Рисунок 3. Компенсация
температуры холодного спая
Сейчас в промышленных системах широко используется техника
"компенсации холодного спая". Этот метод заключается в том, что
температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем
величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала
термопары (рисунок 3).
Как показано на рисунках выше, 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.
Сигнал от термопары нелинейно зависит от температуры. Для
получения точного значения температуры необходимо линеаризовать сигнал. Может
использоваться табличная или полиномиальная линеарзация. Характеристики
термопар различных типов и описывающие их полиномы хорошо описаны в специальной
литературе.
При высоких температурах может снижаться сопротивление изоляции
проводников термопары. Это шунтирует сигнал термопары и создает дополнительные
термоЭДС.
При измерении температуры жидкости возможно попадание жидкости
или конденсата внутрь термопары, что приводит к образованию электролита и
возникновению гальванического эффекта.
Сигналы от термопары обычно имеют значения от микровольт до
милливольт, поэтому необходимо принимать дополнительные меры по снижению уровня
шумов и наводок. Обычно это экранировка и сокращение длины соединительных
проводов. Кроме того, учитывая, что температура меняется относительно медленно,
можно подавлять помехи с помощью фильтра нижних частот. Фильтр обычно
рассчитывается на частоты 1 - 4 герца и реализуется аппаратно или программно.
Из-за очень малого сигнала датчика, важно использовать в
измерительной системе точный инструментальный усилитель. Сейчас доступны очень
хорошие инструментальные усилители. Кроме того, в промышленных измерительных
системах часто реализуются схемы автоматической компенсации смещения нуля и
техника автокалибровки усилителей.
Раннее обнаружение и локализация неисправностей - ключ к решению
множества проблем, возникающих в процессе эксплуатации измерительной системы.
Современные измерительные системы позволяют обнаружить обрыв термопары, а также
резкое изменение ее характеристик, что может быть связано с повреждением как
соединительного кабеля, так и самого датчика.
Часто объект измерения может иметь потенциал различный с
потенциалом земли измерительной системы. В таких случаях для защиты входов
измерительной системы необходимо использовать гальваноразвязку. Кроме того,
гальваноразвязка, наряду с дифференциальным подключением датчика, существенно
снижает погрешности, связанные с током, протекающим по "общему"
проводу.
Решение некоторых из перечисленных проблем достаточно очевидно.
Например, чтобы избежать возникновения гальванического эффекта нужно выбирать
герметичную конструкцию датчика, чтобы минимизировать помехи - использовать
экранированные кабели минимальной длины и т.д. Другие же проблемы требуют
специальным образом спроектированных измерительных каналов. Давайте посмотрим,
как построены измерительные каналы для термопар у таких "монстров"
измерительной техники как National Instruments. Для примера возьмем два
решения: модуль согласования сигналов термопар SCXI-1112 и модуль согласования
сигналов общего назначения с гальваноразвязкой SCXI-1125 в паре с терминальным
модулем для подключения термопар SCXI-1328.
Специализированная плата SCXI-1112
Рисунок 4. Модуль
SCXI-1112
Модуль SCXI-1112 предназначен для прямого подключения до восьми
термопар. Блок-схема измерительного канала модуля показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Блок-схема
одного канала.
Как видим каждый измерительный канал включает в себя схему защиты
от перенапряжения, инструментальный усилитель со схемами калибровки смещения
нуля и усиления, фильтр низких частот с частотой среза 2 Гц для подавления
промышленных помех, детектор обрыва термопары с индикатором и, наконец,
отдельные датчики температуры холодного спая для каждого входа. Задачи
компенсации температуры холодного спая, линеаризации и обнаружения
неисправностей датчика возложены на программное обеспечение.
Рисунок 6. Модуль
SCXI-1328
Терминальный модуль предназначен для подключения термопар к
модулю согласования сигналов. Для обеспечения условий изотермальности
конструкция собрана на единой алюминиевой подложке. Кроме того, в терминальном
модуле установлен высокоточный термисторный датчик температуры холодного спая.
Рисунок 7. Модуль
SCXI-1125
Плата согласования сигналов SCXI-1125 содержит восемь
изолированных аналоговых каналов для работы с сигналами размахом от 2,5 mV.
Каждый канал содержит программируемый фильтр низких частот, усилитель с
программируемым коэффициентом усиления и автоматической корректировкой нуля.
Плата рекомендована производителем для согласования сигналов от термопар. Блок
схема одного из каналов усиления показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Блок-схема
одного канала.
Как и в предыдущем примере компенсация холодного спая,
линеаризация и обнаружение неисправностей выполняется программно.
Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение
из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне
температур и дешевизны. Однако для сохранения высокой точности измерений
необходимо соблюдение ряда требований, применение специальных методов. Эти
требования и методы уже реализованы в современном промышленном измерительном
оборудовании, что позволяет получать высокоточные отсчеты температуры с
использованием термопарных датчиков 
