Термопары: подробно простым языком
Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.
Стандартная термопара
Принцип работы термопары
Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.
Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.
Термопара в электрической цепи
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.
Неисправности термопары
Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.
Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.
Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.
Потенциометр
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Температура — холодный спай
Температура холодного спая регистрируется термометром. [2]
Температура холодного спая может быть не обязательно строго задана, например 0 или 20 С, лишь бы она была точно известна и оставалась неизменной на протяжении всего опыта. [3]
Температура холодных спаев контролируется ртутным термометром. [4]
Температуру холодных спаев поддерживают постоянной, помещая их в ванну с тающим льдом, специальную коробку с тепловой изоляцией или погружая в землю на достаточную глубину, где температура постоянна в пределах одного градуса. [6]
Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при ба. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой. [7]
Если температура холодного спая отличается от этой температуры, то к показаниям гальванометра должна быть сделана соответствующая поправка. [8]
Если температура холодного спая в процессе измерения остается постоянной, то поправку на во const вносят посредством специального корректора нуля милливольтметра, устанавливая стрелку ( при отключенной термопаре) на отметку шкалы, отвечающую температуре холодного спая. [9]
Если температура холодного спая в опытах была равна О С, то t непосредственно определяют по градуировке, представленной в виде таблицы, графика или аппроксимирующей формулы. [11]
Кроме температуры холодного спая , на показания гальванометра влияет температура соединительных линий и температура самого гальванометра. Поэтому, время от времени тепловая лаборатория электростанции проверяет правильность действия термопар. [12]
Если температура холодного спая / 0 в опытах равна О С, то / непосредственно определяют по градуировке. Если же по каким-либо причинам холодный спай не удается поместить в среду с температурой О С и он находится, например, при комнатной температуре ( пусть 20 С), то в этом случае возникающая термо — ЭДС соответствует разности температур горячего и холодного спаев и при определении температуры нужно вводить так называемую поправку на холодный спай. Для этого необходимо измеренную термо — ЭДС сложить с термо — ЭДС, соответствующей температуре холодного спая ( 20 С), и по полученному значению определить температуру с помощью таблиц. [14]
Поскольку температура холодного спая термопары обычно та же, что и баллона манометра, необходимость в специальной температурной компенсации таких манометров отпадает. [15]
Компенсация холодного спая в практике применения термоэлектрических преобразователей
На сегодняшний день термопары получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры. Использование термопар в большом диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик температуры (ИДТ). Термопары используются, например, в автомобилях или бытовой технике. Вдобавок, их надежность, стабильность и малое время отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования.
Однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь — значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают лучшими характеристиками по чувствительности и точности, что важно для прецизионных решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала.
Но, несмотря на все перечисленные недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон до сих пор являются причинами популярности термоэлектрических преобразователей.
Основные сведения о термопарах
Термопары относятся к дифференциальным измерителям температуры. Конструктивно они представляют из себя два термоэлектрода из разных металлов, один из которых принимается за положительный, другой – за отрицательный. В таблице 1 представлены наиболее распостраненные типы термопар, используемые металлы или сплавы и температурный диапазон для каждого варианта. Каждый тип термопар обладает уникальными термоэлектрическими свойствами в определенном для них температурном диапазоне.
Таблица 1. Основные характеристики термопар
| Тип | Положительный Металл/Сплав |
Отрицательный Металл/Сплав |
Температурный диапазон, °С |
|---|---|---|---|
| T | Медь | Константан | -200…350 |
| J | Железо | Константан | 0…750 |
| K | Хромоникелевый сплав | Алюмель | -200…1250 |
| E | Хромоникелевый сплав | Константан | -200…900 |
При соединении двух металлов (пайкой или сваркой) получают два перехода (спая), как показано на рис. 1а, разность потенциалов образуется в цепи вследствие разности температур спаев. Это явление называется эффектом Зеебека, он состоит в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Эффект Зеебека обратен эффекту Пельтье, заключающемуся в преобразовании электрической энергии в тепловую, что применяется в частности в термоэлектрических охладителях. На рис. 1 показано, что выходное напряжение Vвых — это разница между потенциалами холодного и горячего спаев. Т.к. Vгор и Vхол образуются за счет разности температур спаев, Vвых является функцией этой разности. Коэффициент, равный отношению разности потенциалов к разности температур, известен как коэффициент Зеебека.
Рис. 1а. Напряжение в цепи в результате эффекта Зеебека
Рис. 1б. Наиболее распространенная схема реализации термопары
На рисунке 1б показана наиболее часто употребляемая схема использования термопары. Здесь использован третий металл (т.н. металл-посредник), что дает дополнительный спай. В этом примере каждый термоэлектрод соединен с медным проводом. Пока между ними нет разности температур, металл-посредник не оказывает никакого влияния на выходное напряжение. Эта схема позволяет использовать термопару без отдельного опорного спая. Напряжение Vвых так и остается функцией от разности температур холодного и горячего спаев, определяемой коэффициентом Зеебека. Однако до тех пор, пока измеряется именно разница температур, для определения актуальной температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного.
Самый простой метод — поддержание температуры холодного спая на уровне 0°C. В этом случае Vвых = Vгор, и измерение напряжения дает непосредственную информацию о температуре горячего спая.
Раньше этот вариант считался стандартом при использовании термопар, однако сейчас обеспечение такого охлаждения холодного спая зачастую непрактично. Для получения результатов измерения в абсолютных величинах необходимо знать температуру холодного спая. Выходное напряжение термопары должно быть компенсировано с учетом влияния потенциала холодного спая при ненулевой температуре. Это и называется — компенсация холодного спая.
Выбор устройства для измерения температуры холодного спая
Данные о температуре холодного спая можно получить с помощью различных датчиков и устройств. Среди самых распространенных — резистивный температурный преобразователь (РТП), термистор и интегральный датчик температуры (ИДТ). Каждое из этих устройств имеет свои достоинства и недостатки, поэтому применение того или иного датчика определяется условиями конкретной задачи.
Для устройств с высокими требованиями по точности лучшим выбором будет калиброванный платиновый РТП с его широким температурным диапазоном. Однако это решение – дорогостоящее.
Термисторы и ИДТ – недорогая альтернатива РТП в случаях, когда требования к точности не столь строгие. У термисторов рабочий температурный диапазон шире, однако ИДТ используются чаще из-за линейности характеристик. Корректировка нелинейности термисторов может требовать слишком много ресурсов от микроконтроллера устройства. ИДТ обладают превосходной линейностью характеристик, но узким диапазоном измерений.
Итак, измеритель температуры холодного спая выбирается, исходя из требований к системе. На выбор оказывают влияние точность, диапазон измерения температур, линейность характеристик и стоимость.
Решение числовых задач
Когда вы определились с методом компенсации холодного спая, скомпенсированное выходное напряжение должно быть преобразовано в данные о температуре. Самый простой метод — воспользоваться таблицами, предоставленными Национальным Бюро Стандартов США (NBS) (в России значения расчетных коэффициентов можно найти в справочной литературе, базирующейся на ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования» – прим. ред.). Поиск данных в этих таблицах программным путем требует определенного объема памяти для их хранения, но это быстрое и точное решение в случаях, когда измерения повторяются с большой частотой. Два других метода для преобразования напряжения в данные требуют больших ресурсов, чем поиск данных в таблицах: 1) линейная аппроксимация с помощью полиномов; 2) аналоговая линеаризация выходного сигнала термопары.
Линейная аппроксимация программным путем популярна, т.к. необходима память только для хранения заранее известных коэффициентов полинома. Недостаток этого метода в том, что время измерения зависит от скорости расчета полиномов высокой степени. Время на расчет растет с возрастанием степени полинома, что обычно происходит при увеличении диапазона измерений прибора. Для температур, при измерении которых требуется использование полиномов высоких степеней, применение таблиц может оказаться более эффективным и точным.
До того, как появилось программное обеспечение современного уровня, аналоговая линеаризация достаточно часто применялась для преобразования напряжения в температурные данные (в дополнение к ручному поиску данных в таблицах). Этот аппаратный метод основывался на использовании аналоговых схем для корректировки нелинейности сигнала термопары. Точность зависела от реализации аналоговой корректировки. Такой подход до сих пор используется в мультиметрах, принимающих сигнал с термопар.
Схемы устройств
Приводимые ниже примеры демонстрируют три метода компенсации холодного спая с использованием термочувствительных интегральных микросхем. Во всех примерах требования к устройствам достаточно скромные — узкий диапазон температур холодного спая (от 0°C до 70°C и от -40°C до 85°C), и точность не более нескольких разрядов. Схема 1 содежит ИДТ, монтируемый непосредственно у холодного распая, с целью определения его температуры. На схеме 2 представлен вынесенный температурный датчик, выполненный в виде транзистора, включенного по схеме диода и установленного на термопару. На схеме 3 показано использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) со встроенной компенсацией холодного спая. Во всех примерах используется термопара типа К, изготовленная из хромеля и алюмеля.
Рис. 2. Термочувствительная ИМС (MAX6610)
На схеме, показанной на рис. 2, термочувствительная ИМС (MAX6610) измеряет температуру холодного спая. ИДТ располагается в непосредственной близости от спая.
16-битный сигма-дельта АЦП (MX7705) преобразует низковольтный сигнал с термопары в выходной цифровой сигнал разрядностью 16 бит. Интегрированный усилитель с программируемым коэффициентом усиления позволяет увеличить разрешающую способность АЦП, что часто необходимо при работе с малыми напряжениями, генерируемыми термопарами. Интегральный датчик температуры, помещенный в непосредственной близости от соединителей термопары, измеряет температуру около холодного спая. Этот метод основан на допущении, что температура микросхемы в этом случае будет близка к температуре холодного спая. Выходное напряжение с датчика на холодном спае подается на канал 2 АЦП. Опорное напряжение термодатчика (2,56 В) должно быть развязано с напряжением питания микросхемы.
Работая в биполярном режиме, АЦП преобразует отрицательный и положительный уровни напряжения с выхода термопары, поступающие на канал 1. Канал 2 работает в однополярном режиме, АЦП преобразует выходное напряжение с интегральной микросхемы MAX6610 в данные, используемые впоследствии в работе микроконтроллера. Выходное напряжение интегрального датчика температуры изменяется пропорционально изменению температуры холодного спая.
Для определения абсолютной температуры горячего спая, вы должны прежде знать температуру холодного. Для этого используйте таблицы перевода температуры холодного спая в соответствующее ей термоэлетрическое напряжение. После установки коэффициента усиления встроенного усилителя, учтите это напряжение в оцифрованном сигнале с термопары. После этого переведите полученное значение в температуру, снова используя таблицы. Результат и будет абсолютным значением температуры горячего спая. Таблица 2 показывает результаты измерений при изменении температуры холодного спая в диапазоне от -40°C до 85°C и постоянной температуре горячего, равной 100°C. Точность измерения в основном зависит от точности ИДТ и температуры холодного спая.
Таблица 2. Измерения для схемы на рисунке 2
| Температура холодного спая, °С |
Измеренная температура горячего спая, °С |
|
|---|---|---|
| Изм. 1 | -39,9 | +101,4 |
| Изм. 2 | 0,0 | +101,5 |
| Изм. 3 | +25,2 | +100,2 |
| Изм. 4 | +85,0 | +99,0 |
Как показано на рис. 3, ИДТ на выносном диоде используется для измерения температуры холодного спая. Этот диод может быть смонтирован непосредственно на контактах термопары. MAX6002 обеспечивает опорное напряжение 2,5 В для АЦП. В отличие от предыдущего примера, датчик с использованием удаленного диода не должен обязательно находиться в непосредственной близости от термопары, для измерения используется диодно-включенный транзистор типа NPN. Этот транзистор монтируется непосредственно в месте соединения выходов термопары и медных выводов. ИДТ в свою очередь преобразует сигнал с транзистора в цифровой: на канал 1 АЦП поступает выходное напряжение термопары и преобразуется в цифровой сигнал. Канал 2 не используется и заземлен. Опорное напряжение АЦП 2,5 В обеспечивает отдельная интегральная микросхема.
Рис. 3. ИДТ с использованием удаленного диода
Таблица 3 показывает результаты измерений при изменении температуры холодного спая в диапазоне от -40°C до 85°C и постоянной температуре горячего, равной 100°C. Точность измерения в основном зависит от точности ИДТ с удаленным диодом и температуры холодного спая.
Таблица 3. Измерения для схемы на рисунке 3
| Температура холодного спая, °С |
Измеренная температура горячего спая, °С |
|
|---|---|---|
| Изм. 1 | -39,8 | +99,1 |
| Изм. 2 | -0,3 | +98,4 |
| Изм. 3 | +25,0 | +99,7 |
| Изм. 4 | +85,1 | +101,5 |
На рис. 4 представлена схема с использованием 12-битной АЦП с интегрированным термочувствительным диодом, который преобразует температуру окружающей среды в напряжение. Используя это напряжение и напряжение непосредственно с термопары, ИМС вычисляет компенсированную температуру горячего спая. Эти данные в виде цифрового сигнала поступают на цифровой выход микросхемы. Гарантированная температурная погрешность данного устройства ±9 LSB (младший значащий бит АЦП) в диапазоне температур горячего спая от 0 до 700°C. Хотя это устройство имеет широкий диапазон измеряемых температур, измерения ниже 0°C невозможны.
Рис. 4. Применение АЦП с интегрированной схемой компенсации
В табл. 4 представлены результаты измерений, полученные с помощью схемы на рис. 4 при изменении температуры холодного спая от 0 до 70°C при сохранении постоянной температуры на горячем, равной 100 °C.
Таблица 4. Измерения для схемы на рисунке 4
| Температура холодного спая, °С |
Измеренная температура горячего спая, °С |
|
|---|---|---|
| Изм. 1 | 0,0 | +100,25 |
| Изм. 2 | +25,2 | +100,25 |
| Изм. 3 | +50,1 | +101,00 |
| Изм. 4 | +70,0 | +101,25 |
Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: analog.vesti@compel.ru
Новый драйвер Ethernet с коррекцией предыскажений
Компания Maxim Integrated Products представила MAX3984 — одноканальный драйвер Ethernet с коррекцией предыскажений на выходе и компенсацией на входе, способный работать с быстродействием 1…10,3 Гбит/сек. Устройство компенсирует затухания в медных линиях связи (оптоволоконные каналы 8,5 Гбит/сек, Ethernet 10 Гбит/сек), позволяя достичь длины линии до 10 м при использовании провода 24 AWG. Драйвер предусматривает выбор четырех уровней коррекции предыскажений и возможность коррекции на входе. Это позволяет компенсировать потери сигнала при его передаче по проводникам длиной до 10 дюймов на текстолите FR-4.
MAX3984 также поддерживает SFP-совместимую функцию обнаружения потери сигнала (LOS) и имеет вход отключения передачи TX_DISABLE. Возможность выбора размаха выходного сигнала позволяет оптимизировать электромагнитные излучения и потребляемую мощность. MAX3984 выпускается в 16-выводном корпусе TQFN (3х3 мм) без содержания свинца и рассчитан на работу в пределах температурного диапазона 0…85°C.
Отличительные особенности:
- Управление линией связи длиной до 10м, выполненой из провода 24 AWG;
- Управление проводниками на текстолите FR-4 длиной до 30 дюймов;
- Выборочный размах дифференциального выходного сигнала 1000 мВ (p-p) или 1200 мВ (p-p);
- Выборочная коррекция предыскажений на выходе;
- Выборочная компенсация на входе;
- Обнаружение потери сигнала (LOS) со встроенным подавителем шума;
- Отключение передачи;
- Возможность оперативной коммутации.