فلزات میانجی که در شکل 4 نشان داده شده است، قرار دادن هر نوع سیمی در یک مدار ترموکوپل تا زمانی که هردو انتهای سیم یک دما داشته باشند یا ایزوترمال باشند، اثری بر خروجی نخواهد داشت.

المنت

شکل 4. قانون فلزات میانجی ترموکوپل

مدار شکل 5 را مد نظر قرار دهید. این مدار مشابه مدار توصیف شده در شکل 2 است اما طول کوتاهی از سیم کونستانتن دقیقا قبل از اتصال J3 قرار داده شده است و اتصالات دارای دمای یکسان مفروض شده اند. با فرض این که اتصالات J3 و J4 دمای یکسانی داشته باشند، قانون فلزات میانجی ترموکوپل نشان می دهد که مدار شکل 5 به لحاظ الکتریکی برابر مدار شکل 2 است. در نتیجه، هر نتیجه ای که از مدار شکل 5 به دست آید، درمورد مدار نشان داده شده در شکل 2 نیز قابل اعمال است.

در شکل 5، اتصالات J2 و J4 یک نوع هستند (مس-کونستانتن)؛ زیرا هردو در منطقه ایزوترمال قرار دارند، همچنین J2 و J4 دارای دمای یکسان هستند. ولی اتصالات در جهت ها مخالف اتفاق می افتند تا تاثیر کلی آن ها بر ولتاژ اندازه گیری شده، صفر باشد. اتصالات J1 و J2 هردو اتصالات آهن-کونستانتن هستند و در جهت مخالف قرار دارند اما ممکن است دمای آن ها متفاوت باشد. بنابراین، اتصالات J1 و J3 تنها اتصالاتی  هستند که خروجی آن ها دارای اثر روی ولتاژ کل اندازه گیری شده است.

المنت

شکل 5. قرار دادن یک لید اضافی در منطقه ایزوترمال

با استفاده از عبارت Vjx(Ty) برای نشان دادن ولتاژ تولید شده توسط اتصال Jx در دمای Ty، مسئله کلی ترموکوپل به معادله زیر تقلیل می یابد.

المنت

در صورتی که VMEAS ولتاژ اندازه گیری شده تخته DAQ باشد، TTC دمای ترموکوپل در J1 باشد، و Tref دمای اتصال مرجع باشد.

توجه داشته باشید که در معادله (2)، Vjx(Ty) ولتاژی است که در دمای Ty در رابطه با یک دمای مرجع تولید می شود. تا زمانی که هردو VJ1 و VJ3 توابعی از دما نسبت به همان دمای مرجع باشند، معادله (2) معتبر است. برای مثال، همان طور که قبلا بیان شد، جداول مرجع ترموکوپل NIST با قرار داده شدن اتصال مرجع برابر صفر درجه سانتیگراد تولید می شود.

از آن جا که اتصال J3 از همان نوع J1 است ولی در جهت مخالف است، Vj3(Tref)=-VJ1(Tref) است. زیرا VJ1 ولتاژی است که نوع ترموکوپل مورد تست تولید می کند. این ولتاژ را می توان VTC نام گذاری کرد. بنابراین، فرمول (2) مجددا به این صورت نوشته می شود:

المنت

بنابراین، با اندازه گیری VMEAS و Tref و دانستن رابطه ولتاژ به دمای ترموکوپل، شما می توانید دمای ترموکوپل را تعیین کنید.

دو تکنیک برای اجرای جبران اتصال سرد وجود دارد – جبران سخت افزاری و جبران نرم افزاری. هردو تکنیک مستلزم آن هستند که دما در اتصال مرجع با حسگر خوانش مستقیم حس شود. حسگر خوانش مستقیم دارای یک خروجی است که تنها وابسته به دمای نقطه اندازه گیری است. حسگرهای نیمه رسانا، ترمیستورها، RTDها به صورت رایج برای اندازه گیری دمای اتصال مرجع مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال، چند بلوک پایانه SCXI شامل ترمیستورهایی هستند که در نزدیکی پایانه های پیچی قرار داده می شوند که سیم های ترموکوپل به آن ها متصل می شود.

جبران سخت افزاری

با جبران سخت افزاری، یک منبع ولتاژ متغیر در مدار قرار داده می شود تا ولتاژهای اضافی ترموالکتریکی را خنثی کند. منبع ولتاژ متغیر یک ولتاژ جبرانی را مطابق با دمای محیطی تولید می کند و بنابراین ولتاژ صحیح را برای حذف سیگنال های ترموالکتریکی ناخواسته اضافه می کند. وقتی این سیگنال های اضافی خنثی شدند، تنها سیگنالی که سیستم DAQ اندازه گیری می کند، ولتاژ اتصال ترموکوپل است. با جبران سخت افزاری، دمای پایانه های سیستم DAQ بی ارتباط خواهد بود زیرا ولتاژهای اضافی ترموکوپل خنثی شده اند. کاستی عمده جبران سخت افزاری آن است که هر نوع ترموکوپل باید دارای مدار جبران جدایی باشد که می تواند ولتاژ جبرانی صحیح را اضافه کند، و بدین صورت مدار نسبتا گران خواهد شد. همین طور، جبران سخت افزاری عموما دقت کمتری نسبت به جبران نرم افزاری دارد.

جبران نرم افزاری

به شکلی دیگر، می توانید از نرم افزار برای جبران اتصال سرد  استفاده کنید. بعد از این که یک حسگر خوانش مستقیم دمای اتصال مرجع را اندازه گیری کرد، نرم افزار می تواند مقدار ولتاژ مناسب را به ولتاژ اندازه گیری شده بیفزاید تا اثرات اضافی ترموکوپل حذف شود. فرمول (3) را به یاد آورید، که بیان می داشت ولتاژ اندازه گیری شده VMEAS برابر با اختلاف بین ولتاژهای ترموکوپل در دمای ترموکوپل و دمای اتصال مرجع است.

توجه: نرم افزار ابزارهای ملی NI-DAQ و همین طور LabVIEW ابزارهای ملی و محیط های اپلیکیشن Measurement Studio دربردارنده رویه های داخلی هستند که جبران نرم افزاری لازم را انجام می دهد.

دو راه برای تعیین دمای ترموکوپل با یک ولتاژ اندازه گیری خاص VMEAS و دمای اتصال مرجع Tref وجود دارد. اولین روش دقیق تر است اما روش دوم مستلزم گام های محاسباتی کمتری است.

رویه 1 – روش افزودن ولتاژ مستقیم برای جبران اتصال سرد نرم افزاری

روش دقیق تر جبران از دو گام تبدیل ولتاژ-به-دما استفاده می کند. از فرمول (3) ولتاژ مدارباز حقیقی را به دست می آورید که ترموکوپل با یک اتصال مرجع در 0 °C به صورتی که در معادله زیر نشان داده شده، تولید می کند:

المنت

بنابراین، این روش مستلزم گام های زیر است:

1. دمای اتصال مرجع Tref را اندازه گیری کنید.

2. این  دما را برای نوع ترموکوپلی که مورد تست قرار می گیرد، VTC(Tref) به یک ولتاژ برابر تبدیل کنید. می توانید از جداول مرجع NIST یا چندجمله ای هایی استفاده کنید که دمای اتصال مرجع را صفر درجه مفروض می دارند.

3. این ولتاژ برابر را به ولتاژ اندازه گیری شده، VMEAS اضافه کنید تا ولتاژ مدار بازی را به  دست آورید که ترموکوپل با اتصال مرجع در صفر درجه تولید می کنید VTC(TTC).

4. ولتاژ به دست آمده را به دما تبدیل کنید؛ این مقدار دمای ترموکوپل TTC است.

این روش جبران مستلزم تبدیل دمای اتصال به ولتاژ ترموکوپل و سپس تبدیل ولتاژ جدید به دما است. هریک از این گام ها مستلزم یک محاسبه چندجمله ای یا بررسی جدول است. ولی دقیق تر از روش زیر خواهد بود.

رویه 2 – روش افزودن دما برای جبران اتصال سرد نرم افزاری

یک روش جبران نرم افزاری آسان تر از این مسئله بهره می گیرد که ولتاژهای خروجی ترموکوپل در انحراف دماهای اندک تقریبا خطی هستند. بنابراین، در مورد انحراف های کوچک دما می توانید از معادله زیر استفاده کنید:

المنت

این فرض در صورتی صحیح است که T1 نسبتا به T2 نزدیک باشد زیرا منحنی ولتاژ-دربرابر-دمای ترموکوپل برای انحراف دمای اندک تقریبا خطی است. با فرض این که دمای ترموکوپل نسبتا نزدیک به دمای مرجع باشدف می توانید فرمول (3) مجددا به شکلی که در زیر نشان داده شده بازنویسی کنید:

المنت

به یاد داشته باشید که اگر از معادلات یا جداول مرجع ترموکوپل NIST استاندارد استفاده می کنید، ولتاژ VTC تابعی از دما نسبت به دمای مرجع صفر درجه است. با فرض خطی بودن و استفاده از معادله (6)، تصور کنید منحنی ولتاژ دربرابر دما در خصوص یک دمای مرجع صفر درجه ای با منحنی هایی با دمای مرجع Tref یکسان باشد. بنابراین، می توانید ولتاژ اندازه گیری شده را با استفاده از جداول مرجع NIST به دما تبدیل کنید. این دما اختلاف بین دمای TTC و Tref است. این روش جبران ساده شده به صورت زیر است:

1. دمای اتصال مرجع Tref را اندازه گیری کنید.

2. ولتاژ اندازه گیری شده VMEAS را با استفاده از رابطه ولتاژ-به-دما ترموکوپل به یک دما تبدیل کنید. این دما تقریبا اختلاف بین ترموکوپل و مرجع اتصال سرد TTC-Tref است.

3. دمای اتصال مرجع Tref را به این مقدار اضافه کنید. این دمای ترموکوپل است.

در این روش یک گام محاسباتی، کمتر از روش جبران نرم افزاری مورد نیاز است اما دقت آن کمتر است. مقایسه دقت این دو روش در مثال های کاربرد بعدی ارائه می شود.

خطی سازی داده ها

ولتاژهای خروجی ترموکوپل بسیار غیرخطی هستند. ضریب سیبک می تواند با فاکتور سه یا بیشتر در طیف دمای عملکردی برخی ترموکوپل ها متغیر باشد. به همین دلیل، باید منحنی ولتاژ-دربرابر-دمای ترموکوپل را با استفاده از چندجمله ای ها تقریب بزنید یا از یک جدول بررسی استفاده کنید. چندجمله ای ها به شکل زیر هستند:

المنت

در صورتی که v ولتاژ ترموکوپل به ولت باشد، T دما براساس درجه سلسیوس باشد، و a0 تا an ضرائبی باشند که خاص هر نوع ترموکوپل هستند. جدول 1 ضرائب چندجمله ای NIST را برای چند نوع ترموکوپل محبوب در طیف منتخبی از دما ارائه می کند.

المنت

جدول 1. ضرائب چندجمله ای NIST برای تبدیل ولتاژ-به-دما (T=a0+a1v+a2v2+…anvn)

خطاهای لیست شده در جدول 1 تنها درمورد محاسبه چندجمله ای ها مصداق دارند و خطاهای ناشی از سیستم اندازه گیری یا ترموکوپل را مد نظر قرار نمی دهند.

به یاد آورید که رویه 1 برای جبران اتصال سرد نرم افزاری به یک گام دما-به-ولتاژ نیز برای تبدیل دمای اتصال سرد به ولتاژ برابر نوع خاص ترموکوپل نیاز دارد. باز هم می توانید از جداول مرجع ترموکوپل یا تقریب منحنی با یک چند جمله ای استفاده کنید. NIST همچنین مجموعه ای از چندجمله ای ها را برای ولتاژ ترموکوپل به عنوان تابعی از دما مشخص می کند.

المنت

در صورتی که c0 تا cn ضرائبی باشند که خاص هر نوع ترموکوپل هستند. جدول 2 چندجمله ای های NIST را برای تبدیل دما-به-ولتاژ در خصوص چند نوع معروف ترموکوپل ارائه می کند.

NIST همچنین مجموعه هایی از چندجمله ای ها را مشخص می کند که طیف های دمایی غیر از آن چه در جدول و 2 آمده را پوشش می دهند. مثال های بیشتر چندجمله ای ها شامل طیف های دمای گسترده تر، در مونوگراف دفتر ملی استانداردها 175 آورده شده است (نگاه کنید به منابع)

برای افزایش سرعت محاسبه، یک چندجمله ای را می توان به صورت تو در تو محاسبه کرد. چندجمله ای مرتبه چهارم را مد نظر قرار دهید:

المنت

در صورتی که این چندجمله ای به صورت نوشته شده ارزیابی گردد، چند ضرب غیرلازم انجام می شود تا v به توان های مختلفی افزایش داده شود. در صورتی که درعوض چندجمله ای به صورت فرمول زیر نگاشته و ارزیابی شود، هیچ توانی محاسبه نمی شود و محاسبه بسیار سریع تر پیش خواهد رفت:

المنت

این چندجمله ای های NIST با توابعی اجرا می شوند که در نرم  افزار LabVIEW، LabWindow/CVI و NI-DAQ ابزارهای ملی جای داده شده اند.

توجه: به عنوان موردی احتیاطی، واحدهای مشخص شده برای ولتاژ را بررسی کنید. درفرمول های جدول 1 و 2، ولتاژها به میکروولت هستند. درمورد برخی جداول ترموکوپل دیگر و چندجمله ای های خطی سازی، ولتاژها ممکن است به میلی ولت یا ولت باشند. استفاده از واحد اشتباه باعث نتایج خطا می شود.

المنت

جدول 2. ضرائب چندجمله ای NIST برای تبدیل دما-به-ولت (v = c0 + c1T + c2T2 + … + cnTn)

تکنولوژی های حساس برای اندازه گیری ترموکوپل

در بخش بعد برخی از قابلیت های اندازه گیری عمومی توصیف می شوند که می توانند در اندازه گیری دما با ترموکوپل ها اهمیت داشته باشند.

سیستم کم نویز

سیگنال های سطح پایین ترموکوپل مستعد تخریب نویزی هستند. بنابراین، بسیار مهم است که محصولات اندازه گیری شما با عملکرد بسیار مناسب کم نویز، به خوبی مورد محافظت قرار گیرند. محصولات اندازه گیری ابزارهای ملی به گونه ای طراحی شده اند تا از تخریب سیگنال در اثر نویز خارجی جلوگیری کنند. برای مثال، سیستم تنظیم سیگنال ابتدا به انتهای SCXI متشکل از شاسی و مدول های کاملا محافظت شده هستند. سیگنال ها از یک باس آنالوگ کم نویز عبور داده می شوند و سپس از طریق یک کابل محافظت شده جفت-پیچشی به ابزار کسب داده متصل می رسند تا بهترین عملکرد کم نویز به وجود آید.

المنت

شکل 6. تنظیم سیگنال ابتدا به انتهای SCXI

همچنین می توانید عملکرد نویز سیستم خود را به شکل قابل توجهی با تقویت ولتاژهای ترموکوپل سطح پایین تا حد ممکن نزدیک به ترموکوپل بهبود دهید. تا زمانی که سیگنال ترموکوپل تقویت شود، این ولتاژ سطح پایین مستعد نویز از محیط پیرامون خواهد بود. در بسیاری موارد، سطح نویز قابل قیاس با خود سیگنال ترموکوپل یا بیشتر از آن  خواهد بود. مسئله ای که وخامت وضع را در پی دارد آن است که سیم ترموکوپل به صورت یک آنتن عمل کرده و نویز را جذب می کند. ولی وقتی سیگنال ترموکوپل را تقویت کردید، سیگنال شما عموما چند مرتبه بزرگ تر از منبع نویز است و بنابراین اثرات نویز بر اندازه گیری شما را کاهش داده یا حذف می کند.

تقویت

از آن جا که ولتاژهای خروجی ترموکوپل بسیار کم هستند، باید از بیشترین میزان آن برای رسیدن به بهترین وضوح و عملکرد نویز استفاده کنید. تقویت، به همراه طیف ورودی تبدیل کننده آنالوگ-به-دیجیتال (ADC) شما، طیف ورودی قابل استفاده سیستم شما را مشخص می کنند. بنابراین، باید به دقت شکل تقویت خود را انتخاب کنید تا سیگنال ترموکوپل از این طیف در دماهای بالا فراتر نرود.

جدول 3 طیف های ولتاژ چند نوع ترموکوپل استاندارد را لیست می کند؛ شما می توانید از این جدول به عنوان راهنما در تعیین بهترین وضعیت طیف ورودی جهت استفاده، بهره گیرید.

المنت

جدول 3. حالات حدی خروجی ولتاژ ترموکوپل (mV)

فیلترینگ ورودی

برای کاهش بیشتر نویز، سیستم سنجشی با یک فیلتر مقاومت-خازن (RC) عبورکم را در هر کانال ورودی، عموما 1 تا 4 هرتز مد نظر قرار دهید. این ها برای حذف نویز رایج 50/60 هرتزی موجود در فضای بیشتر آزمایشگاه ها و تاسیسات مفید هستند. درمورد کاربردهای غربالگری نرخ بالا، می توانید استفاده از راهکاری را مد نظر قرار دهید که در آن از یک فیلتر برای هر کانال استفاده می شود و نه معماری خاصی که کانال های بسیاری را در یک فیلتر واحد تسهیم می کند. معمارانی که کانال های متعدد را در یک فیلتر واحد تسهیم می کنند باعث کاهش نرخ غربالگری کلی سیستم خود می شوند.

شناسایی ترموکوپل باز

مفید خواهد بود که مدار شکسته یا باز در یک ترموکوپل شناسایی شود. درغیر این صورت، بی خبر خواهید بود داده هایی که به دست می آورید، در حقیقت به خاطر خرابی ترموکوپل اشتباه هستند. سیستم های اندازه گیری بسیاری از تکنولوژی هایی استفاده می کنند باعث می شوند چنانچه لیدهای ورودی، مداری باز باشند، یک کانال ورودی در مقدار مقیاس کامل مثبت یا منفی خود اشباع شود. آنگاه سیستم اندازه گیری شما مقدار خروجی مقیاس کامل را در هر جهتی گزارش می کند. شما می توانید این مسئله را با نرم افزار بررسی کرده و اقدام لازم را انجام دهید.

جبران اتصال سرد

همان طور که قبلا بحث شد، سنجش ترموکوپل مستلزم حسگری دمای اتصال سرد (یا مرجع) در نقطه ای است که سیم ترموکوپل به سیستم سنجش متصل شده است. بنابراین، متعلقات اتصال سیگنال باید دربردارنده یک حسگر اتصال سرد دقیق باشد و برای به حداقل رساندن شیب دمای بین حسگر اتصال سرد و اتصالات سیم ترموکوپل طراحی شده باشد.

بسته به سیستم سنجشی که انتخاب می کنید، عموما در انتخاب تکنولوژی جبران اتصال سرد خود چند گزینه در اختیار خواهید داشت. برخی سیستم ها از حسگر دمای LM-35CAZ نیمه رسانای ملی به عنوان مرجع استفاده می کنند. این محصولات، یک خروجی ولتاژ خطی 10 mV/°C را تولید می کنند. دیگر گزینه ها شامل ترمیستور دقت بالا برای اندازه گیری دمای اتصال سرد است. همین محصولات عموما صفحه ای ایزوترمال ارائه می کنند که به حفظ همه ترمینال های پیچی و ترمیستور در دمای یکسان کمک می کند. با این راهکارها، می توانید دمای مرجع را با دقت 0.5 °C اندازه گیری کنید.

غربالگری

سیستم های ترموکوپل عموما کاربردهای پهنای بند پایین هستند زیرا دما نوعا فرایندی با تغییر آهسته است. ولی مواقعی وجود دارد که ممکن است بسته به اندازه سیستم و ورودی های حسگری غیر از ترموکوپل ها به سیستم اندازه گیری سرعت بالا نیاز داشته باشید. برای مثال، یک اسکنر 10 هرتزی که 300 ترموکوپل را نظارت می کند می تواند هر ترموکوپل را تنها هر 30 ثانیه یک بار نمونه گیری کند. یک سیستم SCXI که می تواند کانال های ورودی را تا 3 μs در هر غربالگری کند، می تواند کل 300 ترموکوپل را هر 0.9 میلی ثانیه نمونه گیری کند. دلیلی دیگر برای نرخ بالای غربالگری، شبیه سازی نمونه گیری همزمان است. با این که ممکن است تنها خواهان خواندن هر کانال در هر 10 ثانیه باشید، اما ممکن است نیاز داشته باشید تاخیر نمونه گیری را بین هر کانال به حداقل برسانید. در نهایت، می توانید سیستم های غربالگری پرسرعت را زمانی مد نظر قرار دهید که ترموکوپل ها تنها نوع سیگنالی نیستند که اندازه گیری می کنید. اندازه گیری دماها همزمان با سایر سیگنال های فرکانس بالا مثل ارتعاش ممکن است شما را ملزم دارد همه کانال ها را به یک نرخ اندازه گیری کنید.

اندازه گیری های افتراقی

در صورتی که از هرگونه ترموکوپل متصل به زمین استفاده می کنید، اندازه گیری افتراقی مهم خواهد بود. با اندازه گیری افتراقی، هر کانال از دو لید سیگنال استفاده می کند؛ تنها اختلاف ولتاژ بین لیدها اندازه گیری می شود. آمپلیفایر افتراقی نویز حلقه زمین و نویز حالت معمول را رد می کند و بنابراین اندازه گیری را خراب نمی کند. از سوی دیگر، با اندازه گیری تک انتهایی، لیدهای منفی همه سیگنال های ورودی به زمین مشترک متصل می شوند. در حالی که این می تواند باعث ارتقای کانال سیستم  اندازه گیری شما شود، اما علاوه بر آن افزایش احتمال حلقه زمین را نیز در پی دارد و به این صورت، قابلیت های رد حالت معمول اندازه گیری های افتراقی را به دست نمی آورید.

عایق سازی

با این که سیگنال ترموکوپل بسیار کوچک است، اما خود ترموکوپل می تواند در معرض ولتاژهای حالت معمول بزرگی قرار گیرد. برای مثال، اگر یک ترموکوپل را به یک سیم پیچ موتور وصل کنید، سیگنال معمول ابزار اندازه گیری شما می تواند چند صد ولت باشد. سیستم های اندازه گیری دارای عایق به گونه ساخته شده اند که مانع این سطح از ولتاژ شوند و همین طور محافظت از سیستم را در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ یا اتصالات نادرست سیگنال در برداشته باشند.

گزینه های سیستم اندازه گیری ترموکوپل

ابزار ملی طیفی از گزینه های اندازه گیری مبتنی بر کامپیوتر را ارائه می کند که در بردارنده افزایش عملکرد سیستم، یکپارچگی بیشتر با سایر نرم افزارها و سخت افزارها و ابزارهای توسعه بهتر با هزینه ای کمتر از سیستم های سنتی است.

SCXI

SCXI سیستم سوئیچینگ و تنظیم سیگنال ابتدا به انتها برای ابزارهای اندازه گیری مختلف شامل کسب داده ها و ابزارهای DMM است. یک سیستم SCXI متشکل از شاسی محکمی است که از مدول های محافظت شده تنظیم سیگنال برای تقویت، فیلتر، عایق سازی، و تسهیم سیگنال های آنالوگ ترموکوپل ها یا سایر مبدل ها برخوردار است. SCXI برای سیستم های اندازه گیری بزرگ یا سیستم هایی طراحی شده است که مستلزم کسب پرسرعت هستند.

سیستم دارای ویژگی های زیر است:

  • معماری مدولار – تکنولوژی اندازه گیری خود را انتخاب کنید.
  • قابلیت بسط – سیستم خود را به 3072 کانال بسط دهید.
  • ادغام – ورودی آنالوگ، خروجی آنالوگ، I/O دیجیتال، و سوئیچینگ را در یک پلتفرم واحد یکپارچه ادغام کنید.
  • پهنای باند بالا – سیگنال ها را با نرخ تجمیعی تا 333 kHz کسب کنید.
  • قابلیت اتصال – مدول های SCXI را با کانکتورهای ترموکوپل یا بلوک های پایانه انتخاب کنید.
  • برای اطلاعات بیشتر در مورد خط تولید SCXI، لطفا به آدرس ni.com/sigcon سر بزنید.

SCC

SCC یک سیستم تنظیم سیگنال ابتدا به انتها برای ابزارهای کسب داده پلاگ-این سری E  است. یک سیستم SCC شامل یک حمل کننده محافظت شده است که تا 20 سیگنال یا مدول SCC دوکانالی را برای تنظیم ترموکوپل ها و سایر مبدل ها در بر می گیرد. SCC برای کاربردهای سیار یا برای سیستم های اندازه گیری کوچک طراحی شده است که تنها به چند کانال از هر نوع سیگنال نیاز دارید. سیستم های SCC همچنین جامع ترین و انعطاف پذیرترین گزینه های قابلیت اتصال سیگنال را ارائه می کنند.

ویژگی های سیستم شامل موارد زیر است:

  • معماری مدولار – تکنولوژی اندازه گیری خود را بر مبنای کانال  انتخاب کنید
  • سیستم های کانال کوچک – تا 16 ورودی آنالوگ و 8 خط I/O دیجیتال را تنظیم کنید.
  • اندازه کوچک/قابل حمل – به خوبی در تکنولوژی های اندازه گیری کامپیوتر و لپ تاپ جای می گیرد.
  • پهنای باند کم – سیگنال ها را با نرخی تا 1.25 MHz کسب می کند.
  • قابلیت اتصال – از تکنولوژی پلانت بهره می گیرد تا قابلیت اتصال سفارشی را برای ترموکوپل، BNC، LEMO (مجموعه B) و کانکتورهای MIL-Spec ارائه کند.
  • مجموعه های 5B

5B یک سیستم تنظیم سیگنال ابتدا به انتها برای ابزارهای کسب داده پلاگ-این است. سیستم 5B شامل 8 یا 16 مدول تک کانالی است که به یک صفحه پشت برای تنظیم ترموکوپل و سایر سیگنال های آنالوگ وصل می شود. ابزار ملی خط کامل مدول ها، حامل ها، صفحه پشت و متعلقات 5B را ارائه می کند. برای اطلاعات بیشتر به ni.com/sigcon سر بزنید.

فیلدپوینت

فیلدپوینت یک سیستم  اندازه گیری توزیعی برای نظارت و کنترل سیگنال ها در رابطه با کاربردهای صنعتی است. یک سیستم فیلدپوینت شامل یک سریال یا مدول شبکه اترنت و تا نُه مدول I/O در یک مخزن است. هر مدول I/O می تواند 8 یا 16 کانال را اندازه گیری کند. فیلد برای کاربردهایی با خوشه های کم نقاط I/O در چند مکان مختلف طراحی شده است. فیلدپوینت همچنین راهکاری جذاب برای کاربردهای حساس به هزینه است که نظارت کم سرعت را انجام می دهند.

ویژگی های این سیستم عبارت است از:

  • معماری مدولار – تکنولوژی اندازه گیری خود را بر اساس مدول انتخاب کنید
  • قابلیت بسط – چند مخزن شبکه ای برای یک سیستم واحد
  • ادغام – ورودی و خروجی آنالوگ، I/O دیجیتال و سوئیچینگ را در یک پلتفرم یکپارچه واحد قرار می دهد
  • نظارت کم سرعت – تا 100 Hz
  • درجه صنعتی سبک – طیف دمای 70 درجه سانتیگراد، اجزای قابل تعویض حین کار، حالات راه اندازی قابل برنامه ریزی، تایمرهای مراقب.
    برای اطلاعات بیشتر درمورد خط محصول
  • فیلدپوینت به ni.com/fieldpoint سر بزنید.

لاگرهای دقیق NI 4350

مجموعه NI4350 متشکل از رقمی کننده های دقیق است که به طور خاص برای اندازه گیری های آنالوگ دما، مقاومت و فرکانس پایین طراحی شده اند. سیستم NI4350 متشکل از ابزار پلاگ-این، کابل و متعلقات اتصال سیگنال است. ابزار مجموعه NI4350 را به عنوان راهکاری برای مواردی انتخاب کنید که به اندازه گیری دقت بالا در نرخ های کسب پایین (تا 60 Hz) نیاز دارید.

ویژگی های این سیستم عبارت است از:

  • دقت بالا – ADCهای 24 بیتی با فیلترینگ دیجیتال جهت برطرف کردن نویز 50/60 Hz
  • گزینه های پلتفرم – موجود برای PCI، PXI/CompactPCI، USB، PCMCIA و ISA
  • سیستم های تعداد کانال کم – تا 14 ترموکوپل را برای هر ابزار اندازه گیری می کند
  • نظارت سرعت کم – حداکثر نرخ غربالگری 60 هرتزی
  • برای اطلاعات بیشتر در مورد خط محصول سری NI4350، به آدرس ni.com/instruments/loggers سر بزنید.

منشا خطا در ترموکوپل ها

وقتی اندازه گیری های ترموکوپل را انجام می دهید، منابع احتمالی خطا شامل جبران، خطی سازی، اندازه گیری، سیم ترموکوپل و خطاهای آزمایشی هستند.

خطاهای جبران اتصال سرد نشات گرفته از دو منبع هستند – عدم دقت حسگر دما و اختلاف دمای بین حسگر و پایانه های پیچی. حسگرهای جبران اتصال سردی که مبتنی بر IC  هستند دارای دقت موثر ±0.9° C هستند. علاوه بر این، شیب دمای بین حسگر و پایانه های پیچی می تواند تا ±0.5° C باشد و دقت کلی ±1.4° C را داشته باشد. سایر راهکارها از طراحی ایزوترمال برای محدود کردن شیب دمایی و یک ترمیستور دقت بالا برای دستیابی به دقتی در حد ±0.65° C استفاده می کنند.

خطاهای خطی سازی به این دلیل روی می دهند که چندجمله ای ها تقریب هایی خروجی حقیقی ترموکوپل هستند. خطای خطی سازی به درجه چندجمله ای مورد استفاده بستگی دارد. جدول 1 خطاهای خطی سازی را برای چندجمله ای های NIST لیست می کند.

خطای اندازه گیری نتیجه عدم دقت تکنولوژی های تنظیم سیگنال و رقمی سازی ابزار شما است. این ها شامل خطای آفست، خطای گین، عدم خطی بودن، و وضوح ADC است. با این که محصولات ابزار ملی به گونه تنظیم می شوند که کمترین خطای آفست را داشته باشند، اما می توانید کل خطای آفست محصول را با تقویت ورودی، خواندن نتیجه و کسر کردن خطای آفست از خوانش های متعاقب حذف کنید. برخی محصولات این ویژگی را به صورت خودکار ارائه می کنند.

آمپلیفایرها در سیستم اندازه گیری شما نیز می توانند دربردارنده خطای گین باشند. برای مثال، خطای گین 0.03 درصدی یک سیستم می تواند به بسته فضای گین به خطای 6mV منجر شود. ولی می توانید  از یک منبع تنظیم خارجی برای حذف کامل خطای گین  استفاده کنید.

دیگر خطاهای اندازه گیری شامل غیرخطی بودن و وضوح رقمی کننده است. این خطاها عموما به واسطه گین بالای محصولات اندازه گیری ترموکوپل به حداقل می رسند.

اغلب، منبع عمده خطا خود ترموکوپل است. برای مثال، خطای سیم ترموکوپل به علت ناهمگنی در فرایند تولید ترموکوپل به وجود می آید. این خطاها ممکن است به شکل گسترده ای بسته به نوع ترموکوپل و حتی سنجشگر سیم مورد استفاده متغیر باشند اما یک مقدار ±2° C معمول است. برای به دست آوردن مشخصات دقت با تولید کننده ترموکوپل تماس بگیرید. یک رویه رایج برای مقابله با این خطا، خرید یک قرقره سیم ترموکوپل و ساخت ترموکوپل به دست خودتان است. این کار باعث اطمینان از هماهنگی بین ترموکوپل های خود می شود. بعد، در صورتی که سیستم خود را با یکی از ترموکوپل ها تنظیم کنید، سیستم خود را با همه ترموکوپل ها تنظیم کرده اید.

یک منبع احتمالی خطای دیگر، نویز جذب شده توسط لیدهای ترموکوپل است. فیلترینگ عبور کم، موثر ترین روش برای مقابله با نویز است اما میانگین گیری نرم افزاری نیز می تواند نویز را از اندازه گیری های شما حذف کند.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.