Термопары и компенсация холодного спая

Лекция 7. Датчики температуры

 

7.1. Общие сведения

7.2. Термопары и компенсация холодного спая

7.3. Резистивные датчики температуры

7.4. Термисторы

7.5. Полупроводниковые датчики температуры

7.6. Датчики температуры с цифровым выходом

7.7. Термореле и регуляторы с установкой температуры

 

Общие сведения

 

Различают следующие датчики и направления при построении температурных контрольно-измерительных устройств:

для мониторирования (наблюдения)

• портативного оборудования,

• температуры центрального процессора,

• температуры аккумуляторной батареи,

• температуры окружающей среды; для компенсации

• дрейфа генератора в сотовых телефонах,

• температуры холодного спая термопар; для управления

• зарядом аккумуляторной батареи,

• процессом удержания температуры.

Практически все температурные датчики достаточно нелинейны, исключение составляют интегральные датчики. Резистивные датчики достаточно точны, но требуют внешнего тока возбуждения и, следовательно, оптимальной схемой включения такого датчика будет мостовая схема. Термисторы наиболее чувствительны, но и наиболее нелинейны. Полупроводниковые датчики температуры являются самыми точными, но имеют узкий диапазон применения (от –55 °С до +150 °С).

 

Таблица 2.5 Типы датчиков температуры

 

Термопары	РДТ	Термисторы	Полупроводниковые датчики температуры
Самый широкий диапазон температур (от –184 °С до +2300 °С)	Диапазон от –200 °С до +850 °С	Диапазон от 0 °С до +100 °С	Диапазон от –55 °С до +150 °С
Высокая точность и повторяемость	Высокая линейность	Низкая линейность	Линейность 1 °С Точность 1 °С
Необходимость компенсации холодного спая	Требует внешнего возбуждения	Требует внешнего возбуждения	Требует внешнего возбуждения
Низкое выходное напряжение	Низкая стои- мость	Высокая чувствительность	Типовой выходной сигнал 10 мВ/К, 20 мВ/К или 1 мА/К

 

В табл. 2.5 приведены наиболее популярные типы температурных датчиков.

 

Термопары и компенсация холодного спая

 

Термопары являются относительно недорогими датчиками, причем они функционируют в широком диапазоне температур, а при измерении высоких температур (до + 2300 °С) и в агрессивных средах термопары практически незаменимы. Тем не менее они дают на выходе милливольтные сигналы и требуют точного усиления для проведения дальнейшей их обработки. Еще одним недостатком при применении термопар является компенсация температуры холодного спая (см. ниже). Как правило, термопары достаточно линейны. Наиболее известные термопары приведены в табл. 2.6, а на рис. 2.17 показаны кривые зависимости напряжения от температуры для трех широко используемых термопар.

Термопары изготавливают из следующих металлов: железо, платина, родий, рений, вольфрам, медь, алюмель (сплав никеля и алюминия), хромел (сплав никеля и хрома) и константан (сплав меди и никеля).

Рассмотрим основы функционирования термопар. Известно, что при соединении двух разнородных металлов при температуре выше абсолютного нуля между ними появляется разность потенциалов (термоЭДС), которая является функцией температуры спая (соединения) (рис. 2.17, а). Другими словами, каждая пара разнородных металлов, находящихся в контакте друг с другом, генерирует термоэлектрическую ЭДС.

Таблица 2.6 Термопары

 

Материал контакта	Типовой температурный диапазон, °С	Номинальная чувствительность, мкВ/°С	Обозначение по ANSI
Платина (6 %) Родий-платина (30 %) Родий	От 38 до 1800	7.7	B
Вольфрам (5 %) Рений-вольфрам (26 %) Рений	От 0 до 2300		C
Хромел-константан	От 0 до 982		E
Железо-константан	От 0 до 760		J
Хромел-алюмель	От –184 до 1260		K
Платина (13 %) Родий-платина	От 0 до 1593	11,7	R
Платина (10 %) Родий-платина	От 0 до 1538	10,4	S
Медь-константан	От 184 до 400		T

 

 

Металл А Металл А

V 1 V 1 V 2 а в

R

Металл А Металл А

V 1 V 2 V 1 V 2

R = полное сопротивление цепи V = (V 1 -- V 2), если Т 3 = Т 4

I = (V 1 -- V 2) / R г _б

 

Рис. 2.17. Основы работы термопары: а – термоэлектрическое напряжение; б – термопара; в – измерение с помощью термопары; г – измерение с помощью термопары

 

Для того чтобы сформировать два спая (рис. 2.17, б), соединим между собой два термопарных провода с обоих концов. Если оба спая находятся при различных температурах, то в цепи появится результирующая ЭДС и потечет ток, определяемый величиной ЭДС и полным сопротивлением цепи. Если разорвать один из проводов, то напряжение в точках разрыва будет равно величине результирующей термоЭДС в цепи, и если измерить это напряжение, то можно использовать его для расчета разности температур двух спаев

(рис. 2.17, в) [ 8 ].

Примечание. Термопара измеряет разницу температур двух спаев, а не абсолютную температуру одного из спаев.

Замер температуры на измерительном спае можно проводить только в том случае, если известна температура другого спая (называемого часто опорным или холодным спаем).

Подключим вольтметр к цепи термопар (рис. 2.17, г). В местах подключения образуются дополнительные термопары из проводов вольтметра и проводов цепи. Если эти подключения находятся при разных температурах, то они будут вносить ошибки.

Следовательно, необходимо, чтобы все пары контактов в цепи, содержащей термопару, находились при одной и той же температуре, кроме, разумеется, измерительных контактов термопар.

Термопары не требуют внешнего возбуждения. Как правило, для измерения используются два спая (рис. 2.18): Т 1 – измерительный спай и Т 2 – опорный (холодный) спай. Если Т 1 = T 2,то V 1= V 2и выходное напряжение V = 0. Выходные напряжения термопар определяются по отношению к температуре опорного спая при 0 °С (см. рис. 2.18).

Именно отсюда произошел термин холодный спай или спай точки таяния льда. Из вышеизложенного следует, что термопара дает выходное напряжение 0 В при температуре измерительного спая 0 °С. Однако необязательно иметь температуру холодного спая, равную 0 °С. Достаточно знать его текущую температуру (рис. 2.19). На рисунке показано, что вместо ванны таящего льда используется другой температурный датчик, который измеряет температуру холодного спая, и его сигнал используется для введения напряжения в измерительную цепь термопары. Этот сигнал компенсирует разницу между действительной температурой холодного спая и ее идеальной величиной (0

°С).

На практике используют компесационные коэффициенты термопар для определения величины выходного напряжения (V = K·Т 2). Таким образом, расчет напряжения термопары с температурой ее измерительного спая Т °С и опорного спая при температуре 0 °С производится при помощи полинома V = K 1 ·Т + K 2 ·–Т ² + K 3 ·Т ³ +.... Следует учесть, что величины коэффициентов K 2, K 3и т. д. весьма малы для большинства известных типов термопар.

Как правило, для компенсации холодного спая свободные концы термопары устанавливаются в специальном изотермическом блоке (рис. 2.20).

 

 

 

 

Рис. 2.18. Классическая компенсация температуры холодного спая при использовании опорного спая, находящегося при температуре таяния льда (0 °С)

 

Vcomp = f (T 2)

Vout = V (T 1) - V (T 2) + Vcomp

если Vcomp = V (T 2) - V (0°C), то Vout = V (T 1) -- V (0°C)

 

 

Рис. 2.19. Использование датчика температуры для компенсации холодного спая

 

 

Рассмотрим схему сопряжения микропроцессорной системы с термопарой типа К (рис. 2.21). Здесь обеспечивается компенсация холодного спая для температур от 0 °С до 250 °С [ 9 ]. Схема работает от одного источника питания от +3,3 В до +12 В и формирует передаточную характеристику выходного напряжения 10 мВ/°С. Термопара типа К имеет коэффициент Зеебека приблизительно 41 мкВ/°С (см. ниже), поэтому на холодном спае устанавливается датчик температуры с температурным коэффициентом 10 мВ/°С – микросхема ТМР35. Он используется совместно с делителем R 1и R 2 для того, чтобы ввести компенсирующий температурный коэффициент холодного спая противоположного знака величиной –41мкВ/°С.

 

 

Рис. 2.20. Установка термопарных проводников непосредственно в изотермическом блоке

 

Указанное включение препятствует появлению ошибки измерения температуры, обусловленной непосредственным соединением между проводниками термопары и трассами печатных проводников платы. Данная компенсация работает исключительно хорошо в диапазоне температур окружающей среды от 20 °С до 50 °С.

По диапазону измерения 250 °С термопара дает изменение выходного напряжения в 10.151 мВ. Поскольку требуемое изменение выходного сигнала по верхнему пределу составляет 2.5 В, усиление в цепи будет 246.3. Выбор R 4 = 4.99 кОм даст величину К5 = 1.22 MОм. Поскольку ближайшая величина 1 % резистора R 5составляет 1.21 MОм, используется дополнительный потенциометр 50 кОм для точной настройки выходного напряжения по верхнему пределу. Интегральная схема ОР193 является операционным усилителем с однополярным питанием, его выходной каскад не работает в режиме от питания до питания, и его выходной сигнал доходит только до потенциала +0.1 В относительно земли. По этой причине для смещения выходного напряжения приблизительно на 0.1 В устанавливается дополнительный резистор R 3на источник питания 5 В. Это напряжение смещения (10 °С) вычитается при расчетах результатов измерений. Резистор R 3также обеспечивает определение обрыва цепи термопары, устанавливая величину выходного напряжения больше 3 В, если термопара оборвана. Резистор R 7балансирует входной импеданс операционного усилителя ОР193, а пленочный конденсатор 0.1 мкФ уменьшает величину шума на неинвертирующем входе.

Зарубежной промышленностью выпускаются интегральные схемы инструментальных усилителей с компенсацией холодного спая. Например, ИС AD594/AD595 от AnalogDevices (рис. 2.22) [ 9 ]. Он включает в себя компенсатор холодного спая на температуру таяния льда и калиброванный усилитель с непосредственным подключением к выходу термопары и выходным сигналом высокого уровня (10 мВ/°С). Переключение перемычек на выводах установки режима позволяет использовать ИС в качестве линейного усилителя-компенсатора или релейного регулятора температуры, использующего фиксированное значение или дистанционное управление точкой установки температуры. ИС можно использовать для прямого усиления напряжения компенсации, получая тем самым отдельный преобразователь температуры в градусах Цельсия с выходным сигналом 10 мВ/°С. Важно помнить, что ЧИП ИС был при той же самой температуре, что и холодный спай термопары, что обычно достигается установкой их обоих в непосредственной близости друг от друга и изолированием от источников тепла.

 

 

 

Рис. 2.21. Использование датчика температуры (ТМР35) для компенсации холодного спая термопары

 

 

Более совершенные ИС AD596/AD597 являются релейными регуляторами с установкой температуры, которые используются при высоких температурах, например в устройствах, связанных с управлением печами. Для получения внутреннего сигнала, пропорционального температуре, устройство выполняет компенсацию холодного спая и усиливает сигналы термопар типа

J/K [ 10 ].

 

Рис. 2.22. Монолитные усилители термопар AD594/AD595 с компенсацией холодного спая

 

 

 

Рис. 2.23. АЦП семейства AD77XX, используемый совместно с температурным датчиком ТМР35 для компенсации температуры холодного спая

 

 

Рис. 2.24. Выходные напряжения для термопар типов J, К, S

 

 

Рис. 2.25. Зависимость коэффициента Зеебека для термопары от температуры

 

Однако вышеперечисленные устройства не производят компенсацию нелинейности термопар (рис. 2.24). Для компенсации нелинейности термопары рекомендуется использовать высокоточный АЦП и последующую программную обработку сигнала. На рис. 2.23 представлена микропроцессорная система, предназначенная для квантования напряжения с термопары. Для анализа выхода температурного датчика холодного спая используются два мультиплексных входа АЦП. Входной усилитель программируется на усиление от 1 до 128, а разрешение АЦП составляет от 16 до 22 разрядов (в зависимости от выбранного конкретного АЦП). Микроконтроллер выполняет арифметические действия по компенсации температуры холодного спая и линеаризации характеристики термопары [ 11 ].

Известно, что коэффициент Зеебека (изменение выходного напряжения при изменении температуры чувствительного спая) меняется с температурой измерительного спая, поэтому при выборе термопары для выполнения измерений в заданном диапазоне температур необходимо выбирать термопару, коэффициент Зеебека которой в меньшей степени меняется в заданном рабочем диапазоне (рис. 2.25) [ 8 ].

Например, для измерения температуры в диапазоне от 200 °С до 500 °С необходимо применять термопару J-типа, так как она имеет коэффициент Зеебека, меняющийся менее чем на 1 мкВ/°С в данном промежутке.