43. Термопара, принцип действия, схема включения .

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.

Работа термопары основана на эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, состоящей из двух различных проводников возникает термо-ЭДС пропорциональная разности температур между местами соединения проводников. Эта ЭДС определяется согласно выражения

Е=aТ + bT² + …, (7.20)

где а, b,… эмпирически подобранные коэффициенты степенного ряда,

Т – температура в °С относительно референтного электрода

Термопары - это надежные и недорогие датчики температуры, широко используемые в различных измерительных системах. Однако измерение температуры с помощью термопар требует принятия специальных мер для обеспечения необходимой точности измерений. Рассмотрим основные проблемы, возникающие при получении сигнала с термопары.

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термо - ЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от "термопар", возникших в местах подключения (рисунок 7.10).

Рис. 7.10. Проблема "холодных спаев"

При высоких температурах может снижаться сопротивление изоляции проводников термопары. Это шунтирует сигнал термопары и создает дополнительные термо - ЭДС.

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 Гц 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.

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.

Конструктивно термоэлектрический термометр представляет собой две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются

Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой изменяется, электроды термоэлектрического термометра, армированные изоляцией, помещаются в специальную защитную арматуру

Выпускаются одинарные (с одним чувствительным элементом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлектрические термометры различных типов. Двойные термометры применяются для измерения температуры в одном и том же месте одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они содержат два одинаковых чувствительных элемента, заключенных в общую арматуру. Термоэлектроды их изолированы друг от друга и защитного чехла

Схемапредусматривает автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. В цепь термопары и инструментального усилителя включен мост, одним из плеч которого является терморезистор R2, помещенный возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов R3…R5. Схема работает следующим образом. При температуре t₀ мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры свободных концов сопротивление терморезистора r2 изменяется, мост выходит из состояния равновесия и возникшее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, раной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов R3…R5. Изменение выходного напряжения U_вых. моста при температуре t до значения, равного уменьшению термо-ЭДС ΔЕ, так, чтобы U_вых.(t) – ΔЕ(t) =0, производится изменением напряжения питания моста, то есть сопротивлением r1. Вследствие нелинейной характеристики термопары полной коррекции погрешности получить не удается, однако погрешность значительно уменьшится.

Напряжение термо-ЭДС усиливается инструментальным усилителем и преобразуется в цифровой код цифровым вольтметром. Измеренная величина отображается на цифровом индикаторе.