Điểm nối lạnh của cặp nhiệt điện: Tại sao nó thực sự quan trọng và cách thức hoạt động của CJC

Nếu bạn đã từng so sánh hai cặp nhiệt điện trên cùng một đường ống và thấy chúng chênh lệch nhau vài độ thì có lẽ đầu cảm biến không phải là vấn đề. Thông thường, câu trả lời nằm ở đầu kia của vòng lặp, trong khối đầu cuối nơi dây cặp nhiệt điện gặp thiết bị. Điểm kết nối đó là điểm nối nguội và khi bạn hiểu chức năng của nó, phép đo bằng cặp nhiệt điện sẽ không còn giống như phỏng đoán nữa.

Bài viết này tìm hiểu xem điểm nối lạnh là gì, tại sao cặp nhiệt điện không thể báo cáo nhiệt độ tuyệt đối nếu không có nó, cách hoạt động của việc bù điểm lạnh trong các thiết bị hiện đại và những thói quen nào giúp cho điểm nối tham chiếu không âm thầm làm hỏng dữ liệu của bạn.

Cách một cặp nhiệt điện tạo ra điện áp

Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác nhau được nối ở một đầu. Mối nối đó, mối nối đo hoặc nóng, là những gì bạn đặt trong quy trình. Khi hai kim loại nhận thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nối và đầu tự do, hiệu ứng Seebeck sẽ tạo ra một điện áp nhỏ, thường là hàng chục microvolt trên mỗi độ C.

Chi tiết khiến mọi người chú ý là: điện áp đó không chỉ tương ứng với nhiệt độ điểm nối đo. Nó tương ứng với sự khác biệt giữa điểm nối đo và điểm kết thúc của dây. Cặp nhiệt điện loại K tạo ra khoảng 41 microvolt trên mỗi độ C, do đó, sự thay đổi 5 °C ở các cực sẽ hiển thị là sự thay đổi 5 °C trong số đọc, mặc dù quá trình này không bao giờ di chuyển.

Chính xác thì ngã ba lạnh là gì?

Điểm nối lạnh, còn được gọi là điểm nối tham chiếu, được hình thành nơi cặp nhiệt điện hoặc dây nối dài của nó kết nối với thiết bị đọc: khối đầu cuối máy phát, đầu vào bộ điều khiển, bộ ghi dữ liệu hoặc bộ truyền nhiệt độ.

Hai điều về nó thường bị hiểu lầm:

• Nó không chỉ đơn giản là nhiệt độ phòng. Đó là nhiệt độ thực tế của các thiết bị đầu cuối đó tại thời điểm đó, dưới bất kỳ luồng gió nào, nhiệt độ vỏ và tải cáp tồn tại.
• Nó không phải lúc nào cũng là một nơi thuận tiện. Mỗi kết nối trung gian được thực hiện bằng dây sai sẽ tạo ra một điểm nối bổ sung và mỗi điểm nối đóng góp điện áp riêng.

Nếu vít đồng hoặc rãnh bảng mạch chạm vào dây cặp nhiệt điện, những điểm tiếp xúc đó sẽ trở thành một phần của mạch nhiệt điện. Giữ cho khu vực đầu cuối đẳng nhiệt, nghĩa là tất cả các kết nối có cùng nhiệt độ, là cơ sở vật lý của thiết kế mối nối lạnh tốt.

Từ tắm nước đá đến bồi thường điện tử

Trong phần lớn thế kỷ trước, điểm nối tham chiếu được giữ ở nhiệt độ 0°C trong bình chứa băng tan. Sau đó, điện áp đo được có thể được so sánh trực tiếp với các bảng đã công bố được xây dựng dựa trên tham chiếu đó. Nó chính xác và vẫn là ý tưởng đằng sau các bảng cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được sử dụng ngày nay, nhưng nó hầu như không thực tế trên một đơn vị hóa dầu hoặc bên cạnh lò xử lý nhiệt.

Dụng cụ hiện đại giải quyết vấn đề bằng điện tử. Thay vì buộc điểm nối lạnh đến 0°C, họ đo nhiệt độ thực tế của nó và cộng thêm điện áp mà cặp nhiệt điện sẽ tạo ra nếu tham chiếu của nó ở 0°C. Đại lượng bổ sung đó là điện áp bù điểm lạnh.

Cách thức hoạt động của bù đắp ngã ba lạnh

Bên trong bộ phát, bộ điều khiển hoặc thẻ thu thập dữ liệu, quy trình này được chia thành ba bước.

1. Đo nhiệt độ đầu cuối. Một cảm biến RTD, nhiệt điện trở hoặc silicon nhỏ nằm bên cạnh khối đầu cuối, gần với điểm nối thực nhất mà cách bố trí cho phép.
2. Chuyển đổi nhiệt độ đó thành cặp nhiệt điện EMF tương đương. Sử dụng các bảng tiêu chuẩn cho loại cặp nhiệt điện đang sử dụng, thiết bị sẽ tính toán điện áp sẽ xuất hiện nếu điểm nối đo ở nhiệt độ đầu cuối đó trong khi tham chiếu vẫn ở 0 °C.
3. Thêm và tuyến tính hóa. Điện áp bù được thêm vào tín hiệu đo được và tổng điện áp được chuyển đổi thông qua đa thức hoặc bảng tra cứu thành giá trị nhiệt độ cuối cùng.

Bởi vì việc hiệu chỉnh phụ thuộc vào loại cặp nhiệt điện nên việc bù chỉ có hiệu lực khi đầu vào thiết bị, cảm biến và dây nối dài đều khớp nhau. Cảm biến loại K cấp nguồn cho máy phát được cấu hình cho loại J sẽ mang lại độ lệch hệ thống mà không cần hiệu chỉnh lại nhiều lần. Việc bù dựa trên phần mềm trong hệ thống thu thập dữ liệu tuân theo cùng một logic, nhưng cảm biến tham chiếu thường nằm xa các thiết bị đầu cuối hơn và khoảng cách đó là nơi dễ bị mất độ chính xác nhất.

Những cạm bẫy ở ngã ba lạnh thông thường

Hầu hết các vấn đề về điểm nối lạnh mà chúng ta nghe nói đến đều rơi vào một số dạng mẫu. Bảng dưới đây tóm tắt những sai sót thường xảy ra và những biện pháp khắc phục.

Dây nối dài và bù xứng đáng được đề cập đặc biệt, bởi vì nó là phần của vòng lặp thường được thay thế bằng bất cứ thứ gì có trong kho. Cáp đồng có thể truyền tín hiệu 4-20 mA nhưng không thể truyền tín hiệu cặp nhiệt điện nếu không tạo ra một điểm nối mới ở mỗi đầu. Dây bù được làm từ hợp kim phù hợp với loại cặp nhiệt điện và mức nhiệt độ của nó phải bao phủ điểm nóng nhất mà nó đi qua, bao gồm bất kỳ phần nào chạy qua bình nóng hoặc vỏ lò.

Dây bù cặp nhiệt điện bện bằng thép không gỉ nhiệt độ cao bằng sợi thủy tinh Đối với vòng cặp nhiệt điện, dây bù bằng thép không gỉ cách nhiệt bằng sợi thủy tinh này có nhiệt độ từ -50 đến 1600°C và hỗ trợ các yêu cầu báo giá hoặc PDF. Xem sản phẩm →

Phần cứng xử lý mối nối lạnh cho bạn

Nơi giao nhau lạnh hoạt động hiệu quả phụ thuộc vào nơi bạn quyết định số hóa tín hiệu. Ba sự sắp xếp bao gồm hầu hết các cơ sở công nghiệp:

• Đấu dây trực tiếp tới bộ điều khiển hoặc thẻ đầu vào, với cảm biến tham chiếu bên trong thiết bị.
• Một bộ phát trường hoặc gắn trên đầu tại cảm biến, thực hiện bù cục bộ và gửi tín hiệu 4-20 mA hoặc tín hiệu số đến phòng điều khiển.
• Một máy phát gắn trên đường ray trong tủ dành cho các cảm biến khó tiếp cận.

Di chuyển máy phát ra cảm biến thường là cải tiến lớn nhất hiện có. Cặp nhiệt điện và dây nối dài của nó ngắn hơn, các mối nối trung gian biến mất và tín hiệu truyền đi phần lớn khoảng cách dưới dạng một vòng dòng điện mạnh thay vì EMF ở mức microvolt. Bộ truyền nhiệt độ tích hợp của chúng tôi được thiết kế cho chính xác sự sắp xếp này, với điểm nối tham chiếu được xử lý bên trong vỏ thay vì ở đầu xa của đường cáp dài.

Bộ truyền nhiệt độ tích hợp với đầu ra 4-20 mA hai dây SBWR/SBWZ Các mô-đun SBWR/SBWZ được lắp đặt trong hộp kết nối cặp nhiệt điện hoặc RTD, rút ngắn dây nối cảm biến và xuất ra dòng điện tuyến tính 4-20 mA để đo lường và điều khiển. Xem sản phẩm →

Nếu bạn đang cân nhắc giữa tín hiệu analog và bộ phát thông minh, hướng dẫn của chúng tôi về máy phát nhiệt độ hoạt động như thế nào bao gồm các lớp chính xác, độ lệch và tiêu chí lựa chọn chi tiết hơn.

Những thói quen thiết thực cho một ngã ba lạnh đáng tin cậy

Trong quá trình cài đặt

• Giữ mọi kết nối đầu cuối của một cặp nhiệt điện bên trong một vùng đẳng nhiệt duy nhất thay vì chia nó thành hai khối.
• Không gắn khối đầu cuối hoặc bộ phát trực tiếp phía trên công tắc tơ, bộ truyền động hoặc nguồn điện.
• Sử dụng dây loại cặp nhiệt điện, tôn trọng mức nhiệt độ của nó và kiểm tra cực tính trước khi siết chặt.
• Che chắn các thiết bị đầu cuối khỏi luồng không khí trực tiếp và ánh sáng mặt trời, đặc biệt là ở các vỏ bọc ngoài trời.

Đang phục vụ

• Xác minh vòng lặp dựa trên tham chiếu đã biết, chẳng hạn như bộ hiệu chuẩn khối khô hoặc đầu vào milivolt mô phỏng.
• Kiểm tra các thiết bị đầu cuối xem có bị oxy hóa không và vặn lại mô-men xoắn sau chu kỳ nhiệt đầu tiên của hệ thống lắp đặt mới.
• Ghi lại nhiệt độ tủ cùng với các chỉ số quy trình; sự trôi dạt theo mùa trong một quá trình ổn định thường hướng vào vỏ bọc chứ không phải cảm biến.

Về phía điều khiển, bộ điều khiển có khả năng xử lý mối nối tham chiếu âm thanh sẽ loại bỏ công việc này khỏi tay người vận hành. Bộ điều khiển nhiệt độ PID kỹ thuật số nhỏ gọn của chúng tôi chấp nhận trực tiếp đầu vào cặp nhiệt điện và quản lý mối nối lạnh bên trong, giúp cho việc chế tạo các khung trượt nhỏ, lò ấp và lò nướng trở nên đơn giản và dễ bảo trì.

Bộ điều khiển nhiệt độ PID kỹ thuật số nhỏ gọn xmtg1001 với xử lý mối nối lạnh bên trong Đối với các khung trượt nhỏ, máy ấp trứng hoặc lò nướng, bộ điều khiển 48×48 mm này chấp nhận đầu vào cặp nhiệt điện và quản lý mối nối tham chiếu bên trong bằng đầu ra rơle. Xem sản phẩm →

Xử lý vòng lặp như một hệ thống

Hoạt động của điểm nối nguội là một phần của vòng đo và phần còn lại của vòng lặp cũng đáng được quan tâm như vậy. Loại cảm biến, vật liệu vỏ bọc, ống bảo vệ, phương pháp lắp đặt và tuyến cáp đều tương tác với nhau và một bộ phát được bù hoàn hảo không thể cứu cặp nhiệt điện được lắp đặt ở nơi nó không thể tồn tại. Trong các nhà máy hóa dầu, cặp nhiệt điện chống mài mòn, chống nước kết hợp với dây bù được xếp hạng chính xác thường quan trọng hơn sự khác biệt nhỏ về độ chính xác của danh mục. Trong các quy trình nhiệt độ cao, cảm biến bạch kim-rhodium và vonfram-rhenium giữ cho mối nối đo lường luôn đáng tin cậy ở những nơi mà các loại kim loại cơ bản không bền lâu. Bạn có thể thấy những sự kết hợp này kết hợp với nhau như thế nào trên trang ứng dụng ngành .

Không ai trong số này phải phức tạp. Chấp nhận rằng cặp nhiệt điện báo cáo sự khác biệt chứ không phải giá trị tuyệt đối, cung cấp cho điểm nối tham chiếu một lớp vỏ ổn định và đẳng nhiệt, sử dụng dây phù hợp với cảm biến và để một máy phát hoặc bộ điều khiển được chỉ định rõ xử lý số học. Thực hiện bốn điều đó và điểm nối nguội sẽ không còn là nguồn lỗi tiềm ẩn nữa mà trở thành như mong đợi: một phần yên tĩnh, dễ hiểu của vòng lặp đo lường.