ЭДС = S(Т2 - Т1), (1)

где S- коэффициент Зеебека.

Принцип действия термопары иллюстрируется слудующим 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 упрстить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизировать например, опустив холодный спай в ванночку со льдом. Однако применение компьютера совместно с ситемой 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.

Рис.1. Принцип действия термопары Рис.2. Подключение вольтметра с
помощью третьего металла

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 окнчательно 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 эьтом случае являются котакты 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:

• измерение температуры холодного спая;
• преобразование этой температуры в эквивалентное напряжение на выводах холодного спая термопары, используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение;
• добавление этого напряжения к измеренному напряжению на выводах термопары;
• преобразование полученного напряжения в температуру используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение.

Линеаризация температурной зависимости

Температурная зависимость напряжения на выходе термопары является сильно нелинейной. Поэтому для нахождения темпартуры по измернному 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; a_o,... a_n, - 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 0^oС.

Таблица 1

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.
Таблица 2

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 тпов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 3 приведены типы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI.

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 взимнозаменимыми 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 пары проводов, помещенных в общий экран. Однако наилучшие результаты получаются, если предварительно усилить сигнал термопары усилителем RL-4DA200 из серии RealLab! и уже усиленный сигнал передавать на большое расстояние (рис.4). 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 напрядения усилителя, то есть 10 В.

Рис.4. Применение усилителей и фильтра

Для улучшения отношения сигнал/помеха при значительном удалении термодатчика от системы сбора данных используют 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-8F3 устанавливается перед системой ввода данных, т.е. перед мультиплексором. Поэтому инерционность фильтра не требует уменьшения скорости опроса датчиков