Схемы включения термопар

При измерении напряжения термопары вы не сможете просто присоединить ее к вольтметру или другой измерительной системе, поскольку провода, идущие от термопары к измерительной системе создают дополнительные термоэлектрические цепи.

Рассмотрим схему, показанную на рисунке 5-1, в которой термопара J-типа помещена в пламя свечи, температуру которого вы хотите измерить. Два провода термопары присоединены к медным проводникам УСД.

Рисунок 5-1. Термопара J-типа

Обратите внимание, что схема содержит три контакта различных металлов – J1, J2 и J3. J1 – контакт термопары генерирует напряжение, пропорциональное температуре в пламени свечи. Контакты J2 и J3 имеют свой собственный коэффициент Зеебека и генерируют дополнительное термоэлектрическое напряжение, пропорциональное температуре терминалов УСД. Для определения вклада в напряжение контакта J1 необходимо знать температуры контактов J2 и J3 и соотношения напряжение-температура для этих контактов. Затем можно вычесть вклады паразитных термопар в контактах J2 и J3 из измеренного напряжения.

Компенсация холодного спая

Термопары требуют своего рода опорной температуры для компенсации паразитных термопар. Термин холодный спай (cold junction) пришел из распространенной практики выдерживания опорного контакта при температуре 0 °C в воде с тающим льдом. Справочные таблицы Национального института стандартов и технологий (NIST) были созданы при помощи установки, показанной на рисунке 5-2.

Рисунок 5-2. Обычное измерение температуры с опорным контактом, выдерживаемым при температуре 0 °C

На рисунке 5-2 измеренное напряжение зависит от разницы температур T1 и Tref. В данном случае Tref равна 0 °C. Обратите внимание, что поскольку контакты подводящих проводов вольтметра находятся при той же температуре, то есть изотермичны, напряжения, генерируемые в этих двух точках равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому результирующее напряжение, вносимое этими двумя контактами, равно нулю.

В этих условиях при измеряемой температуре больше 0 °C напряжение термопары будет положительным. Если измеряемая температура меньше 0 °C, то выходное напряжение термопары отрицательно. Когда опорный спай и измерительный контакт имеют одинаковую температуру, результирующее напряжение равно нулю.

Хотя использование ванночки с тающим льдом приводит к точному результату, ее не всегда удобно использовать. Более практичный прием заключается в измерении температуры холодного спая и непосредственном считывании напряжения с термопары, а затем в вычитании вкладов термоэлектрических напряжений паразитных термопар. Этот процесс называется компенсацией холодного спая (КХС). Можно легко вычислить КХС, выгодно используя некоторые свойства термопар.

Используя уравнение для термопары с учетом промежуточных металлических проводников и делая некоторые простые предположения, можно видеть, что напряжение, измеряемое УСД в схеме, показанной на рисунке 5-1, зависит только от типа термопары, напряжения термопары и температуры холодного спая. Измеренное напряжение фактически не зависит от материала проводов и холодных спаев J2 и J3.

В соответствии с уравнением термопары с учетом промежуточных металлических проводников, показанных на рисунке 5-3, использование любого типа провода в схеме с термопарой не будет оказывать никакого влияния на выходное напряжение, если оба конца этого провода будут иметь одинаковую температуру.

Рисунок 5-3. Уравнение термопары с учетом промежуточных металлических проводников

Рассмотрим схему, показанную на рисунке 5-4. Она похожа на предыдущую схему на рисунке 5-1 за исключением того, что небольшой отрезок константановой проволоки был вставлен непосредственно перед контактом J3, и предполагается, что его контакты имеют одинаковую температуру. Предполагая, что контакты J3 и J4 имеют также одинаковую температуру, то, используя уравнение термопары с учетом промежуточных металлических проводников, можно сделать вывод, что схема на рисунке 5-4 электрически эквивалентна схеме на рисунке 5-1. Следовательно, любой результат, полученный в схеме на рисунке 5-4, применим также к схеме на рисунке 5-1.

Рисунок 5-4. Вставка дополнительного проводника в изотермическую область

На рисунке 5-4 контакты J2 и J4 одного типа (медь-константан). Поскольку оба они находятся в изотермической области, то J2 и J4 имеют одну температуру. Однако эти контакты включены в противоположных направлениях, следовательно, их суммарный вклад в измеренное напряжение равен нулю. Контакты J1 и J3 тоже одного типа (железо-константан) и также включены в противоположных направлениях, но могут иметь различные температуры. Поэтому, на полное измеренное напряжение могут влиять только напряжения контактов J1 и J3. Используя обозначение VJx(Ty) для напряжения, сгенерированного контактом Jx при температуре Ty, вся задача исследования термопары сводится к следующему уравнению:

(5-1)

где VMEAS – напряжение, измеряемое УСД, TTC – температура термопары J1, а Tref – температура опорного контакта.

Обратите внимание, что в уравнении 5-1 VJx(Ty) – это напряжение, сгенерированное при температуре Ty по отношению к некоторой опорной температуре. Пока напряжения VJ1 и VJ3 – функции температуры относительно одинаковой опорной температуры, уравнение 5-1 – верно. Как говорилось ранее, например, справочные таблицы термопар NIST получены при использовании опорного контакта с температурой 0 °C.

Поскольку контакт J3 того же типа, что и J1, но включен в противоположном направлении, то VJ3(Tref) = –VJ1(Tref). Так как VJ1 – это напряжение, генерируемое исследуемой термопарой, это напряжение можно переименовать в VTC. Следовательно, уравнение 5-1 может быть записано в следующем виде:

(5-2)

Поэтому, измеряя VMEAS и Tref и зная соотношение напряжение-температура для термопары, можно определить температуру термопары.

Методы, использующие компенсацию холодного спая, требуют, чтобы температуру опорного контакта можно было измерить непосредственно каким-либо датчиком. Датчик с непосредственным считыванием генерирует выходное напряжение, зависящее только от температуры в точке измерения. С этой целью обычно используются полупроводниковые датчики, термисторы или резистивные температурные детекторы. Например, ряд терминальных узлов SCXI содержит термисторы, расположенные вблизи клемм с винтовым креплением, к которым присоединяются проводники от термопар.

Примечание. NI-DAQ, NI LabVIEW и Measurement Studio содержат встроенные процедуры, программно выполняющие требуемую компенсацию.