Принцип работы термопары и компенсация напряжения на холодном спае

Термопары — маленькие, прочные и сравнительно недорогие устройства. Вдобавок из всех температурных датчиков они работают в самом широком диапазоне температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2300 °С) в агрессивных средах. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки. К тому же необходимо применять компенсацию напряжения на холодном спае, которая вкратце будет обсуждена ниже. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе.

В табл. 2 приведены наиболее распространенные термопары. При их изготовлении обычно применяют такие металлы, как железо, платина, родий, рений, вольфрам, медь, алюмель (сплав никеля с алюминием), хромель (сплав никеля с хромом) и константан (сплав меди и никеля).

Таблица 2

Хромель-алюмель	-184...1260		К
Платина (13%)/родий-платина	0...1593	11,7	R
Платина (10%)/родий-платина	0...1538	10,4	S
Медь-константан	-184...400		Т

На рис. 1 представлены зависимости ЭДС от температуры трех наиболее распространенных типов термопар, у которых температура опорного спая поддерживается равной 0 °С. Термопары типа J наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. Как видно из приведенных характеристик, сигналы, развиваемые термопарами, очень малы и требуют малошумящих усилителей с большим коэффициентом усиления и малым дрейфом. Это необходимо учитывать при проектировании схем обработки сигналов с термопарных датчиков.

Рис. 1

Чтобы понять поведение термопар, рассмотрим, как изменяется их выходной сигнал при изменении температуры чувствительной части термопары (горячего спая). Рисунок 1 показывает связь между температурой горячего спая и выходным сигналом, развиваемым разными типами термопар (во всех случаях температура холодного спая поддерживается равной 0 °С). Очевидно, что отдача термопар нелинейна, но природа этой нелинейности до сих пор не вполне ясна.

Рисунок 2 показывает, как зависит от температуры горячего спая коэффициент линейности (Seebeck coefficient), то есть прирост выходного напряжения, соответствующий росту температуры горячего спая на 1 °С, иными словами, первая производная зависимости выходного сигнала от температуры. Отметим, что мы по-прежнему рассматриваем тот случай, когда температура холодного спая поддерживается равной 0 °С.

Рис. 2

При выборе термопары для производства замеров температур в достаточно широком диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона.

Например, для термопары типа J в диапазоне от 200 до 500 °С коэффициент линейности изменяется менее чем на 1 мкВ/°С, что делает ее идеальной для использования в этом диапазоне.

Приведенные на рис. 1 и 2 данные полезны вдвойне: во-первых, рис. 1 показывает диапазон и чувствительность трех типов термопар, так что разработчик может с одного взгляда определить, что термопара типа S имеет самый широкий диапазон измерений, но типа J — более чувствительная; во-вторых, знание коэффициента Сибека (рис. 2) позволяет быстро определить, какова линейность выбранной термопары. Используя рис. 2, разработчик для работы в диапазоне 400…800 °С выберет термопару типа К, коэффициент линейности которой в этой области минимальный, а для диапазона 900…1700 °С — типа S. Поведение коэффициента линейности термопары оказывается определяющим в тех случаях, когда некоторое отклонение от заданной температуры критичнее, чем само значение заданной температуры. Эти данные также показывают, какими характеристиками должны обладать устройства, работающие в схеме управления совместно с той или иной термопарой.

Чтобы успешно использовать термопары, необходимо понимать основные принципы их работы. Рассмотрим схемы, изображенные на рис. 3.

Рис. 3

Если мы соединим два разнородных металла при какой-либо температуре, превышающей абсолютный нуль (-273,16 °С), то между ними будет разность потенциалов (так называемая, термоЭДС — Thermoelectric EMF, или «контактная разность потенциалов»), которая является функцией температуры соединения (рис. 3, а). Если мы соединим два провода в двух местах, сформируются два спая (рис. 3, б) Если эти спаи имеют разную температуру, то в цепи образуется термоЭДС, по проводникам потечет ток, величина которого определяется значением термоЭДС и сопротивлением проводников.

Разорвав один из проводников, мы увидим, что напряжение в точках разрыва будет равным термоЭДС, и если замерить это напряжение, то полученное значение можно использовать, чтобы определить разность температур между двумя спаями (рис. 3, в).

Необходимо помнить, что термопара изменяет разницу температур между двумя спаями, а не абсолютную температуру в одном из них. Определить температуру в измеряемом спае мы можем лишь в том случае, если знаем температуру второго спая (часто называемого «опорным» или «холодным»).

Но не так легко измерить напряжение, образуемое термопарой. Предположим, что мы подключили вольтметр в контур схемы (рис. 3, г). Провода, подключенные к вольтметру, также образуют термопары в месте их присоединения. Если обе эти дополнительные термопары находятся под одинаковой температурой (не имеет значения, какой), то они не окажут воздействия на общую термоЭДС системы. Если же их температуры различаются, то могут возникнуть ошибки. Поскольку каждая пара находящихся в контакте разнородных металлов вырабатывает термоЭДС (включая медь/припой, ковар/медь (ковар — сплав, используемый для формирования подложки микросхемы), алюминий/ковар [в соединении внутри микросхемы)), очевидно, что в реальных рабочих контурах возникают гораздо более серьезные проблемы, чем описано выше. Поэтому необходимо постараться обеспечить, чтобы все контакты разнородных металлов в контуре вокруг термопары (естественно, помимо спаев самой термопары) находились при одинаковой температуре.

Термопары создают напряжение, хотя и очень маленькое, но не требующее токового возбуждения. Показанная на рис. 3, г термопара имеет два спая (T1 — температура измерительного спая, Т2 — опорного). Если Т2 = Т1, тогда V2 = V1 и выходное напряжение V = 0. Выходное напряжение термопары обычно определено как значение, полученное при поддержании температуры холодного спая, равной 0 °С. Отсюда и происхождение термина «холодный спай» или «спай при температуре тающего льда». Таким образом, если измерительный спай будет помещен в среду с нулевой температурой, на выходе термопары будет нулевое напряжение.

Чтобы проводить высокоточные измерения, необходимо тщательно поддерживать температуру холодного спая, которая должна быть строго определена (хотя не обязательно равна 0°С). Простая реализация этого требования представлена на рис. 4. Ванна с тающим льдом может быть легко реализована в любых условиях, хотя на практике это не всегда удобно.

Рис. 4

Сегодня «спай при температуре тающего льда» с требуемой для его реализации ванной со льдом и водой успешно вытесняется электроникой. Температурный датчик другого типа (чаще полупроводниковый, а иногда и термистор) измеряет температуру холодного спая, а полученный результат используется для формирования дополнительного напряжения в цепи термопары, компенсирующего разницу между фактической температурой холодного соединения и его идеальным значением (обычно 0 °С), как показано на рис. 5. В идеале напряжение компенсации должно подбираться строго в зависимости от разности напряжений. Корректирующее напряжение является функцией от температуры опорного спая Т2, причем более сложной, нежели простая линейная зависимость, описываемая произведением КхТ2, где К — простая константа. На практике, поскольку холодные спаи обычно находятся при температуре лишь на несколько десятков градусов выше 0 °С и ее значение колеблется в пределах ±10 °С, линейная аппроксимация компенсирующего напряжения оказывается допустимой. Другими словами, хотя реальное значение корректирующего напряжения и определяется многочленом в соответствии с формулой V=K₁хT+K₂хT²+K₃хT³+…, но значения коэффициентов К₂, К₃ и т. д. очень малы для всех известных типов термопар. Значения этих коэффициентов для всех термопар можно найти в справочной литературе.

Рис. 5

Когда используется электронная компенсация напряжения на холодном спае, на практике соединение проводов с концами термопары заключают в изотермический блок, как показано на рис. 6. Когда соединения металл А — медь и металл В — медь находятся при одной температуре, это эквивалентно спаю металл А — металл В, как показано на рис. 5.

Рис. 6

Схема, приведенная на рис. 7, обеспечивает измерение температуры от 0 °С до 250 °С при помощи термопары типа К с компенсацией напряжения холодного спая. Питание схемы осуществляется однополярным напряжением от 3,3 до 12 В. Причем схема была спроектирована таким образом, чтобы коэффициент преобразования составлял 10 мВ/°С.

Рис. 7

Коэффициент передачи термопары типа К приблизительно равен 41 мкВ/°С. Следовательно, примененный для компенсации датчик напряжения с температурным коэффициентом 10 мВ/°С ТМР35 используется с делителем на R1 и R2, обеспечивающим требуемое значение 41 мкВ/°С. Ликвидация неизотермичности между дорожками печатной платы и проводами термопары предотвращает появление ошибок в процессе измерения при изменении температур. Такая компенсация подходит для схем, работающих при температуре окружающей среды от 20 до 50 °С.

Если температура рабочего спая термопары достигла 250 °С, ее выходное напряжение будет составлять 10,151 мВ. Поскольку при этом выходной сигнал схемы должен быть равен 2,5 В, то усилитель должен иметь коэффициент усиления, равный 246,3. Выбор R4, равного 4,99 кОм, предопределяет для R5 значение 1,22 МОм. Наиболее близкое однопроцентное значение для R5 составляет 1,21 МОм, в связи с чем для точной настройки размаха выходного сигнала совместно с R5 используется потенциометр сопротивлением 50 кОм.

Хотя ОР193 допускает питание от одного источника, его выходные каскады не предназначены для работы в режиме rail-to-rail и минимальное значение сигнала на его выходе не должно быть ниже +0,1 В. С этой целью резистор R3 добавляет ко входу ОУ небольшое напряжение, увеличивающее выходной сигнал на 0,1 В для питающего напряжения 5 В. Это смещение (соответствующее 10 °С) должно быть вычтено после обработки или считывания сигнала с выхода ОР193. R3 также обеспечивает определение обрыва термопары: если термопара отсутствует, выходной сигнал становится больше чем 3 В. Резистор R7 балансирует входное сопротивление ОР193 по постоянному току, а пленочный конденсатор емкостью 0,1 мкФ снижает помехи от термопары на его неинвертирующем входе.

AD594/AD595 — инструментальный усилитель и компенсатор напряжения холодного спая, выполненный в одном чипе (рис. 9). Эта микросхема осуществляет привязку к «точке таяния льда» и содержит предварительно откалиброванный усилитель, который обеспечивает получение выходного напряжения высокого уровня (10 мВ/°С) непосредственно с выхода термопары. AD594/AD595 может быть использована как линейный усилитель-компенсатор либо в качестве переключаемого контроллера, используемого для постоянного или мобильного управления и регулирования. Схема может быть также использована для прямого усиления компенсируемого напряжения, выполняя при этом функции преобразователя температуры в напряжение с коэффициентом преобразования 10 мВ/°С. В ряде случаев очень важно, чтобы чип находился при той же температуре, что и холодный спай термопары. Обычно это достигается путем размещения обоих в непосредственной близости друг от друга и изоляции их от источников тепла.

AD594/AD595 включает датчик повреждения термопары, который показывает, что либо один, либо оба конца термопары отсоединены от микросхемы. Аварийный выход достаточно гибкий и в состоянии формировать ТТL-сигнал. Прибор запитывается от одного положительного источника (напряжение на нем может быть всего 5 В), но подача отрицательного напряжения позволяет измерить температуру ниже 0 °С. Для уменьшения самонагрева собственное потребление AD594/AD595 (без нагрузки) снижено до 160 мкА, при этом микросхемы в состоянии отдать в нагрузку ток до ±5мА.

Рис. 8

Благодаря лазерной подгонке сопротивлений внутри AD594 схема настроена на работу с термопарами типа J (железо/константан), а AD595 — с термопарами типа К (хромель/алюмель). Напряжения смещения и коэффициенты усиления микросхем могут изменяться при помощи внешних элементов, так что каждая из них может быть перекалибрована под термопару любого другого типа. Допустимо также с помощью внешних элементов осуществить более точную калибровку термопары для специальных применений.

AD594/AD595 выпускаются в двух модификациях: «С» и «А», — калибрующихся с точностью ±1 °С и ±3 °С соответственно. Оба исполнения допускают поддержание температуры холодного спая в пределах от 0°С до 50 °С. Схема, представленная на рис.9, непосредственно работает с термопарой типа J (AD594) или типа K AD595) и позволяет измерять температуру от 0 °С до 300 °С.

Рис. 9

AD596/AD597 — монолитные контроллеры, оптимизированные для использования в условиях любых температур в различных случаях. В них осуществляется компенсация напряжения холодного спая и усиление сигналов с J- или K-термопары таким образом, чтобы получить сигнал, пропорциональный температуре. Схемы могут быть подстроены так, чтобы обеспечить выходное напряжение 10 мВ/°С непосредственно от термопар типа J или K. Каждый из чипов размещен в металлическом корпусе с десятью выводами и настроен на работу при температуре окружающей среды от 25 °С до 100 °С.

AD596 усиливает сигналы термопары, работающей в температурном диапазоне от -200 °С до +760 °С, рекомендованном для термопар типа J, в то время как AD597 работает в диапазоне от -200 °С до +1250 °С (диапазон термопар типа K). Усилители откалиброваны с точностью ±4 °С при температуре окружающей среды 60 °С и характеризуются температурной стабильностью 0,05°С/°С при изменении температуры окружающей среды в пределах от 25 °С до 100 °С.

Все вышеописанные усилители не в состоянии компенсировать нелинейность термопары: они способны лишь корректировать и усиливать сигнал с термопарного выхода. АЦП с высокой разрешающей способностью, входящие в семейство AD77хx, могут использоваться для прямой оцифровки сигнала с выхода термопары, без предварительного усиления. Преобразование и линеаризацию осуществляет микроконтроллер, сопряженный с таким АЦП, как показано на рис.10. Два мультиплексируемых входа АЦП используются для прямой оцифровки сигнала с термопары и с теплового датчика, находящегося в контакте с ее холодным спаем. Вход PGA (программируемого усилителя) программируется на усиление от 1 до 128, и разрешающая способность АЦП лежит в пределах от 16 до 22 бит в зависимости от того, какая из микросхем выбрана пользователем. Микроконтроллер осуществляет как компенсацию напряжения холодного спая, так и линеаризацию характеристики

Дата добавления: 2014-12-25