Термопара - термоэлектрический преобразователь. Теория, устройство, характеристики, принцип работы термопар. Термопары тха, тхк, хромель алюмель, тпп

Термопара — что это такое? Многое ясно уже из названия. Устройство представляет собой преобразователь, используемый для рабочей среды. Конструктивно оно представляет собой два проводника из разных металлов, приваренных или припаянных друг к другу на одном конце. Устройство является очень простым, но качественно изготовить его сложно.

Как действует термопара

Два разнородных проводника связывают в кольцо. Когда температура стыков отличается, между ними появляется разность потенциалов за счет термоэлектрического эффекта.

Принцип термопары заключается в следующем. В среду, которую контролируют, помещают рабочий спай, а свободные концы подсоединяются к Чем больше различие между свойствами проводников и тепловой перепад на концах, тем выше в цепи (термо-ЭДС).

Зависимость между напряжением и температурой у разных металлов варьируется. Те или иные типы датчиков рассчитаны на свои тепловые диапазоны. У них также может быть разная стойкость к коррозии и воздействию агрессивной среды.

Назначение

Для безаварийной работы теплового оборудования применяется термопара. Что это такое для газового котла? И как она работает? Следует рассмотреть подробнее. Прежде всего, она обеспечивает автоматическое отключение оборудования при сбоях в работе газового котла. Термопара для газовой плиты также необходима, чтобы создать электроподжиг газа, как только начинается его подача. Кроме выполнения функции контроля устройство может использоваться в качестве датчика температуры.

Достоинства

Рассмотрим, какими положительными характеристиками обладает термопара:

высокая точность прибора;

широкий диапазон измерения;

возможность фиксации высокой температуры;

простота конструкции;

доступность, дешевизна и долговечность термоэлектродов;

простота монтажа и обслуживания.

Недостатки

У термопары есть и отрицательные стороны:

очень низкая чувствительность;

большое сопротивление;

нелинейность температурной зависимости термо-ЭДС;

необходимость искусственного поддерживания температуры одного из концов.

Термо-ЭДС электродов существенно зависит от наличия примесей в металлах, механической и термической обработки. Для ее увеличения применяют термобатареи из нескольких термопар.

Особенности устройства промышленной термопары

Термодатчики изготавливаются по большей части из неблагородных металлов. От воздействия внешней среды их закрывают трубой с фланцем, служащим для крепления прибора. Защитная арматура предохраняет проводники от влияния агрессивной среды и делается без шва. Материалом служит обычная (до 600ºС) или нержавеющая (до 1100ºС) сталь. Термоэлектроды изолируют друг от друга асбестом, фарфоровыми трубками или керамическими бусами.

Если терминал расположен близко, то провода термопары подключаются к нему напрямую, без дополнительных разъемов. При расположении измерительного прибора на удалении, при включении его в цепь свободные концы термопары размещаются в литой головке, прикрепленной к защитной трубе. Внутри располагаются латунные клеммники на фарфоровом основании для подключения компенсационных проводов, изготовленных из таких же материалов, что и термоэлектроды, но не обладающих точными и строго контролируемыми характеристиками. Они имеют меньшую стоимость и большую толщину. Их вводят в головку через штуцер с асбестовой прокладкой. Керамика служит для выравнивания температуры во всех местах соединения. Сверху располагается резьбовая защитная крышка с герметичным уплотнением.

На провода нельзя устанавливать обжимные оконцеватели, поскольку они могут ухудшить точность показаний. Из проволоки делают кольцо и зажимают его под винт.

Корректировка изменения температуры на клеммах может производиться электронным прибором, что повышает точность измерений.

Какой может быть термопара. Цена и характеристика

Термопарой могут быть две любые сваренные проволоки из разнородных металлов. В промышленности применяют взаимозаменяемые материалы, способные выдержать высокую температуру, долговечные и с большой термо-ЭДС. Существуют также другие статические устройства с высокой точностью и похожим принципом работы, но термопары проще по устройству и дешевле.

В качестве электродов применяется мягкая отожженная проволока из специальных сплавов. Она работает при предельной температуре около 1000 градусов. Сплавы имеют стабильные и высокие значения термо-ЭДС.

Наиболее распространены датчики с двумя электродами, где катодом является хромоникелевый сплав (хромель), а анодом — другой металл, например, алюмель (термопара ТХА). Самое простое ее подключение производится с помощью вилки.

Каждый вид датчика отличается по рабочему температурному интервалу, величине вырабатываемой ЭДС, устойчивости к механическим и химическим воздействиям, долговечности и взаимозаменяемости.

Приобретать надо только такие приборы, которые соответствуют требуемым параметрам. Особенно это относится к термостойкости, иначе в скором времени устройство придется менять.

Термопара для котла исполняется в разных вариантах в зависимости от модели. Цены на датчики находятся примерно на одном уровне. В среднем они составляют 500-600 руб. В продаже есть также датчики в комплекте с дополнительным электронным преобразователем, который вносит компенсацию в показания прибора. Он встраивается непосредственно в головку термопары. Цена датчика становится выше, но при этом не требуются компенсационные провода. К головке термопары можно подключать обычный медный провод.

Предпочтительно брать изделия для конкретных моделей, технические характеристики которых подходят друг другу. Универсальные устройства долговечностью не отличаются.

Виды датчиков

Варианты подключения термопары

По способам измерения наиболее распространены заземленные датчики. У них концы проволоки свариваются в один узел, завершающийся специальным зондом. Гильза находится в контакте с защитной внешней оболочкой, благодаря чему быстро передается тепло, и термопара имеет малую инерционность. На точность показаний большое влияние оказывают электрические помехи. По такому принципу работает термопара для газового котла. Измерительный прибор при этом не должен быть заземлен, поскольку через землю могут возникнуть дополнительные контуры, вносящие погрешность в показания.

Рабочий спай также можно непосредственно помещать в измеряемую среду, но такой способ снижает срок службы прибора из-за коррозии. В производстве подобные термопары применяют редко, а в бытовых приборах их можно увидеть везде.

Для измерения температуры в нескольких точках применяется многозонная термопара. Схема подключения у нее делается по тому же принципу, только к прибору подсоединяется несколько датчиков, расположенных в двух и более местах.

Как работает термопара с газовым котлом

Термопара — что это такое? Для пользователя все становится ясно, когда возникают перебои в работе газового оборудования. Рабочий спай термопары в котле нагревается от пламени запальника. В цепи наводится термо-ЭДС равная 20-25 mV, значения которой достаточно для срабатывания электромагнитного клапана. При этом открывается подача газа на обогрев котла. Запальная горелка всегда функционирует, пока работает котел. От нее зажигается основная горелка, греющая воду. Термопара для газовой плиты также необходима, чтобы обеспечить электроподжиг на конфорках.

Кроме того, некоторые плиты снабжают защитой при сбоях в подаче, когда в сети пропадает газ, а затем подается снова.

При горении газового факела в котле место спайки термоэлектродов остается нагретым, и за счет этого обеспечивается подача топлива. После того как пламя погаснет, рабочий спай термопары остывает, и она перестает вырабатывать ток. При этом происходит аварийное отключение электромагнитного клапана, перекрывающего газ.

Проверка исправности

Термопара для газового котла проверяется с помощью электромагнитного клапана, который продается в специализированных магазинах. К выводам обмотки клапана надо припаять два гибких провода с зажимами «крокодил», а после подсоединить к выводам термопары. При нагревании рабочего спая исправной термопары в пламени или свечи клапан должен функционировать от вырабатываемого тока. Устройство очень удобное и неприхотливое.

Проверка работоспособности термопары также производится с помощью милливольтметра. Напряжение на ее свободных концах должно быть не менее 25 мВ.

Одной из причин отключения запальника является неисправность термопары. Плохая работа может быть вызвана образованием инородных образований в месте спайки. Его зачищают наждачкой «нулевкой». Удалять нужно только налет. В противном случае будет разрушена спайка.

При разрыве провода термопары его можно соединить коротким куском обычного медного провода. При этом важно, чтобы места контактов находились в одной температуре.

Если термопара для котла прогорела, ее следует заменить. Можно сплавить концы проводов, скрутив их между собой и подсоединив к клеммам АКБ. При этом нужно правильно выбрать время подключения, чтобы спайка получилась качественной. Кроме того, надо сделать так, чтобы на провода термопары не попал металл с Место скрутки в процессе сварки обычно погружают в графитовый порошок. Если собрать устройство с ЛАТРом, то можно регулировать ток, и стык получится качественным. Все эти меры являются временными, при удобном случае термопара газовая должна быть заменена новой.

Заключение

Термопара — что это такое? Она представляет собой простой термоэлектрический преобразователь. Надежность и долговечность устройства делают его незаменимым средством отключения газового котла при возникновении аварийной ситуации.

Термопары также применяются для электроподжига в газовых плитах и в качестве

"Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01 ° С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Таблица 1

Примечание: НСХ - номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Рис. 1 Явление Зеебека

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3).

Рис. 3 Принцип работы термопары

Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). 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.

Рис. 4 Техника компенсации холодного спая

Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).

На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировоч-ным таблицам для каждого типа термопар.

В табл. 2 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

Таблица 2

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рис. 6.

Основное применение термопары - электронные термометры.

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.

Рис. 6 Внешний вид некоторых конструкций термопар

Таблица 3

На рис. 7 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ - tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов - tmax = 250°С.

Рис. 7 Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001

На рис. 8 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры: ~49,9...199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.

Рис. 8 Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)

Дата публикации: 24.03.2004

Мнения читателей

• Антон / 01.08.2017 - 14:21
  Я бы сказал, что материал для изготовление термопар намного больше. Вот все возможные (достал с оф. сайта термопар termopara.org): Сталь; Хромель-алюмель; Платина; Хромель-копель; Медь; Алюминь; Алюмооксидная керамика; Железо-константан; Платинородий; платинородий-платина; Платина-родий; Термостойкий пластик; Вольфрам-родий; Платина-платина; Титан; Железо; Константан; Латунь; Нисил; Нихросил; Пластикат; Полиэтилен.
• Александр / 19.12.2014 - 21:31
  По моему самое ценное это график зависимости термоЭДС от температуры.
• алексей / 16.01.2014 - 08:12
  Емое, да тут целый институт
• Вася / 17.08.2013 - 17:26
  Какая термопара лучше? китайская за 1$ или с прибора за 8$ ?
• валерий / 19.07.2013 - 17:19
  
• валерий / 19.07.2013 - 17:18
  надо установить термопару на форму, которая вращается в двух полоскостях. кто знает марку и характеристики, помогите!
• дмитрий / 14.05.2013 - 20:54
  какие термопары ставят на термокамеры
• дмитрий / 14.05.2013 - 20:51
  друзья подскажите какие термопары ставят на термокамеры колбасного производство
• Денис / 16.04.2013 - 05:15
  Добрый день. Помогите пожалуйста с выбором. Нам необходимо приобрести термопары для измерения температуры в различных точках печатной платы в процессе ее прохождения через печь конвекционного плавления. Пиковые температуры 220-250 градусов. Какие типы или модели термопар нам могут подойти? Заранее спасибо за ответ.
• саня / 28.01.2013 - 12:23
  могу ли я в кратце узнать как работают термопары?
• Айпери / 14.11.2012 - 15:53
  основное применение термопары-электронные термометры
• Наталья / 01.11.2012 - 07:51
  Подскажите, знает ли кто-нибудь, где возможно приобрести термопары японского производства Anritsu типа N? Или аналоги российского производства?
• Сергей / 27.09.2012 - 11:39
  У термопар есть еще одно замечательное свойство, о котором часто забывают. Если через спай термопары пропускать электрический ток, то на нем (спае), в зависимости от направления движения тока будет вырабатываться либо тепло, либо холод. На этом принципе можно построить как нагревательный так и охладительный элемент. Температура спая будет зависеть от направления тока и от его силы. Чем сильнее ток тем сильнее нагревается или охлаждается спай. Помню в годах 90-х прошлого века мне приходилось видеть холодильник размером со спичечную коробку, который охлаждал объем чуть больше 2 куб. см до температуры -35 град. Вода замерзает практически мгновенно после подачи тока.
• Сергей / 27.09.2012 - 11:32
  Ответ Игорю. (правда времени уже прошло с апреля 2008г, но все же). Вашу проблему можно режить с помощью датчика температуры устроенного на измерении сопротивления медного провода. Берется очень несколько сот метров тонкого медного провода, покрытого лаковой изоляцией. Чем тоньше тем лучше. Из этого провода делается подобие мочалки. Т.е. провод как бы сваливают в одну кучу и придают ему тонкую плоскую фыорму, равномерно распределяя по требуемой площади. Измерив сопротивление вашего пласта при различных заранее известных температурах и зная термическое сопротивление меди можно измерить температуру любой поверхности. Если образовавшимся пластом обернуть место измерения и сверху закрыть теплоизоляционныи материалом, то по сопротивлению медного провода вы сможете определить температуру поверхности вашей трубы.
• пиу / 07.06.2012 - 11:37
  :)
• нина / 06.06.2012 - 06:21
  При измерение температуры в муфельной печи с помощью термопары хромель-алюмель показание милливольтметра 8мВ.Чему равна измеряемая температура если спай сравнения находился при 0градусов.
• Катя / 17.05.2012 - 00:21
  Как провести экономический анализ термопар?Как найти себестоимость термопары?
• Илюха)) / 02.05.2012 - 21:51
  Вячеслав / 29.01.2012 14:16 А какое сопротивление у термопары ТХК при 0 гр.Ц? Или как откалибровать прибор ТРМ? ответ: ну что я могу Вам сказать про калибровку ТРМ,если Вы имели ввиду параметр компенсации то берёте электрочайник (закоротите чтоб не отключался) ,термометр(со шкалой более 100С) и опускаете рабочий спай в кипящую воду прикрутив его к термометру(термометр не обязательно но желательно)вот вам и эталон 100С(погрешность на термометре) вводите на ТРМе компенсацию согласно 100С на диаграмме.(желательна фильтр на единицу поставить временно,быстрей обсчёт будит) а на счёт сопротивления - эталона термопары нет так как сплав он и в африке "сплав" РS ТРМ откалиброван на заводе и можно сбросить на настройку по умолчанию и ещё раз внимательно прочитать инструкцию к прибору.
• Сергей kz / 21.03.2012 - 17:43
  Мужики подскажите что намагнитится в термопаре ха и главное почему?буду очень благодарен
• серго / 20.03.2012 - 15:41
  какую термопару подобрать для печей с диапазоном 170-180 градусов

Термопара. Краткая история создания, устройство, принцип работы

Внешне термопара устроена очень просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в виде аккуратного маленького шарика. Некоторые китайского производства комплектуются термопарой, которая позволяет измерять температуру не менее, чем до 1000°C, что дает возможность проверить температуру нагрева или утюга, которым собираются пригладить лазерную распечатку к стеклотекстолиту, а также во многих других случаях.

Конструкция такой термопары очень проста: оба проводка спрятаны в трубку из стекловолокна, и при этом даже не имеют заметной на глаз изоляции. С одной стороны проволочки аккуратно сварены, а с другой имеют вилку для подключения к прибору. Даже при таком примитивном исполнении результаты измерения температуры особых сомнений не вызывают, если, конечно, не требуется точность измерения класса 0,5°C и выше.

В отличии от только что упомянутых китайских термопар, термопары для применения в промышленных установках имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру.

Вообще термопара является самым распространенным и самым старым термодатчиком . Ее действие основывается на эффекте Зеебека , который был открыт еще в 1822 году. Для того, чтобы ознакомиться с этим эффектом, мысленно соберем несложную схему, показанную на рисунке 1.

Рисунок 1.

На рисунке показаны два разнородных металлических проводника М1 и М2, концы которых в точках А и В просто сварены между собой, хотя везде и всюду эти точки называются почему-то спаями. Кстати, многие домашние умельцы-кустари для самодельных термопар, предназначенных для работы при не очень высоких температурах, вместо сварки пользуются как раз пайкой.

Вернемся снова к рисунку 1. Если вся эта конструкция будет просто лежать на столе, то эффекта от нее не будет никакого. Если же один из спаев чем-нибудь нагреть, ну хотя бы спичкой, то в замкнутой цепи из проводников М1 и М2 потечет электрический ток. Пусть он будет весьма слабым, но все-таки он будет.

Чтобы в этом убедиться, достаточно в этой электрической цепи разорвать один провод, причем любой, и в получившийся разрыв включить милливольтметр, желательно со средней точкой, как показано на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Если теперь один из спаев нагреть, например спай А, то стрелка прибора отклонится в левую сторону. При этом температура спая A будет равняться TA = TB + ΔT. В этой формуле ΔT = TA - TB есть разность температур между спаями A и B.

На рисунке 3 показано, что будет, если нагреть спай B. Стрелка прибора отклонится в другую сторону, причем в обоих случаях, чем больше будет разность температур между спаями, тем на больший угол отклонится стрелка прибора.

Описанный опыт как раз иллюстрирует эффект Зеебека, смысл которого в том, что если спаи проводников A и B имеют разные температуры, то между ними возникает термоэдс, величина которой пропорциональна разности температур спаев . Не следует забывать, что именно разности температур, а не какой-то температуре вообще!

Если же оба спая имеют одинаковую температуру, то никакой термоэдс в цепи не будет. При этом проводники могут находиться при комнатной температуре, нагреты до нескольких сот градусов, или на них будет воздействовать отрицательная температура - все равно никакой термоэдс получено не будет.

Что же меряет термопара?

Предположим, что один из спаев, например A, (обычно его называют горячим) поместили в сосуд с кипящей водой, а другой спай B (холодный) остался при комнатной температуре, например, 25°C. Именно 25°C в учебниках физики считается нормальными условиями.

Температура кипения воды в нормальных условиях 100°C, поэтому выработанная термопарой термоэдс, будет пропорциональна разности температур спаев, которая в этих условиях составит всего 100 -25 = 75°C. Если же температура окружающей среды будет изменяться, то и результаты измерений будут больше походить на цену на дрова, нежели на температуру кипящей воды. Как же получить правильные результаты?

Вывод напрашивается сам собой: нужно холодный спай охладить до 0°C, тем самым задав нижнюю опорную точку шкалы температуры по Цельсию. Проще всего это сделать, поместив холодный спай термопары в сосуд с тающим льдом, ведь именно эта температура принята за 0°C. Тогда в предыдущем примере все будет правильно: разница температур горячего и холодного спаев составит 100 - 0 = 100°C.

Конечно, решение простое и верное, но каждый раз искать где-то сосуд с тающим льдом и длительное время в таком виде его сохранять, просто технически невозможно. Поэтому вместо льда применяются различные схемы компенсации температуры холодного спая.

Как правило, полупроводниковым датчиком измеряется температура в зоне холодного спая , а уже электронная схема добавляет этот результат в общее значение температуры. В настоящее время выпускаются специализированные микросхемы для термопар, имеющие встроенную схему компенсации температуры холодного спая .

В ряде случаев для упрощения схемы в целом можно от компенсации просто отказаться. Простой пример терморегулятор для паяльника : если паяльник постоянно в руках, то, что мешает чуть подкрутить регулятор, убавить или прибавить температуру? Ведь тот, кто умеет паять, видит качество пайки и вовремя принимает решения. Схема такого терморегулятора достаточно проста и показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простого терморегулятора (для увеличения нажмите на рисунок).

Как видно из рисунка схема достаточно проста и не содержит дорогих специализированных деталей. Ее основу составляет отечественная микросхема К157УД2 - сдвоенный малошумящий операционный усилитель. На ОУ DA1.1 собран собственно усилитель сигнала термопары. При использовании термопары TYPE K при нагреве до 200 - 250°C выходное напряжение усилителя достигает порядка 7 - 8В.

На второй половине ОУ собран компаратор, на инвертирующий вход которого подано напряжение с выхода усилителя термопары. На другой - задающее напряжение с движка переменного резистора R8.

Пока напряжение на выходе усилителя термопары меньше задающего напряжения на выходе компаратора удерживается положительное напряжение, поэтому работает схема запуска T1, выполненная по схеме блокинг-генератора на транзисторе VT1. Поэтому симистор T1 открывается и через нагреватель EK проходит электрический ток, отчего возрастает напряжение на выходе усилителя термопары.

Как только это напряжение чуть превысит задающее напряжение, на выходе компаратора появляется напряжение отрицательного уровня. Поэтому транзистор VT1 запирается и блокинг-генератор перестает вырабатывать управляющие импульсы, что приводит к закрытию симистора T1, и охлаждению нагревательного элемента. Когда напряжение на выходе усилителя термопары станет несколько меньше задающего напряжения. весь цикл нагрева повторяется снова.

Для питания такого терморегулятора понадобится маломощный блок питания с двух полярным напряжением +12, -12 В. Трансформатор Тр1 выполнен на ферритовом кольце типоразмера К10*6*4 из феррита НМ2000. Все три обмотки содержат по 50 витков провода ПЭЛШО-0,1.

Несмотря на простоту схемы, работает она достаточно надежно, а собранная из исправных деталей требует лишь настройки температуры, которую можно определить, используя хотя бы китайский мультиметр с термопарой.

Материалы для изготовления термопар

Как уже было сказано, термопара содержит два электрода из разнородных материалов. Всего имеется около десятка термопар различных типов, по международному стандарту обозначаемых буквами латинского алфавита.

Каждый тип имеет свои характеристики, что в основном обусловлено материалами электродов. Например, достаточно распространенная термопара TYPE K изготовлена из пары хромель - алюмель. Ее диапазон измерений - 200 - 1200 °C, коэффициент термоэдс в диапазоне температур 0 - 1200 °C 35 - 32 мкВ/°C, что говорит о некоторой нелинейности характеристики термопары.

При выборе термопары в первую очередь следует руководствоваться тем, чтобы в измеряемом диапазоне температур нелинейность характеристики была бы минимальной. Тогда погрешность измерений будет не столь заметна.

Если термопара находится на значительном удалении от прибора, то подключение должно производиться с помощью специального компенсационного провода. Такой провод выполнен из таких же материалов как сама термопара, только, как правило, заметно большего диаметра.

Для работы при более высоких температурах часто применяются термопары из благородных металлов на основе платины и платиново-родиевых сплавов. Такие термопары несомненно дороже. Материалы для электродов термопар изготавливаются согласно стандартам. Все разнообразие термопар можно найти в соответствующих таблицах в любом хорошем справочнике.

Борис А ладышкин

Практически каждое отопительное оборудование требует применения дополнительных элементов, предостерегающих систему от перегрева. Одним из таких контролеров считается термопара. Принцип ее работы заключается в регулярном измерении температурного режима для поддержания заданного значения.

Общие характеристики

Согласно Номинальных статических характеристик преобразования ГОСТ Р8.585-2001 термопара - устройство, состоящее из 2-х разнородных контактирующих друг с другом проводников, предназначенное для измерения температуры. При изменении температурного режима на одном участке создается напряжение, вследствие чего происходит конвертация температуры в электроток.

Конструкция элемента устроена из двух разнотипных проводников, которые соединяются друг с другом в одном узле. Существует три типа соединений:

• спайка;
• ручная скрутка;
• сварка.

Зачастую в виде проводящих электроэнергию элементов применяется металлический проводник, однако встречаются случаи, когда вместо него используют полупроводниковые устройства.

Параметры устройства определяет материал, из которого изготовлены проводники. Понятно, что любой металл образует сопротивление, значит будет производить электроток. Но для корректной работы термопары используются определенные сплавы, которые выдают прогнозируемые вводные и точно с минимальной погрешностью определяют зависимость между температурой и сопротивлением. Для определенного диапазона должен использовать определенный материл.

Говоря простым языком, термопара, в зависимости от материалов, из которых состоят проводники, позволяет определять температурный режим в разнообразных диапазонах значений. В целом, термопара определяет температуру ориентировочно от -250°С до +2 000°С.

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

Вне зависимости от имени производителя, работа всех термопар основывается на термоэлектрической схеме, разработанной в 1821 году известным физиком Т.И. Зеебеком. Принцип действия термопары заключается в поочередном соединении двух разновидных переходника в одно замкнутое кольцо. Первый узел предназначен для нагрева, в результате чего, по кольцу образовывается электрический движущий заряд, который называется - термо-ЭДС. Под влиянием ЭДС-силы, по цепочке протекает электрически ток.

Схематическая работа устройства

Сама область нагрева называется узлом нагревательного предназначения, второй конец обозначается как холодный спай.

Чтобы измерить значение микро или милливольт электрической движущей силы, следует разъединить кольцо и соединить его при помощи микровольтметра. Количество милливольт полностью зависит от интенсивности нагрева соединений и температурного режима холодного узла. Принцип работы простым языком базируется на разности значений температуры двух соединительных спаев, между холодным и горячим обозначением.

Получается, что если область спая двух разных проводов нагреть, то в зоне несоединенных концов образуется разносторонний потенциал, измеряемый специальным инструментом. Преобразователи, разработанные по инновационным технологиям, возникшую разность электрической силы переводят в цифровые символы, обозначающие температурный режим нагрева соединенных узлами частей.

Конструкция устройства

Устройство производится разных форм и размеров. Подразделяется по конструктивному производству на два основных типа:

• термопары, не имеющие корпуса;
• с кожухом, служащим в качестве защиты.

В первом случае устройство в месте соединения не имеет закрытого корпуса, выполняющего защитную функцию от разнообразных воздействий внешней окружающей среды. Данный вид обеспечивает быстрое определение инертности и температурного режима, не затрачивая на процесс много времени.

Второй тип производится подобно зонду, который выполнен из металлической трубы с хорошей внутренней изоляцией, способной противостоять высоким температурным показателям. Изнутри термопар оснащен термоэлектрической системой. Конструкция с защитным корпусом не поддается воздействиям агрессивной среды.

Разновидности термопары

Принцип работы термопара достаточно прост и понятен, однако, прежде чем создать устройство своими руками, следует знать, чем отличаются такие модификации как ТХА,TKX, ТПП, ТСП, ТПР и ТВР, а также, по каким критериям и группам они распределяются.

• Группа Е - состоит из комбинированного материала - хромель-константан. Соединительный спай обладает повышенной производительностью - более 69 мкВ/ о С, подходящей для криогенного применения. Помимо всего, система не имеет магнитные свойства, а температурный режим варьируется от - 50°С до + 740°С.
• Группа J - термоэлектроны производятся из положительного железа и отрицательного типа константаны. Разбег функционирования данной серии термопара меньше, чем в прошлой группе -40°С - + 750°С, однако показатель чувствительности более высокий - 50 мкВ/°С.
• Группа К - самый распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов - алюминий и хромель. Производительность системы равняется 40 мкВ/°С, функционирование происходит в пределах температурных показателей от - 200°С до 1 350°С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температуры 800-1050°С, элемент из хромеля отсоединяется и приобретает намагниченное состояние, что называется «зеленая гниль». Данный фактор отрицательно сказывается на функционировании регулятора.
• Группа М - применяется в комплектациях печей вакуумного вида. Рабочие силы варьируются от -260 до + 1400°С с максимальной погрешностью в 2 градуса.

• Группа N - устройство выпускается для использования в устройствах обладающих температурными обозначениями - 270 и 1300°С, что является гарантией хорошей работоспособности и устойчивости перед окислительными процессами. Чувствительность не превышает 40 мкВ/°С.
• Группы В, S, R отличаются стабильной работой с более пониженным ЭДС - 10мкВ/°С. Из-за плохой чувствительности, используется исключительно для определения повышенных температур.
• Группы В, С, S - первый символ обозначает модификацию, подходящую для измерения температуры до 1 800 о С, S - 1 600°С, С - до 1 500.
• Рениево-вольфрамовые термопары применяются для измерения высоких температур 25 000°С и менее. Также устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.

Монтаж

Принципиальной разницы между установкой российского или европейского оборудования нет - схема везде одинакова. Мы опишем самый простой способ.

1. Откручиваете гайку внутри резьбового соединения к газопроводу.
2. На самой термопаре откручиваете компенсационный винт.
3. В отверстие монтажного кронштейна вставляете термопару.
4. Протрите место соединения ветошью резьбовое соединение и гайку.
5. Закрутите соединение до упора, но не затягивайте слишком сильно. Если есть необходимость, можно использовать прокладку.

Контролер газовой плиты должен быть соединен максимально плотно, но чтобы его можно было снять по мере надобности.

Обратите внимание на то, чтобы обе трубы были направлены строго вниз.

Теперь разбираемся, как работает. Концевой выключатель всегда расположен на несколько сантиметров ниже пленума под автоматом контроля безопасности плиты. Когда пленум нагревается до предела, выключатель дает сигнал на отключение горелки и сразу же срабатывает вентилятор. В этот момент происходит резкое снижение температуры.

На некоторых устройствах вентилятор не останавливается. Причиной этого может быть выключенный контроль вентилятора (посмотрите на рычаг, он должен быть на отметке «вкл») либо выход из строя термостата. Как вариант, может быть установлен ручной режим вместо автоматического.

После установки устройства необходимо проверить правильность работы. И если настройка происходит в лабораторных условиях, то калибровать термопару можно и собственноручно.

Для этого снимаете крышку блока управления и смотрите на циферблат. Со стороны вентилятора есть 2 датчика, которые изначально настроены на 25°F. Вам нужно выставить верхний на 115°F, нижний - не меньше 90°F.

Если во время градуировки или калибровки отчетливо слышен запах газа, необходимо проверить уплотнители или вызвать службы газа на предмет выявления утечки.

Преимущества и недостатки применения измерителя

Температурный датчик, невзирая на простоту в устройстве, обладает как преимуществами, так и недостатками.

• Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
• В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
• Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.

Термопара "Арбат"

• При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
• Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
• Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
• Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
• Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
• Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

ВИДЕО: Сравнение термосопротивления и термопары. Основы измерения температуры от Emerson

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.

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

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 http://srdata.nist.gov/its90/main/. 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

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

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=V J1 -V J2 , (1)

где ΔV - выходное напряжение термопары; V J1 — напряжение, генерируемое на спае термопары; V J2 - 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 = a 0 + a 1 T+a 2 T 2 + + а 3 Т 3 + ... + а n T n (2)

где Е - термоэлектрическое напряжение (микровольты); а п - 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.

* Мы используем термины «измерительный спай» и «эталонный спай», а не более традиционные «горячий спай» и «холодный спай». Традиционное наименование системы может сбить с толку, поскольку во многих приложениях измерительный спай может быть холоднее, чем эталонный спай.