Koude verbinding van een thermokoppel: waarom het er echt toe doet en hoe CJC werkt

Als je ooit twee thermokoppels op dezelfde buis hebt vergeleken en hebt gezien dat ze het een paar graden oneens waren, was de sensortip waarschijnlijk niet het probleem. Vaker zit het antwoord aan het andere uiteinde van de lus, in het aansluitblok waar de thermokoppeldraden het instrument ontmoeten. Dat verbindingspunt is de koude verbinding, en als je eenmaal begrijpt wat het doet, voelt het meten van thermokoppels niet meer als giswerk.

In dit artikel wordt uitgelegd wat de koude junctie is, waarom een ​​thermokoppel zonder thermokoppel geen absolute temperatuur kan rapporteren, hoe koude junctiecompensatie werkt in moderne instrumenten, en welke gewoonten voorkomen dat de referentiejunctie je gegevens stilletjes bederft.

Hoe een thermokoppel een spanning produceert

Een thermokoppel bestaat uit twee draden van verschillende metalen die aan één uiteinde zijn verbonden. Dat gewricht, de meet- of hot-junction, is wat je in het proces plaatst. Wanneer de twee metalen een temperatuurverschil zien tussen het verbonden uiteinde en de vrije uiteinden, genereert het Seebeck-effect een kleine spanning, doorgaans tientallen microvolts per graad Celsius.

Het detail dat mensen opvalt is dit: die spanning komt niet alleen overeen met de meetjunctietemperatuur. Het komt overeen met het verschil tussen het meetknooppunt en het punt waar de draden eindigen. Een type K-thermokoppel produceert ruwweg 41 microvolt per graad Celsius, dus een verschuiving van 5 °C op de aansluitingen wordt weergegeven als een verschuiving van 5 °C in de uitlezing, ook al bewoog het proces nooit.

Wat is precies het koude kruispunt?

De koude verbinding, ook wel de referentieverbinding genoemd, wordt gevormd waar het thermokoppel of de verlengdraden ervan worden aangesloten op het leesinstrument: een zenderklemmenblok, een controlleringang, een datalogger of een temperatuurzender.

Twee dingen hierover worden vaak verkeerd begrepen:

• Het is niet alleen maar kamertemperatuur. Het is de werkelijke temperatuur van die terminals op dat moment, ongeacht de tocht, de warmte van de behuizing en de kabelbelasting.
• Het is niet altijd één handige plek. Elke tussenverbinding die met de verkeerde draad wordt gemaakt, creëert een extra verbindingspunt, en elke verbinding draagt ​​zijn eigen spanning bij.

Als koperen schroeven of printplaatsporen de thermokoppeldraden raken, worden die contactpunten onderdeel van het thermo-elektrische circuit. Het isotherm houden van het terminalgebied, wat betekent dat alle verbindingen dezelfde temperatuur hebben, is de fysieke basis van een goed ontwerp voor koude juncties.

Van ijsbaden tot elektronische compensatie

Een groot deel van de afgelopen eeuw werd het referentiepunt op een bekende 0 °C gehouden in een kolf met smeltend ijs. De gemeten spanning kan vervolgens rechtstreeks worden vergeleken met gepubliceerde tabellen die op die referentie zijn gebaseerd. Het was accuraat, en het is nog steeds het idee achter de standaard thermokoppeltafels die tegenwoordig worden gebruikt, maar het is nauwelijks praktisch op een petrochemische eenheid of naast een warmtebehandelingsoven.

Moderne instrumenten lossen het probleem elektronisch op. In plaats van de koude overgang naar 0 °C te forceren, meten ze de werkelijke temperatuur en tellen ze de spanning op die het thermokoppel zou hebben geproduceerd als de referentie op 0 °C zou zijn geweest. Die toegevoegde hoeveelheid is de compensatiespanning voor de koude junctie.

Hoe Cold Junction-compensatie werkt

Binnenin een zender, controller of data-acquisitiekaart bestaat het proces uit drie stappen.

1. Meet de eindtemperatuur. Een kleine RTD-, thermistor- of siliciumsensor bevindt zich naast het aansluitblok, zo dicht bij de echte kruising als de lay-out toelaat.
2. Converteer die temperatuur naar een equivalente thermokoppel-EMK. Met behulp van standaardtabellen voor het gebruikte thermokoppeltype berekent het instrument de spanning die zou verschijnen als het meetknooppunt die eindtemperatuur zou hebben terwijl de referentie op 0 °C zou blijven.
3. Optellen en lineariseren. De compensatiespanning wordt toegevoegd aan het gemeten signaal en het totaal wordt via polynomen of opzoektabellen omgezet in een uiteindelijke temperatuurwaarde.

Omdat de correctie afhangt van het type thermokoppel, is compensatie alleen geldig als de instrumentingang, de sensor en de uitbreidingsbedrading allemaal overeenkomen. Een type K-sensor die een zender voedt die is geconfigureerd voor type J, geeft een systematische offset die door geen enkele herkalibratie kan worden verwijderd. Op software gebaseerde compensatie in een data-acquisitiesysteem volgt dezelfde logica, maar de referentiesensor bevindt zich vaak verder van de terminals, en op die afstand gaat de nauwkeurigheid het gemakkelijkst verloren.

Veelvoorkomende valkuilen bij koude juncties

De meeste problemen met koude juncties waar we over horen vallen in een handvol patronen. In de onderstaande tabel wordt samengevat wat er doorgaans misgaat en wat het probleem kan verhelpen.

Verleng- en compensatiedraad verdient een speciale vermelding, omdat dit het deel van de lus is dat het vaakst wordt vervangen door wat zich in de opslagruimte bevond. Koperen kabel is prima voor het transporteren van een signaal van 4-20 mA, maar kan geen thermokoppelsignaal transporteren zonder aan elk uiteinde een nieuw knooppunt te creëren. Compensatiedraad is gemaakt van legeringen die zijn afgestemd op het thermokoppeltype, en de temperatuurbestendigheid moet het heetste punt dekken dat het passeert, inclusief elk gedeelte dat over een heet vat of ovenomhulsel loopt.

Glasvezel roestvrij staal gevlochten thermokoppelcompensatiedraad voor hoge temperaturen Voor thermokoppellussen overspant deze met glasvezel geïsoleerde roestvrijstalen gevlochten compensatiedraad een temperatuur van -50 tot 1600 °C en ondersteunt offerte- of PDF-aanvragen. Bekijk Product →

Hardware die de koude verbinding voor u afhandelt

Waar de koude kruising effectief leeft, hangt af van waar u besluit het signaal te digitaliseren. Drie regelingen hebben betrekking op de meeste industriële installaties:

• Directe bedrading naar een controller of ingangskaart, met de referentiesensor in het instrument.
• Een op het hoofd gemonteerde of veldzender bij de sensor, die lokaal compensatie uitvoert en een 4-20 mA of digitaal signaal naar de controlekamer verzendt.
• Een railgemonteerde zender in de kast, voor sensoren die lastig te bereiken zijn.

Het verplaatsen van de zender naar de sensor is vaak de grootste verbetering die beschikbaar is. Het thermokoppel en de verlengingsbedrading worden korter, tussenliggende knooppunten verdwijnen en het signaal legt het grootste deel van de afstand af als een robuuste stroomlus in plaats van als een EMF op microvoltniveau. Onze geïntegreerde temperatuurtransmitters zijn precies voor deze opstelling gebouwd, waarbij het referentieknooppunt in de behuizing wordt geplaatst in plaats van aan het uiteinde van een lange kabel.

Geïntegreerde temperatuurtransmitter met SBWR/SBWZ tweedraads 4-20 mA-uitgang SBWR/SBWZ-modules worden geïnstalleerd in thermokoppel- of RTD-aansluitdozen, waardoor de sensorbedrading wordt ingekort en lineair 4-20 mA wordt afgegeven voor meting en regeling. Bekijk Product →

Als u analoog afweegt tegen slimme zenders, vindt u onze gids op hoe temperatuurtransmitters werken behandelt nauwkeurigheidsklassen, drift en selectiecriteria in meer detail.

Praktische gewoonten voor een betrouwbare koudeverbinding

Tijdens de installatie

• Houd elke aansluiting van één thermokoppel binnen één enkele isothermische zone in plaats van deze over twee blokken te verdelen.
• Monteer klemmenblokken of zenders niet direct boven schakelaars, aandrijvingen of voedingen.
• Gebruik draad van thermokoppelkwaliteit, respecteer de temperatuurspecificatie en controleer de polariteit voordat u deze vastdraait.
• Bescherm aansluitingen tegen directe luchtstroom en zonlicht, vooral in buitenbehuizingen.

In dienst

• Controleer de lus aan de hand van een bekende referentie, zoals een dry block-kalibrator of een gesimuleerde millivolt-ingang.
• Inspecteer de aansluitingen op oxidatie en draai ze opnieuw aan na de eerste thermische cycli van een nieuwe installatie.
• Registreer de kasttemperatuur naast procesmetingen; Seizoensafwijkingen in een stabiel proces wijzen doorgaans op de behuizing en niet op de sensor.

Aan de besturingszijde neemt een controller met goede referentieknooppuntbediening dit werk uit handen van de operator. Onze compacte digitale PID-temperatuurregelaars accepteren thermokoppelingangen rechtstreeks en beheren de koude kruising intern, waardoor kleine skids, incubators en ovens eenvoudig te bouwen en eenvoudig te onderhouden zijn.

Compacte digitale PID-temperatuurregelaar xmtg1001 met interne koudeverbindingsbehandeling Voor kleine skids, incubators of ovens accepteert deze controller van 48×48 mm thermokoppelingangen en beheert hij de referentieverbinding intern met relaisuitgang. Bekijk Product →

De lus behandelen als één systeem

Het gedrag van koude juncties is een onderdeel van een meetlus, en de rest van de lus verdient dezelfde aandacht. Sensortype, omhulselmateriaal, beschermbuis, montagemethode en kabelroute werken allemaal samen, en een perfect gecompenseerde zender kan een geïnstalleerd thermokoppel niet redden op een plek waar het niet zal overleven. In petrochemische fabrieken is een waterdicht, slijtvast thermokoppel in combinatie met correct beoordeelde compensatiedraad meestal belangrijker dan een klein verschil in catalogusnauwkeurigheid. Bij processen bij hoge temperaturen zorgen platina-rhodium- en wolfraam-rhenium-sensoren ervoor dat het meetknooppunt betrouwbaar blijft waar basismetaalsoorten niet lang meegaan. U kunt zien hoe deze combinaties bij ons samenkomen toepassingspagina's voor de industrie .

Niets van dit alles hoeft ingewikkeld te zijn. Accepteer dat een thermokoppel een verschil rapporteert in plaats van een absolute waarde, geef het referentieknooppunt een stabiel en isothermisch huis, gebruik draad die bij de sensor past en laat een goed gespecificeerde zender of controller de rekenkunde afhandelen. Doe deze vier dingen en de koude kruising is niet langer een verborgen bron van fouten, maar wordt wat het zou moeten zijn: een rustig, begrepen onderdeel van de meetlus.