9-mavzu. Termopara sovuq kovshari xaroratini kompensatsiyalash usullari. Компенсация «холодного»

9-mavzu. Termopara sovuq kovshari xaroratini kompensatsiyalash usullari.
Компенсация «холодного» спая
На сегодняшний день термопары получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры. Использование термопар в большом диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик температуры (ИДТ). Термопары используются, например, в автомобилях или бытовой технике. Вдобавок, их надежность, стабильность и малое время отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования.

Однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь – значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают лучшими характеристиками по чувствительности и точности, что важно для прецизионных решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала.

Но, несмотря на все перечисленные недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон до сих пор являются причинами популярности термоэлектрических преобразователей.

Основные сведения о термопарах

Термопары относятся к дифференциальным измерителям температуры. Конструктивно они представляют из себя два термоэлектрода из разных металлов, один из которых принимается за положительный, другой – за отрицательный.

Существует несколько методов, чтобы компенсировать в контуре измерения влияние напряжения «холодного» спая. Один из методов состоит в том, чтобы сделать температуру «холодного» спая постоянной. При этом любые изменения измеренного напряжения будут вызваны только изменением температуры в точке измерений. Для этого можно, например, поместить место соединения с проводами от измерительного прибора в ванночку со льдом и водой, придав тем самым «холодному» спаю постоянную температуру таяния льда:

Можно воспользоваться таблицей, которая составлена с учетом того, что «холодный» спай находится при постоянной температуре таяния льда. В этом случае по этой таблице можно по напряжению вольтметра сразу определить температуру «горячего» спая, т. е. температуру в искомой точке.
Однако фиксация «холодного» спая при температуре таяния льда является малопригодным для любого применения реального термометра на основе термопары вне лаборатории. Вместо этого нам необходимо найти другой путь для компенсации изменений температуры в месте расположения «холодного» спая, чтобы мы точно могли интерпретировать показания вольтметра, несмотря на изменения температуры в месте расположения этого спая.
Практический способ компенсировать напряжение «холодного» спая – это включение в контур дополнительной ЭДС, равной по величине напряжению «холодного» спая, но обратной полярности. Если эта дополнительная ЭДС непрерывно отслеживает напряжение «холодного» спая при изменении его температуры, то, естественно, влияние потенциала «холодного» спая полностью исключается:


Для того чтобы компенсирующее напряжение отслеживало температуру «холодного» спая, необходимо непрерывно измерять эту температуру, например, с помощью термистора или RTD. Далее электронное устройство непрерывно формирует соответствующее компенсирующее напряжение.
Напоминаем, что «холодный» спай – это всего лишь исторически сложившийся термин, на самом деле «холодный» спай может быть и теплее «горячего». Ничто не мешает использовать термопару для измерения любой температуры ниже температуры таяния льда.
Некоторые изготовители продают электронные модули температуры таяния льда для компенсации напряжения «холодного» спая. Модуль «температуры таяния льда» выполняет функцию Vrjc, показанную на предыдущей диаграмме. Он добавляет противодействующее напряжение для компенсации напряжения, произведенного «холодным» спаем, так, чтобы вольтметр «видел» только напряжение «горячего» спая. Это напряжение компенсации поддерживается в значении, соответствующем температуре терминала, на котором провода термопары соединяются с модулем температуры таяния льда. Температура терминала измеряется термистором или RTD:


На первый взгляд может показаться бессмысленным, строить столь сложные схемы измерения температуры для того, чтобы иметь возможность использовать термопару. Не проще ли было бы вместо этого просто применить термистор или RTD?
Ответ на этот очень хороший вопрос - термопары применяются потому, что они обладают определенными преимуществами перед другими типами датчиков температуры. Термопары являются чрезвычайно быстродействующими и имеют большие диапазоны измерения температуры, чем термисторы, RTD и другие сенсоры.
Однако, если применение не требует очень высокой прочности сенсора или больших диапазонов измерений, термисторы или RTD являются, возможно, лучшим выбором!