1.3.1. Конструкция термопары

Рис. 5. Конструкция термопары

Конструкция приемника температуры на основе закрытой термопары, применяемой для измерения температуры газов за турбиной авиационного двигателя приведена на рис.3. Приемник температуры состоит из термопарных проводов 1, помещенных в защитную арматуру 3, рабочие термопарные спаи расположены напротив окон 2 входа потока, поток, нагревший термопарные спаи, выходит через окно 4, внутри арматуры термопарные провода помещены в керамический каркас 5 (или керамические бусы) и зафиксированы в арматуре 3, их концы приварены 6 к шпилькам 7, обычно с резьбами М3 и М4, для исключения перепутывания полярности, шпильки с резьбой находятся в керамическом изоляторе, который завальцован в ассиметричном фланце 8, служащим для крепления термоприемника на корпусе термопар. Постоянная времени такой термопары обычно не превышает 2 секунд.

Рис. 6. Препарирование термопарой точки потока

На рис.6. приведен вариант препарировки газового потока для определения температуры точки в потоке. Такая конструкция выполняеся обычно из локализатора 1 струйки пототка, как правило это трубка диаметром от 1.5 до 2.5 мм и длиной порядка от 7 до 35 мм, обязательно снабженная отверстиями 3 выхода струйки потока, для уменьшения инерционности термопары. Желательно термопарный спай 2 хорошо отцентрировать в трубке 5 локализатора потока. Локализатор струйки потока устанавливается на основание 4 (гребенки, из нескольких аналогичных конструкций, позволяющих в последствии вычислить среднюю температуру всего потока) при помощи крепления 6 выполненного как правило точечной сваркой из стальной фольги. Изолированные термопарные провода 7 также фиксируются элементами крепления 6 и делаются длиной, достаточной для их соединения с удлиняющими проводами.

1.3.2. Схема включения термопары

В термопарных схемах напряжение зависит от температуры обоих термосоединений. Грубо говоря, оно пропорционально разности температур между двумя спаями, опускаем эффекты Пельтье, Томпсона и Джоуля². На практике требуется знание температуры на чувствительном (рабочем) спае. Учесть температуру опорной термопары можно следующими способами, рис.7:

1. – поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0 , рис.7а. Обычно для этого используют термос с тающим льдом, можно воспользоваться небольшим, стабилизированным по температуре холодильником, который будет выполнять ту же работу, обычно такими приемами пользуются при поверке измерительных приборов и цепей. Такая схема применяется в тех случаях, когда имеется возможность изготовить термопару с удлиняющими проводами таким образом, что её можно свободно смонтировать на объекте исследования.

Рис. 7. Включение термопар

2. – более современные методы заключаются в построении компенсирующих схем, которые компенсируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединение не равна 0 , рис.7б. Основная идея заключается в использовании другого датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т.е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной ( ). На практике в большинстве случаев весьма затруднительно или вообще не возможно осуществить подобный монтаж термопары, и в особенности, когда термопара изготовлена из благородных металлов и сплавов, экономически невыгодно и удлинительные провода приходится выполнять из другого материала. Чтобы при включении удлинительных термоэлетродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо-ЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое – места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам должно иметь одинаковую температуру. Второе – удлинительные провода должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре, т.е. иметь ту же термо-ЭДС в диапазоне возможных температур места соединения с основной термопарой. Такие специальные удлинительные провода, иногда называют компенсационными, для каждой из типов термопар они строго свои: так для термопары хромель–алюмель удлинительные термоэлектроды делаются из меди и константана; для термопары хромель–копель удлинительными являются основные, но выполненные в виде гибких проводов. Такая схема включения как правило используется в старых измерительных приборах и в случаях когда невозможно осуществить компенсацию температуры опорного спая непосредственно места соединения с основной термопарой.

2. – выполнить компенсацию температуры на опорном соединение при помощи микропроцессора, рис.7в. Отдельно измерить температуру на опорном спае датчиком другого типа, например платиновым терморезистором, по этой температуре найти термо–э.д.с. термопары и выполнить компенсацию по сумме термо–э.д.с. рабочего и опорного спаев, с соответствующим знаком, и по полученному значению термо–э.д.с. определить измеряемую температуру. В этом случае хорошо работают обычные медные провода вместо специальных удлиняющих.

Замечание к измерительной схеме рис.7в. Проблема усиления сигналов термопар связана с низким выходным напряжением (50 мкВ/^оС или около этого), большими помехами промышленной частоты и радиочастотными наводками. Усилитель должен хорошо подавлять помехи промышленной частоты 50 Гц и иметь стабильное дифференциальное усиление. Кроме того, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (порядка 10 кОм или более), чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление.

Для устранения приведенных явлений производители электронного измерительного оборудования выпускают ряд спецализированных устройств, например: фирма Analog Devices выпускает усилители сигналов термопар с компенсацией холодного спая AD594 (тип J) и AD595 (тип К). Эти монолитные устройства обладают всем необходимым, включая опорную точку льда, для получения выходного напряжения пропорционального температуре и даже программируюмую тройную точку для термопарного входа. Наилучшие из них имеют точность 1^оС при комнатной температуре. Фирма Linear Technology изготовляет компенсатор холодного спая микромощной термопары, сконструированный для использования с внешним прецизионным усилителем. В нем предусмотрена компенсация для всех типов термопар, приведенных в таблице, кроме типа В.

Наилучшие (LT1025A) имеют точность без подстройки 0.5^оС при комнатной температуре.

Дополнительные упражнения

1. Для чего присоединительные провода терморезистивных датчиков стараются поместить в металлическую трубу.

2. Почему при помощи терморезисторов невозможно достигнуть наибольшей точности измерения температуры.

3. Какой ток должен проходить через термопреобразователь сопротивления и как последний влияет на процесс измерения температуры.

4. Поясните эффекты, происходящие на компенсационных проводах и в изотермических компенсационных коробках.

5. Предложите алгоритм вычисления температуры рабочего спая по схеме рис. 2в используя в качестве датчика температуры опорного спая, платиновый терморезистор.