Termokopel: Prinsip Dasar dan Desain
Termokopel telah digunakan secara luas untuk pengukuran suhu kritis sejak awal 20
abad, terutama dalam kisaran suhu yang sangat tinggi. Untuk banyak industri dan proses kritis
aplikasi, T / C dan RTD (Resistance Temperature Detector) telah menjadi" standar emas" untuk
pengukuran suhu. Meskipun RTD memiliki akurasi dan pengulangan yang lebih baik, namun secara relatif
berbicara, termokopel memiliki keuntungan sebagai berikut:
• Kisaran besar
• Waktu respons yang cepat
• Biaya rendah
• Daya tahan lebih baik
• Bertenaga sendiri (tidak memerlukan sinyal eksitasi)
• Tidak ada efek pemanasan sendiri
Namun, penggunaan termokopel untuk pengukuran suhu presisi tinggi mungkin lebih rumit. Anda dapat mengoptimalkan akurasi pengukuran dengan desain dan kalibrasi sirkuit yang solid, tetapi memahami cara kerja termokopel membantu Anda merancang sirkuit atau menggunakan termometer.
Ketika sumber tegangan diterapkan pada panjang kawat, arus mengalir dari sisi positif ke sisi
sisi minus, dan kabel memanas, menyebabkan sebagian dari energi hilang. Efek Seebeck,
ditemukan oleh Thomas Seibeck pada tahun 1821, merupakan fenomena kebalikan: ketika gradien suhu berada
diterapkan pada seutas kawat, potensi tercipta. Ini adalah dasar fisik termokopel
.
Di mana ∇V adalah gradien tegangan, ∇T adalah gradien suhu, dan S (T) adalah koefisien Seebeck. Koefisien Seebeck terkait dengan material dan juga merupakan fungsi suhu. Tegangan antara dua titik suhu yang berbeda pada seutas kawat sama dengan integral fungsi koefisien Seebeck terhadap suhu.
Misalnya, T1, T2, dan T3 pada Gambar 1 mewakili suhu di berbagai titik pada seutas kawat. T1 (biru) menunjukkan titik suhu terendah, dan T3 (merah) menunjukkan titik suhu tertinggi. Tegangan antara T2 dan T1 adalah:
Demikian pula tegangan antara T3 dan T1 adalah:
Menurut sifat aditif integral, V31 juga sama dengan:
Kami mengingat hal ini saat membahas voltase termokopel dan konversi suhu.
Gambar 1: Menurut koefisien Seebeck, gradien suhu menghasilkan tegangan
logam konduktif.
Termokopel terdiri dari dua logam berbeda, koefisien Seebeck S (T) dari kawat
umumnya berbeda. Karena perbedaan suhu logam dapat menghasilkan perbedaan tegangan,
mengapa dua logam harus digunakan? Diasumsikan bahwa kawat pada Gambar. 2 terbuat dari bahan" A" ;.
Jika probe voltmeter terbuat dari bahan A, secara teori voltmeter tidak akan mendeteksi apapun
tegangan.
Gambar 2: Sambungan pengukuran tegangan. Ketika bahan probe dan kawatnya sama,
tidak akan ada perbedaan potensial.
Alasannya adalah ketika probe dihubungkan ke ujung kabel, ekuivalen dengan perpanjangan
kawat. Kedua ujung kabel panjang terhubung ke input voltmeter dan memiliki
suhu yang sama (TM). Jika suhu kedua ujung kabel sama, tidak ada tegangan
dihasilkan. Untuk membuktikannya secara matematis, kami menghitung tegangan yang terakumulasi di seluruh
cincin logam dari terminal positif ke terminal negatif voltmeter.
Menurut penjumlahan integral, persamaan di atas menjadi:
Jika batas bawah dan batas atas integral sama, maka hasil integrasinya adalah V=0. Jika bahan probe adalah B, seperti terlihat pada Gambar 3, maka:
Untuk menyederhanakan persamaan di atas, diperoleh:
Persamaan 9 menunjukkan bahwa tegangan yang diukur sama dengan integral selisih antara fungsi koefisien Seebeck kedua material. Inilah sebabnya mengapa termokopel menggunakan dua logam berbeda.
Gambar 3: Sambungan pengukuran tegangan. Probe dan kawat terbuat dari bahan yang berbeda,
menggambarkan realitas fisik dari koefisien Seebeck.
Bahan A: Bahan A
Bahan B: Bahan B
Voltmeter: Voltmeter
Berdasarkan rangkaian pada Gambar 3 dan Persamaan 9, kita masih belum dapat menghitung suhu (TH) dari sisi panas kecuali kita mengetahui suhu (TC) pada persimpangan dingin, mengingat bahwa SA (T), SB (T) dan tegangan yang diukur diketahui. Pada tahap awal termokopel, oven titik es dengan suhu 0 ° C digunakan sebagai suhu referensi (istilah" cold end"), karena biayanya yang rendah, kemudahan penerapan, dan suhu yang mengatur diri sendiri. Sirkuit ekivalen ditunjukkan pada Gambar
Gambar 4: Termokopel membutuhkan suhu referensi 0 ° C seperti yang ditunjukkan pada gambar untuk
hitung suhu yang tidak diketahui TH.
Meskipun kita tahu suhu referensi rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4, itu tidak praktis
untuk mendapatkan TH dengan integrasi. Jadi ada dukungan untuk jenis standar termokopel yang umum
tabel referensi, tabel dapat diperoleh dengan output tegangan yang sesuai
suhu. Namun, perlu diingat bahwa semua tabel referensi termokopel standar adalah
digambar pada 0 ° C sebagai titik referensi.
Sistem termokopel
Termokopel modern terdiri dari dua kabel berbeda yang dihubungkan pada satu ujung (TH). Tegangannya
diukur pada ujung terbuka dari pasangan kabel. Menurut sirkuit ekivalen yang ditunjukkan pada Gambar. 5,
VC sama dengan Persamaan 9 pada Gambar.
Gambar 5: Konfigurasi termokopel modern dengan kompensasi sambungan dingin.
Kompensasi persimpangan dingin
Kompensasi sambungan dingin Suhu sambungan dingin (TC) dapat disetel ke 0 ° C untuk pembekuan
titik tungku, tetapi dalam praktiknya, kami tidak menggunakan ember es sebagai suhu referensi. Menggunakan
metode CJC (kompensasi persimpangan dingin), suhu persimpangan panas dapat dihitung
tanpa menggunakan suhu persimpangan dingin 0 ° C. Bahkan suhu persimpangan dingin tidak
selalu konstan. Metode ini hanya menggunakan satu sensor suhu untuk mengukur titik TC
suhu. Jika TC diketahui, TH dapat diperoleh.
Jika kita menggunakan sensor suhu untuk mengukur suhu persimpangan dingin, mengapa tidak menggunakan sensor ini
mengukur suhu sisi panas secara langsung? Seperti yang Anda lihat, suhu persimpangan dingin
kisaran jauh lebih sempit daripada kisaran suhu persimpangan panas, sehingga sensor suhu tidak
perlu mendukung suhu ekstrim yang didukung oleh termokopel.
Menggunakan CJC untuk menghitung suhu ujung panas
Seperti disebutkan di atas, semua tabel referensi termokopel standar diperoleh pada 0 ° C saat dingin
persimpangan jalan. Jadi bagaimana cara menggunakan tabel referensi untuk mendapatkan suhu sisi panas? Bayangkan membuka
ujung termokopel di atas dan menghubungkan ujung imajiner ke persimpangan dengan suhu
0 ° C (Gambar 6). Jika kita bisa menghitung nilai V0, menggunakan tabel referensi sangat mudah didapat
suhu sisi panas yang sesuai.
Gambar 6: Hubungkan termokopel yang diperpanjang ke persimpangan 0 ° C untuk menentukan panas yang tidak diketahui
suhu persimpangan, TH.
Tentukan V0
Atur ulang rumus di atas:
Suku pertama dalam Persamaan 13 identik dengan Persamaan 10 (diperoleh dari Gambar 5). Output tegangan ekuivalen adalah VC, yang merupakan nilai yang diketahui karena suhu di persimpangan dingin diukur dengan voltmeter. Suku kedua setara dengan keluaran termokopel ketika suhu hot junction sama dengan TC dan suhu cold junction sama dengan 0 ° C.Karena TC juga diukur dengan sensor suhu terpisah, kita dapat menggunakan tabel referensi standar untuk menemukan yang sesuai. Tegangan seebeck (Vi) untuk suku kedua pada Persamaan 13:
Dengan nilai V0 ini, suhu yang sesuai di TH dapat ditentukan dari standar
tabel referensi.
Penggunaan kompensasi persimpangan dingin untuk menghitung suhu akhir proses yang panas
dibagi menjadi langkah-langkah berikut:
• Ukur suhu persimpangan dingin (TC) dengan sensor suhu.
• Ukur suhu persimpangan dingin.
• TC diubah menjadi tegangan (Vi) dengan menggunakan tabel referensi standar.
• Hitung V0=Vi + VC.
• Ubah V0 menjadi suhu TH menggunakan tabel referensi standar.
Lihat Database Termokopel ITS-90 NIST untuk tabel referensi termokopel standar.
Situs web NIST ITS-90 juga menyediakan sekumpulan rumus untuk setiap jenis termokopel yang bisa
digunakan untuk konversi suhu-ke-tegangan jika tabel pencarian tidak dapat diterapkan di
mikrokontroler karena memori atau alasan lain.
Poin-poin penting dari desain sistem
Sejauh ini, pembahasan di atas terbatas pada pengetahuan teoritis termokopel. Untuk
mengoptimalkan akurasi sistem sebenarnya, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan. Setiap perangkat di
rantai sinyal termokopel dasar (Gambar 7) akan mempengaruhi akurasi konversi dan harus
dipilih dengan cermat untuk meminimalkan kesalahan.
Gambar 7: Elemen dasar dari sistem pengukuran termokopel termasuk penguat dan ADC,
dan mikrokontroler yang dapat menghitung suhu yang tidak diketahui nanti.
Papan sistem: Papan sistem
Amplifier: Amplifier
Sensor suhu: Sensor suhu
Dari sisi kiri Gambar 7, termokopel dihubungkan ke konektor sistem
papan sirkuit. Termokopel itu sendiri juga merupakan sensor dan mungkin juga merupakan sumber kesalahan. Lebih lama
termokopel dapat dengan mudah menangkap suara elektromagnetik dari lingkungan sekitarnya;
kawat terlindung dapat secara efektif mengurangi kebisingan. Elemen berikutnya adalah penguat yang memiliki tinggi
impedansi masukan sangat penting karena impedansi masukan penguat dan termokopel
resistansi untuk membentuk pembagi tegangan. Semakin tinggi impedansi input penguat, semakin kecil
kesalahannya.
Selain itu, penguat meningkatkan keluaran termokopel, keluaran termokopel biasanya milivolt
jarak. Meskipun gain loop tertutup tinggi amplifier&# 39 memperkuat sinyal dan noise, menambahkan a
filter low-pass ke input ADC menghilangkan sebagian besar noise. Karena suhunya tidak
berubah sangat cepat, tingkat konversi ADC untuk aplikasi semacam itu biasanya sangat rendah - mungkin saja
sampel hanya beberapa kali per detik, jadi filter low-pass sangat efisien.
Terakhir, sensor suhu onboard harus sangat dekat dengan konektor ujung dingin (idealnya
kontak dengan ujung kabel termokopel, tetapi dalam banyak kasus kondisinya tidak diperbolehkan)
untuk mendapatkan pengukuran suhu persimpangan dingin terbaik. Setiap kesalahan dalam pengukuran persimpangan dingin
akan tercermin dalam perhitungan suhu hot junction.
Contoh rangkaian termokopel dan hasil pengujian
Baik merancang sirkuit pengukuran termokopel Anda sendiri atau menggunakan desain referensi, Anda membutuhkannya
untuk memverifikasi akurasinya. Verifikasi presisi dari desain referensi MAXREFDES67 #
(Angka 8)
dijelaskan di bawah ini.
Pada kasus ini,
Gambar 8: MAXREFDES67 # adalah desain referensi untuk termokopel dan RTD yang mengukur tegangan
dan suhu saat ini dan mengukur di kisaran suhu -40 ° C hingga 150 ° C.
Untuk mengilustrasikan bagaimana meminimalkan kesalahan pengukuran, pertama-tama kita mengambil sistem termokopel sebagai
Misalnya, seperti desain referensi MAXREFDES67 Maxim&# 39. Untuk memverifikasi kesalahan dari
sistem pengukuran atau sistem pengukuran apa pun, suhu yang diketahui dan instrumen yang andal
diperlukan untuk perbandingan. Dalam contoh ini, kami menggunakan tiga termometer referensi: Omega HH41
termometer (sekarang diganti dengan HH42), termometer referensi ETI, dan suhu Fluke 724
kalibrator. Termokopel Tipe K yang terhubung ke MAXREFDES67 # ditempatkan di Fluke 7341
kalibrasi oven dan dikalibrasi pada 20 ° C. Data titik biru direferensikan oleh Omega HH41, dan
data titik hijau direferensikan ke perangkat ETI. Data titik merah menunjukkan kesalahan maksimum kurang
dari 0,1 ° C, berdasarkan kalibrator Fluke 724, tetapi tidak seperti pengujian sebelumnya, Fluke 724 adalah
tidak digunakan sebagai instrumen referensi. Simulasikan keluaran termokopel tipe-K yang ideal, dan sambungkan
masukan MAXREFDES67 # ke kabel ekstensi termokopel. Gambar 9 menunjukkan hasil pengujian.
Gambar 9. Menggunakan Omnitec EC3TC (termokopel tipe K, dikalibrasi pada 20 ° C), evaluasi
MAXREFDES67 # kesalahan versus suhu dan membandingkannya dengan tiga termometer referensi lainnya.
Hasilnya menunjukkan akurasi yang sangat tinggi.
Untuk menyimpulkan
Termokopel memiliki banyak keunggulan dalam aplikasi pengukuran suhu industri, termasuk
kisaran suhu, waktu respons, biaya dan daya tahan. Teori termokopel sedikit lebih banyak
kompleks, tetapi kita harus sepenuhnya memahaminya sehingga kita dapat melakukan pengukuran yang akurat juga
transisi presisi tinggi dari tegangan ke suhu. MAXREFDES67 # referensi desain menggunakan
MAX11254 dan MAX6126 kedua chip ini, sangat cocok untuk suhu termokopel
pengukuran aplikasi pengukuran presisi tinggi yang peka sinyal dan kecil ini. MAX11254
adalah ADC 6-channel, 24-bit, delta-sigma yang menghasilkan noise dan akurasi rendah sekaligus mengurangi daya
disipasi sebanyak 10 kali. MAX6126 adalah noise yang sangat rendah, akurasi sangat tinggi, tandem putus sekolah yang rendah
referensi tegangan, Koefisien suhu 3ppm / ° C (maks), dengan sangat baik ± 0,02% (maks)
akurasi awal.
