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详细分析热电偶温度测量和故障排除

来源:www.fudserv.com作者:发表时间:2014-09-11 10:30:43

这是一个实际的故障排除指南

       当两种不同的金属连接时形成热电偶(TC)。产生非常小的电压,其取决于接头的温度,通常为40微伏/摄氏度,因此在200℃下,电压将为约8mV。

       注意,一个重要的点是,不能测量单个热电偶!由于在测试引线连接处,形成至少一个热电偶,其倾向于抵消第一热电偶。如果两个形成的热电偶处于相同的温度,则净输出电压将为零。

       这里是一个使用康铜和铜的简单示例:从铜线开始,加入康铜线创建第一个接点,然后在康铜线另一端连接第二个铜线,形成第二个接点。现在,两端的两根导线都是铜和铜测试导线可以连接而不形成额外的结。

       标准程序是将接头中的一个保持在已知温度,例如浸入具有熔融冰的水中以获得零摄氏度参考。通过测量输出电压并查找转换表或使用数学公式,可以找到另一个“热”结的温度。 “冷”结和“热”结之间的差异总是测量的净电压

       由于输出电压非常低并且不是线性的,通常使用放大信号并将其线性化的集成电路。一个常见的是Analog Devices的AD597,它与“K”型热电偶一起使用。

       如上所述,我们不能有单个结,因此形成额外结,其中测量TC连接到转换IC。如果该额外结的温度是已知的,则可以补偿该电压,并且可以找到测量TC的温度。

       通常使用单独的温度传感器来找到界面温度。显然,TC不能使用,因此使用热敏电阻,半导体或其他温度传感器类型来找到“冷”端温度。在AD597的情况下,有一个内部温度传感器。

       来自转换IC的输出电压是相对于“热”TC结温度的线性化函数。该电压通常由可以与微控制器(在这种情况下为Arduino)集成的模数转换器(A-D)测量。

系统描述:

       在Ultimaker的情况下,在挤出机处连接有加热器块的热电偶。两个TC引线连接到挤出机顶部的非常小的印刷电路板。这是形成额外结的地方。在端子条处的这些结将紧密地处于与接口IC相同的温度并因此被补偿。线性输出信号连接到Ultimaker PCB,然后将信号馈送到具有内部A-D转换器的Arduino Mega 2560控制器板。

温度测量:

       容易测量液体的温度。只需将玻璃温度计插入正确的深度并搅拌液体或使用其他类型的探头记住搅拌。由于两个原因,很难精确地测量小物体的温度:测量探头通常通过传导热量来改变小物体的温度,并且即使不是这样,探针也被物体加热,但是同时它被环境温度冷却,因此很少测量正确的温度。差的热接触进一步加剧了这个问题。

       红外测温仪取决于发射常数和辐射表面条件,因此具有有限的精度。

       使用肉类温度计或其他带有长金属套管的探头是坏的,因为它们接触不良,并且探头有很多环境冷却。我看到一个聪明的建议:取下挤出机喷嘴,将探头插入挤出机筒,以获得良好的热接触。

       为了验证温度,测试仪器应该是准确的,这是显而易见的,但往往被遗忘。在实际使用温度下检查所有详细规格。

       传感器应尽可能小,以避免环境冷却效应,如果可能,传感器引线应缠绕在物体周围,以防止它们冷却测量传感器。通常使用“导热油脂”来获得更好的接触。

       要检查传感器,有几个校准选项或多或少方便:0°C的冰浴和100°C的开水。使用Google了解如何准确地创建两个浴室。 63/37%焊料在183℃熔化,因此是另一个参考点,最终纯锡在231.9℃熔化

温度问题:

       有很多,方式太多,评论与Ultimaker挤出机的温度误差。我认为许多温度误差报告是由以下原因造成的:

        间歇性断开和/或短路接线。

        我还怀疑许多报告的温度误差通常是测量误差。由于IR不准确并且温度探针通常不能正确接触并且通过测量引线的热传导将影响读数,所以准确测量温度是非常困难的。

        我也看到很多关于Ultimaker温度测量设计的投诉,但我认为这是好的,没有固有的问题。

我的系统有一个奇怪的问题:

       TC输入连接通常使用在接口PCB上内部接地的隔离TC或使用PCB上具有“浮置”输入的外部接地TC。所有TC供应商都提供这两种类型。我的TC部分接地,Ultimaker技术支持声称是正常的。我不这么认为。我从来没有见过一个部分接地的TC,将无法从任何我以前使用的来源购买一个。由于输入在接口PCB上接地,TC应浮置。

      无论如何,在大多数情况下它发生工作良好,因为加热器块是电浮动(绝缘),但如果加热器接地或电源电压接触加热器筒有任何问题,它将给出大的温度误差或破坏接口IC 。

       作为设计工作的证明,我仔细测量了我的Ultimaker的头部温度,使用两个不同的高质量的K型热电偶和两个不同的米。在具有稳定沉降温度的210℃的设定温度下获取所有读数。两个TC都正确地栓接到加热器铝块并缠绕在加热器块周围以减少引线导电误差。

       米#1:Fluke 52 TC#1 209.4℃TC#2 209.1℃

       仪器#2:Extech 42525 TC#1 210℃TC#2 209℃

       Fluke最大误差@ 210C为+/- 0.4C,TC最大误差为+/- 1.1C,因此在最坏情况下的测量精度为+/- 1.5°C,通常为+/- 1°C。

       所以看来我的Ultimaker按预期工作,所有四个测量值都在设定值的1摄氏度以内。我不知道其他UM如何执行,因为这是一个单一的样本测量。正如我之前提到的,一个正确设计的TC测量设置应该非常好。

       注意,AD597的规格为+/- 4°C,但通常今天的IC比最坏情况的规格要好得多。 TC也通常好于+/- 1°C,所以我预计最终温度通常在+/- 3度左右,假设在Arduino的内部电压测量是好的,但我没有任何有关其精度的信息。

故障排除=分裂与征服

       在没有任何设备的情况下可以发现一些错误,但我建议获得DVM(实际上是一个万用表,以允许电阻和电流测量)。迟早或稍后它将需要一些故障排除。今天的数字仪表通常非常精确,即使是低成本的,所以没有必要花费很多钱。

       Ultimaker温度测量系统是定义明确的,以解决我们需要系统地隔离每个部分,并验证是否正确或它是导致问题的问题。不需要最初进行高温测量。作为起动器,一切都在室温,它应显示室温在几度内。

       像往常一样,第一步应该是检查电源电压是否正常(接近5V的转换IC。在三针连接器上测量:黑色接地,红色是+ 5V),并检查所有连接的接线良好并正确插入。摆动和移动周围,以查看是否有间歇性错误。

       热电偶非常坚固,很少失效。在购买一个新的,确保一切正常。初始步骤是断开TC,并更换为非常短的跳线。 “将输入短接在一起”。温度显示应显示室温。 (实际上是挤出机顶部的接口IC的温度。)

       如果它仍然显示错误的温度,那么它不是热电偶问题。请参阅下面的步骤。

如果它读取好的有基本上三个选项:

       热电偶线打开(断开)。在这种情况下,接口PCB连接器上的输出电压将非常大,超过3伏。黑色接地,红色为+ 5V,黄色为输出线。如果需要,使用直销或缝针进行测量接触。此外,根据控制器软件,它可能指示温度过高或MaxTemp触发。开式TC线可以连接,但它们应该焊接,这不是一个简单的过程。总有Google .. ...

       TC导线在某些附加点处短路。在这种情况下,形成额外的结,因此将存在非常大的误差。

        另一种可能性是TC线不与金属套筒(如同我的)绝缘,并且该问题间接地由加热器盒引起,该加热器盒具有对于壳体的不期望的短路。然后,外壳将接地或在电源电压下。通过在加热器打开时测量加热器电阻对地电压,并在电源关闭时测量加热器电阻对地来隔离问题。应该没有电压,它应该是浮动与TC断开。 TC也应该是浮动的,但看到我上面的注释。

       这里是一个链接到许多TC供应商在美国:http://www.temperatures.com/tcvendors.html

       如果温度仍然错误输入短路,我们需要隔离如果问题是在接口PCB或其他地方。

       可以在黑线和黄线之间测量转换IC输出电压。在AD597数据手册中有关于电压与相应温度的信息。如果Arduino电压测量正确,它应该显示相同的值。例如,如果IC温度为30°C,则输出应为0.295V。温度接口IC的输出电压与热电偶温度直接相关。

       在数据手册上第3页是输出电压与温度的对应表。您可以在这里找到数据表:http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf

如果Bad,还有一个步骤来隔离问题:

       有可能是短路或加载电线,或者在Ultimaker大PCB或Arduino上,这影响AD 597输出电压。我们需要断开三线电缆从PCB和独立应用地和5V。基本上是一个外部电源或一些跳线用于接地和5V。然后重新检查输出电压以确定其是否仍然不良。

       如果输出是良好的(IC的温度的正确电压),我们然后知道问题是在接口PCB到大的Ultimaker PCB之间的布线或在Arduino上。

       隔离问题的另一种方法是断开连接到Ultimaker大PCB上的温度转换PCB的电缆,并在地和大PCB上的信号输入引脚#3之间输入已知电压。如果有可用的可调电源,则可以使用。可以使用常规的单电池碱性或其它类型的电池,或者由两个类似值的电阻器(至少1000欧姆)形成的电阻分压器,其串联连接在地和+ 5V之间,并且中心点连接到温度输入引脚(Temp -1 pin#3)。通过测量实际输入电压,然后查找AD597数据手册中的电压,将知道应显示什么温度。

       如果好,问题出在TC,或接口IC,或布线部分。

       如果不好,它是Ultimaker PCB或Arduino。

       通过删除Arduino并通过将电压直接馈送到Arduino重复上述过程,也可以测试,并再次将问题分为更小的部分进行故障排除。

替代故障排除方法:

       有很多方法来解决这样的温度测量系统。或者,通过逐段开始测量也可以找到问题。基本上知道什么电压应该是,然后开始测量转换PCB,并按照大的Ultimaker PCB的布线,最终到Arduino输入引脚的问题通常也可以找到。这种方法需要更多地了解电子,所以前面提到的Divide和Conquer方法可能更容易。

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