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装配式热电偶传感器应用实例细节分析

来源:发表时间:2019-08-09


热电偶传感器应用实例
快速,准确的热电偶测量
      该应用实例基于用于牛奶的商业HTST(高温,短时间)巴氏灭菌处理。大家将仅涵盖温度测量方面。基本的HTST流程必须实行以下操作:
      1.将牛奶从保温温度快速加热至所需温度,以破坏微生物和有害酶(例如72摄氏度)。
      2.在此温度下保持牛奶,以一个严密控制的流速将其通过一段管道。
      3.在所需的时间间隔(例如22秒)之后,牛奶在管道的远端离开过程。
      4.如果牛奶在出口处仍处于所需温度,则允许其继续进行进一步处理。


      处理对温度至关重要。如果温度太低,则存在公共安全和产品质量问题。如果温度过高,会浪费能源并损坏产品。如果仪器响应太慢,一些未经充分处理的牛奶可能会在检测到问题之前通过出口阀。
温度测量的基本应用要求是:
      1.工作温度范围为55度至85度。
      2.超出范围的温度不会造成物理损坏。
      3.总测量精度+ - 0.5摄氏度
      4.长期漂移+ - 0.2摄氏度
      5.最长稳定时间为4秒。
选择传感器
      选择高质量的装配式热电偶探头。热敏电阻具有良好的响应特性,但易受潮湿和损坏。热电阻具有更好的稳定性和线性度,但响应时间较慢 - 这可能是因为整个热电阻必须在读数准确之前稳定到热平衡,而只有装配式热电偶探头尖端需要稳定到温度。
      高质量的装配式热电偶探头可以校准到约0.1摄氏度的精度。这些探头使用非常精细的测量线,可以快速达到热平衡。为了防止与乳制品发生化学反应,必须有保护盖。这将显着降低热响应速率,但如果产生的时间常数保持在0.5秒以下,则容易满足稳定时间要求。热电偶传感器面临的主要挑战是信号电平非常低,难以与背景噪声隔离。
热电偶冷端
      装配式热电偶的基本限制是它们测量温度差而不是绝对温度。要了解牛奶的温度,有必要知道热电偶冷端的参考温度。使用位于冷端子附近的终端板上的固态器件测量冷端的常用方法对于该应用来说并不令人满意,因为固态传感器的基线误差为+ - 0.5摄氏度,不允许设备校准错误,测量噪声或任何其他错误源的空间。


信号调理和采样
      一个信号调节和过滤板放大该低电平热电偶信号,施加25的增益,提高信号范围至大约0.1伏特。尽管最大限度地保护信号免受噪声干扰,但是一些干扰噪声会泄漏并增加来自热电偶的固有噪声读数。调谐到500 Hz截止频率的四阶巴特沃兹滤波器将消除测量中的所有高频随机噪声。精度和速度要求不太严格的应用可以将热电偶直接连接到终端板,带有板载CJC电路,以及用于终端网络的面包板空间。在55度至85度的温度范围内,热电偶的响应水平范围为2.251至3.385毫伏,因此转换器的变化范围为2.251至3.385伏。这是整个10伏跨度中的1.134伏 - 在14位转换器可用的16384个计数中有1858个转换器计数。这使得温度分辨率为30/1858 = 0.02度。如果大家假设转换器的最后两位受到转换器颤振和非线性的影响,那么仍然可以产生优于0.08摄氏度的测量精度。


处理和数字过滤
      每秒1500个采样的采样保证了通过500 Hz低通滤波器的任何信号都能准确表示,包括低频噪声。大家可以使用以下命令来平滑信号并将采样率降低到更加友好的每秒150个样本进行处理。
校准和转换
      上面的数据流将具有装配式热电偶结电势的干净测量值,但这些结果必须转换为所需的温度测量值。大家知道,对于装配式热电偶,响应在有限的工作范围内几乎是线性的。如果大家在工作范围的极限(55度和85摄氏度,测量这些测量值POT55和POT85)测量热电偶的输出电位,则表达式可以将测量的结电势转换为该范围内任何位置的相应温度。用于校准的测量包括来自放大器的偏移和增益偏差的任何影响。因此,除了考虑热电偶响应之外,校准还涵盖了测量硬件,应用标准曲线的常用方法不考虑测量误差和传感器变化。

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