CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN – Công ty TNHH Công Nghiệp Thermoway Việt Nam

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mối nối giữa hai sắt kẽm kim loại khác nhau tạo ra một điện áp nhỏ. Một trong những loại cảm biến nhiệt đơn thuần nhất là cặp nhiệt điện, chúng hoạt động giải trí dựa vào một nguyên tắc được gọi là hiệu ứng Seebeck. Seebeck đã mày mò ra hiện tượng kỳ lạ này vào năm 1821, và trong những năm sau đó cặp nhiệt điện đã trở thành loại cảm biến nhiệt được sử dụng thoáng rộng nhất. Từ cặp nhiệt điện ( thermocouple ) được ghép từ hai từ : “ thermo ” có nghĩa là nhiệt và “ couple ” bộc lộ hai mối nối .
Một cặp nhiệt điện thông thường gồm hai dây sắt kẽm kim loại khác nhau, mỗi dây được sản xuất từ một sắt kẽm kim loại đơn chất hay kim loại tổng hợp. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu tạo thành điểm đo, thường thì được gọi là điểm trung tâm, chính do phần đông nhiệt độ được đo cao hơn nhiệt độ môi trường tự nhiên. Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua, dụng cụ đo này sẽ đo mức điện áp được tạo ra tại điểm nối và quy đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng .

Không may, các điểm nối giữa cặp nhiệt điện với thiết bị chỉ thị hoặc vòng điều khiển lại tạo ra các mối nối khác giữa hai kim loại khác nhau mà chúng cũng tạo ra những điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ. Để loại bỏ vấn đề này, các mạch cặp nhiệt điện sử dụng một điểm nối chuẩn kết hợp với mạch điện tử để đo và hiệu chỉnh ảnh hưởng này. Điểm nối chuẩn thông thường về mặt điện giống như một cặp nhiệt điện ở 0oC. Điểm chuẩn thường được đặt gần hoặc thậm chí bên trong thiết bị chỉ thị.

Điện áp do cặp nhiệt điện tạo ra rất thấp và được đo bằng mV. Điện áp này tăng khi nhiệt độ tăng. Giá trị điện áp này cũng tùy thuộc vào tổng hợp hai sắt kẽm kim loại được sử dụng để sản xuất cặp nhiệt điện .

Hình 2.1 : Công nghệ cặp nhiệt điện

Chuyển đổi điện áp sinh ra

Những gì cặp nhiệt điện cho biết là sự khác nhau về nhiệt độ giữa điểm đo và điểm chuẩn. ( Thực tế, tất cả chúng ta không hề đo được giá trị tuyệt đối ; việc tất cả chúng ta hoàn toàn có thể làm là so sánh một đại lượng đã biết với một đại lượng chưa biết ). Nếu tất cả chúng ta biết nhiệt độ chuẩn, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể tính ra được nhiệt độ quy trình bằng cách đo điện áp được ra bởi cặp nhiệt điện :
nhiệt độ chưa biết = ( điện áp / thông số Seebeck ) + nhiệt độ chuẩn
Nhiệt độ quy trình hoàn toàn có thể được suy ra từ giá trị điện áp đo được bằng cách dựa vào đồ thị ( hình 2.2 ) hoặc đúng mực hơn, bằng cách dựa vào bảng tham chiếu cặp nhiệt điện mà trong đó liệt kê những điện áp tương ứng với nhiệt độ của mỗi loại cặp nhiệt điện. Không may, quan hệ điện áp theo nhiệt độ không phải là đường thẳng, và thông số Seeebeck không phải là một hằng số ( hình 2.3 ). Với một số ít cặp nhiệt điện trên toàn dải đo của nó, ví dụ như loại K trên toàn dải đo từ 0 đến 1000 oC ( 32 đến 1832 oF ), thông số Seebeck tương đối là hằng số ( khoảng chừng 40 mV / oC ), nhưng thường thì nó biến hóa theo nhiệt độ. Điều này trong quá khứ đã dẫn đến mỗi loại cặp nhiệt điện có một thang đo duy nhất hoặc thiết yếu phải sử dụng bảng và đặc tuyến để quy đổi điện áp thành nhiệt độ. Ngày nay, năng lực bộ nhớ của vi giải quyết và xử lý đã xử lý tổng thể những yếu tố này, và những việc làm nhạt nhẻo tốn thời hạn trước đây giờ đây được xử lý rất nhanh gọn và thuận tiện. Nói tóm lại, đặc thù không tuyến tính tự nhiên của cặp nhiệt điện không còn là yếu tố .

Hình 2.2 : Quan hệ điện áp – nhiệt độ của TC
Một yếu tố nữa là tín hiệu của cặp nhiệt điện rất nhỏ. Như trình diễn trong hình 2.3, một cặp nhiệt điện platinum sẽ tạo ra điện áp khoảng chừng 10 mV / oC. Hay nói cách khác, thậm chí còn với một transmitter công nghiệp tốt nhất có dải đo nhỏ nhất là 1 mV và sai số tuyệt đối nhỏ nhất khoảng chừng 0.01 mV, nghĩa là 10 mV. Vì thế rất khó khăn vất vả để triển khai một phép đo sử dụng transmitter công nghiệp và cặp nhiệt điện platinum mà sự đổi khác điện áp ra của nó trên mỗi độ C nhỏ hơn sai số của transmitter. Điều này hoàn toàn có thể đồng ý được ở dải nhiệt độ cao, nhưng không hề đồng ý khi dải nhiệt độ đo hẹp. Vì vậy, cặp nhiệt điện không được khuyến nghị sử dụng trong trường hợp dải đo hẹp hoặc những phép đo rơi lệch nhiệt độ nhỏ .

Hình 2.3 : Hệ số Seebeck

Các bảng tham chiếu cặp nhiệt điện

Tất cả những bảng tham chiếu cặp nhiệt điện trong tài liệu này được dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 0 oC ( 32 oF ) ; thế cho nên, việc quy đổi trực tiếp từ những bảng này hoàn toàn có thể triển khai được khi mối nối chuẩn được đặt vào chậu nước đá .
Nếu không hề duy trì nhiệt độ mối nối chuẩn ở 0 oC, phải sử dụng một thông số hiệu chỉnh so với những điện áp cho trong bảng. Chú ý rằng, điện áp được tạo ra bởi một cặp nhiệt điện cho trước sẽ giảm xuống khi sự xô lệch nhiệt độ giữa mối nối đo và mối nối chuẩn giảm. Việc hiệu chỉnh khi nhiệt độ mối nối chuẩn lớn hơn 0 oC được diễn đạt sau đây .

Chuyển đổi mV ra nhiệt độ

Để vận dụng thông số hiệu chỉnh mối nối chuẩn so với mV đo được từ đồng hồ đeo tay đo điện áp, ta triển khai như sau :

1. Từ bảng tham chiếu cặp nhiệt thích hợp, lấy giá trị mV (mối nối chuẩn ở 0oC) tương tứng với nhiệt độ thực của mối nối chuẩn.
2. Cộng đại số giá trị vừa lấy được ở bước 1. với giá trị mV đọc được trên vôn kế.
3. Điện áp đã được hiệu chỉnh có thể được chuyển đổi trực tiếp sang nhiệt độ từ bảng tham chiếu đã cho.

Ví dụ 1
Một vôn kế thông tư điện áp là 13,033 mV khi được nối với một cặp nhiệt điện loại T, và người ta mong ước quy đổi điện áp này thành nhiệt độ tương ứng. Nhiệt độ thực tiễn của mối nối chuẩn lúc này được xác lập bằng nhiệt kế thủy ngân đúng chuẩn là 20 oC ( 68 oF ). Nội suy từ bảng của cặp nhiệt điện loại T, 68 oF = 0.790 mV ( dựa vào nhiệt độ mối chuẩn ở 32 oF ). Cộng giá trị này với giá trị thông tư trên vôn kế, 13.033 + 0.790 = 13.823 mV, đây là giá trị điện áp đã được hiệu chỉnh dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32 oF. Nội suy từ bảng tham chiếu so với loại T, 13.823 mV = 539 oF ( 282 oC ) .
Ví dụ 2
Một cặp nhiệt điện loại T trong điều kiện kèm theo hoạt động giải trí không thay đổi cho ra một điện áp trên vôn kế là – 3.369 mV. Nhiệt độ thực của mối nối chuẩn là 70 oF ( 21 oC ). Từ bảng tra loại T, 70 oF = 0.830 mV dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32 oF. Cộng đại số hai giá trị này, – 3.369 + 0.830 = – 2.539 mV. Nội suy từ bảng, – 2.539 mV = – 98 oF ( – 72 oC ) .

Chuyển đổi nhiệt độ ra mV

Để xác lập đúng mực điện áp ngõ vào thiết yếu cho việc hiệu chuẩn dụng cụ đo, giải quyết và xử lý như sau :

1. Từ bảng tra thích hợp, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn ở 32oF) tương ứng với nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo cần kiểm tra.
2. Cũng từ bảng tra vừa rồi, lấy giá trị mV (dựa vào mối nối chuẩn ở 32oF) tương ứng với nhiệt độ cần kiểm tra
3. Giá trị điện áp ở bước 2 được trừ đại số đi điện áp ở bước 1.

Ví dụ 1
Người ta muốn kiểm tra hiệu chuẩn một dụng cụ đo lường và thống kê ở nhiệt độ 300 oF ( 149 oC ). Dụng cụ có thang đo được chia theo oF và sử dụng cặp nhiệt điện loại T. Nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo này được xác lập bằng nhiệt kế thủy ngân đúng chuẩn là 70 oF ( 21 oC ). Từ bảng tra loại T, 70 oF = 0.830 mV và 300 oF ( 1490C ) = 6.654 mV dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32 oF. Bằng cách trừ đi, điện áp ngõ vào mong ước đã được hiệu chỉnh dựa trên cơ sở nhiệt độ mối nối chuẩn ở 70 oF là 6.654 – 0.830 = 5.824 mV .
Ví dụ 2
Người ta cần xác lập điện áp đúng mực ở ngõ vào để kiểm tra việc hiệu chuẩn một dụng cụ đo lường và thống kê ở – 200 oF ( – 129 oC ). Thang đo của dụng cụ đo được chia theo oF và sử dụng cặp nhiệt điện loại T. Nhiệt độ thực tại ngõ vào của dụng cụ đo là 68 oF ( 20 oC ). Từ bảng tra loại T, 68 oF = 0.790 mV và – 200 oF = – 4.152 mV dựa vào nhiệt độ mối nối chuẩn ở 32 oF. Trừ đại số, điện áp ngõ vào đã được hiệu chỉnh trên cơ sở nhiệt độ mối nối chuẩn ở 68 oF là – 4.152 – 0.790 = – 4.942 mV .

Khi sử dụng thiết bị đo, nó quy đổi điện áp được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trung tâm và điểm lạnh để ghi nhận hoặc hiển thị nhiệt độ của điểm trung tâm. Để ngăn ngừa sai số do điện áp được tạo ra bởi sự biến hóa nhiệt độ của điểm lạnh và bên trong thiết bị đo, những điện áp này phải được bù. Một giải pháp là giữ nhiệt độ điểm lạnh ở một nhiệt độ cố định và thắt chặt, ví dụ hoàn toàn có thể triển khai được trong phòng thí nghiệm với chậu nước đá ( hình 2.4 ). Có thể sử dụng một cái lò, mặc dầu việc giữ nhiệt độ của lò ở một giá trị hằng số là cả một yếu tố .
.
Hình 2.4

Trong môi trường công nghiệp thì không sử dụng chậu nước đá cũng không dùng lò. Trong các transmitter nhiệt độ sử dụng trong công nghiệp quá trình, chậu nước đá chuẩn phải được thay thế bằng một mối nối chuẩn theo sự thay đổi của môi trường. Điều này có thể đạt được bằng cách thực hiện hai thay đổi từ hình 2.4. Thay đổi đầu tiên là chèn thêm vào một đoạn dây đồng ngắn giữa các đầu nối của vôn kế và cặp nhiệt điện và đặt các mối nối mới này trên một khối cách nhiệt (hình 2.5). Sự thay đổi này loại bỏ các mối nối J3 và J4 được trình bày trong hình 2.4 bởi vì trong hình 2.5, tại hai vị trí này là các mối nối giữa đồng với đồng. Bằng việc thay thế các mối nối J3 và J4 mới trên khối cách nhiệt, như được trình bày trong hình 2.5, các ảnh hưởng của chúng bị loại bỏ bởi vì chúng ngược chiều nhau và ở cùng nhiệt độ. Sự thay đổi thứ hai là không đặt điểm chuẩn trong chậu nước đá mà đặt trên khối cách nhiệt. Lúc này vôn kế đo điện áp của cặp nhiệt điện khi mối nối chuẩn ở nhiệt độ TREF , và sử dụng một thiết bị đo nhiệt khác để đo nhiệt độ điểm chuẩn. Khi nhiệt độ TREF­ được đo chính xác, phần mềm liên quan sẽ xác định được lượng mV mà một cặp nhiệt điện sẽ tạo ra nếu điểm nóng tại nhiệt độ TREF và điểm lạnh được đặt trong chậu nước đá. Cộng hai giá trị điện áp này và nội suy từ bảng tra thích hợp ta sẽ được giá trị nhiệt độ tương ứng. Nhiệt độ này chính là nhiệt độ quá trình cần đo.

Hình 2.5

Hình 2.6 : Sơ đồ liên kết TC công nghiệp

Các loại cặp nhiệt điện

Có nhiều loại cặp nhiệt điện, và mỗi loại được sản xuất từ những sắt kẽm kim loại khác nhau. Việc lựa chọn một loại cặp nhiệt điện thông thường dựa vào :

• Các điều kiện của quá trình điều khiển
• Dải nhiệt độ cần đo
• Cấp chính xác yêu cầu

Mỗi loại cặp nhiệt điện được ký hiệu bằng một vần âm và hoàn toàn có thể nhận diện được chúng bằng màu dây. Bảng sau đây trình diễn một số ít loại cặp nhiệt điện thông dụng, dải nhiệt độ và ký hiệu màu dây của chúng .

Với mỗi loại cặp nhiệt điện, điện áp do điểm đo sinh ra ứng với mỗi nhiệt độ được ghi lại thành bảng chuyển đổi. Bảng chuyển đổi cho biết sự chênh lệch điện áp giữa mối nối đo và mối nối chuẩn khi mà mối nối chuẩn được duy trì hoặc được bù về mặt điện
ở 0oC.

Tất cả những mối nối giữa hai sắt kẽm kim loại khác nhau trong mạch sử dụng cặp nhiệt điện phải được tính tới để biết đúng chuẩn điện áp đo mối nối đo lường và thống kê tạo ra .
Xem xét kỹ những bảng quy đổi của những loại cặp nhiệt điện ta thấy mối quan hệ giữa điện áp theo sự đổi khác của nhiệt độ là không tuyến tính. Ở bảng quy đổi của cặp nhiệt điện loại K, điện áp ra là 0.397 mV khi nhiệt độ tại mối nối đo lường và thống kê là 10 oC. Nếu quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp này thật sự tuyến tính thì ở 40 oC, điện áp ra phải là 4 × 0.397 = 1.588 mV. Tuy nhiên giá trị thực tra được ở bảng là 1.612 mV. Trong vòng tinh chỉnh và điều khiển, mạch điện tử sẽ tự động hóa bù lại đặc thù không tuyến tính này .
Khi nhiệt độ tại mối nối đo lường và thống kê trên 0 oC, điện áp tại dây dương sẽ cao điện áp tại dây âm. Khi nhiệt độ mối nối đo lường và thống kê thấp hơn 0 oC, dây dương sẽ trở thành âm và điện áp hiển thị trên máy đo sẽ âm. Khi nhiệt độ của mối nối đo lường và thống kê bằng 0 oC, bằng với nhiệt độ của mối nối chuẩn, điện áp đo được sẽ bằng 0. Hình 2.7 sau đây cho thấy điện áp ra của một cặp nhiệt điện trong hai trường hợp : khi nhiệt độ điểm đo cao hơn nhiệt độ điểm chuẩn và ngược lại

Hình 2.7

Kết nối nhiều cặp nhiệt điện

Thỉnh thoảng nhiều cặp nhiệt điện được nối với nhau để lấy giá trị nhiệt độ trung bình của vài điểm đo. Hình 2.8 sau đây là một ví dụ về 3 cặp nhiệt điện loại J được nối song song với nhau để lấy nhiệt độ trung bình của một chiếc giường sưởi khi hơi khí nóng đi qua nó. Đồng hồ đo điện áp trong hình vẽ chỉ giá trị 11.889 mV, đây là giá trị trung bình của 3 điện áp ra trên 3 cặp nhiệt điện. Điện áp đơn cử của những điểm đo như sau :

MJ1 = 200 oC = 10.779 mV
MJ2 = 220 oC = 11.889 mV
MJ3 = 240 oC = 13.000 mV

   Hình 2.8: Đo nhiệt độ bằng nhiều TC

Cấu trúc cặp nhiệt điện

Thường những dây của cặp nhiệt điện được đặt trong một ống thép không rỉ mỏng dính hoặc trong một lớp vỏ để bảo vệ chúng khỏi bị ăn mòn hóa học hoặc bị tàn phá vật lý. Chiều dài của ống hoặc vỏ hoàn toàn có thể biến hóa từ vài in đến 30 feet hoặc hơn. Đường kính thường thì là ¼ in, tuy nhiên, nếu ống chứa nhiều cặp nhiệt điện, kích cỡ của nó hoàn toàn có thể lên tới 1 in. Ống bảo vệ thường được lót một lớp gốm sứ để giữ cho dây cặp nhiệt điện khỏi chạm với những thành phần khác. Điều quan trọng phải nhớ là cặp nhiệt điện chỉ đo nhiệt độ tại điểm nối của hai dây sắt kẽm kim loại. Với cặp nhiệt điện đơn, điểm đo nằm ở đầu mút. Khi sử dụng nhiều cặp nhiệt điện, chúng hoàn toàn có thể được lắp ráp tại đầu mút của ống bảo vệ để triển khai nhiều phép đo cùng một giá trị ; hoặc chúng hoàn toàn có thể được đặt dọc trong ống bảo vệ. Hình 2.9 sau trình diễn cấu trúc của một cặp nhiệt điện và vỏ bọc bảo vệ của nó .

Hình 2.9

Những ưu điểm và giới hạn của cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắc chắn, tiện lợi và linh hoạt, dải đo rộng, khả năng ổn định có thể chấp nhận, có thể tái sản xuất, chính xác và nhanh. Điện áp do chúng tạo ra độc lập với chiều dài và đường kính dây. Trong khi RTD thì chính xác và ổn định hơn, nhiệt trở thì nhạy hơn, cặp nhiệt điện là cảm biến kinh tế nhất và chúng có thể đo được nhiệt độ cao nhất.

Nhược điểm chính của cặp nhiệt điện là tín hiệu ra nhỏ. Điều này làm cho nó nhạy với nhiễu điện và bị số lượng giới hạn so với những ứng dụng dải đo tương đối rộng. Nó không tuyến tính, và việc quy đổi điện áp ngõ thành giá trị nhiệt độ không đơn thuần như những thiết bị đo trực tiếp. Các cặp nhiệt điện luôn luôn cần đến bộ khuếch đại, và việc hiệu chuẩn chúng hoàn toàn có thể đổi khác chính do sự nhiễm bẩn, sự đổi khác thành phần do quy trình ôxi hóa bên trong. Cặp nhiệt điện không hề sử dụng ở trạng thái dây trần trong chất lỏng dẫn điện, và nếu dây của nó không giống hệt, điều này hoàn toàn có thể tạo ra những điện áp mà rất khó phát hiện .
Nhìn chung, nên sử dụng cặp nhiệt điện có kích thước dây lớn nhất hoàn toàn có thể, tránh sức căng và sự rung động, sử dụng những transmitter tích hợp nếu hoàn toàn có thể ( và mặt khác sử dụng dây bọc và xoắn với vỏ bọc được nối bộ phận bảo vệ của bộ chuyển đổi tương tự-số tích hợp ), lựa chọn cẩn trọng ống bao và vật tư của nó .

Source: https://thevesta.vn
Category: Bản Tin