Применение термопар для измерения температуры

Действие термопары основано на эффекте термоэлектричества, открытом немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году [Seebeck A. - Cilb. Ann., 1823, 73, 115, 430]. Если соединить два провода из разнородных металлов, то между их концами возникнет электродвижущая сила величиной порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ на градус. Такие соединения называются термопарами и используются для измерения температуры в диапазоне от -270 до +2500 градусов Цельсия. Зависимость напряжения от температуры нелинейна, однако в небольшом диапазоне температур термо-э.д.с. пропорциональна разности температур спаев Т1 и Т2:

Принцип действия термопары иллюстрируется следующим рисунком (рис.1). Если температуры спаев различаются, и температура одного из спаев известна (например, измерена с помощью термометра или терморезистора), то температуру второго спая (т.е. измеряемую температуру) можно найти из уравнения (1). Для того, чтобы упростить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизировать например, опустив холодный спай в ванночку со льдом. Однако применение компьютера совместно с системой сбора данных делает эту процедуру излишней, поскольку температура холодного спая изменяется в небольших пределах, и поэтому применение даже недорогого терморезисторного датчика позволяет получить хорошие результаты с помощью программной компенсации температуры холодного спая.

При подключении к термопаре внешней электрической цепи появляются новые контакты разнородных металлов, которые вводят в измерительную цепь дополнительные ЭДС. Однако можно видеть (рис.2), что, например термоЭДС двух контактов медь-константан включены встречно и поэтому компенсируют друг-друга. Это позволяет использовать термопару на большом удалении от измерителя напряжения, соединив их обычными медными проводами.

Алгоритм измерения температуры

Если по теореме об эквивалентном генераторе электрической цепи левый (по схеме) спай заменить источником напряжения, а затем перенести этот источник к вольтметру, то получим окончательно измерительную цепь, которая используется в большинстве приборов для измерения температуры на основе термопар (рис.4). Величина ЭДС источника Екомп является функцией температуры холодного спая T1. "Холодным спаем" в этом случае являются контакты между медью и железом и медью и константаном. Эти контакты должны иметь одинаковую температуру. Источник Екомп в системе RealLab! реализуется программно, а температура, на основании которой вычисляется величина компенсирующей ЭДС, измеряется каким-либо термодатчиком, например, терморезистором, полупроводниковым датчиком или RTD.

Таким образом, алгоритм измерения температуры должен состоять из следующих шагов:

Рис.3. Замена левого спая эквивалентным генератором

Линеаризация температурной зависимости

Температурная зависимость напряжения на выходе термопары является сильно нелинейной. Поэтому для нахождения температуры по измеренному значению напряжения необходимо использовать таблицу или нелинейную функцию, аппроксимирующую табличные данные. Для аналитической апроксимации табличных значений обычно используют полином вида

где V - измеренное напряжение в микровольтах; Т - температура, oС; ao,... an, - коэффициенты полинома, которые индивидуальны для каждого типа термопары. Для ряда стандартных термопар эти коэффициенты установлены стандартом NIST (National Institute of Standards and Technology), опубликованы в монографии [Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90. Natl. Inst. Stand. Technol. Monograph 175; 1993. 630 p.] и приведены в табл.1. Эта таблица получена при условии, что холодный спай термопары находится при температуре 0oС.

Для обратного перехода, от температуры к напряжению, используют аналогичную полиномиальную аппроксимацию

коэффициенты которой приведены в таблице 2. Этой таблицей пользуются для точной компенсации температуры холодного спая.

-	Тип термопары
-	E	J	K	R	S	T
Коэффициент	0° ... 1,000°C	-210° ... 760 °C	0° ... 1372°C	-50° ... 1,064 °C	-50° ... 1,064 °C	0° ... 400 °C
c0	0.0	0.0	-17.600413686	0.0	0.0	0.0
c1	58.665508710	50.38118782	38.921204975	5.28961729765	5.40313308631	38.748106364
c2	4.503227558E-2	3.047583693E-2	1.85587700E-2	1.3916658978E-2	1.2593428974E-2	3.32922279E-2
c3	2.890840721E-5	-8.56810657E-5	-9.9457593E-5	-2.388556930E-5	-2.324779687E-5	2.06182434E-4
c4	-3.30568967E-7	1.322819530E-7	3.18409457E-7	3.5691600106E-8	3.2202882304E-8	-2.18822568E-6
c5	6.50244033E-10	-1.7052958E-10	-5.607284E-10	-4.62347666E-11	-3.314651964E-11	1.09968809E-8
c6	-1.9197496E-13	2.09480907E-13	5.6075059E-13	5.007774410E-14	2.557442518E-14	-3.0815759E-11
c7	-1.2536600E-15	-1.2538395E-16	-3.202072E-16	-3.73105886E-17	-1.25068871E-17	4.54791353E-14
c8	2.14892176E-18	1.56317257E-20	9.7151147E-20	1.577164824E-20	2.714431761E-21	-2.7512902E-17
c9	-1.4388042E-21	-	-1.210472E-23	-2.81038625E-24	-	-
c10	3.59608995E-25	-	См. примечание	-	-	-

Примечание: Уравнение для термопары типа К имеет вид

Конструкции термопар

Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температуров плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться. Термопары, изготвленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары вследствие изменения диффуции компонентов металла в месте сварки. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 3 приведены типы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI.

Таблица 3

Обозначение, ANSI	Тип по ГОСТ Р 8.585-2001	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Максимальная погрешность	Максимальная температура	Температурный коэффициент при 20 град Цельсия	Выходное напряжение при 100 град. Цельсия
J	ТЖК	Железо, Fe	Константан, Cu-Ni	2,2 ^oС или 0,75%	760	51,45	5,268
K	TXA	Хромель, Cr-Ni	Алюмель, Ni-Al	2,2 ^oС или 0,75% выше 0 ^oС, 2,2 ^oС или 2% ниже	1370	40,28	4,095
T	ТМК	Медь, Cu	Константан, Cu-Ni	1 ^oС или 0,75% выше 0 ^oС, 1 ^oС или 1,5% ниже	400	40,28	4,277
E	ТХКн	Хромель, Cr-Ni	Константан, Cu-Ni	1,7 ^oС или 0,5% выше 0 ^oС, 1,7 ^oС или 1% ниже	1000	60,48	6,317
N	ТНН	Никросил, Ni-Cr-Si	Нисил, Ni-Si-Mg	2,2 ^oС или 0,75% выше 0 ^oС, 2,2 ^oС или 2% ниже	-	-	-
R	ТПП	Платина-Родий (13% Rh)	Платина Pt	1,5 ^oС или 0,25%	1750	5,8	0,647
S	ТПП	Платина-Родий (10% Rh)	Платина Pt	1,5 ^oС или 0,25%	1750	5,88	0,645
B	ТПР	Платина-Родий (30% Rh)	Платина-Родий (6% Rh)	0,5% выше +800 ^oС	1800	-	0,033
L	TXK	Хромель-Копель			900
C	ТВР,A (A-1, A-2, A-3)	Вольфрам-Рений, W-Re (5% Re)	Вольфрам-Рений, W-Re (26% Re)	4,5 ^oС до _425 ^oС, 1% до 2320 ^oС	-	-	-

Особенностью термопар по сравнению с другими типами термодатчиков является то, что температурный коэффициент зависит только от материала, из которого изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции (термопары выполняются в форме щупа, проклодки, бронированного зонда, и т.п.). Это делает термопары взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность термопары возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Измерительная цепь

Основная проблема построения измерительной схемы на базе термопары связана с ее низким выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), поскольку синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц и радиопомехи, наведенные на элементах измерительной цепи, намного превышают это значение. Поэтому очень важно хорошо экранировать провода, идущие от термопары к системе сбора данных. Термопара должна быть подключена витой парой проводов, помещенных в общий экран. Если провод, идущий к термопаре, достаточно длинный (несколько сотен метров), то наилучшие результаты получаются, если предварительно усилить сигнал термопары усилителем RL-4DA200 из серии RealLab! и уже усиленный сигнал передавать на большое расстояние. При этом электромагнитные наводки становятся малы по сравнению с усиленным сигналом от термопары, что увеличивает достоверность получаемых результатов. Поэтому усиление должно быть выбрано таким, чтобы верхний предел измерения температуры был равен верхнему пределу выходного напряжения усилителя, то есть 10 В.

Для улучшения отношения сигнал/помеха при значительном удалении термодатчика от системы сбора данных можно использовать также фильтр нижних частот третьего порядка с полосой 5 Гц, типа RL-8F3 из серии RealLab!, который позволяет существенно ослабить помеху частотой 50 Гц. На частоте 50 Гц уровень помехи ослабляется на 60 дБ. Фильтр RL-4F3 устанавливается перед системой ввода данных, т.е. перед мультиплексором. Поэтому инерционность фильтра не требует уменьшения скорости опроса датчиков. При использовании модулей серии NL фильтр использовать не нужно, т.к. он имеется во входных цепях модуля NL-8TI.

Обычно используют два способа компенсации температуры холодного спая. Первый способ состоит в том, что провода, идущие от термопары к системе сбора данных, выполняют термопарным проводом, т.е. проводом, изготовленным из того же материала, что и электроды термпары. При этом "холодные спаи" всех термопар (если их несколько) оказываются расположенными в одном месте и температуры всех "холодных спаев" одинаковы. В этом случае можно использовать один общий термодатчик, измеряющий термпературу холодных спаев. Этот способ удобен, когда все термопары расположены недалеко друг от друга и от системы сбора данных.

Второй способ состоит в том, что для каждой термопары используют свой измеритель температуры холодного спая. Это позволяет использовать обычные провода для подсоединения термпары к системе сбора данных, однако одновременно с ними необходимо подвести и сигнал от термопреобразователя, который регистрирует температуру холодного спая. Такой способ удобен, когда термопары пространственно разнесены одна от другой на большое расстояние.

Если термопара в рабочем режиме находится под высоким напряжением или может случайно оказаться под напряженим, необходимо использовать изолирующий усилитель RL-1IDA200.

Точность термопары зависит от химического состава ее материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала и вносят погрешность в результат измерения.

Введение

Алгоритм измерения температуры

Линеаризация температурной зависимости

Конструкции термопар

Измерительная цепь

Оставьте свой номер и мы перезвоним Вам