Особенности измерения температуры с помощью термопар

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

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

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

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.