В статье рассмотрены особенности и преимущества использования термопар для измерения температуры.
М. Даф, Дж. Туви
Термопары используются для измерения температуры в широком диапазоне: от -250 до нескольких тысяч градусов Цельсия.
Термопара, рис. 1, представляет собой соединение в двух точках двух различных металлов, причем, если температура одной точки соединения (Reference junction — точки «холодного» спая) известна, то получаемая между этими точками э.д.с. будет мерой разности между измеряемой температурой (Measurement junction — точкой «горячего» спая) и контрольной температурой (в точке «холодного» спая). Для того, чтобы от разностного измерения температуры перейти к абсолютному, необходимо компенсировать температуру «холодного» спая.
Рис. 1. Конструкция термопары
Термопары широко используются в промышленности для измерения температуры до 2500 °С и выше в бойлерах, нагревателях воды, печах, турбинах, двигателях самолетов и т.п. Наибольшее распространение получили термопары типа К, состоящие из сплавов «Хромель» и «Алюмель» и предназначенные для измерения температуры в диапазоне от -200 до 1250 °С.
Коротко остановимся на преимуществах и недостатках термопар.
К преимуществам применения термопар относятся:
- широкий диапазон измеряемых температур от -200 до 2500 °С и выше
- высокая надежность, устойчивость к механическим нагрузкам (ударам и вибрациям), возможность работы в тяжелой промышленной среде
- малое время реакции на изменение температуры, не превышающее долей секунды
- минимальная потребляемая мощность.
Недостатки термопар и приборов на их основе:
- малый уровень информативного сигнала, что требует применения высококачественных усилителей
- невысокая точность: погрешность
- не менее 1-2 °С
- подверженность коррозии
- необходимость применения средств защиты от наводок и помех.
При использовании термопар возникают трудности, связанные с малым диапазоном выходного сигнала, нелинейной зависимостью напряжения от температуры, необходимостью точной компенсации напряжения «холодного» спая, а также с организацией заземления термопары.
Широко применяемые термопары типов J, R и Т при комнатной температуре имеют температурный коэффициент соответственно 52, 41 и 41 мкВ/°С. Ряд других термопар имеет меньший температурный коэффициент (см. табл. 1). Поэтому, как правило, на выходе термопары необходимо использовать высококачественный усилитель.
Таблица 1. Температурный коэффициент (коэффициент Зеебека) термопар различных типов при 25 °С
Тип термопары | Коэффициент Зеебека, мкВ/°С |
E | 61 |
J | 52 |
K | 41 |
N | 27 |
R | 9 |
S | 6 |
T | 41 |
Термопары имеют, как правило, длинные выводы, на которые наводятся электромагнитные помехи. Для выделения полезного сигнала на выходе термопары можно использовать измерительный усилитель с большим КОСС или ФНЧ. Отметим, что некоторые системы на кристалле содержат встроенный фильтр, усилитель и сигма-дельта АЦП, позволяющие выделить, усилить и преобразовать полезный сигнал низкого уровня с выхода термопары в код.
Компенсация напряжения «холодного» спая. Для измерения абсолютного значения температуры необходимо знать температуру «холодного» спая. Более ста лет назад, когда только начали применять термопары, «холодный» спай помещали в емкость со льдом, обеспечивая температуру этого спая на уровне 0 °С, рис. 2.
Рис. 2. Принцип работы термопары
В современных системах температура «холодного» спая — это, как правило, комнатная температура, которая измеряется другими температурными сенсорами, такими как термисторы, термометры сопротивлений или сенсоры, выполненные в виде ИМС.
Учитывая то, что точность измерения абсолютного значения температуры зависит от погрешности измерения температуры «холодного» спая, кратко рассмотрим преимущества и недостатки каждого из методов ее измерения.
Измерение температуры «холодного» спая термистором. Преимущества: малая инерционность, миниатюрные размеры. Недостатки: невысокие точность и линейность в широком диапазоне температур. Необходим источник тока возбуждения для вывода термистора на рабочий режим. Поэтому термисторы используют в системах, не требующих измерения температуры с высокой точностью.
Измерение температуры «холодного» спая термометром сопротивления. Преимущества: высокие точность, стабильность характеристик и линейность. Недостатки: большие размеры и высокая стоимость, что ограничивает их применение в системах измерения температуры.
Диодные сенсоры для измерения температуры «холодного» спая располагаются в непосредственной близости от «холодного» спая. Погрешность диодных сенсоров составляет не менее ±1 °С, что существенно ограничивает их применение в системах измерения температуры.
Измерители температуры «холодного» спая, выполненные на базе интегральных микросхем. ИМС температурных сенсоров должны располагаться в непосредственной близости от «холодного» спая. Их погрешность находится в пределах ±1 °С.
Отметим, что передаточная характеристика термопар зависит от измеряемой температуры. Так, например, термопары Т-типа при температуре 0 °С имеют температурный коэффициент 39 мкВ/°С, а при температуре 100 °С — 47 мкВ/°С. Существует несколько путей линеаризации передаточной характеристики термопары. Можно разбить передаточную характеристику термопары на несколько линейных участков и работать в одном из узких диапазонов температур. В этом случае нет необходимости выполнять сложные вычисления по линеаризации передаточной характеристики термопары. Термопары типов J и К имеют почти неизменяющуюся величину температурного коэффициента (коэффициента Зеебека) в широком диапазоне температур, рис. 3.
Рис. 3. Зависимости температурных коэффициентов термопар J-, K-, T-типов от температуры
Если температурный коэффициент термопары имеет большую нелинейность в широком диапазоне температур, его значения для разных температур можно записать в память, а затем путем несложных преобразований вычислять измеряемую температуру. Наиболее точным является метод, основанный на представлении передаточной характеристики термопары уравнением высокого порядка. Однако этот метод отличается более высокой по сравнению с другими методами вычислительной сложностью. Таблицы для определения коэффициентов уравнений высоких порядков можно найти в сети Интернет по адресу: http://srda- ta.nist.gov/its90/main.
Табличные параметры приведены для температуры «холодного» спая 0 °С. Компенсация температуры «холодного» спая необходима, если его температура отлична от 0 °С.
Термопары выпускаются как с изолированными, так и с заземленными выводами, рис. 4.
Рис. 4. Типы конструкции термопар
Если термопара заземлена, то при построении аналогового интерфейса следует исключить земляной контур, в котором ток смещения усилителя может формировать паразитное падение напряжения, влияющее на точность измерения температуры. В этом случае усилитель необходимо спроектировать так, чтобы разница между потенциалами «земли» термопары и интерфейса не влияла на точность измерения температуры, рис. 5. Если для измерения температуры применяются незаземлен- ные термопары, желательно использовать двухполярный источник питания, так как усилитель с двухполярным питанием более устойчив к помехам общего вида. Измерительные системы с однополярным питанием можно применять, если усилитель с таким питанием предназначен для работы с сигналами ниже потенциала земли. Если такая возможность не предусмотрена, то целесообразно смещать выходной сигнал термопары в область положительных напряжений.
Рис. 5. Типы заземления термопар
Построение аналоговых интерфейсов для съема сигналов с термопар являете непростой задачей. Ниже приведены примеры построения таких интерфейсов. На рис. 6 представлена упрощенная функциональная схема усилителя для термопары К-типа. Она построена на основе специально спроектированного для этой цели усилителя AD8495. Коэффициент усиления усилителя равен 122, температурный коэффициент на выходе — 5 мВ/°С, чувствительность — 200 °С/В.
Низкочастотная помеха и шум в симметричном входном канале ослабляются внешним ФВЧ. Синфазная помеха ослабляется непосредственно в измерительном усилителе, который имеет высокий КОСС. Высокочастотная помеха на выходе усилителя ослабляется внешним ФНЧ.
Усилитель AD8495 обеспечивает компенсацию температуры «холодного» спая. Он содержит температурный датчик, который следит за изменением температуры окружающей среды. Для обеспечения высокой степени компенсации температуры «холодного» спая усилитель следует располагать в непосредственной близости от этого спая. Усилитель AD8495 откалиброван так, чтобы обеспечить постоянный температурный коэффициент 5 мВ/°С на выходе, если к его входу подключена термопара К-типа, причем ее нелинейность не превышает 2 °С в диапазоне температур от -25 до 400 °С. Если диапазон измеряемых температур выходит за эти пределы, необходимо использовать математические зависимости для линеаризации характеристики термопары, которые приведены в публикации AN-1087 (www.analog.com/ AN-1087).
На рис. 5 показано, как следует заземлять термопару любого типа при ее подключении к интерфейсу. Усилитель AD8495 предназначен для работы с выходными сигналами, нижний предел которых на несколько сотен милливольт ниже уровня «земли». Это позволяет использовать один источник питания. Если выходной сигнал термопары превышает по абсолютной величине указанный выше уровень отрицательного напряжения, используют два источника питания.
Рис. 6. Функциональная схема усилителя для подключения термопары К-типа
Рис. 7. Функциональная схема ИМС измерительного усилителя
На рис. 7 приведена функциональная схема ИМС усилителя AD849x. Встроенные усилители А1, А2, и А3 и резисторы образуют измерительный усилитель для съема сигналов с термопары К-типа, причем передаточная характеристика усилителя составляет 5 мВ/°С. Узел «REF Junction Compensation» содержит температурный датчик для измерения температуры окружающей среды. Сигнал на выходе усилителя ослабляется, если температура «холодного» спая увеличивается. Если измеряемая температура «горячего» спая не изменяется, а температура «холодного» спая изменяется, то изменение последней компенсируется и выходной сигнал усилителя сохраняет постоянное значение. Усилитель выполнен в миниатюрном корпусе размерами 3.2х3.2х1.2 мм. Для надежной компенсации температуры «холодного» спая его необходимо располагать в непосредственной близости от этого спая. В табл. 2 приведены параметры усилителя при работе с термопарой К-типа.
Таблица 2. Параметры усилителя AD8495 при работе с термопарой К-типа
Тип термопары | Диапазон измеряемых температур, °С | Диапазон температур «холодного»спая,°С | Погрешность измерения, °С (при 25 °С) | Потребляемая мощность, мВт |
К | -25…400 | 0…50 | ±3 (ИМС А-типа), ±1 (ИМС С-типа) | 1.25 |
На рис. 8 приведена функциональная схема измерителя, предназначенного для прецизионного измерения температуры термопарами J-, K- и Т-типов. В составе измерителя температуры имеются сигма-дельта АЦП сигналов низкого уровня, высокоточный датчик температуры для измерения температуры «холодного» спая и микроконтроллер.
Рис. 8. Функциональная схема измерителя температуры на основе сигма-дельта АЦП
Рис. 9. Функциональная схема ИМС сигма-дельта АЦП AD7793
Функциональная схема ИМС сигма-дельта АЦП приведена на рис. 9. АЦП AD7793 предназначен для преобразования в код напряжения низкого уровня с выхода термопар любого типа. Симметричный выходной сигнал через фильтр термопары поступает на входы АЦП AIN1(+) и AIN(-). В составе ИМС AD7793 имеются мультиплексор, буферный каскад и измерительный усилитель, с выхода которого усиленный сигнал термопары поступает на вход собственно АЦП, преобразующего его в цифровой код. Функциональная схема ИМС датчика температуры ADT7320, предназначенного для измерения и компенсации температуры «холодного» спая, приведена на рис. 10. Ее погрешность составляет ±0.2 °С в диапазоне температур от -10 до 85 °С. Встроенный в ИМС температурный сенсор генерирует напряжение, пропорциональное температуре «холодного» спая (температуре окружающей среды). Это напряжение сравнивается с напряжением внутреннего опорного источника (Internal Reference) и разностный сигнал поступает на вход цифрового модулятора сигма-дельта преобразователя.
Рис. 10. Функциональная схема ИМС датчика температуры ADT7320
Цифровой код, эквивалентный температуре «горячего» спая, считывается через SPI-интерфейс.
Датчик температуры ADT7320 имеет высокую линейность в диапазоне температур от -40 до 125 °С и не требует калибровки в условиях эксплуатации. Для компенсации напряжения «холодного» спая его температура должна быть преобразована в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, например, с помощью специальных аналитических зависимостей, отвечающих требованиям стандарта Национального института стандартов и технологий США (NIST).
Схема измерителя температуры, рис. 8, предназначена для применения термопар с защищенными выводами, что обеспечивает минимальное время реакции, однако эта схема может быть успешно использована и при работе с термопарами, выводы которых не защищены. Параметры измерителя температуры, рис. 8, с учетом использования упомянутых выше аналитических зависимостей, приведены в табл. 3.
Таблица 3. Параметры измерителя температуры, выполненного на основе сигма-дельта АЦП
Тип термопары | Диапазон измеряемых температур | Диапазон температур «холодного»спая | Погрешность, °С | Потребляемая мощность, мВт |
J, K, T | Диапазон температур в соответствии с документацией на используемые термопары | -10…85 | ±0.2 | 3 |
-20…105 расширенный | ±0.25 |
ВЫВОДЫ
Термопара — надежный элемент для измерения температуры, однако для обеспечения высокой точности измерения необходимо использовать достаточно сложный аналоговый интерфейс.
В качестве интерфейсов могут быть использованы прецизионные измерительные усилители и/или многоразрядные сигма-дельта АЦП, предназначенные для кодирования сигналов низкого уровня.
Применение сигма-дельта АЦП позволяет исключить режим калибровки измерителя температуры в процессе эксплуатации.