Конструкция термопары: Термопары. Конструкции, типы, характеристики термопар. Метотехника

Внимание! Если Вы обнаружили ошибку на сайте, то выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

014

D = 5 мм

ДТПК, ДТПL
латунь

(-40…+300 °C)

25

024

D = 8 мм

ДТПК, ДТПL
сталь 12Х18Н10Т

(-40…+400 °С)

30

Накидная гайка

034

D = 5 мм

М = 8×1 мм**

ДТПК, ДТПL

латунь

(-40…+300 °С)

25

044

D = 8 мм

M = 12×1,5 мм**

ДТПК, ДТПL

сталь 12Х18Н10Т

(-40…+400 °С)

30

054

D = 6 мм

М = 16×1,5 мм**

S = 22 мм, h = 9 мм

60, 80, 100,

120, 160, 180,

200, 250, 320,

400, 500, 630,

800, 1000

064

D = 8 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 27 мм, h = 8 мм

074

D = 10 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 27 мм, h = 8 мм

084

D = 10 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 27 мм, h = 8 мм

094

D = 6 мм, D1 = 13 мм

104

D = 8 мм, D1 = 18 мм

114

D = 10 мм, D1 = 18 мм

Подвижный штуцер

124

D = 6 мм

M = 16×1,5 мм**

S = 17 мм

10, 32, 40,

60, 80, 120,

160, 200, 250,

320, 400, 500

134

D = 8 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 22 мм

144

D = 10 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 22 мм

Подвижный штуцер

154

D = 10 мм

M = 20×1,5 мм**

S = 22 мм

194

D = 5 мм, D1 = 10 мм

60, 80, 100,

120, 160, 200,

250, 320

Накидная гайка

204

M = 10×1 мм**

S = 14 мм

ДТПК, ДТПL
латунь

(-40…+400 °С)

40, 65

534

d = 4,5 мм

Под М4

ДТПК, ДТПL
сталь 12Х18Н10Т
(-40…+250 °C –
c кабелем СФКЭ;

-40…+300 °C –
c кабелем ДКТ;

−40…+400 °C
c кабелем КТППЭ)

39

554

d = 5,5 мм

Под М5

39

564

d = 6,4 мм

Под М6

D = 19 мм

S = 0,5 мм

58

574

d = 8,4 мм

Под М8

D =22 мм

S=0,75 мм

61

584

d = 10,5 мм

Под М10

D = 26 мм

S = 0,75 мм

63

594

d = 13 мм

Под М12

D = 30 мм

S = 1,0 мм

71

644

D = 4,5 мм

М = 6×1 мм

S = 10 мм

ДТПК, ДТПL
сталь 12Х18Н10Т
(-40…+300 °C –
c кабелем ДКТ)

13, 20, 30

1 – термоэлектродная проволока

2 – cтеклонить К11С6 с пропиткой кремнийорганическим лаком

ДКТК011-0,5

ДКТК011-0,7

ДКТК011-1,2

Одножильный

Диаметр проводов:

0,5 мм/0,7 мм/1,2 мм (указывается при заказе)

Изоляция нить К11С6

 -40…+300 °С

1,8/2,0

2,0/2,8

2,8/4,0

1 – термоэлектродная проволока

2, 4 и 5 – обмотка стеклонитью с пропиткой нагревостойким лаком

3 – обмотка фторопластовой запеченной пленкой

6 – обмотка стеклонитью (в противоположную сторону от обмотки 5) с пропиткой нагревостойким лаком

7 – экран из медной луженной оловом проволоки

Кабель СФКЭ ХА

2×0,5

Многожильный

С – изоляция из стекловолокна

Ф – изоляция из фторопластовой пленки

К – комбинированная изоляция и оболочка

Х – положительная жила, сплав хромель

А – отрицательная жила, сплав алюмель

2 – количество жил

0, 5 – сечение жилы

-60…+250 °С

 3,0/4,5

1 – термоэлектродная проволока

2 – cтеклонить К11С6 с пропиткой кремнийорганическим лаком

ДКТL011-0,5

ДКТL011-0,7

ДКТL011-1,2

Одножильный

Диаметр проводов:

0,5 мм/0,7 мм/1,2 мм (указывается при заказе)

Изоляция – нить К11С6

 -40…+300 °С

1,8/2,0

2,0/2,8

2,8/4,0

1 – термоэлектродная проволока

2, 4 и 5 – обмотка стеклонитью с пропиткой нагревостойким лаком

3 – обмотка фторопластовой запеченной пленкой

6 – обмотка стеклонитью (в противоположную сторону от обмотки 5) с пропиткой нагревостойким лаком

7 – экран из медной луженной оловом проволоки

Кабель СФКЭ ХК

2×0,5

Многожильный

С – изоляция из стекловолокна

Ф – изоляция из фторопластовой пленки

К – комбинированная изоляция и оболочка

Х – положительная жила, сплав хромель

К – отрицательная жила, сплав копель

2 – количество жил

0, 5 – сечение жилы

-60…+250 °С

 3,0/4,5

Продукт снят с производства

(экв. 10)

Первый срок уравнения 10 (EQ.10 ) точно такое же, как уравнение 7 (уравнение.7), который получен из рисунка 5. Таким образом, эквивалентное выходное напряжение равно V _C , и это известное значение, поскольку напряжение на холодном спае измеряется вольтметром. Второй член эквивалентен выходному напряжению термопары с температурой горячего спая, равной T _C , и температурой холодного спая, равной 0°C. Поскольку T _C также измеряется отдельным датчиком температуры, мы можем использовать стандартную справочную таблицу, чтобы найти соответствующее напряжение Зеебека (V _i ) для второго члена уравнения 10 (уравнение 10).10).

Теперь, когда мы знаем значение V ₀ , можно определить соответствующую температуру горячего спая (T _H ) с помощью стандартной справочной таблицы.

Шаги, описанные ниже, обобщают процедуру определения температуры горячего спая с компенсацией холодного спая.

1. Измерьте температуру холодного спая (T _C ) с помощью датчика температуры.
2. Измерить напряжение на холодном спае.
3. Преобразуйте T _C в напряжение (V _i ), используя стандартную справочную таблицу.
4. Вычислить V ₀ =V _i +V _C .
5. Преобразуйте V ₀ в температуру горячего спая (T _H ), используя стандартную справочную таблицу.

Справочные таблицы стандартных термопар можно найти на веб-сайте базы данных термопар NIST ITS-90 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html (подготовлено Министерством торговли США, Национальными институтами стандартов и Технология). Если реализация справочной таблицы в микроконтроллере нежелательна из-за нехватки памяти или по другим причинам, на веб-сайте NIST ITS-90 также представлены наборы формул для каждого типа термопары для преобразования температуры в напряжение и наоборот.

Основы проектирования системы для оптимизации точности измерения термопар

Рис. 7. Блок-схема базовой системы термопар

До сих пор это обсуждение рассматривало только теорию термопар; однако для оптимизации точности в реальной системе необходимо учитывать несколько моментов. На рис. 7 показаны основные блоки сигнальной цепи термопары. Каждое устройство влияет на точность преобразования и должно быть тщательно выбрано, чтобы свести к минимуму ошибку.

Начиная с левой стороны рисунка, термопара подключена к разъему системной платы. Хотя термопара сама по себе является датчиком, она также может быть источником ошибок. Длинная термопара легко улавливает окружающие электромагнитные помехи. Экранирование провода может эффективно уменьшить шум.

Следующий компонент — усилитель. Важно выбрать усилитель с высоким входным сопротивлением, поскольку входное сопротивление усилителя и сопротивление термопары создают эффект делителя напряжения, как показано в уравнении 13 (уравнение 13).13). Чем выше входное сопротивление, тем меньше ошибок.

Кроме того, усилитель повышает выходной сигнал термопары, который обычно находится в диапазоне милливольт. В то время как высокий коэффициент усиления с обратной связью усиливает как сигнал, так и шум, добавление фильтра нижних частот на вход АЦП устраняет большую часть шума. Фильтр нижних частот эффективен, потому что скорость преобразования АЦП для приложений измерения температуры обычно очень низкая, возможно, несколько отсчетов в секунду, поскольку температура не меняется очень быстро.

Наконец, встроенный датчик температуры должен располагаться очень близко к разъему холодного спая (в идеале касаясь концов термопарных проводов, но во многих случаях это невозможно), чтобы получить наилучшее измерение температуры холодного спая. Любая ошибка в измерении холодного спая отражается на расчете температуры горячего спая.

Пример схемы термопары

Более детальное изображение.
Рис. 8. Эталонная конструкция с универсальным входом, позволяющая измерять напряжение, ток и напряжение с помощью RTD или термопары.

Эталонный проект с универсальным входом MAXREFDES67# ( рис. 8 ) содержит все необходимые компоненты для реализации системы измерения температуры с помощью термопары. Предварительно загруженная прошивка использует формулу с веб-сайта NIST ITS-90 для преобразования выходного сигнала термопары типа K в температуру. Диапазон температур измерения от -40°C до +150°C. Кроме того, эта система также способна измерять напряжение, ток, температуру и RTD с высокой точностью.

Рис. 9.Ошибка MAXREFDES67# в зависимости от температуры с использованием термопары Omnitec EC3TC, K-типа, откалиброванной при 20°C.

На рис. 9 показана погрешность температуры, измеренная входным сигналом термопары MAXREFDES67#, в зависимости от температуры по отношению к трем различным эталонным термометрам: термометру Omega Hh51, эталонному термометру ETI и калибратору температуры Fluke 724 соответственно. Подключенный датчик термопары типа K MAXREFDES67# был помещен в калибровочную ванну Fluke 7341 и откалиброван при 20°C.Синие данные использовали термометр Omega Hh51 в качестве эталона. Зеленые данные использовали эталонный термометр ETI в качестве эталона. Красные данные использовали калибратор температуры Fluke 724 в качестве эталона. Эта конструкция отображает измерение температуры термопарой мирового класса.

Заключение

Использование термопар для измерения температуры в промышленности имеет много преимуществ, включая диапазон температур, время отклика, стоимость и долговечность. Используя изложенные здесь рекомендации по проектированию, можно создать высокоточную измерительную систему.MAXREFDES67# — отличный пример, который помогает разработчикам систем разрабатывать высокоточные измерения температуры с помощью термопар быстрее, чем когда-либо прежде.

Как работают термопары? Краткое руководство

Термопары — это надежные датчики температуры, используемые во многих промышленных приложениях. Узнайте, что такое термопары, как они работают и почему они так популярны.  

Термопары — это электрические устройства, используемые для измерения температуры. Их точность, малое время реакции и способность выдерживать сильные вибрации, высокое давление и экстремальные температуры делают их идеальными для широкого спектра применений.Но как работает термопара?

Принцип работы термопары 

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека или термоэлектрическом эффекте, который относится к процессу преобразования тепловой энергии в электрическую. Эффект описывает электрическое напряжение, возникающее при соединении двух разных проводников, и то, как возникающее напряжение зависит от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проводов, каждый из которых имеет разные электрические свойства при разных температурах.Два металла соприкасаются — соприкасаются, скручены или сварены — на одном конце; это точка измерения . На другом конце находится точка подключения , названная так потому, что она подключается к считывателю напряжения. При изменении температуры в точке измерения меняется и электронная плотность каждой металлической проволоки. Эта переменная плотность электронов представляет собой напряжение , которое измеряется в точке соединения.

Обратите внимание, что термопары фактически не измеряют абсолютную температуру.Вместо этого они измеряют перепад температур между точкой измерения и точкой подключения. Вот почему для термопар также требуется компенсация холодного спая , которая гарантирует, что температура окружающей среды на соединительных клеммах холодного спая не изменяет результат измерения, что позволяет получать более точные показания.

Металлические пары в термопарах

Чтобы термопара работала хорошо, два ее провода должны иметь как можно больший контраст по отдельным электроотрицательностям.Это делается для того, чтобы считыватель напряжения мог обнаружить наибольшую термоэлектрическую разность напряжений.  

Термопары из недрагоценных металлов , известные как типы J, T, K, E и N, производят более высокие термоэлектрические напряжения, чем более дорогие благородные металлы, известные как типы R, S и B. Последний тип, однако, может выдерживать температуры до 3092°F (1700°C) или даже выше. Некоторые из распространенных пар металлов: железо и медь-никель (тип J), медь и медь-никель (тип T), а также никель-хром и никель-алюминий (тип K). Термопары из благородных металлов обычно изготавливаются из платины и родия (типы S, R и B).

WIKA USA производит широкий ассортимент высококачественных термопар с различными диапазонами температур, конфигурациями и материалами. Для получения дополнительной информации о том, как работает термопара, посмотрите этот короткий видеоролик или свяжитесь с нашими экспертами по измерению температуры.

Конструкция термопары для измерения температуры мелких насекомых

Конструкция термопары для измерения температуры мелких насекомых | Поиск по дереву

Перейти к основному содержанию

. gov означает, что это официально.

Веб-сайты федерального правительства часто заканчиваются на .gov или .mil. Прежде чем делиться конфиденциальной информацией, убедитесь, что вы находитесь на сайте федерального правительства.

Сайт защищен.

https:// гарантирует, что вы подключаетесь к официальному веб-сайту и что любая предоставленная вами информация шифруется и передается безопасно.

Тип публикации:

Научный журнал (JRNL)

Первичная(ые) станция(и):

Северная исследовательская станция

Источник:

КриоПисьма. 34(3): 261-266.

Описание

Контактные термопары часто используются для измерения изменений температуры поверхности тела насекомых при воздействии холода. Однако небольшие изменения температуры мельчайших насекомых бывает трудно обнаружить, особенно при измерении точек переохлаждения. Мы разработали две конструкции термопары, в которых используются медно-константановые провода диаметром 0,51 мм или 0,127 мм, чтобы улучшить нашу способность определять экзотермы насекомых.Мы протестировали конструкции на взрослых особях трех видов паразитоидов: Tetrastichus planipennisi, Spathius agrili и S. floridanus. Эти виды имеют длину <3 мм и <0,1 мг. Средние экзотермы были выше для термопар тонкого сечения, чем для термопар толстого сечения, для самого маленького протестированного вида, T. planipennisi. Это различие не было очевидным для более крупных видов S. agrili и S. floridanus. Конструкция термопары не влияла на среднюю температуру переохлаждения ни для одного из видов. Конструкция термопары «колыбель», разработанная с использованием проволоки тонкого сечения, была многоразовой и позволяла легко восстановить насекомое после воздействия холода.

Цитата

Хэнсон, А.А.; Венетт, Р.К. 2013. Конструкция термопары для измерения температуры мелких насекомых. КриоПисьма. 34(3): 261-266.

Примечания к публикации

• Мы рекомендуем вам также распечатать эту страницу и прикрепить ее к распечатке статьи, чтобы сохранить полную информацию о цитировании.
• Эта статья была написана и подготовлена ​​служащими правительства США в официальное время и поэтому находится в открытом доступе.

https://www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/43749

Требования к конструкции термопары на технологическом предприятии

В этой статье устанавливаются минимальные требования к использованию термопар на технологическом предприятии. Основные ключевые слова для этой статьи: «Требования к конструкции термопары на технологическом предприятии», «Соображения по применению термопар», «Ссылки на термопары»

«Ссылки на термопары»

В настоящем стандарте делается ссылка на следующие документы.Применяются последние издания, изменения и дополнения к этим документам, если не указано иное.

Американский институт нефти (API)
RP 550 Руководство по установке контрольно-измерительных приборов и систем управления
RP 551 Измерительные приборы для технологических процессов Таблицы температурно-электромоторных сил (ЭДС) для стандартизированных термопар

The Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA)
ISA/ANSI MC 96.1 – Термопары для измерения температуры

Определения

Для понимания настоящего стандарта применяются следующие определения:
Заземленный/незаземленный . Относится к наличию или отсутствию электрического соединения между «низкой» стороной элемента преобразователя и частью преобразователя, предназначенной для контакта с испытуемой конструкцией. Метод заземления должен быть указан как «внутренне незаземленный» или «с помощью отдельной шпильки».
Линейность. Характеристика устройства или системы, которая может быть описана линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.
Собственная частота. Частота свободных (не вынужденных) колебаний чувствительного элемента полностью собранного преобразователя.
Шум. Нежелательный компонент сигнала или переменной.
Чувствительный элемент. Та часть преобразователя, которая непосредственно реагирует на значение измеряемой переменной.
Щит. Окружающий заземленный металлический слой для ограничения электрического поля внутри кабеля и для защиты кабеля от внешнего электрического воздействия.
Термопара. Прибор для измерения температуры, развивающий электрическое напряжение при нагревании из-за комбинированного термоэлектрического эффекта из-за разного состава между двумя электрически соединенными проводниками (обычно проводами) и из-за разницы температур между соединением (горячим спаем) и другим концом проводников ( холодный спай).
Защитная гильза. Защитная гильза представляет собой герметичный сосуд, приспособленный для размещения чувствительного элемента температуры и снабженный внешней резьбой других средств для герметичного крепления к сосуду.

Конструкция и изготовление термопар и удлинительных проводов должны соответствовать ISA/ANSI MC 96.1. Установка приборов для измерения температуры должна соответствовать API-RP 550/551.

Требования к конструкции термопары на технологическом предприятии

• Все термопары, используемые на предприятиях, должны быть незаземлены, если только они не поставляются в составе комплектных единиц.
• Термопары типа T должны использоваться в диапазоне температур от -300°F (-195°C) до 200°F (95°C).
• Термопары типа K должны использоваться в диапазоне температур от 200°F (95°C) до 2000°F (1090°C).
• Термопары должны использоваться для контура индикации. Термопара с датчиком температуры также должна использоваться для контуров управления и отключения, если высокая температура не позволяет использовать RTD.
• Один сигнал термопары не должен быть подключен более чем к одному устройству.Для подключения к более чем одному устройству сигнал сначала должен быть преобразован в стандартный сигнал напряжения или тока.
• Термопары должны иметь металлическую оболочку, нержавеющую сталь 316 и минеральную изоляцию, диаметр стержня 6 мм (1/4 дюйма).
• Передача сигнала термопары должна быть экранирована для минимального шума.
• Экран проводки термопары должен быть заземлен только в одной точке.
• Таблицы силы электродвигателя при температуре см. в E 230-03.

Защитные гильзы

Для конструкций защитной гильзы и монтажных деталей.Кликните сюда.

Рекомендации по применению термопары

• Узел термопары должен включать ниппель 1/2 дюйма x 3 дюйма, штуцер 1/2 дюйма и ниппель ½ дюйма x 3 дюйма для крепления термопары к алюминиевой головке. Два ниппеля должны быть из нержавеющей стали 316SS. См. Рисунок-1.

• Узел термопары, состоящий из сенсора, защитной гильзы и соединительной головки (или преобразователя прямого монтажа), должен иметь сертификат опасной зоны для места установки.
  Для максимальной точности рекомендуется следующее:
• Используйте удлинительные проводные соединения, которые не содержат различных металлов между соединяемыми проводами, или используйте клеммные колодки из термопарного материала.
• Вставьте термопару в трубопровод или сосуд достаточно глубоко, чтобы истинная температура не снизилась за счет теплового потока от кончика защитной гильзы или термопары наружу сосуда или трубопровода
  . Как правило, диаметр вставки в четыре раза превышает диаметр защитной гильзы для трубы или резервуара без рубашки и в десять раз больше диаметра для трубы с рубашкой.
• Подпружинить термопару в защитной гильзе для обеспечения хорошего теплового контакта. Достаточно двух с половиной фунтов контакта.
• Избегайте размещения термопары в местах с высоким наведенным ЭДС или электрическими помехами. При необходимости следует использовать дополнительное оборудование для кондиционирования.
• Скорректируйте показания температуры для устранения нелинейности при калибровке термопары. Регистраторы обычно делают это на диаграмме или шкале. Программируйте компьютеры для исправления.
• Установите специальную процедуру калибровки.Термопары дрейфуют. Величина дрейфа будет зависеть от типа термопары, диапазона температур и условий окружающей среды.
• Изоляция проводов должна быть совместима с температурой окружающей среды. Для температуры окружающей среды до 100 град С допустим поливинилхлорид. При температуре выше 100°C требуется изоляция без асбеста.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Как использовать термопары в вашем следующем проекте | Проект

Марк Харрис

|&nbsp Создано: 14 декабря 2020 г.
&nbsp|&nbsp

Обновлено: 11 января 2021 г.

Термопары — последний тип датчика в серии, в которой мы рассматриваем все основные типы датчиков температуры, которые вы можете использовать в проекте электроники.В этой серии мы рассмотрели различные способы реализации различных датчиков температуры в вашем проекте. В конце серии мы сравним датчики и их реализации с реальными условиями. Благодаря этому реальному тестированию вы получите лучшее понимание того, как различные датчики ведут себя и реагируют на изменяющиеся условия, а также насколько линейны и точны их выходные данные о температуре.

Вы можете найти файлы дизайна для этого проекта, выпущенного под лицензией MIT с открытым исходным кодом, на GitHub, как и для всех других моих проектов.Вы можете использовать схемы или проект по своему усмотрению, даже для коммерческих проектов.

Датчики температуры жизненно важны для многих отраслей промышленности, а термопары — в большей степени. Термопары могут быть невероятно точными и иметь огромный диапазон измеряемых температур, что делает их идеальными для многих промышленных термостатов, систем управления технологическими процессами и мониторинга. В этой серии мы рассмотрим ряд различных типов датчиков и способы их наилучшего использования. Мы будем искать:

Ранее мы создали два шаблона проекта во введении к этой серии, посвященной датчикам температуры.Каждый из этих шаблонов проекта имеет одинаковый интерфейс и расположение разъемов, что позволит нам настроить стандартный тест для всех различных датчиков температуры, которые мы рассматриваем. Один из этих проектов предназначен для цифровых датчиков температуры, а другой — для аналоговых датчиков температуры. В этой статье мы будем использовать оба, используя шаблон цифрового проекта для АЦП высокого разрешения и аналоговый шаблон для всех других реализаций.

В заключение этой серии мы создадим две хост-платы для этих сенсорных карт, одна из которых предназначена для тестирования одной карты в целях проверки, а другая предназначена для взаимодействия со стопкой карт.Эта вторая хост-плата, когда на ней будет установлено несколько датчиков, будет использоваться при оценке производительности всех реализаций датчиков.

Термопары

Если вы хотите измерять экстремальные температуры помимо любого из датчиков, которые мы уже рассмотрели, то вам может понадобиться термопара. Термопары работают совершенно иначе, чем все другие датчики, которые мы рассмотрели, вместо того, чтобы измерять изменение сопротивления, термопары генерируют разность потенциалов (напряжение) от двух разных металлических сплавов, сваренных вместе.Это позволяет измерять от абсолютного нуля до температуры плавления железа и стали с помощью подходящей термопары. Термопары также имеют очень прочную конструкцию и не ломаются так легко, как любые другие датчики, которые мы рассматривали в этом проекте. Термопары не так точны, как датчик температуры сопротивления, но они достаточно точны для большинства приложений, особенно с учетом огромного диапазона температур.

Тот факт, что термопары генерируют электричество от температуры, также делает их ценными в космических исследованиях в качестве источника энергии.Тысячи термопар, соединенных последовательно вокруг источника радиоактивного тепла, создают радиоизотопный термоэлектрический генератор, который использовался в дальних космических миссиях, таких как зонды «Вояджер», «Кассини» и «Новые горизонты», а также марсоход «Кьюриосити» на Марсе.

Для наших целей термопара типа К, состоящая из никеля-хрома для положительного вывода и никель-алюминия для отрицательного вывода, является наиболее распространенным и самым дешевым типом термопары, которую мы будем использовать.С термопарой типа K вы можете измерять от -270°C до примерно 1372°C, что дает от -6,458 мВ до 54,886 мВ соответственно. Как видите, величина напряжения, генерируемого в этом огромном диапазоне температур, довольно минимальна, поэтому нам потребуется некоторая схема, чтобы иметь возможность измерять температуру по этому крошечному напряжению. Стоит отметить, что не все термопары типа K способны выдерживать максимальную температуру, которую может выдерживать тепловой спай — многие очень недорогие термопары типа K могут выдерживать только 500-700 ° C, прежде чем их изоляция ухудшится.Реализация недорогой термопары K-типа с более низкой температурой и более дорогой термопары K-типа с более высокой температурой, как правило, будет одинаковой, поскольку именно тепловой переход обеспечивает потенциал напряжения, который мы считываем. При этом не все металлы одинаковы, и некоторые более дешевые термопары могут использовать менее чистые металлы или иметь другие сокращения, которые могут сделать более дорогие варианты лучшим выбором.

Помимо рабочих характеристик термопары, при работе с термопарами необходимо учитывать и другие факторы, чтобы обеспечить ожидаемую точность.Для термопары следует использовать провод максимально возможного диаметра, если он не отводит тепло от области измерения. Я использовал термопары типа K от McMaster Carr, которые имеют проволоку 8 калибра с литыми керамическими секциями для изоляции, что идеально подходит для литья под давлением и термообработки. Толстый провод обеспечивает более низкое сопротивление провода, что обеспечивает более точное измерение, а также снижает вероятность его разрушения. Механическое напряжение и вибрация быстро повреждают вывод термопары, поэтому термопара должна быть максимально изолирована от обоих.Если у вас длинные провода термопары, используйте удлинитель из витой пары, экранированный для повышения устойчивости к помехам, которые могут затруднить точное считывание небольших напряжений, генерируемых горячим спаем. Если вы используете удлинительный провод, соединение с кабелем термопары должно быть как можно ближе к температуре микросхемы преобразования, так как интерфейс между удлинителем и термопарой находится там, где расположен холодный спай.

Однако точное считывание температуры с термопары не так просто, как усиление напряжения.Чтобы получить точное измерение, нам также нужна контрольная точка для измерения, обычно называемая холодным спаем. Подключая термопару к плате или просто к удлинителю, вы создаете соединение между двумя дополнительными разнородными металлами. Следовательно, вы создаете еще два термоэлектрических перехода в «холодном спае», где конец термопары, измеряющий температуру, является «горячим спаем».

Существует несколько методов компенсации холодного спая; однако большинство из них непрактично для печатной платы.Метод, используемый большинством ИС преобразования термопар, заключается в использовании температуры ИС в качестве смещения температуры перехода, поэтому обеспечение того, чтобы разъем для термопары был близок к вашей ИС преобразования и имел ту же температуру, что и ИС преобразования, имеет решающее значение для точного измерения. . В этом проекте мы будем рассматривать только использование термопары с интегральной микросхемой преобразования. Это значительно упрощает процесс без больших затрат по сравнению с добавлением дополнительных компонентов, не говоря уже о времени проектирования и тестирования, для выполнения компенсации холодного спая в коде вашего микроконтроллера.

В этом проекте мы реализуем два усилителя термопары, считывающие показания термопары типа K.

Реализация термопары: MAX31855

Это, пожалуй, самая популярная из доступных ИС интерфейса термопары, с разными моделями ИС для каждого типа термопары.MAX31855 поддерживает термопары типов K, J, N, T, S, R и E, охватывающие все, с чем вы, вероятно, столкнетесь в реальном мире. Буквенный суффикс после MAX31855 обозначает тип термопары, поэтому в этом проекте я использую MAX31855K ​​для работы с моей термопарой типа K. MAX31855 имеет внутренний 14-битный АЦП и передает его показания по шине SPI. Несмотря на способность считывать температуры от 1800°C до 270°C, АЦП обеспечивает разрешение 0,25°C с точностью +/- 2°C для термопар типа K в диапазоне от -200°C до +700°C. Как упоминалось выше, компенсация холодного спая имеет жизненно важное значение для точных измерений с помощью термопары, и MAX31855 прозрачно позаботится об этом наряду с преобразованием сигнала на выходе термопары.

Хотя MAX31855 использует SPI, это устройство только для чтения, поэтому он не использует вывод MOSI, который требует только 3 линии данных для интегральной схемы. В зависимости от других устройств SPI, которые вы можете использовать, это может сэкономить вам вывод микроконтроллера или, по крайней мере, сделать маршрутизацию более доступной для термопары в цифровом преобразователе IC.Поскольку мы говорим о коммуникационном протоколе, исходя из практического опыта, не следует выполнять запросы на быстрое преобразование к MAX31855 — в противном случае могут быть получены ложные результаты. Я считаю, что 4 запроса в секунду — это безопасная скорость запроса температуры, обеспечивающая предоставление надежных данных.

Реализация MAX31855 невероятно проста, требуется всего 2 пассива и порт SPI на микроконтроллере. Этот датчик напрямую преобразует выходное напряжение термопары в цифровое значение температуры, что делает реализацию с помощью микроконтроллера очень быстрой и простой.

Рис. 1. Подключение термопары

Для подключения термопары я использую низкопрофильный штекерный разъем домашнего типа от AVX для подключения термопары, той же серии, что и в моем контроллере освещения RGBW. Этот разъем идеально подходит для этих тестовых плат, поскольку его малая высота позволяет устанавливать платы друг на друга, не мешая разъему, а также обеспечивает очень простой способ надежного подключения термопары.

Рис. 2. 3D-печатная плата MAX31855

Я оставляю терморазрыв на месте для этой конструкции платы, так как хочу, чтобы измеренные температуры были одинаковыми на разных тестовых платах, которые мы изготавливаем.Я приклею горячий спай термопары к печатной плате в том же месте, где другие датчики размещены каптоновой лентой. Это размещение должно дать нам согласованные измерения по сравнению с другими тестовыми платами в серии.

Как упоминалось ранее, разъем должен располагаться как можно ближе к микросхеме преобразования. Следовательно, они находятся рядом друг с другом, а между ними находится развязывающий конденсатор для термопары.

Реализация термопары: AD8495

Компания Analog Devices предлагает инструментальный усилитель со встроенной компенсацией холодного спая.Выход этого устройства является аналоговым и поэтому может использоваться для ограничения температуры и приложений безопасности, которые дублируют микроконтроллер, или в чисто аналоговой схеме. Вы по-прежнему можете считывать выходные данные с помощью микроконтроллера, однако при 5 мВ/°C вы, вероятно, захотите использовать внешний АЦП с высоким разрядом, чтобы обеспечить точное считывание температуры.

Усилители термопар серии AD849x работают от одного источника питания, однако могут считывать температуры ниже нуля, когда напряжение термопары отрицательное.Хотя AD8495 может подавать на нагрузку ток до 5 мА, это приведет к самонагреву, который, как обсуждалось в предыдущих статьях этой серии, приводит к неточным показаниям. В этом случае речь идет не о температуре термопары, а о температуре холодного спая и, следовательно, о компенсации температуры холодного спая. Если ваше приложение, использующее AD8495, требует более чем символическую величину тока, вы должны использовать повторитель напряжения для подачи тока и обеспечить вход с высоким импедансом для выхода AD8495.Реализация инструментального усилителя AD849x обеспечивает превосходное подавление синфазных помех, которые могут быть уловлены длинными кабелями термопар.

AD8495, который мы используем в этом проекте, оптимизирован для работы в диапазоне температур от 0°C до 50°C, однако может считывать весь диапазон термопары типа K. AD8494 имеет тот же температурный диапазон, что и термопара J-типа. Если требуется более высокая температура для рабочего диапазона холодного спая/преобразователя, AD8496 и AD8497 предлагают оптимизированный рабочий диапазон от 25°C до 100°C для термопар типа J и типа K соответственно.

Предположим, вы работаете с очень высокими температурами в своем проекте и хотите добавить функции безопасности, которые будут работать независимо от того, что происходит с микроконтроллером. В этом случае вы можете использовать AD8495 с аналоговым компаратором для отключения нагревательного элемента. Цифровые выходы просты и позволяют получать точные показания; однако иногда вам нужен аналоговый выход для дополнительной (или основной) функции безопасности в устройстве.

Реализация AD8495 не так проста, как MAX31855, так как для считывания отрицательных температур нам необходимо обеспечить смещение постоянного тока для сигнала, если мы собираемся использовать один источник питания и хотим получить положительное выходное напряжение во всем диапазоне датчик.Выходное напряжение определяется как:

Рис. 3. Уравнение выходного напряжения

Следовательно, мы знаем, что 100°C создаст увеличение выходного напряжения на 0,5 В, так как в этой реализации термопары термопара будет прикреплена к печатной плате, на которой размещена микросхема преобразователя, мы не собираемся испытать то, что термопара типа К считала бы экстремальными температурами. Обеспечивая смещение 1,25 В, поэтому 0°C будет равняться 1,25 В, мы можем измерять температуры до -250°C и до 410°C, оба из которых превышают возможности ИС преобразователя и платы, на которой она установлена. к.Я мог бы использовать более низкое опорное напряжение. Однако здесь я иду против таблицы, и 1,25 В для меня очень удобно.

Чтобы обеспечить опорное напряжение, в техническом описании рекомендуется не использовать делитель напряжения напрямую, а вместо этого использовать операционный усилитель или буферный усилитель для буферизации напряжения делителя на контакте Ref. При сравнении стоимости источник опорного напряжения MAX6070 на 1,25 В является более дешевым решением, а также более точным, поскольку у него самое низкое выходное напряжение из всех опорных напряжений в моей библиотеке.

Рис. 4. Схема AD8495

Реализованная схема по-прежнему относительно проста для усилителя термопары с компенсацией холодного спая, но не так проста, как цифровой преобразователь. Что я нахожу интересным в контакте REF, так это то, что вместо того, чтобы просто использовать здесь источник опорного напряжения или делитель напряжения, мы могли бы также добавить потенциометр к резистивному делителю, чтобы обеспечить точную настройку термопары, чтобы предложить высокоточную калиброванную схему, если бы мы хотели .

Рис. 5.Схема печатной платы AD8495

Печатная плата очень похожа на MAX31855, с разъемом для термопары и развязывающим конденсатором, расположенными рядом друг с другом, что обеспечивает хорошую компенсацию холодного спая. Как и в MAX31855, мы будем прикреплять горячий спай термопары к печатной плате с помощью каптоновой ленты в том же месте, что и датчики других типов, которые мы рассматривали в этой серии.

Радиочастотный фильтр термопары

Если вы планируете использовать термопару в неблагоприятных условиях РЧ/ЭМП, рассмотрите возможность добавления простого резистивно-емкостного фильтра к линиям термопары.Я не буду добавлять это к печатной плате, которую мы делаем в этом проекте, однако, учитывая распространенность термопар в промышленных приложениях и приложениях для мониторинга процессов, я считаю, что это стоит отметить.

Заключение

Вы можете найти подробную информацию о каждой из этих тестовых печатных плат со всеми другими реализациями датчиков температуры на GitHub. Эти платы выпущены под лицензией MIT с открытым исходным кодом, поэтому вы можете создавать их самостоятельно, внедрять их схемы в свои проекты или использовать их по своему усмотрению.

Обязательно ознакомьтесь с другими проектами из этой серии, если вас интересуют датчики температуры, так как вы можете найти более дешевую альтернативу использованию термопары или другой вариант, который подойдет для вашего проекта. В конце этой серии вы увидите сравнение между всеми различными типами датчиков, чтобы вы могли напрямую сравнить, как разные реализации датчиков работают в различных условиях по отношению друг к другу.

Хотите узнать больше о том, как Altium Designer® может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Поговорите с экспертом Altium.

Высокоэффективная гибкая термопара металл-кремний | Научные отчеты

Типы термопар, соединения, разъемы и типы наконечников | Введение в непрерывное измерение температуры

Термометры сопротивления

представляют собой полностью пассивные чувствительные элементы, требующие подачи внешнего источника электрического тока для работы в качестве датчиков температуры.Однако термопары генерируют собственный электрический потенциал. В некотором смысле это делает системы с термопарами более простыми, поскольку устройству, принимающему сигнал термопары, не нужно подавать электроэнергию на термопару. Это также делает системы термопар потенциально более безопасными, чем термометры сопротивления, в приложениях, где в атмосфере могут присутствовать взрывоопасные соединения, поскольку уровни мощности, генерируемые термопарой, обычно меньше, чем уровни мощности, рассеиваемые термометром сопротивления. Автономный характер термопар также означает, что они не страдают от такого же эффекта «самонагревания», как термометры сопротивления.

Однако в других отношениях схемы с термопарами более сложны и проблематичны, чем схемы RTD, потому что генерация напряжения фактически происходит в двух разных местах внутри цепи, а не просто в точке измерения. Это означает, что принимающая схема должна «компенсировать» температуру в другом месте, чтобы точно измерить температуру в нужном месте.

Хотя термопары обычно не так точны, как термометры сопротивления, они более прочны, имеют больший диапазон измерения температуры и проще в изготовлении в различных физических формах.

Соединения разнородных металлов

Когда две разнородные металлические проволоки соединены вместе на одном конце, на другом конце создается напряжение, которое примерно пропорционально температуре. Другими словами, соединение двух разных металлов ведет себя как чувствительная к температуре батарея. Эта форма электрического датчика температуры называется термопарой :

.

Это явление дает нам простой способ определить температуру с помощью электричества: просто измерьте напряжение, создаваемое переходом, и вы сможете определить температуру этого перехода.И все было бы так просто, если бы не неизбежное последствие электрических цепей: когда мы подключаем какой-либо электрический прибор к проводам термопары, мы неизбежно получаем еще один спай разнородных металлов. Следующая схема показывает этот факт, где переход железо-медь \(J_1\) обязательно дополняется вторым переходом железо-медь \(J_2\) противоположной полярности:

Соединение \(J_1\) — это соединение железа и меди — двух разнородных металлов, — которое будет генерировать напряжение, связанное с температурой.Обратите внимание, что соединение \(J_2\), которое необходимо для того простого факта, что мы должны каким-то образом соединить наш вольтметр с медным проводом с железным проводом, также является соединением из разнородного металла, которое также будет генерировать напряжение, связанное с температурой. Далее обратите внимание, что полярность соединения \(J_2\) отличается от полярности соединения \(J_1\) (железо = положительное, медь = отрицательное). Третье соединение (\(J_3\)) также существует между проводами, но оно не имеет значения, поскольку представляет собой соединение двух одинаковых металлов, которое вообще не создает зависящее от температуры напряжение.

Наличие второго перехода, генерирующего напряжение (\(J_2\)) помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система находится при комнатной температуре: любое напряжение, генерируемое переходами железо-медь, будет равным по величине и противоположным в полярности, в результате чего чистое (суммарное) напряжение равно нулю. Только когда два перехода \(J_1\) и \(J_2\) находятся при различных температурах, вольтметр вообще зарегистрирует какое-либо напряжение.

Математически это отношение можно выразить следующим образом:

\[V_{метр} = V_{J1} — V_{J2}\]

Если измерительное (\(J_1\)) и опорное (\(J_2\)) напряжения перехода противопоставлены друг другу, вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями.

Таким образом, термопарные системы в основном представляют собой дифференциальные датчики температуры. То есть они обеспечивают электрическую мощность, пропорциональную разнице температур между двумя разными точками. По этой причине соединение проводов, которое мы используем для измерения интересующей температуры, называется измерительным соединением , в то время как другое соединение (которое мы не можем исключить из схемы) называется эталонным соединением (или холодным спаем , потому что он обычно имеет более низкую температуру, чем место соединения для измерения процесса).

Большая часть сложности термопар связана с напряжением холодного спая и с тем, как мы должны справляться с этим (нежелательным) потенциалом при использовании термопары в качестве измерительного устройства. Для большинства практических применений мы просто хотим измерить температуру в одном месте, а не разницу температур между двумя точками, что, естественно, делает термопара. Существует ряд различных методов решения этой проблемы — заставить дифференциальный датчик температуры работать как одноточечный датчик температуры — и мы рассмотрим наиболее распространенные методы в этом разделе.

Как студенты, так и работающие профессионалы часто находят эту концепцию условного перехода и ее эффектов бесконечно запутанными. Мой совет сбитым с толку: вернитесь к простой схеме медно-железных проводов, показанной ранее в качестве «отправной точки», а затем выведите ее поведение из первых принципов. Мы знаем, что соединение разнородного металла создает напряжение с температурой. Мы также знаем, что для того, чтобы составить полную цепь из железного и медного провода , где-то еще в той же цепи должен быть второй переход железо-медь, полярность которого обязательно противоположна первому .Если мы назовем первый переход железо-медь \(J_1\), а второй переход \(J_2\), мы обязательно должны заключить, что чистое напряжение, зарегистрированное вольтметром в этой цепи, будет \(V_{J1} — V_{ J2}\).

Все цепи термопар, как простые, так и сложные, обладают этим фундаментальным свойством. Мысленное построение простой цепи из двух проводов из разнородного металла, а затем выполнение «мысленных экспериментов», чтобы увидеть, как эта цепь будет вести себя с этими соединениями при одинаковой температуре, а также при разных температурах, — это лучший способ, который я могу предложить любому человеку для понимания термопар. .Учащиеся особенно склонны справляться со сложностью посредством запоминания: запоминая крылатые фразы и формулы, такие как \(V_{метр} = V_{J1} — V_{J2}\). Это плохой механизм преодоления трудностей, поскольку он создает иллюзию понимания без всякого содержания. Настоящий секрет в том, чтобы знать, почему цепь термопары действует именно так, а это приходит только путем практических рассуждений. В оставшейся части этого раздела, когда мы исследуем компенсацию холодного спая, как интерпретировать измерения напряжения в цепях термопары и как моделировать термопары при температуре, мы будем постоянно возвращаться к этой простой схеме из медно-железных проводов, чтобы освежить наше понимание того, как и почему цепи термопар ведут себя. Если вы поймете эту фундаментальную концепцию, все остальное станет для вас понятным. Если вас постоянно смущают схемы термопар, значит, вы еще не до конца понимаете эту базовую схему, и вам нужно вернуться к ней и обдумать, пока не поймете.

Типы термопар

Термопары существуют во многих различных типах, каждый из которых имеет свою цветовую маркировку для проводов из разнородных металлов. Вот таблица, показывающая наиболее распространенные типы термопар и их стандартизированные цвета, а также некоторые отличительные характеристики типов металлов, помогающие определить полярность, когда цвета проводов не видны четко:

& \textit{характерный} & \textit{характерный} & & \cr & \textit{желтого цвета} & \textit{серебристый} & & \cr & \textit{магнитный, ржавый?} & \textit{не- магнитный} & & \cr & \textit{блестящая отделка} & \textit{матовая отделка} & & \cr & \textit{немагнитный} & \textit{магнитный} & & \cr

Тип	Положительный провод	Минусовой провод и вилка и темп. {o}$F

В типах S и B используется провод из платины или платино-родиевого сплава с различным легированием, отличающим положительный провод от отрицательного. Иногда тип B окрашен в зеленый и красный цвета, а не в серый и красный.

Обратите внимание, что отрицательный (\(-\)) провод каждого типа термопары имеет цветовую кодировку красный . Хотя это может показаться устаревшим для тех, кто знаком с современной электроникой (где красный и черный обычно обозначают положительный и отрицательный полюсы источника питания постоянного тока соответственно), имейте в виду, что цветовая маркировка термопары на самом деле предшествовала окраске проводов электронного блока питания!

Помимо различных рабочих температурных диапазонов, эти типы термопар также отличаются атмосферой, которую они могут выдерживать при повышенных температурах.Термопары типа J, например, из-за того, что один из типов проводов представляет собой железо , будут быстро подвергаться коррозии в любой окислительной атмосфере. Термопары типа K подвергаются воздействию восстановительной атмосферы, а также серы и цианида. Термопары типа T ограничены по верхней температуре окислением меди (очень химически активный металл в горячем состоянии), но достаточно хорошо выдерживают как окислительную, так и восстановительную атмосферу при более низких температурах, даже во влажном состоянии.

Последнее замечание по типам термопар, показанным в этой таблице, заключается в том, что указанные диапазоны температур являются приблизительными и варьируются в зависимости от предполагаемой точности измерения.Возможно, придется оставаться в более ограниченном диапазоне температур, чем показано в этой таблице, если от термопары требуется определенный минимальный уровень точности. Для получения подробной информации обратитесь к данным производителей!

Типы разъемов и наконечников

В своей простейшей форме термопара представляет собой не что иное, как пару соединенных вместе проводов из разнородных металлов. Однако в производственной практике нам часто приходится упаковывать термопары в более прочную форму, чем стык из голого металла. Например, большинство промышленных термопар изготавливаются таким образом, что провода из разнородных металлов защищены от физического повреждения оболочкой из нержавеющей стали или керамики , и они часто снабжены вилками из формованного пластика для быстрого подключения и отсоединения от них. прибор на основе термопары.

На фотографии промышленной термопары типа K (примерно 20 дюймов в длину) видна конструкция с «оболочкой» и «разъемом»:

Оболочка из нержавеющей стали этой конкретной термопары имеет признаки обесцвечивания от предыдущего использования в горячем процессе. Обратите внимание на разные диаметры штекерных клемм. Эта «поляризованная» конструкция затрудняет вставку обратной стороной в соответствующее гнездо.

Миниатюрная версия этой же вилки (предназначенная для крепления к проводу термопары с помощью винтовых клемм, а не для приваривания к концу узла в оболочке) показана здесь, расположенная рядом с шариковой ручкой для сравнения размеров:

Термопары промышленного класса

доступны с этим миниатюрным формованным концом вилки в качестве альтернативы более крупной (стандартной) вилке. Миниатюрные заглушки часто являются предпочтительным выбором для лабораторных приложений, в то время как заглушки стандартного размера часто предпочтительны для полевых приложений.

Некоторые промышленные термопары вообще не имеют литой вилки, а заканчиваются просто парой открытых концов проводов. На следующей фотографии показана термопара типа J такой конструкции:

Если электронный измерительный прибор (например, преобразователь температуры) расположен достаточно близко, чтобы провода термопары доставали до соединительных клемм, то в цепи вообще не требуется вилка или розетка.Однако, если расстояние между термопарой и измерительным прибором слишком велико, чтобы его можно было соединить с собственными проводами термопары, распространенным методом заделки является присоединение специальной клеммной колодки и соединительной «головки» к верхней части термопары, позволяющей подключить пару термопар. удлинительные провода для подключения и подачи сигнала милливольтажа к измерительному прибору.

На следующей фотографии показан крупный план такой «головки» термопары:

Как видно на этой фотографии, винты прижимаются непосредственно к цельнометаллическим проводам термопары, обеспечивая прочное соединение между каждым проводом и латунной клеммной колодкой.Поскольку «головка» прикрепляется непосредственно к одному концу термопары, провода термопары будут обрезаны ровно настолько, чтобы зацепиться с клеммными винтами внутри головки. Обе латунные клеммные колодки установлены на керамическом основании, предназначенном для выравнивания температур между двумя латунными колодками при сохранении электрической изоляции. Эту сборку иногда называют изотермической клеммной колодкой , поскольку она поддерживает общую температуру всех точек соединения («изотермическая» = «одинаковая температура»).Крышка с резьбой на головке обеспечивает легкий доступ к этим точкам соединения для установки и обслуживания, а также гарантирует, что соединения закрыты и защищены от погодных условий окружающей среды в остальное время.

Провода для термопар чаще всего изготавливаются в твердом, а не в многожильном виде. Распространенная ошибка, которую допускают с проводами термопар, заключается в том, что технические специалисты обжимают обжимные клеммы («наконечники») на сплошных проводах. Хотя поначалу это может формировать пригодное для использования соединение, клеммы компрессионного типа просто не могут поддерживать адекватное сжатие при применении к сплошному проводу любого типа, включая провод термопары.Со временем одножильные провода ослабнут внутри компрессионных клемм, что приведет к проблемам в цепи. В случае цепи термопары плохое соединение проводов приводит к ситуации, когда принимающий прибор «думает», что термопара не разомкнулась. Эта ситуация обычно называется выгоранием , имея в виду явление, когда спай термопары не открывается из-за «выгорания» чрезмерной температурой.

Чаще всего вы обнаружите, что компрессионные клеммы (неправильно) применяются к наконечникам сплошных проводов термопары, где эти провода должны заканчиваться под головкой винта. Компрессионные клеммы правильно использовать в приложениях, где многожильный провод заканчивается головкой винта, а не одножильным проводом. Надлежащая техника заделки одножильного провода под головкой винта состоит в том, чтобы обернуть одножильный провод полукругом и зажать его непосредственно под головкой винта.

На другом конце термопары у нас есть выбор стилей наконечников. Для максимальной чувствительности и быстрого отклика переход из разнородного металла может быть незащищенным. Однако такая конструкция делает термопару более хрупкой.Наконечники с защитной оболочкой типичны для промышленного применения, доступны в формах с заземлением или без заземления :

Термопары с заземленным наконечником демонстрируют более быстрое время отклика и большую чувствительность, чем термопары с незаземленным наконечником, но они уязвимы для контуров заземления : замкнутых путей для электрического тока между проводящей оболочкой термопары и какой-либо другой точкой в ​​цепи термопары. Чтобы избежать этого потенциально неприятного эффекта, большинство промышленных термопар имеют незаземленную конструкцию.

Ручная интерпретация напряжений термопар

Напомним, что величина напряжения, показываемая вольтметром, подключенным к термопаре, представляет собой разность между напряжением, создаваемым измерительным спаем (точкой, где два разнородных металла соединяются в месте, где мы хотим измерить температуру) и напряжением производится эталонным спаем (точка соединения проводов термопары с проводами вольтметра):

\[V_{метр} = V_{J1} — V_{J2}\]

Это делает термопары по своей сути дифференциальными чувствительными устройствами: они генерируют измеряемое напряжение пропорционально разнице температуры между двумя точками.Этот неизбежный факт цепей термопары усложняет задачу интерпретации любого измерения напряжения, полученного от термопары.

Чтобы перевести измерение напряжения, полученное вольтметром, подключенным к термопаре, мы должны добавить напряжение, создаваемое измерительным спаем (\(V_{J2}\)) к напряжению, показанному вольтметром, чтобы найти напряжение производится измерительным соединением (\(V_{J1}\)). Другими словами, мы преобразуем предыдущее уравнение в следующую форму:

.

\[V_{J1} = V_{J2} + V_{метр}\]

Мы можем определить напряжение эталонного спая, поместив термометр рядом с этим спаем (где провод термопары присоединяется к измерительным выводам вольтметра) и сверившись с таблицей термопар , показывающей температуры и соответствующие напряжения для этого типа термопары.Затем мы можем взять сумму напряжений для \(V_{J1}\) и повторно обратиться к той же таблице, найдя значение температуры, соответствующее рассчитанному измерительному напряжению перехода. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в США публикует таблицы, показывающие напряжения и температуры перехода для стандартных типов термопар. Хотя можно математически смоделировать напряжение перехода термопары таким же образом, как мы можем смоделировать сопротивление термометра сопротивления, функции для термопар менее линейны, чем для термометров сопротивления, поэтому для практического использования гораздо предпочтительнее использовать таблицы.

Для иллюстрации предположим, что мы подключили вольтметр к термопаре типа К и измерили 14,30 мВ. Термометр, расположенный рядом с точкой соединения провода термопары и вольтметра, показывает температуру окружающей среды 73 градуса по Фаренгейту. Ссылаясь на таблицу напряжений для термопар типа K (в данном случае эталон NIST «ITS-90»), мы видим, что переход типа K при 73 градусах по Фаренгейту соответствует 0,910 мВ. Прибавив эту цифру к нашему метру 14,30 милливольт, мы получим сумму 15.{o}\)F), мы можем более точно определить точку измерения как 701,3 градуса по Фаренгейту.

Процесс ручного измерения напряжения, обращения к таблице значений милливольтажа, выполнения сложения, а затем повторного обращения к той же таблице довольно утомителен. Компенсация неизбежного присутствия холодного спая в цепи термопары — это то, что мы должны делать, но это не то, что всегда должен делать человек. В следующем подразделе обсуждаются способы автоматической компенсации влияния холодного спая, который является единственной практической альтернативой для приборов измерения температуры на основе термопар непрерывного действия. {о}\)F).Если эталонный спай поддерживается при температуре замерзания воды, а таблицы термопар привязаны к этой конкретной температуре холодного спая, показания вольтметра всегда будут просто и напрямую соответствовать температуре измерительного спая \(J_1\).

Однако фиксация холодного спая при температуре замерзающей воды нецелесообразна для любого реального применения термопары за пределами лаборатории. Вместо этого нам нужно найти какой-то другой способ компенсации изменений температуры холодного спая, чтобы мы могли точно интерпретировать температуру измерительного спая, несмотря на случайные изменения температуры холодного спая.

Практический способ компенсации напряжения холодного спая состоит в том, чтобы включить в цепь термопары дополнительный источник напряжения, равный по величине и противоположный по полярности напряжению холодного спая. Если это дополнительное напряжение будет постоянно равняться потенциалу эталонного спая, оно будет точно противодействовать напряжению эталонного спая, в результате чего на клеммах измерительного прибора появится полное (измерительное) напряжение. Это называется компенсацией холодного спая или компенсацией холодного спая цепь:

Чтобы такая стратегия компенсации работала, компенсирующее напряжение должно постоянно отслеживать напряжение, создаваемое эталонным спаем.Для этого источник компенсирующего напряжения (\(V_{rjc}\) на приведенной выше схеме) использует какое-либо другое устройство для измерения температуры, такое как термистор или RTD, для измерения локальной температуры на клеммной колодке, где соединение \(J_2\ ) формируется и создает встречное напряжение, которое точно равно и противоположно напряжению \(J_2\) (\(V_{rjc} = V_{J2}\)) в любое время. Отменив влияние эталонного спая, вольтметр теперь регистрирует только напряжение, создаваемое измерительным спаем \(J_1\):

\[V_{метр} = V_{J1} — V_{J2} + V_{rjc}\]

\[V_{метр} = V_{J1} + 0 \hskip 20pt \hbox{(Если } V_{rjc} = V_{J2} \hbox{)}\]

\[V_{метр} = V_{J1}\]

Некоторые производители измерительных приборов продают модули электронных ледовых точек , предназначенные для компенсации холодного спая некомпенсированных приборов, таких как стандартные вольтметры. Схема «ледяной точки» выполняет функцию, показанную \(V_{rjc}\) на предыдущей диаграмме: она вводит противодействующее напряжение, чтобы нейтрализовать напряжение, генерируемое эталонным спаем, так что вольтметр «видит» только напряжение на измерительном переходе. Это компенсирующее напряжение поддерживается на надлежащем уровне в соответствии с температурой терминала, где провода термопары подключаются к модулю точки замерзания, измеряемой термистором или резистивным датчиком температуры:

.

В этом примере мы видим измерительный переход (J1) при температуре 570 градусов по Фаренгейту, генерирующий напряжение 16.266 милливольт. Если бы эта термопара была напрямую подключена к измерителю, измеритель зарегистрировал бы только 15,218 мВ, потому что эталонный спай (J2, 69 градусов по Фаренгейту) противостоит собственному напряжению 1,048 мВ. Однако с установленной схемой компенсации точки льда 1,048 мВ эталонного спая компенсируется равным и противоположным источником 1,048 мВ схемы точки льда. Это позволяет полному сигналу 16,266 мВ от измерительного соединения достигать вольтметра, где его можно считать и сопоставить с температурой с помощью таблицы термопары типа J.

На первый взгляд может показаться бессмысленным создавать схему компенсации холодного спая (ледяная точка), поскольку для этого требуется использование какого-либо другого элемента, чувствительного к температуре, например, термистора или резистивного датчика температуры. В конце концов, зачем делать это только для того, чтобы иметь возможность использовать термопару для точного измерения температуры, когда мы могли бы просто использовать это «другое» устройство для непосредственного измерения температуры процесса? Другими словами, не обесценивается ли полезность термопары, если мы должны полагаться на какой-то другой тип электрического датчика температуры только для того, чтобы компенсировать идиосинкразию термопары?

Ответ на этот очень хороший вопрос заключается в том, что термопары обладают определенными преимуществами по сравнению с другими типами датчиков. Термопары чрезвычайно прочны и имеют гораздо больший диапазон измерения температуры, чем термисторы, термометры сопротивления и другие первичные чувствительные элементы. Однако, если приложение не требует чрезвычайной прочности или больших диапазонов измерений, термистор или RTD , скорее всего, будет лучшим выбором !

Закон промежуточных металлов

Крайне важно понимать, что явление «эталонного спая» является неизбежным следствием необходимости замкнуть петлю электрической цепи в цепи, изготовленной из разнородных металлов.Это справедливо независимо от количества используемых металлов. В последнем примере задействовано всего два металла: железо и медь. Это сформировало один переход железо-медь (\(J_1\)) на конце измерения и один переход железо-медь (\(J_2\)) на конце индикатора. Напомним, что соединение медь-медь \(J_3\) не имело значения, поскольку его идентичный металлический состав не создает теплового напряжения:

А как насчет более сложных цепей термопар, включающих более двух типов проводов? Как мы определяем, что такое «эталонный спай» или как он себя ведет, когда у нас есть более двух спаев из разнородных металлов в одной и той же цепи? Возьмем, к примеру, этот пример термопары типа J:

.

Здесь мы имеем три генерирующих напряжение перехода: \(J_1\) из железа и константана, \(J_2\) из железа и меди и \(J_3\) из меди и константана.При первом рассмотрении может показаться, что мы имеем гораздо более сложную ситуацию, чем с двумя металлами (железом и медью), но, к счастью, ситуация так же проста, как и раньше, при температурах \(J_2\) и \( J_3\) равны, что будет верно, если эти два перехода расположены очень близко друг к другу (у вольтметра).

Принцип термоэлектрических цепей, называемый Законом промежуточных металлов , помогает нам ясно это увидеть. Согласно этому закону промежуточные металлы в ряду переходов не влияют на общее (чистое) напряжение, если все эти промежуточные переходы имеют одинаковую температуру.Представляя это графически, чистый эффект соединения четырех разных металлов (A, B, C и D) будет таким же, как если бы первый и последний металл в этой серии (A и D) были соединены одним соединением. если все промежуточные соединения имеют одинаковую температуру:

Простое доказательство закона промежуточных металлов может быть построено на законе сохранения энергии , одном из самых фундаментальных принципов во всей физике. Подумайте, что произойдет, если мы соединим ряд разнородных металлических проводов, показанных выше, в непрерывную петлю:

На этой диаграмме мы видим, что провод из металла «А» соединяется с цепочкой металлических соединений, образованных металлами «В», «С» и «D».Если все эти разнородные металлические соединения имеют одинаковую температуру, нигде в цепи не будет разности температур, вызывающей ток, и поэтому мы ожидаем, что ток в этой цепи будет равен нулю. Это соответствует Закону Сохранения Энергии, который запрещает прохождение электрического тока по резистивному проводу без какого-либо источника движущей силы, управляющего им. Таким образом, основываясь на предположении, что энергия должна сохраняться (т. е. что электрический ток не может течь через какое-либо сопротивление без источника питания), мы должны заключить, что суммарный эффект всех этих последовательно соединенных металлических соединений при одной и той же температуре должен быть равен ноль . Другими словами, соединения AB, BC, CD и DA, имеющие одинаковую температуру и соединенные последовательно , должны генерировать нулевое напряжение, как если бы все эти соединения были сведены к одному соединению AA, которое, конечно, не может создавать никакой электродвижущей силы ( напряжение), потому что он не состоит из разнородных металлов. Если бы закон промежуточных металлов был неверным, это означало бы, что соединения ABCD на 90 742, а не 90 743 эквивалентны одиночному соединению AD, а это означало бы, что они будут производить другое напряжение, чем соединение DA на правом конце этой цепи ( при той же температуре), и, следовательно, эта схема будет создавать некоторое чистое напряжение для непрерывного пропускания тока через резистивный провод в нарушение закона сохранения энергии.Поскольку мы знаем, что закон сохранения энергии хорошо обоснован (и мы также можем построить таких петлевых контура из разнородных металлов и эмпирически определить их токи равными нулю), мы можем быть уверены, что закон промежуточных металлов верен.

В нашей схеме термопары типа J, где железо и константан соединяются с медью, мы видим медь в качестве промежуточного металла между соединениями \(J_2\) и \(J_3\). Будучи расположенными рядом друг с другом на показывающем приборе, одинаковая температура является разумным предположением для \(J_2\) и \(J_3\), поэтому мы можем применить закон промежуточных металлов и просто рассматривать соединения \(J_2\) и \ (J_3\) в качестве одиночного соединения железо-константан .Другими словами, закон промежуточных металлов говорит нам, что мы можем одинаково обращаться со следующими двумя цепями:

Практическая важность этого закона заключается в том, что мы всегда можем рассматривать эталонный спай(и) как одиночный спай, сделанный из тех же двух типов металлов, что и измерительный спай, при условии, что все спаи из разнородных металлов в эталонном месте находятся в одном и том же месте. температура.

Этот факт чрезвычайно важен в эпоху полупроводниковых схем, когда соединение термопары с электронным усилителем включает в себя длинный ряд соединений из разнородных материалов. Здесь мы видим множество опорных спаев, образованных необходимыми соединениями от провода термопары до кремниевой подложки внутри микросхемы усилителя:

Здесь мы видим, как металлы провода термопары (тип J – железо и константан) соединяются с парой латунных клеммных винтов, которые, в свою очередь, соединяются с медными дорожками на печатной плате, которые соединяются свинцово-оловянным припоем, которые соединяются к тонким проводам из ковара, которые заканчиваются золотыми дорожками на кремниевом чипе, которые связаны с самим кремнием.

Должно быть очевидно, что каждая дополнительная пара соединений в этой последовательной петле компенсирует друг друга, если каждая пара имеет одинаковую температуру (например, соединение золото-кремний \(J_{12}\) компенсируется соединением кремний-золото \(J_{13 }\), потому что они генерируют точно такое же количество напряжения с противоположными полярностями; переход Ковар-золото \(J_{10}\) компенсируется переходом золото-Ковар \(J_{11}\) по той же причине; и т. д.) . Закон промежуточных металлов делает еще один шаг вперед, говоря нам, что соединения от \(J_2\) до \(J_{13}\), взятые вместе последовательно, имеют тот же эффект, что и единичное эталонное соединение железа и константана.Автоматическая компенсация эталонного спая так же проста, как противодействие напряжению, создаваемому этим эквивалентным переходом железо-константан, при любой температуре спаев от \(J_2\) до \(J_{13}\).

Программная компенсация

Ранее предполагалось, что автоматическая компенсация может быть выполнена путем преднамеренного включения источника напряжения, зависящего от температуры, последовательно со схемой, ориентированного таким образом, чтобы противостоять напряжению эталонного спая:

\[V_{метр} = V_{J1} — V_{J2} + V_{rjc}\]

Если источник последовательного напряжения \(V_{rjc}\) точно равен по величине напряжению эталонного спая (\(V_{J2}\)), эти два члена исключаются из уравнения и приводят к измерению только вольтметром напряжение измерительного перехода \(J_1\):

\[V_{метр} = V_{J1} + 0\]

\[V_{метр} = V_{J1}\]

Этот метод известен как аппаратная компенсация и используется в конструкциях аналоговых преобразователей температуры с термопарами. Ранее мы видели пример этого, называемый ледяной точкой , целью которой было электрическое противодействие напряжению эталонного перехода, чтобы сделать напряжение этого перехода несущественным, как если бы этот переход был погружен в ванну с ледяной водой.

Современный метод компенсации холодного спая, более подходящий для цифровых передатчиков, называется компенсацией программного обеспечения :

Вместо того, чтобы электрически отменить эффект эталонного спая , мы нейтрализуем эффект арифметически внутри микропроцессорного передатчика.Другими словами, мы позволяем приемной схеме аналого-цифрового преобразователя видеть разницу в напряжении между измерительным и эталонным спаями (\(V_{вход} = V_{J1} — V_{J2}\)), но затем после оцифровки этого При измерении напряжения микропроцессор добавляет эквивалентное значение напряжения, соответствующее температуре окружающей среды, измеренной RTD или термистором (\(V_{rjc}\)):

\[\hbox{Общая компенсация} = V_{вход} + V_{rjc}\]

\[\hbox{Компенсированный итог} = (V_{J1} — V_{J2}) + V_{rjc}\]

Поскольку мы знаем, что расчетное значение \(V_{rjc}\) должно быть равно реальному напряжению опорного спая (\(V_{J2}\)), результатом этого цифрового сложения должно быть компенсированное общее значение, равное только напряжение перехода измерения \(V_{J1}\):

\[\hbox{Компенсированный итог} = V_{J1} — V_{J2} + V_{rjc}\]

\[\hbox{Общая компенсация} = V_{J1} + 0\]

\[\hbox{Сумма компенсации} = V_{J1}\]

Здесь представлена ​​блок-схема термопарного преобразователя температуры с программной компенсацией:

Возможно, самым большим преимуществом программной компенсации является гибкость, позволяющая легко переключаться между различными типами термопар без модификации оборудования. Пока в память микропроцессора запрограммированы справочные таблицы, связывающие значения напряжения со значениями температуры, он может точно измерять (и компенсировать холодный спай) термопары любого типа . Схемы аппаратной компенсации (например, аналоговая схема «ледяной точки») требуют повторной проводки или замены для соответствия различным типам термопар, поскольку каждая схема ледяной точки предназначена для создания компенсирующего напряжения для определенного типа термопары.

Удлинительный провод

В каждой цепи термопары должен быть как измерительный спай, так и эталонный спай: это неизбежное следствие формирования полной цепи (контура) с использованием проводов из разнородных металлов.Как мы уже знаем, напряжение, полученное измерительным прибором от термопары, будет разностью между напряжениями, создаваемыми измерительным и эталонным спаями. Поскольку целью большинства термометров является точное измерение температуры в определенном месте , влияние напряжения холодного спая должно быть «компенсировано» каким-либо способом, либо специальной схемой, предназначенной для добавления дополнительного гасящего напряжения, либо программный алгоритм для цифровой отмены эффекта холодного спая.

Чтобы компенсация холодного спая была эффективной, компенсационный механизм должен «знать» температуру холодного спая. Этот факт настолько очевиден, что едва ли требует упоминания. Однако не столь очевидным является то, насколько легко эта компенсация может быть непреднамеренно нарушена простой установкой другого типа провода в цепь термопары.

Для иллюстрации рассмотрим простую установку термопары типа К, где термопара подключается напрямую к установленному на панели индикатору температуры длинными проводами:

Как и все современные термопарные приборы, панельный индикатор содержит собственную внутреннюю компенсацию холодного спая, так что он может компенсировать температуру холодного спая, образующегося на его соединительных клеммах, где внутренние (медные) провода индикатора присоединяются к хромелевому и алюмелевому проводам термопары.Индикатор измеряет температуру перехода с помощью небольшого термистора, термически соединенного с соединительными клеммами.

Теперь рассмотрим ту же установку термопары с медным кабелем (два провода), соединяющим термопару полевого монтажа с индикатором, устанавливаемым на панели:

Несмотря на то, что в схеме термопары ничего не изменилось, кроме типа проводов, соединяющих термопару с индикатором, эталонный спай полностью изменил положение.То, что раньше было эталонным соединением (на клеммах индикатора), больше не является таковым, потому что теперь у нас есть медные провода, соединяющиеся с медными проводами. Там, где нет несходства металлов, не может быть термоэлектрического потенциала. Однако в «головке» термопары теперь имеется соединение хромелевых и алюмелевых проводов с медными проводами, образуя, таким образом, контрольный спай в новом месте в головке термопары. Что еще хуже, это новое место, вероятно, будет иметь другую температуру, чем индикатор, установленный на панели, а это означает, что компенсация холодного спая индикатора будет компенсировать неправильную температуру.

Единственный практический способ избежать этой проблемы — оставить холодный спай там, где он должен быть: на клеммах щитового прибора, где измеряется температура окружающей среды и точно компенсируются эффекты холодного спая. Если мы должны установить «удлинительный» провод для соединения термопары с удаленно расположенным прибором, этот провод должен быть такого типа, который не образует еще один переход из разнородного металла в головке термопары, но образует его на принимающем приборе.

Очевидным подходом является простое использование провода термопары того же типа, что и установленная термопара, для соединения термопары с индикатором. Для нашей гипотетической термопары типа K это означает кабель типа K, установленный между головкой термопары и индикатором на панели:

При соединении хромеля с хромелем и алюмеля с алюмелем в головке на термопаре не образуются соединения разнородных металлов. Однако из-за соединения хромеля и алюмеля с медью на индикаторе (опять же) эталонный спай был перемещен на свое законное место. Это означает, что температура головки термопары не повлияет на работу этой измерительной системы, и индикатор сможет должным образом компенсировать любые изменения температуры окружающей среды на панели, как это и было задумано. Единственная проблема с этим подходом — потенциальная стоимость кабеля для термопар. Это особенно верно для некоторых типов термопар, в которых используются несколько экзотические металлы (например, типы R, S и B).

Однако более экономичной альтернативой является использование провода , называемого удлинителем , для соединения между термопарой и принимающим прибором.Проволока для термопар «удлинительного класса» делается дешевле, чем полная проволока «для термопар», за счет выбора металлических сплавов, близких по термоэлектрическим характеристикам к реальным проволокам для термопар в умеренных диапазонах температур. Пока температура на головке термопары и приемных клеммах прибора не становится слишком высокой или слишком низкой, металлы удлинительных проводов, присоединяемые к проводам термопары и соединениям с медными проводами прибора, не обязательно должны быть в точности идентичны настоящей термопаре. проволочные сплавы.Это позволяет использовать более широкий выбор типов металлов, некоторые из которых значительно дешевле, чем сплавы для измерительных термопар. Кроме того, в проводе для удлинителей может использоваться изоляция с более узким температурным диапазоном, чем в проводе для термопар, что еще больше снижает стоимость.

Интересная историческая ссылка на использование удлинительной проволоки появляется в тексте Чарльза Роберта Дарлинга 1911 года Пирометрия – практический трактат по измерению высоких температур .На странице 61 Дарлинг описывает «компенсационные выводы», продаваемые под торговой маркой Peake и предназначенные для использования с термопарами из платинового сплава. Эти «компенсирующие» провода были изготовлены из двух разных медно-никелевых сплавов, причем каждый медно-никелевый сплав сочетался с соответствующим металлом термопары (в данном случае из чистой платины и сплава платины и иридия 90–10 %) для создания равного и равномерного сопротивления. противоположное милливольтажное напряжение при любой приемлемой температуре на головке термопары. Таким образом, единственный эталонный спай в цепи термопары находится там, где эти медно-никелевые удлинительные провода соединяются с показывающим прибором, а не расположены на головке термопары, как это было бы, если бы использовались простые медные удлинительные провода.Поскольку платина была таким дорогим металлом (и тогда, и сейчас!), экономия средств за счет возможности использовать более дешевый удлинительный провод для подключения платиновой термопары к удаленному принимающему прибору значительна.

Удлинительный кабель обозначается буквой «X», следующей за буквой термопары. Для нашей гипотетической системы термопары типа K это будет означать удлинительный кабель типа «KX»:

Удлинительный кабель для термопар также отличается от кабеля для термопар (измерительного) окраской внешней оболочки.В то время как кабель для термопар обычно имеет коричневый цвет снаружи, удлинительный кабель обычно имеет цвет, соответствующий вилке термопары (желтый для типа K, черный для типа J, синий для типа T и т.  д.).

Побочные эффекты компенсации холодного спая

Компенсация холодного спая является необходимой частью любой схемы прецизионной термопары из-за неизбежного факта существования холодного спая. Когда вы образуете полную цепь из разнородных металлов, вы сформируете и измерительный, и контрольный спай, причем полярности этих двух переходов противоположны друг другу.Вот почему компенсация холодного спая — будь то аппаратная схема или программный алгоритм — должна существовать в каждом прецизионном приборе для термопар.

Наличие компенсации холодного спая в каждом прецизионном приборе для термопар приводит к интересному явлению: если вы напрямую замкнете накоротко входные клеммы термопары такого прибора, он всегда будет регистрировать температуру окружающей среды, независимо от типа термопары, в которую встроен прибор. или настроен на .Это поведение можно проиллюстрировать на примере, сначала показывая нормальную рабочую систему измерения температуры, а затем ту же самую систему с коротким замыканием. Здесь мы видим индикатор температуры, получающий токовый сигнал 4-20 мА от преобразователя температуры, который получает милливольтный сигнал от термопары типа «К», определяющей температуру процесса 780 градусов по Фаренгейту:

Функция внутренней компенсации эталонного спая преобразователя компенсирует температуру окружающей среды 68 градусов по Фаренгейту.Если температура окружающей среды повышается или падает, компенсация автоматически настраивается на изменение потенциала холодного спая, так что на выходе по-прежнему регистрируется температура процесса (измерительного спая) 780 градусов по Фаренгейту. Это то, для чего предназначена компенсация холодного спая. делать.

Теперь отключаем термопару от преобразователя температуры и замыкаем накоротко вход преобразователя:

При коротком замыкании входа преобразователь «не видит» вообще никакого напряжения в цепи термопары.Здесь нет ни измерительного, ни эталонного спая для компенсации, только кусок провода, соединяющий обе входные клеммы электрически общими. Это означает, что компенсация холодного спая внутри преобразователя больше не выполняет полезную функцию. Однако преобразователь не «знает», что он больше не подключен к термопаре, поэтому компенсация продолжает работать, даже если компенсировать нечего. Вспомните уравнение напряжения, связывающее измерительное, эталонное и компенсационное напряжения в приборе с аппаратной компенсацией термопары:

\[V_{метр} = V_{J1} — V_{J2} + V_{rjc}\]

Отсоединение провода термопары и подключение закорачивающей перемычки к прибору устраняет условия \(V_{J1}\) и \(V_{J2}\), оставляя счетчику только компенсационное напряжение:

\[V_{метр} = 0 + V_{rjc}\]

\[V_{метр} = V_{rjc}\]

Вот почему прибор регистрирует эквивалентную температуру, создаваемую функцией компенсации холодного спая: это единственный сигнал, который он «видит» при короткозамкнутом входе.Это явление справедливо независимо от того, для какого типа термопары сконфигурирован прибор, что делает его удобной «быстрой проверкой» работы прибора в полевых условиях. Если технический специалист закорачивает входные клеммы любого термопарного прибора, он должен реагировать так, как если бы он измерял температуру окружающей среды.

Хотя эта интересная особенность является полезным побочным эффектом компенсации холодного спая в приборах для термопар, существуют и другие эффекты, которые не столь полезны.Наличие компенсации холодного спая становится довольно проблематичным, например, если попытаться смоделировать термопару с помощью прецизионного источника милливольтажа. Простая установка источника милливольтажа на значение, соответствующее желаемой (симуляционной) температуре, указанной в таблице термопары, даст неверный результат для любой температуры окружающей среды, отличной от точки замерзания воды!

Предположим, например, что техник хочет смоделировать термопару типа К при температуре 300 градусов по Фаренгейту, установив источник милливольт на 6.{o}\)F для термопар типа К по стандарту ITS-90). Подключение источника милливольт к прибору приведет к , а не , к отклику прибора, соответствующему 300 градусам по Фаренгейту:

Вместо этого прибор регистрирует 339 градусов, поскольку его внутренняя функция компенсации холодного спая все еще активна, компенсируя исчезнувшее напряжение холодного спая. Выход источника милливольт 6,094 мВ дает , добавленных к компенсационному напряжению (внутри передатчика), равному 0.{из.

Один из способов использования милливольтного источника для имитации заданной температуры заключается в том, чтобы техник по приборам «переосмыслил» функцию компенсации преобразователя, задав милливольтовый сигнал, смещенный на величину эквивалентного напряжения, генерируемого компенсацией преобразователя. Другими словами, вместо установки источника милливольт на значение 6,094 мВ, техник должен установить источник только на 5,229 мВ, чтобы компенсация преобразователя добавила к этому значению 0,865 мВ, чтобы получить значение 6.094 мВ и правильно зарегистрировать как 300 градусов по Фаренгейту:

Много лет назад единственным подходящим испытательным оборудованием, доступным для генерирования точных сигналов милливольтажа, необходимых для калибровки термопарных приборов, было устройство, называемое прецизионным потенциометром . Эти «потенциометры» использовали стабильную батарею с ртутным элементом (иногда называемую стандартной ячейкой ) в качестве опорного напряжения и потенциометр с откалиброванной ручкой для вывода низковольтных сигналов.{o}\)F (тип K), он измеряет температуру окружающей среды и автоматически вычитает 0,865 мВ из выходного сигнала, поэтому на клеммы преобразователя отправляется только 5,229 мВ вместо полных 6,094 мВ. Внутренняя компенсация опорного спая передатчика добавляет значение смещения 0,865 мВ (думая, что оно должно компенсировать опорный спай, которого в действительности нет) и «видит» общее напряжение сигнала 6,094 мВ, правильно интерпретируя это как 300 градусов по Фаренгейту.

На следующей фотографии показан дисплей современного устройства для калибровки термопар (регистрирующий калибратор Fluke модели 744), используемого для генерации сигнала термопары.В этом конкретном примере тип термопары установлен на тип «S» (платина-родий/платина) при температуре 2650 градусов по Фаренгейту:

Стандарт термопары ITS-90 декларирует значение сигнала в милливольтах 15,032 мВ для спая термопары типа S при температуре 2650 градусов по Фаренгейту (при эталонной температуре спая 32 градуса по Фаренгейту). Обратите внимание, что калибратор , а не выдает 15,032 мВ, хотя смоделированная температура установлена ​​на 2650 градусов по Фаренгейту. Вместо этого он выдает 14.910 мВ, что на 0,122 мВ меньше 15,032 мВ. Это смещение 0,122 мВ соответствует локальной температуре калибратора 70,8 градусов по Фаренгейту (в соответствии со стандартом ITS-90 для термопар типа S).

Когда сигнал калибратора 14,910 мВ достигает калибруемого прибора термопары (будь то индикатор, преобразователь или даже контроллер, оснащенный входом термопары типа S), собственная внутренняя компенсация холодного спая прибора добавит 0,122 мВ к полученному сигналу 14.910 мВ, «думая», что это нужно для компенсации реального холодного спая. Результатом будет воспринимаемый сигнал измерительного спая 15,032 мВ, что является именно тем, что мы хотим, чтобы прибор «думал», что он видит, если нашей целью является имитация подключения к реальной термопаре типа S при температуре 2650 градусов по Фаренгейту.

Обнаружение выгорания

Другим важным фактором для термопар является обнаружение выгорания . Наиболее частым видом отказа термопар является отказ в размыкании, также известный как «выгорание».Разомкнутая термопара представляет проблему для любого вольтметра с высоким входным сопротивлением, поскольку отсутствие полной цепи на входе делает возможным подавление электрических помех от окружающих источников (линий электропередач, электродвигателей, частотно-регулируемых электроприводов). определяется прибором и ложно интерпретируется как резко меняющаяся температура.

По этой причине разумно предусмотреть в приборе для термопар некоторые средства для создания стабильного состояния при отсутствии полной цепи.Это называется режимом выгорания термопарного прибора. На этой схеме показана простая схема термопары, оснащенная датчиком перегорания:

Резистор в этой цепи обеспечивает подключение к стабильному напряжению в случае обрыва термопары. Он имеет размеры в мегаомном диапазоне, чтобы свести к минимуму его влияние при нормальной работе, когда цепь термопары замкнута.

alexxlab

Посмотреть все записи автора alexxlab →