Приложение

В данном приложении содержатся следующие разделы с информацией, которая будет полезна всем, кто работает с системами сбора данных:

• Теория измерительных преобразователей

• Схемотехника цепей аналогового ввода/вывода

A. Теория измерительных преобразователей

Выбор измерительного преобразователя является первым шагом на пути создания системы сбора данных. От того, каким будет этот преобразователь, будут зависеть и другие компоненты вашей системы. Например, некоторые преобразователи требуют внешних устройств согласования для возбуждения или усиления сигналов, а другим могут понадобиться виртуальные приборы LabVIEW для преобразования значений напряжения в единицы температуры или деформации. Поэтому важно понять принципы работы различных преобразователей и знать их преимущества и ограничения. Ниже кратко обсуждаются наиболее распространенные типы измерительных преобразователей: термопар, терморезисторов, термисторов и тензодатчиков.

Термопары

Одними из наиболее часто применяемых измерительных преобразователей температуры являются термопары (thermocouple). Термопары очень неприхотливы и весьма недороги и, кроме того, могут работать в широком диапазоне температур. Термопары могут измерять температуры в диапазоне нескольких сот градусов и при этом не терять своих свойств, в отличие от, например, полупроводниковых датчиков, которые редко работают при температурах выше 70 C. Также термопары имеют небольшой размер и могут сравнительно быстро отслеживать изменения температуры.

Термопара образуется, когда соединяют вместе два разнородных металла, при этом точка контакта генерирует небольшое напряжение, являющееся функцией температуры. Это термоэлектрическое напряжение известно как напряжение Зеебека, названное в честь Томаса Зеебека (Thomas Seebeck), открывшего это явление в 1821 году. Напряжение практически линейно при малых изменениях температуры:

где V – изменение напряжение, S – коэффициент Зеебека, а T – изменение температуры.

Коэффициент S изменяется с температурой, что обуславливает нелинейность выходного напряжения термопар в пределах их рабочих диапазонов, как показано на рисунке А-1. Из-за этого для нахождения значения напряжения при данной температуре необходимо использовать полиномиальную интерполяцию либо справочные таблицы.

Рисунок А-1. График зависимости напряжения, генерируемого термопарой, от температуры

Существует целый набор различных типов термопар, которые обозначаются заглавными английскими буквами, характеризующими их состав в соответствии со стандартами Национального Института Стандартизации США (ANSI). Например, термопара J-типа состоит из железного и константанового (сплав меди и никеля) проводников.

Рисунок А-2. Измерительная система с использованием термопары.

На рисунке А-2 изображена термопара. Точка, в которой термопара присоединяется к измерительной системе, называется опорным контактом. При подключении подводящих проводов к измерительной системе создаются два дополнительных контакта различных металлов, которые называются холодными спаями. Они вносят дополнительное термоэлектрическое напряжение в систему. Метод исключения этого напряжения известен как компенсация холодного спая. Его можно осуществлять программно либо аппаратно. Оба метода требуют измерения температуры опорного контакта с помощью какого-либо датчика.

В таблице А-1 перечислены некоторые наиболее распространенные типы термопар. В таблице указаны оба типа металлов, формирующих термопару. В таблице также указан рабочий диапазон каждой из термопар.

Таблица А-1. Распространенные типы термопар.

Тип термопары	Проводник		Диапазон температур (°C)	Диапазон напряжений (мВ)	Коэффициент Зеебека (мкВ/°C)
	+	
E	Хромель	Константан	От -270 до 1000	От –9.835 до 76.358	58.70 при 0 °C
J	Железо	Константан	От -210 до 1200	От –8.096 до 69.536	50.37 при 0 °C
K	Хромель		От -270 до 1372	От –6.548 до 54.874	39.48 при 0 °C
T	Медь	Константан	От -270 до 400	От –6.258 до 20.869	38.74 при 0 °C
S	Платина - 10% Родий	Платина	От -50 до 1768	От –0.236 до 18.698	10.19 при 600 °C
R	Платина - 13% Родий	Платина	От -50 до 1768	От –0.226 до 21.108	10.35 при 600 °C

Особенности термопар:

• Дешевизна и неприхотливость

• Сохраняют свои свойства в широком диапазоне температур

• Могут отслеживать быстрые измерения температуры

• Требуют компенсации холодного спая

• Генерируют небольшие напряжения (7 мкВ – 40 мкВ на градус Цельсия) – необходимо усиление

• Нелинейность выходного напряжения – измеренное напряжение необходимо линеаризовать