Термопары

Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надёжной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Однако для сохранения высокой точности измерений необходимо соблюдение ряда требований, применение специальных методов. Эти требования и методы уже реализованы в современном промышленном измерительном оборудовании, что позволяет получать высокоточные отсчёты температуры с использованием термопарных датчиков.

Принцип работы и примеры использования

Работа термопары основана на эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, состоящей из двух различных цроводников, возникает термо- ЭДС, пропорциональная разности температур между местами соединения проводников. Эта ЭДС определяется согласно выражению

где а, Ь, ... — эмпирически подобранные коэффициенты степенного ряда; Т — температура в °С относительно референтного электрода.

Термопары — это надёжные и недорогие датчики температуры, широко используемые в различных измерительных системах. Однако измерение температуры с помощью термопар требует принятия специальных мер для обеспечения необходимой точности измерений. Рассмотрим основные проблемы, возникающие при получении сигнала с термопары.

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термо-ЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 8.10).

Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной. В лабораторных условиях часто применяется ванна с тающим льдом (рис. 8.11). В этом случае термо-ЭДС контактов подключения компенсируют друг друга, так как контакты состоят из одинаковых материалов и находятся при одинаковой температуре. К сожалению, этот способ не всегда удобен на практике.

Стабилизация температуры холодного спая

Рис. 8.11. Стабилизация температуры холодного спая

Сейчас в промышленных системах широко используется техника «компенсации холодного спая». Этот метод заключается в том, что температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термо-ЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 8.12).

Компенсация температуры холодного спая

Рис. 8.12. Компенсация температуры холодного спая

Как показано на рисунках выше, места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы. Сигнал от термопары нелинейно зависит от температуры. Для получения точного значения температуры необходимо линеаризовать сигнал. Может использоваться табличная или полиномиальная линеарзация. Характеристики термопар различных типов и описывающие их полиномы представлены в специальной литературе.

При высоких температурах может снижаться сопротивление изоляции проводников термопары. Это шунтирует сигнал термопары и создаёт дополнительные термо-ЭДС.

При измерении температуры жидкости возможно попадание жидкости или конденсата внутрь термопары, что приводит к образованию электролита и возникновению гальванического эффекта.

Сигналы от термопары обычно имеют значения от микровольт до милливольт, поэтому необходимо принимать дополнительные меры по снижению уровня шумов и наводок. Обычно это экранировка и сокращение длины соединительных проводов. Кроме того, учитывая, что температура меняется относительно медленно, можно подавлять помехи с помощью фильтра нижних частот. Фильтр обычно рассчитывается на частоты 1...4 Гц и реализуется аппаратно или программно.

Из-за очень малого сигнала датчика важно использовать в измерительной системе точный инструментальный усилитель. Сейчас доступны очень хорошие инструментальные усилители. Кроме того, в промышленных измерительных системах часто реализуются схемы автоматической компенсации смещения нуля и техника автокалибровки усилителей.

Раннее обнаружение и локализация неисправностей — ключ к решению множества проблем, возникающих в процессе эксплуатации измерительной системы. Современные измерительные системы позволяют обнаружить обрыв термопары, а также резкое изменение её характеристик, что может быть связано с повреждением как соединительного кабеля, так и самого датчика.

Часто объект измерения может иметь потенциал, различный с потенциалом земли измерительной системы. В таких случаях для защиты входов измерительной системы необходимо использовать гальваноразвязку. Кроме того, гальваноразвязка, наряду с дифференциальным подключением датчика, существенно снижает погрешности, связанные с током, протекающим по «общему» проводу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >