Термометр на термопаре

Два способа измерения температуры при помощи термопар

Мэтью Дафф, Джозеф Тови (США)
()

Перевод Андрея Данилова

В статье приведены краткие сведения о термопарах и описаны две измерительные схемы на основе ИС компании Analog Devices.

Введение
Термопара является простым, широко используемым компонентом для измерения температуры. Эта статья представляет общий обзор термопар, описывает стандартные проблемы, возникающие при разработке с их использованием, и предлагает два решения для обработки сигнала. Первое решение сочетает и компенсацию эталонного спая, и обработку сигнала в одной аналоговой ИС для удобства и лёгкости использования; второе решение разделяет компенсацию эталонного спая и обработку сигнала для большей гибкости и точности измерения температуры с цифровым выходом.

Теория термопары
Термопара, показанная на рисунке 1, состоит из двух проводников разнородных металлов, соединённых вместе на одном конце, называемом измерительным («•горячим») спаем. Другой конец, где проводники не соединены, подключен к дорожкам схемы обработки сигнала, обычно сделанным из меди. Это переход между металлами термопары и медными дорожками называется эталонным («холодным») спаем.*
Напряжение, генерируемое эталонным спаем, зависит от температуры и на измерительном, и на эталонном спае. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не прибором для измерения абсолютной температуры, температура эталонного спая должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Этот процесс известен как компенсация эталонного спая (компенсация холодного спая).

Термопары используются в стандартных промышленных методах экономически эффективного измерения температуры в широком диапазоне с приемлемой точностью. Они используются в разнообразных применениях вплоть до +2500°С в бойлерах, водонагревателях, печах и самолетных двигателях, и т.д. Наиболее популярной термопарой является термопара типа К, состоящая из хро-меля и алюмели (марки сплава никеля, содержащие хром и алюминий, магний и кремний соответственно), с температурным диапазоном от -200 до+1250°С.

Почему используется термопара?
Преимущества
Температурный диапазон. Наиболее реальные температурные диапазоны -от криогеники до выхлопа реактивного двигателя — могут быть перекрыты при помощи термопар. В зависимости от использованного металла проводников, термопара способна измерять температуру в диапазоне от -200 до+2500=С.

Надёжная. Термопары являются прочными приборами, невосприимчивыми к удару и вибрации и подходящими для использования в опасных окружающих условиях.

Быстрый отклик. Благодаря небольшим размерам и низкой теплоёмкости, термопары быстро откликаются на изменения температуры, особенно если воздействию подвергается измерительный спай. Они могут реагировать на быстро изменяющуюся температуру в пределах нескольких сотен миллисекунд.

Отсутствует саморазогрев. Поскольку термопары не требуют энергии питания, они не подвержены саморазогреву и от природы безопасны.

Недостатки
Сложная обработка сигнала. Необходима существенная обработка сигнала, чтобы преобразовать напряжение термопары в полезные показания температуры. Традиционно обработка сигнала требовала больших затрат времени, чтобы избежать привнесённых погрешностей, которые снижали точность.

Точность, Кроме внутренних неточностей в термопарах, обусловленных их металлургическими свойствами, измерение при помощи термопары является настолько точным, насколько точно может быть измерена температура эталонного спая, традиционно в пределах 1…2°С.

Подверженность коррозии. Поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых окружающих условиях коррозия с течением времени может привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита, а уход и техническое обслуживание яачяются неоть-емлемыми процедурами.

Подверженность помехам. При измерении изменений сигнала на уровне микровольт, помехи от паразитных электрических и магнитных полей могут быть проблемой. Скручивание пары проводов термопары может значительно снизить наводку от магнитного поля. Использование экранированного кабеля или укладка проводов в металлический лоток и защитный экран могут снизить наводку от электрического поля. Измерите л ьное устройство должно обеспечивать фильтрацию сигнала либо на аппаратном, либо на программном уровне, с интенсивным подавлением частоты сети (50 или 60 Гц) и её гармоник.

Проблемы измерения при помощи термопар
По многим причинам нелегко преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точные показания температуры: сигнал напряжения является небольшим, взаимосвязь температура-напряжение является нелинейной, эталонный спай требует компенсации, а термопары могут создавать проблемы заземления. Давайте рассмотрим эти проблемы по очереди.

Сигнал напряжения мал. Большинство общеупотребительных термопар относятся к типам J, К и Т. При комнатной температуре их напряжение изменяется на 5 2 мкВ/°С, 41 мкВ/°С и 41 мкВ/°С соответственно. Другие, менее известные типы имеют даже меньший температурный коэффициент напряжения. Этот небольшой сигнал требует каскада с большим усилением перед аналого-цифровым преобразованием. Таблица 1 сравнивает чувствительности различных типов термопар.

Таблица 1. Изменение напряжения в зависимости от температуры (коэффициент термоЭДС) для различных типов термопар при 25°С

Тип термопары Коэффициент термоЭДС. мкВ/°С
E 61
J 52
K 41
N 27
R 9
S 6
T 41

Поскольку сигнал напряжения является небачьшим, схема обработки сигнала обычно нуждается в усилении 100 В/В или около этого — фактически простое согласование сигнала. Более трудным может быть распознавание истинного сигнала из помех, собираемых выводами термопары. Выводы термопары являются длинными и часто прокладываются в электрически зашумленном окружении. Помехи, считанные выводами, могут легко поглотить ничтожный сигнал термопары.

Чтобы выделить сигнал из помех, обычно сочетают два подхода. Первым является использование усилителя с дифференциальным входом, такого как измерительный усилитель, чтобы усилить сигнал. Поскольку большие помехи появляются на обоих проводах (синфазно), дифференциальное измерение их устраняет. Вторым является низкочастотная фильтрация, которая удаляет внеполосные помехи. Низкочастотный фильтр должен удалять и радиочастотные помехи (свыше 1 МГц), которые могут вызвать выпрямление в усилителе, и фон 50/60 Гц (источник питания). Важно расположить радиочастотный фильтр перед усилителем (или использовать усилитель с отфильтрованными входами). Расположение фильтра 50/60 Гц часто некритично — он может сочетаться с радиочастотным фильтром, располагаться между усилителем и АЦП, быть частью сигма-дельта-АЦП либо может быть заложен в программное обеспечение в качестве фильтра усреднения.

Компенсация эталонного спая. Температура эталонного спая термопары должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Когда термопары использовались впервые, это делали путём содержания эталонного спая в ванне со льдом. Рисунок 2 изображает цепь термопары с одним концом при неизвестной температуре и другим концом в ванне со льдом (0°С). Этот метод был использован для исчерпывающего исследования параметров различных типов термопар, следовательно, почти все таблицы термопар используют 0СС в качестве эталонной тем пер атур ы.

Однако содержание эталонного спая термопары в ванне со льдом является непрактичным для большинства систем измерения. Вместо этого большинство систем используют технологию, называемую компенсацией эталонного спая (также известную как компенсация холодного спая). Температуру эталонного спая измеряют при помощи другого термочувствительного прибора — обычно микросхемы, тер-мистора, диода или RTD (резистивного датчика температуры).

Отсчёт напряжения термопары затем корректируют для отображения температуры эталонного спая. Важно, чтобы эталонный спай был считан как можно более точно — с точностью датчика температуры, содержащегося при той же самой температуре, что и эталонный спай. Любая погрешность в определении температуры эталонного спая отразится на конечном отсчёте показаний термопары.

Для измерения образцовой температуры доступны различные датчики:

• термисторы. Они имеют быстрый отклик и небольшой корпус; однако они нуждаются в линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур. Они также требуют тока для возбуждения, который может вызывать саморазогрев, приводящий к дрейфу. Общая точность системы в сочетании с обработкой сигнала может быть недостаточной;

• резистивные датчики температуры (RTD). Резистивные датчики температуры являются точными, стабильными и достаточно линейными, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их применение в системах управления технологическими процессами;

• удалённые термодиоды. Это диоды, используемые для считывания температуры вблизи разъёма термопары. Формирующий кристалл преобразовывает напряжение на диоде, которое пропорционально температуре, в аналоговый или цифровой выходной сигнал. Его точность ограничена примерно ±1°С;

• интегрированный датчик температуры. Интегрированный датчик температуры — автономная ИС, которая считывает температуру локально, -должен быть тщательно установлен вблизи эталонного спая и может сочетать компенсацию эталонного спая и обработку* сигнала. Достижимы точности в пределах малых долей 1°С.

Сигнал напряжения является нелинейным. Наклон графика характеристики термопары изменяется в зависимости от температуры. Например, при 0°С выход термопары Т-типа изменяется на 39 мкВ/°С, но при 100°С наклон возрастает до 47 мкВ/»С.

Существуют три стандартных метода компенсации нелинейности термопары. Выбрать часть графика, которая является относительно плоской, и аппроксимировать наклон как линейный в данной области — подход, который работает особенно хорошо для измерений в ограниченном диапазоне температур. Не требуются сложные вычисления. Одной из причин, по которой термопары К- и J-типа являются популярными, является то, что они имеют большие промежутки температуры, для которых возрастающий наклон чувствительности (коэффициент тер-моЭДС) остаётся фактически постоянным (см. рис. 3).

Другим подходом является сохранение в памяти просмотровой таблицы, которая соотносит набор напряжений термопары с её относительной температурой. Затем используется линейная интерполяция между двумя ближайшими пунктами таблицы для получения других значений температуры.
Третьим подходом является использование уравнений высокого порядка, которые моделируют поведение термопары. Хотя этот метод имеет наибольшую точность, он также является самым затратным по вычислениям. Дтя каж-дой термопары существуют два набора уравнений. Один набор преобразовывает температуру’ в напряжение термопары (полезное для компенсации эталонного спая). Другой набор преобразовывает напряжение термопары в температуру. Таблицы термопар и уравнений высокого порядка для термопар могут быть найдены на интернет-странице Все эти таблицы и уравнения основаны на температуре эталонного спая 0°С. Компенсация эталонного спая должна быть использована, если он находится при любой другой температуре.

Требования к заземлению. Промышленность выпускает термопары и с изолированными, и с заземлёнными наконечниками для измерительного спая (см. рис. 4). Обработка сигнала термопары должны быть спроектирована так, чтобы избежать петель заземления при измерении заземлённой термопарой, а также иметь контур для входных токов усилителя, когда измерение производится изолированной термопарой. Кроме того, если наконечник термопары заземлён, входной диапазон усилителя должен выдерживать любые разности в потенциалах заземления между наконечником термопары и землёй системы измерения (см. рис. 5).
Система обработки с двойным питанием для неизолированных систем будет, как правило, более устойчивой для заземлённого наконечника и незащищённых типов наконечников. Из-за своего широкого диапазона синфазного входного напряжения, усилитель с двойным питанием может обрабатывать большое дифференциальное напряжение между заземлением печатной платы и землёй наконечника термопары. Системы с одним источником питания могут работать удовлетворительно во всех трёх вариантах наконечников, если диапазон синфазного сигнала усилителя имеет некоторую возможность измерять потенциал ниже заземления в конфигурации с одним источником питания. Для преодоления ограничения по синфазному сигналу*, в системах с одним источником питания полезно сдвигать термопару к середине напряжения питания. Это хорошо работает для изолированных наконечников термопар либо если вся система измерения является изолированной. Однако это не рекомендуется для неизолированных систем, которые предназначены для измерения заземлённых или незащищённых термопар.

Практические схемы с термопарами. Обработка сигнала термопары является более сложной, чем обработка в других системах измерения. Время, необходимое для разработки и отладки обработки сигнала, может увеличить время выхода изделия на рынок. Ошибки в обработке сигнала, особенно в части компенсации измерительного спая, могут привести к более низкой точности. Две описанные ниже схемы посвящены этим проблемам.

Первая описывает простое аналоговое интегрированное аппаратное решение, сочетающее прямое измерение термопары с компенсацией эталонного спая при помощи единственной ИС. Второе решение подробно рассматривает схему компенсации эталонного спая на основе программного обеспечения, обеспечивающую повышенную точность для измерения термопары и гибкость в использовании термопар многих типов.

Решение для измерения 1: оптимизированное для простоты
Рисунок 6 показывает схему для измерения термопары типа К. Она основана на применении усилителя термопары AD8495, который специально разработан для термопар типа К. Это аналоговое решение оптимизировано для минимяльного времени разработки: Оно имеет простой тракт для сигнала и не требует написания кода программы.

Как этот простой сигнальный тракт удовлетворяет требованиям обработки сигнала для термопар К-типа?
Усиление и выходной масштабный коэффициент. Малый сигнал термопары усиливается AD8495 в 122 раза, обеспечивая выходную чувствительность 5 мВ/°С (200°С/В).

Подавление помех. Высокочастотные синфазные и дифференциальные помехи удаляются внешним радиочастотным фильтром. Низкочастотные синфазные помехи подавляет измерительный усилитель AD8495. Любой оставшийся шум удаляется внешним фильтром при последующей обработке.
Компенсация эталонного спая. Усилитель AD8495, который содержиттем-пературный датчик для компенсации изменений окружающей температуры, должен быть установлен вблизи эталонного спая, чтобы работать при той же температуре для точной компенсации эталонного спая.

Коррекция нелинейности. Усилитель AD8495 откалиброван для получения выхода 5мВ/°С на линейном участке графика термопары К-типа, с погрешностью линейности менее чем 2=С в диапазоне температур -25.-.400°С. Если необходим более широкий температурный диапазон, указание по применению AN-1087 от компании Analog Devices описывает, как может быть использована просмотровая таблица или уравнение в микропроцессоре для расширения диапазона температур.

Эксплуатация изолированных, заземлённых и незащищённых термопар. Рисунок 5 показывает подсоединённый к земле резистор 1 МОм, который учитывает все типы наконечников термопар. Усилитель AD8495 был специально разработан, чтобы обеспечить измерение на уровне нескольких сотен милливольт ниже потенциала земли при использовании одного источника питания, как показано на схеме. Если ожидается большая разность в потенциалах заземления, усилитель AD8495 также может быть использован с двойным источником питания.

Более подробно о AD8495. Рисунок 7 показывает структурную схему усилителя термопары AD8495. Усилители А1, А2 и A3 и показанные резисторы образуют измерительный усилитель, который усиливает выходной сигнал термопары К-типа настолько, чтобы соответствовать выходному напряжению 5 мВ/°С. Внутри блока «Компенсация эталонного спая» находится датчик окружающей температуры. Когда температура измерительного спая поддерживается постоянной, дифференциальное напряжение от термопары будет снижаться, если температура эталонного спая возрастает по любой причине. Если миниатюрный (3,2 х х 3,2 х 1,2 мм) усилитель AD8495 находится в тепловой близости к образцовому спаю, схема компенсации вводит дополнительное напряжение в усилитель, с тем чтобы выходное напряжение оставалось постоянным, компенсируя, таким образом, изменение эталонной температуры.
В таблицу 2 сведены характеристики интегрального аппаратного решения, использующего микросхему AD8495.

Таблица 2. Решение 1 (см. рис. 6), сводка характеристик

Тип термопары Диапазон температуры измерительного спая Диапазон температуры эталонного спая Точность при 25°С Потребляемая мощность
K -25…400°С 0…50°С ±3°С (группа А) ±1°С (группа С) 1,25 мВт

Решение для измерения 2: оптимизированное для точности и гибкости
Рисунок 8 показывает схему для измерения термопары J-, К- и Т-типа с большой степенью точности. Эта схема включает высокоточный АЦП для измерения малых напряжений термопары и высокоточный датчик для измерения температуры эталонного спая. Оба прибора управляются по интерфейсу SPI от внешнего микроконтроллера.

Как эта конфигурация удовлетворяет требованиям обработки сигнала, приведённым ранее?
Удалить помехи и усилить напряжение. Микросхема AD7793, показанная в подробностях на рисунке 9, является высокоточным аналоговым входным интерфейсом с малым потреблением и используется для измерения напряжения термопары. Выход термопары фильтруется внешним способом и подсоединяется к набору дифференциальных входов, AIN1(+) и AINl(-). Затем сигнал поступает на коммутатор, буферный усилитель и измерительный усилитель, который усиливает малый сигнал термопары, и на АЦП, который преобразовывает сигнал в цифровой.

Компенсация температуры эталонного спая. Микросхема ADT7320 (см. блок-схему на рис. 10), будучи установленной достаточно близко к образцовому спаю, может измерять температуру этого перехода с точностью до ±0,2СС в диапазоне от -10 до+85°С Встроенный в кристалл датчик температуры генерирует напряжение, пропорциональное абсолютной температуре, которое сравнивается с внутренним опорным источником и прикладывается к высокоточному7 цифровому модулятору. Оцифрованный результат от модулятора обновляет 16-разрядный регистр значения температуры. Регистр значения температуры затем может быть считан обратно из микроконтроллера при помощи интерфейса SPI и объединён с цифровым отсчётом из АЦП для выполнения компенсации.

Корректировка нелинейности. Микросхема ADT7320 обеспечивает превосходную линейность в своём паспортном диапазоне температур (-40… 125°С), не требующую коррекции или калибровки пользователем. Её цифровой выход, таким образом, может считаться точным представлением состояния эталонного спая. Чтобы определить фактическую температуру термопары, это эталонное измерение температуры должно быть преобразовано в эквивалентное термоэлектрическое напряжение при помощи уравнений, предоставленных Национальным институтом стандартов и технологии (NIST). Затем это напряжение добаатяется к напряжению термопары, измеренному микросхемой AD7793) а итог переводится обратно в температуру’ термопары, снова при помощи уравнений NIST.

Эксплуатируйте изолированные и заземлённые термопары. Рисунок 8 показывает термопару с незащищённым (открытым) наконечником. Это обеспечивает наилучшее время отклика, но аналогичная конфигурация также могла бы использоваться и вместе с термопарой с незащищённым наконечником. Таблица 3 суммирует характеристики схемы измерения эталонного спая на основе программных средств с использованием информации NIST.

Таблица 3. Решение 2 (см. рис. 8), сводка характеристик

Тип термопары Диапазон температуры
измерительного спая
Диапазон температуры эталонного спая Точность Потребляемая мощность
J, K, T Полный диапазон

-Ю…85°С

-20…105°С

±0.2°С ±0,25°С

ЗмВт

ЗмВт

Заключение
Термопары позволяют надёжно измерять температуру в достаточно широком диапазоне, но инженеры часто отказываются от их использования из-за неизбежного компромисса между временем разработки и точностью измерения. Статья предлагает экономически эффективные способы разрешения этих проблем.

Первое решение сосредотачивается на уменьшении сложности измерения посредством технологии аппаратной аналоговой компенсации эталонного спая. Это приводит к простому сигнальному тракту, не требующему программирования, с учётом интеграции, предоставленной усилителем термопары AD8495, обеспечивающего выход сигнала 5 мВ/°С, который может быть подан на аналоговый вход разнообразных микроконтроллеров.

Второе решение обеспечивает высочайшую точность измерения и также позволяет использовать различные типы термопар. Технология компенсации эталонного спая программным способом опирается на высокоточный цифровой датчик температуры ADT7320, чтобы обеспечить более точное измерение компенсации эталонного спая, недостижимое до сегодняшнего дня. Микросхема ADT7320 поставляется полностью откалиброванной и по техническим условиям соответствует диапазону температур —40…125°С. Абсолютно понятная, в отличие от измерения традиционным термистором или резистивным датчиком, она не требует ни затратного этапа калибровки после монтажа платы, ни ресурсов процессора или памяти с калибровочными коэффициентами или процедурами линеаризации. Потребляя только микроватты мощности, эта ИС избегает проблем саморазогрева, которые подрывают точность традиционных решений с резистивным датчиком.

Приложение
Использование уравнения NIST для преобразования температуры микросхемы ADT7320 в напряжение
Компенсация эталонного спая термопары основана на следующем соотношении:

ΔV=VJ1-VJ2, (1)

где ΔV — выходное напряжение термопары; VJ1 — напряжение, генерируемое на спае термопары; VJ2 — напряжение, генерируемое на эталонном спае.

Чтобы это соотношение для компенсации работало, оба вывода эталонного спая должны содержаться при одной и той же температуре. Выравнивание температуры выполняется при помощи изотермического клеммника, который позволяет выравниваться температуре обоих выводов, обеспечивая при этом электрическую изоляцию.

После того как температура эталонного спая измерена, она должна быть преобразована в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, которое могло быть выработано этим спаем при измеренной температуре. Один из методов использует полином в виде степенного ряда. Термоэлектрическое напряжение вычисляется как:

E = a0 + a1T+a2T2 + + а3Т3 + … + аnTn (2)

где Е — термоэлектрическое напряжение (микровольты); ап — коэффициенты полинома, зависящие от типа термопары; T- температура (°С); п = порядок полинома.

NIST публикует таблицы коэффициентов полинома для каждого типа термопары. В этих таблицах перечислены коэффициенты, порядок (число составляющих полинома), применимые диапазоны температуры для каждого списка коэффициентов и диапазон погрешности. Некоторые типы термопар требуют более одной таблицы коэффициентов для перекрытия всего диапазона температур при эксплуатации. Таблицы для степенных рядов полинома перечислены в основном тексте.

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными. Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Устройство термоэлектрических термометров

Рис. 1.

На (рис. 1) показана конструкция технического ТТ. Арматура включает защитный чехол-1, гладкий или с неподвижным штуцером-2, и головку-3, внутри которой расположено контактное устройство-4 с зажимами для соединения термоэлектродов-5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) — 6, спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием.

Принцип действия ТЭТ основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в электроцепи, составленной из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов), например А и В (рисунок 2а), при наличии разности температур между местами их соединения (спаями) возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой пропорциональна разности температур нагретого Т1 и свободного (холодного) Т2 концов спаев и зависит от материала термоэлектродов.

Рис. 2 — Термоэлектрическая цепь (а) и схемы измерения термоЭДС термопары — без термоэлектродных проводов (б) и с термоэлектродными проводами (в): А и В — электроды термопары; А1 и В1 — термоэлектродные (удлиняющие провода); Т1 — температура мест соединений электродов термометра с термоэлектродными проводами (в); mV — милливольтметр

Термопара состоит из двух специально подобранных термоэлектродов (проволок), одни концы которых спаяны или сварены (Т1), а другие (T2) подключаются к вторичному прибору ИП (рисунок 2б): Т = Т1, Т0 = Т2.

Термоэлектрод называют положительным, от которого термоток идет в спае, имеющем температуру Т0 < Т, отрицательным — к которому ток идет в том же спае. Спай термопары Т1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, называют рабочим (горячим).

Концы термопары (Т2), которые подключаются к измерительному прибору ИП и должны находиться при постоянной температуре (Т2 = Т0 = const) называют свободными (холодными).

При условии Т2 = const термоЭДС термопары UТП будет зависеть только от температуры рабочего спая, т.е. температуры контролируемой среды Т1 = Т,

UТП = ЕАВ (Т, Т0) = F (T). (1)

Для термопар статическая характеристика (рисунок 3.3) является непрерывной и, учитывая небольшую нелинейность на отдельных ее участках, чувствительность ТЭТ можно записать в виде

мВ/оС. (2)

Величина Ктп зависит от температуры Т и от природы термоэлектродов и составляет 0,006-0,07 мВ/°С — для металлов (рисунок 3, кривые 1,2); 0,1-1 мВ/°С — для полупроводниковых термопар (рисунок 3, кривая 3).

Наиболее распространенными в практике технологического контроля являются стандартные термопары с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов.

Платинородий-платиновые термопары типа ТПП (градуировка ПП) применяются для измерения температур в области 0-1300°С, термоэлектроды изготавливают из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовлетворяет условиям достаточной прочности и не слишком высокой стоимости;

Рис. 3. — Статические характеристики термопар:

  • 1 — хромель-алюмелевой; 2 — хромель-копелевой (металлические); 3 — карбид кремния-графитовой (полупроводниковая)
  • § платинородий-платинородиевые термопары типа ТПР (градуировка ПP 30/6) применяются для измерения температур в области 300-1600°С;
  • § хромель-копелевые термопары типа ТХК (градуировка ХК) применяются для измерения температур в области — 200-600°С;
  • § хромель-алюмелевые термопары типа ТХА (градуировка ХА) применяются для измерения температур в области — 200-1000°С, диаметр термоэлектродной проволоки до 3,2-5 мм.

Допустимая основная погрешность стандартных термопар составляет 0,01-0,23 мВ.

Стандартные термопары градуируют, определяя экспериментально зависимость термоЭДС от изменения температуры рабочего спая при строго постоянной температуре свободных концов термопары (обычно Т0 = 0°С) методом сравнения с образцовым термометром.

С целью упрощения конструкции термопар и условий термостабилизации свободных концов термоэлектродов их удлиняют специальными проводами, которые называют термоэлектродными (иногда компенсационными, что неверно). Это позволяет удалить свободные концы термопары в зону, где температура окружающей среды изменяется незначительно. В этом случае свободными концами термопары считают места соединения термоэлектродных проводов с медными проводами подключения или с зажимами измерительного прибора, если термоэлектродные провода присоединяются к ним непосредственно. В качестве материала для термоэлектродных проводов используют недефицитные неблагородные металлы, которые в интервале температур окружающей среды развивают в паре между собой такую же термоЭДС, как и термопара, с которой они комплектуются. Для термопар типа ТПП применяют термоэлектродные провода марки ПП (положительный термоэлектрод — медь, отрицательный — сплав меди и никеля), для ТХК — марки ХК (положительный — хромель, отрицательный — копель), для ТХА — марки М (положительный — медь, отрицательный — константан).

4.2.2. Термоэлектрические термометры

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термоэдс), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Имея закон изменения термоэдс термометра от температуры и определяя значение термоэдс электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения .

Термопары широко используются для измерения температур в пределах от –150 до 20000С.

Термопара состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии. В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

К преимуществам термопар можно отнести

— большой диапазон измерения;

— высокую чувствительность и высокую степень точности;

— незначительную инерционность;

— возможность измерения локальных температур вследствие малых габаритов спая термопар (микротермопары);

— легкость осуществления дистанционной передачи показаний;

— отсутствие постороннего источника тока.

Основные свойства термоэлектрических термометров

Принцип действия термопар основан на термоэлектрических явлениях, открытых в 1821 г. Зеебеком.

Известно, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Механизм возникновения термоэдс основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.

Пусть два разнородных проводника А и B соединены и температура концов одинакова. В проводнике B плотность свободных электронов больше, чем в А, поэтому из В электроны диффундируют в А в большем количестве, чем обратно. Таким образом, проводник B будет заряжаться положительно, а А – отрицательно. Электрическое поле, возникшее в месте соприкосновения проводников, будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под действием электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А и B возникнет некоторая разность потенциалов термоэдс. С увеличением температуры термоэдс увеличивается.

Кроме того, термоэдс возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры, причем более нагретый конец заряжается положительно.

В замкнутом контуре (рис. 10), состоящем из разнородных термоэлектродов А и B, одновременно действуют оба указанных фактора, вызывающие появление в спаях 1 и 2 (в зависимости от температур t и t0 и материала термоэлектродов) двух суммарных термоэдс eAB(t) и eBA(t0). Действующая в контуре результирующая термоэдс ЕAB(t, t0) равна алгебраической сумме термоэдс обоих спаев, т.е.

ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBA(t0), (4.10)

но, если учесть, что eBA(t0)= –eAB(t0), получим

ЕAB(t, t0) = eAB(t) – eAB(t0). (4.11)

Рис. 10. Схема устройства термопары: А, B – разнородные проводники; 1, 2 – спаи термопары

Следовательно, вырабатываемая термометром термоэдс равна разности двух действующих навстречу суммарных термоэдс, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях 1 и 2. При равенстве t=t0 результирующая термоэдс равна 0.

Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим концом термоэлектрического термометра, а спай 2 – свободным или холодным концом.

Для измерения термоэдс к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения в контур: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наиболее распространен первый способ.

Рассмотрим, будет ли влиять на результирующую термоэдс включение третьего (соединительного) проводника C с вторичным прибором ВП .

При первом способе включения (рис. 11, а) термометр будет иметь два свободных конца со спаями 2 и 3, находящимися при одинаковой температуре t0. Результирующая термоэдс равна

ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBC(t0)+eСА(t0). (4.12)

Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны t0, то в замкнутой цепи результирующая термоэдс будет равна нулю*), т.е.

ЕAB(t0) = eAB(t0) + eBC(t0) + eСА(t0)=0 (4.13)

или

eBC(t0) + eСА(t0) = – eAB(t0) . (4.14)

Подставив (3.14) в (3.12), получим

ЕAB(t, t0 )= eAB(t) – eAB(t0),

или соотношение (3.11).

а)

б)

Рис. 11. Способы подключения вторичного прибора к термоэлектрическому термометру: а) – подключение в свободный конец, б) – подключение в термоэлектрод

При втором способе подключения прибора ВП появляются два новых спая 3 и 4. Пусть температура этих спаев t1, тогда результирующая термоэдс

ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBC(t1)+eСB(t1)+ eBА(t0), (4.15)

где eBC(t1)= –eCВ(t1) и eBА(t0)= –eАB(t0). Подставив эти соотношения, получим опять уравнение (4.11). При этом температура нейтральных спаев 3 и 4 никакой роли не играет.

Таким образом, включение в контур термоэлектрического термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термоэдс, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру. Если же температуры спаев 2 и 3 на рис. 11, а или спаев 3 и 4 на рис. 11, б не будут равны, то при этом в цепи появится «паразитная» термоэдс, которая отразится на результатах измерения.

Термоэдс любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термоэдс, развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.

Пусть даны термоэдс двух термометров АС и ВС, температуры рабочих и свободных концов t и t0. Требуется найти при тех же температурах термоэдс термометра АВ.

Имеем

ЕAС(t, t0) = eAС(t) – eАС(t0);

ЕВС(t, t0) = eВС(t) – eВС(t0).

Вычитая, получаем

ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0)= eAС(t) – eАС(t0) – eВС(t) + eВС(t0). (4.16)

Известно, что

eAС(t) – eВС(t)= eAВ(t);

eBС(t0) – eАС(t0)= –eAВ(t0),

тогда (3.16) примет вид

ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0)= eAВ(t) – eAВ(t0), (4.17)

ЕAB(t, t0)

ЕAB(t, t0)= ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0). (4.18)

Измерение температуры при помощи термоэлектрического термометра возможно лишь при постоянной и точно известной температуре свободного конца t0. В этом случае

ЕAB(t, t0)=f(t). (4.19)

Функция f(t) имеет сложный вид и определяется экспериментальным путем. Принято, что t0=0 и f(t0)=0.

Экспериментальная зависимость термоэдс ЕAB(t, t0) от температуры рабочего конца t при постоянной температуре свободных концов t0 (как отмечалось, обычно 00С), называется градуировочной характеристикой.

Величина называетсячувствительностью термопары.

Значение термоэдс зависит от материала термоэлектродов, температур рабочего и свободного концов.

К материалам, предназначенным для изготовления термопар, предъявляется ряд требований :

  • они не должны в пределах измеряемых температур с течением времени изменять свои физические свойства;

  • величина термоэдс выбираемых материалов должна быть достаточной для точных измерений;

  • выбираемые материалы должны быть устойчивы против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;

  • температурный коэффициент электросопротивления должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность – высокой;

  • однозначная и, по возможности, линейная зависимость термоэдс от температуры;

  • однородность и постоянство состава для обеспечения взаимозаменяемости термометров.

  • относительно невысокая стоимость.

Для оценки значения термоэдс различных термометров обычно пользуются экспериментальными значениями термоэдс металлов и сплавов в паре с чистой платиной.

Типы и характеристики термоэлектрических

термометров

По характеру применяемых материалов для изготовления термопар последние могут быть разбиты на следующие группы:

  • термопары из благородных металлов;

  • термопары из неблагородных металлов и сплавов.

Термоэдс, развиваемые наиболее распространенными термопарами при 1000С, а также пределы измерения температур этими термопарами приведены в табл. 5.

Термопары из благородных металлов и сплавов применяются, главным образом, для измерения температуры выше 10000С, т.к. они обладают большой термостойкостью.

Платинородий-платиновые термопары (несмотря на малую термоэдс) благодаря исключительному постоянству термоэлектрических свойств и большому диапазону измерения используются, главным образом, как образцовые (эталонные) и лабораторные термометры. Допускаемое отклонение термоэдс ΔE (мВ) технического термометра этого типа от градуировочных значений составляет до температуры 3000С около 0,01 мВ, при t>3000C ΔE=(0,01+2,510-5(t–300)), где t – температура рабочего конца в 0С. Термометры данного типа хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов. Поэтому их тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения с окружающей средой.

Таблица 5

Характеристики термопар

Наименование

Состав

Верхний температурный предел при длительном применении, 0С

Верхний температурный предел при кратковременном применении, 0С

Термоэдс (мВ) при t=1000С

Медь-копелевая

100%Cu –

56%Cu+44%Ni

4,75

Медь-конс-тантановая

100%Cu –

60%Cu+40%Ni

4,28

Железо-копелевая

100%Fe –

56%Cu+44%Ni

5,75

Железо-

константановая

100%Fe –

60%Cu+40%Ni

5,40

Хромель-

копелевая

90%Ni+10%Cr –

56%Cu+44%Ni

6,95

Хромель-

алюмелевая

90%Ni+10%Cr –

94%Ni+2%Al+

+2,5%Mn+1%Si+

+0,5%примеси

4,10

Платинородий-платиновая

100%Pt+10%Rh –

100%Pt

0,64

Вольфрамрений-вольфрамрениевая

95%W+5%Re –

80%W+20%Re

1,4

Для измерения температур до 9000С термопары из благородных металлов применять нецелесообразно, т.к. в этой области температур надлежащую надежность измерений обеспечивают термопары из неблагородных металлов. Их достоинство состоит в том, что они развивают большие термоэдс. Однако эти термопары также подвержены влиянию восстановительной среды. Допускаемые отклонения термоэдс от градуировочных значений составляют при t < 3000С около 0,16 мВ, при t> 3000C ΔE= =  (0,16 + 210-4 (t – 300)) для хромель-алюмелевых термопар и 0,2 мВ при t < 3000С, при t > 3000C ΔE =  (0,2 + 610-4 (t – 300)) для хромель-копелевых термопар.

Конструктивные формы термопар весьма разнообразны. В простейшем виде термопара представляет собой два разнообразных термоэлектрода, изолированных друг от друга и имеющих один общий спай (образующийся скруткой и сваркой концов в пламени электрической дуги или гремучего газа). Очень часто два термоэлектрода помещаются в один общий чехол-капилляр. В качестве изоляции термоэлектродов служат лаки и эмали до 100 – 1500С, стеклянные бусы до 5000С, кварцевые трубки до 10000С, фарфоровые бусы до 15000С. Широкое распространение получила алундовая изоляция термоэлектродов.

Вторичными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическим термометрами, являются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Принцип их действия и устройство см. в .

PIC16F676 Применение, это и паяльная станция, и управление высокотемпературными процессами и т.д. с функцией ПИД регулировки нагревательного элемента

Схема,

Решил в свой ламинатор вставить термометр , термометр на термопаре K-типа. Чтобы он у меня стал более информативен, считаю, что хоббийный радиолюбитель не может довольствоваться, когда на таком приборе горит только два светодиода «POWER” и «READY” . Развожу платку под свои детальки. На всякий случай с возможностью её резать пополам( это некоторая универсальность). Сразу с местом под силовую часть на тиристоре, но пока эту часть не использую, это будет у меня схемка под паяльник (когда придумаю, как в жало термопару пристроить)

В ламинаторе мало места (механизмы расположены очень плотно, китай понимаеш ли), использую маленький семисегментный индикатор, но это еще не все, плата целиком тоже не влазит, вот тут пригодилась универсальность платы, разрезаю ее надвое (если использовать разъем верхняя часть подходит ко многим разработкам на пикушечках от ur5kby.)
Настраиваю, сначала делаю, как сказано в форуме, не впаиваю термопару, задаю 400 (хотя если этот параметр будет в памяти, этот пункт отпадет) настраиваю переменниками примерно комнатную и точно по кипению,

Такой контроллер теоретически работает до 999°C но в домашних условиях такую температуру вряд ли найти , самое большее это открытый огонь, но у этого источника тепла сильная нелинейность и чувствительность к внешним условиям.

вот примерная таблица.и еще для наглядности

Так что выбор невелик в выборе источника для настройки показаний контроллера.

больше тут никакой игры кнопочками, Все можно собирать,
Термопару использовал от китайского тестера. И пост в форуме надоумил меня, что эту термопару можно размножать, её длина почти полметра, отрезаю 2 см.

делаю трансформатором по скрутке угольком, шарик получается, а к двум концам точно так, по медной проволочке, для хорошей пайки к моим проводам.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *