Схемы включения термопар

Чтобы измерить напряжение Зеебека, нельзя просто подсоединить термопару к вольтметру или другой измерительной системе, поскольку присоединение выводов термопары к системе порождает дополнительные термоэлектрические узлы.

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 7-8, на которой термопара J-типа находится в пламени свечи, имеющем температуру, которую вы хотите измерить. Оба вывода термопары соединены соответствующими медными проводниками с DAQ-устройством.

Рисунок 7-8. Термопара J-Типа

To DAQ Board – к плате сбора данных, Constantan – константан, Iron – железо, Copper – медь

Обратите внимание на то, что на схеме есть три различных металлических соединения – J1, J2 и J3. J1 – это основное соединение (спай), которое генерирует напряжение Зеебека, пропорциональное температуре пламени свечи. Каждое из соединений J2 и J3 имеет свой коэффициент Зеебека и генерирует свою ЭДС, пропорциональную температуре терминалов DAQ-устройства. Чтобы определить долю напряжения от соединения J1, необходимо знать температуры соединений J2 и J3, а также для каждого из них формулы – зависимости между напряжением и температурой. Затем вы сможете вычесть составляющие, порожденные паразитными термопарами J2 и J3, из измеренного напряжения.

Компенсация температуры холодного спая

Чтобы скомпенсировать влияние паразитных термопар, требуется некоторая опорная температура. Термин «холодный спай» появился из традиционной практики поддержания опорной температуры 0 С в ванне со льдом. Градуировочные таблицы для термопар, разработанные Национальным институтом стандартов и технологий (НИСТ) США (NIST – National Institute of Standards and Technology), поясняются на рис. 7-9.

Рисунок 7-9. Обычное измерение температуры с поддержанием опорной температуры 0 С

Voltmeter – вольтметр, Isothermal Region – изотермическая область, Ice Bath – ванна со льдом, Copper – медь, Metal – металл

На рис. 7-9 измеренное напряжение зависит от разности температур T₁ и T_ref. В данном случае T_ref = 0 C. Следует учесть, что поскольку обе точки присоединения выводов термопары к вольтметру имеют одинаковую температуру, т.е. являются изотермическими, ЭДС, формируемые в этих точках, равны по величине но отличаются по знаку. Поэтому погрешность результирующее напряжение, вносимое этими соединениями, равно нулю.

В таких условиях, если измеряемая температура выше 0 С, напряжение на выходе термопары имеет положительный знак. Если измеряемая температура ниже 0 С, то выходное напряжение термопары имеет отрицательный знак. Когда опорная температура равна измеряемой температуре, выходное результирующее напряжение равно нулю.

Несмотря на то, что ванна со льдом точно воспроизводит опорную температуру, использование ее не всегда удобно для практического применения. Более практичным является подход, основанный на прямом измерении температуры в опорной точке с помощью специального датчика и вычитание соответствующей этой температуры паразитной ЭДС. Этот процесс называют компенсацией холодного спая. Необходимые для компенсации вычисления можно упростить, используя некоторые характеристики термопары.

На основе закона о термопарах промежуточных металлов и некоторых принятых допущений можно увидеть, что напряжение, которое измеряет DAQ-устройство на рис. 7-8, зависит только от типа термопары, ЭДС термопары и температуры холодного спая. Фактически измеряемое напряжение не зависит от химического состава проводников, соединяющих термопару и измерительное устройство, и холодных спаев J2 и J3.

Согласно закону о термопарах промежуточных металлов, который поясняется на рис. 7-10, добавление в схему включения термопары проводника любого типа не влияет на выходное напряжение до тех пор, пока оба конца этого проводника имеют одну и ту же температуру, т.е. пока они являются изотермическими.

Рисунок 7-10. Закон о термопарах промежуточных металлов

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 7-11, которая похожа на ранее приведенную схему на рис. 7-8. Отличия заключаются в том, что в схему на рис. 7-11 перед соединением J3 добавлен короткий константановый проводник и считается, что соединения J3 и J4 имеют одинаковые температуры. С учетом этого согласно закону о термопарах промежуточных металлов схема на рис. 7-11 электрически эквивалентна схеме на рис. 7-8. Следовательно, любой результат измерений, полученный по схеме на рис. 7-11, также относится к схеме на рис. 7-8.

Рисунок 7-11. Добавление дополнительного проводника в изотермическую область

На рис. 7-11 соединения J2 и J4 относятся к одному и тому же типу («медь-константан»). Поскольку они находятся в изотермической области, они имеют одинаковую температуру. А т.к. эти соединения находятся с противоположных сторон, их общее влияние на измеряемое напряжение равно нулю. Оба соединения J1 и J3 – «железо- константан» и также находятся с противоположных сторон, однако их температуры могут различаться. Таким образом, только соединения J1 и J2 оказывают некоторое влияние на итоговый результат измерения напряжения.

Обозначив напряжение , формируемоt соединением Jx при температуре T_y, можно утверждать, что в целом задача измерения температуры с помощью термопары сводится к реализации следующего уравнения:

(7-1)

где – напряжение, измеренное DAQ-устройством, – температура спая J1, а – температура опорного спая.

Следует обратить внимание, что напряжение формируется при температуре T_y с учетом некоторой опорной температуры. Уравнение (7-1) справедливо, поскольку напряжения и являются функциями температуры относительно одной и той же опорной температуры. Например, как указывалось ранее, градуировочные таблицы NIST для термопар формируются при температуре опорного спая 0 С.

Поскольку соединение J3 того же типа, что и соединение J1, только находится с противоположной стороны, справедливо равенство Поскольку – это напряжение, формируемое испытуемой термопарой, его можно обозначить как . Таким образом, уравнение 7-1 принимает следующий вид:

(7-2)

Таким образом, температуру термопары можно определить путем измерения величин и с учетом уравнения связи между напряжением на выходе термопары и измеряемой температурой.

Методы реализации компенсации холодного спая требуют, чтобы опорная температура определялась непосредственно с помощью датчика. Обычно для таких измерений применяются полупроводниковые датчики, термисторы или термометры сопротивления. Например, в составе некоторых терминальных блоков SCXI есть термисторы, которые расположены возле винтовых зажимов, к которым присоединяется проводники от термопары.

Примечание: Драйвер DAQmx включает в себя встроенные подпрограммы, которые выполняют необходимую компенсацию холодного спая программным способом.