Линеаризация передаточной характеристики термопары

Разработанные компанией Analog Devices измерительные усилители семейства AD849x предназначены для съема сигналов с промыш­ленных термопар. Эти усилители отличаются невысокой стоимостью, простотой примене­ния и малыми размерами. Они имеют фикси­рованный коэффициент усиления и обеспечи­вают компенсацию напряжения “холодного” спая.

Усилители семейства AD849x усиливают сигналы термопар J– и К-типов и обеспечивают коэффициент преобразования 5 мВ/°С в соот­ветствии с выражением

VOUT = (TMJ •5 mB/°c) + VREF,

где V_OUT – напряжение на выходе усилителя, ТМ – температура “горячего” спая термопары J-типа, VREF – напряжение опорного источни­ка.

Как следует из табл. 1, погрешность изме­рителей температуры, выполненных на основе разных усилителей, в диапазоне измеряемых с помощью термопар J– и К-типов температур не превышает ±2 °С.

Таблица 1. Погрешность усилителей семейства AD849х при усилении сигналов термопар J- и К-типов

В настоящей публикации рассмотрены пути повышения точности измерения темпера­туры с помощью термопар J- и К-типов и изме­рительных каналов, выполненных на основе усилителей семейства AD849x.

Известно, что передаточная характеристи­ка термопар J- и К-типов нелинейна, рис. 1. Так, например, термопара J-типа имеет коэф­фициент преобразования 52 мкВ/°С при темпе ратуре 25 °С и 55 мкВ/°С при температуре 150 °С. Термопара К-типа практически линей­на в диапазоне температур от 0 до 1000 °С. Коэффициент передачи этой термопары в упо­мянутом диапазоне 41 мкВ/°С (см. рис. 1).

Рис. 1. Коэффициент передачи термопар различных типов

Передаточная характеристика термопары может быть описана полиномами шестого по­рядка и выше. Для обеспечения высокой точ­ности измерения температуры с помощью термопар необходимо осуществить линеари­зацию ее передаточной характеристики. Учи­тывая то, что передаточные характеристики термопар известны и для каждого типа они практически постоянны во времени, то при построении измерительного канала их можно достаточно просто линеаризовать. Для этого необходимо отрегулировать передаточную ха­рактеристику усилителя семейства AD849x так, чтобы погрешность на выходе измерите­ля температуры (состоящего из термопары и усилителя) не превышала ±2 °С (см. табл. 1). Зависимости погрешности измерителя темпе­ратуры от измеряемой температуры для каж­дого из усилителей семейства AD849x приве­дены на рис. 2.

Для того, чтобы обеспечить коэффициент преобразования измерителя температуры 5 мВ/°С (с погрешностью не хуже ±2 °С), не­обходимо отрегулировать следующие три па­раметра усилителей семейства AD849x: коэф­фициент усиления, напряжение смещения нуля и коэффициент преобразования узла ком­пенсации напряжения “холодного” спая.

Рис. 2. Зависимости погрешности измерителя температуры от типа усилителя в диапазоне температур от -50 до 650 °С

Известно, что напряжение на выходе тер­мопары VTC является функцией разности тем­ператур “горячего” Tи “холодного” TRJспа- ев (http://srdata.nist.gov/its90/main):

V_TC = f (T_MJ – T_RJ).

Эта функция используется для определения значений каждого из приведенных выше регу­лируемых параметров согласно следующему выражению:

где VOUT – выходное напряжение усилителя, CJC – коэффициент преобразования узла ком- пенсации напряжения “холодного” спая, VOFFSET – напряжение смещения нуля усилите- ля, VREF – напряжение опорного источника, Ку – коэффициент усиления усилителя.

В табл. 2 приведены значения регулируе- мых параметров усилителей семейства AD849х для поддержания погрешности пере- даточной характеристики измерителя темпе- ратуры в пределах ±2 °С.

Таблица 2. Значения регулируемых параметров усилителей семейства AD849х

Линеаризация передаточной характеристи­ки термопары может быть реализована в мик­роконтроллере, встроенном в измеритель тем­пературы. В табл. 3 приведены результаты кор­рекции передаточных характеристик термопар J– и К типов с помощью усилителей семейства AD849x. Как следует из этой таблицы, для из­мерителя температуры, выполненного на осно­ве термопары К-типа и усилителя AD8495, при температуре “холодного” спая 25 °С идеальное значение выходного напряжения V_OUT, напри­мер, для измеряемой температуры 200 °С должно составлять 1 В, а фактическое равно 0.999 В; а для измеряемой температуры 220 °С идеальное значение V_OUT должно быть равным 1.1 В, а фактически оно равно 1.097 В.

Таблица 3. Результаты коррекции нелинейности передаточных характеристик термопар J- и К-типов в измерителях температуры на основе усилителей семейства AD849х

Линеаризация передаточной характеристи­ки измерителя температуры между точками 200 и 220 °С дает погрешность 0.2 °С в этом диапазоне температур.

ВЫВОДЫ

1. Передаточные характеристики промыш­ленных термопар имеют большую нелинейность, которую можно скомпенсировать при­менением в измерительном канале усилителей семейства AD849x.
2. Измерители температуры, выполненные на основе термопар J– и К-типов и усилителей семейства AD849x, могут обеспечить погреш­ность линейности при измерении температуры в диапазоне от -200 до 1200 °С не хуже ±0.2 °С.