Для практического использования термопар необходимо знать три основных закона, устанавливающих правила их подключения. Следует подчеркнуть, что интерфейсные электронные схемы всегда должны подсоединяться к двум идентичным проводникам. Эти проводники, как правило, формируют одно из плечей термопарного контура, используемого для подключения измерительного устройства. На рис. 16.15А это разомкнутое плечо обозначено как А.
Рис. 16.15. Иллюстрации правил соединения термопар
Закон 1. Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электрических цепей.
Из этого закона следует, что для получения разности потенциалов Зеебека необходимо использовать неоднородный материал. В случае однородного проводника при любом распределении температуры вдоль его длины результирующее напряжение будет всегда нулевым. Соединение двух разных проводников обеспечивает возникновение термо э.д.с.
Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо э.д.с. цепи, состоящей из любого количества термопар (соединений разных материалов), будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковой температуре.
Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополнительный материал С, не боясь изменить результирующее напряжение К, при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру (Т3 на рис. 16.15А). Здесь нет никаких ограничений на количество внесенных проводников, необходимо только поддерживать одинаковую температуру в местах их подключения. Из этого закона также следует, что термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом, даже с использованием промежуточных материалов (например, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавлением и т.д.. При этом метод соединения не будет влиять на точность термопар. Из закона 2 вытекает правило введения дополнительных материалов (рис. 16.15Б): Если известны термо э.д.с (V1, и V2)двух проводников (В и С) при их подсоединении к эталонному проводнику А, результирующее напряжение при непосредственном контакте проводников В и С будет равно алгебраической сумме термо э.д.с V1, и V2.
Закон 3. Если два соединения разных материалов, находящихся при температурах Т1 и Т2, вырабатывают термо э.д.с V2, а при температурах Т2и Т3результирующая термо э.д.с. равна V1, то при температурах Т1, и Т2выходное напряжение V3определяется суммой двух термо э.д.с V1 и V2 (рис. 16.15В).
Этот закон иногда называется законом промежуточных температур. Он позволяет калибровать термопары в одном температурном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также следует, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены дополнительные провода без изменения ее точностных характеристик.
На основе этих трех законов может быть построено множество практических схем, применяемых для измерения, например, средней температуры объекта, разности температур между двумя объектами, а также для включения в измерительную цепь детекторов температуры других типов для определения температуры эталонных спаев.
Следует отметить, что термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому такие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подвержены влиянию различных помех. В разделе даны рекомендации по повышению помехоустойчивости термопарных цепей. Для усиления выходного сигнала иногда используют последовательное соединение нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и все чувствительные соединения находились при соответствующих температурах. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталонные соединения называются холодными спаями, а чувствительные — горячими.
На рис. 16.16А показана эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений eh и ес, соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы Vр является функцией измеряемой разности температур. Предполагается, что выводы схемы изготавливаются из того же самого материала, например, железа.
Рис. 16.16. Применение термопар: А — эквивалентная схема термопары, Б — термопарный термометр, в котором для измерения температуры эталонного соединения используется полупроводниковый детектор LM35DZ
Схемы подключения термопар
В прошлом холодные спаи термопар опускались в сосуды с тающим льдом для поддержания их температуры, равной 0°С (отсюда появилось название «холодные» спаи). Но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Простое решение этой проблемы вытекает из второго и третьего законов термоэлетричества. Холодный спай может находится при любой температуре, даже при температуре окружающей среды, единственное условие: значение этой температуры должно быть известно. Поэтому часто для измерения температуры холодного спая используется дополнительный детектор (например, терморезистивный или полупроводниковый) без компенсационных цепей.
Рис. 16.17. Суммирование сигналов термитстора
Рис.16.17. Суммирование сигналов термистора и термопары
На рис. 16.16Б показана схема подключения термопары к электронному интерфейсу. Как видно из схемы, холодный спай термопары и дополнительный детектор находятся практически при одинаковой температуре, для этого они часто располагаются на одной медной подложке. Для устранения сухих контактов и обеспечения лучшей теплопроводности используется специальная смазка или эпоксидная смола. В рассматриваемом примере в качестве детектора для измерения эталонной температуры применяется полупроводниковый датчик LM35DZ (National Semiconductor, Inc). Схема имеет два выходных сигнала: напряжение Зеебека Vр и эталонное напряжение Vr. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо поддерживать одинаковую температуру Тс, необязательно равную температуре холодного спая. Это обстоятельство очень важно при проведении дистанционных измерений, когда температура интерфейсной схемы может значительно отличаться от температуры холодного спая термопары.
Для определения температуры со схемы снимаются два сигнала: напряжение на термопаре Vp и напряжение с выхода эталонного детектора Vr. Эти два сигнала поступают от датчиков разного типа, имеющих различные передаточные характеристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать линейными преобразователями с нормализованной чувствительностью αp (В/К), в то время как выражение чувствительности эталонного детектора определяется его типом. Например, чувствительность термистора аr при рабочей температуре Т задается уравнением (16.21) и имеет размерность Ом/К. Существует несколько способов обработки выходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном измерении сигналов, последующем определении эталонной температуры Tr по характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур Δ по напряжению на термопаре Vp:
(16.41)
Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта Tx. Значение чувствительности термопары может быть найдено из соответствующей таблицы Приложения.
При работе в сравнительно узком температурном диапазоне сигналы термопары и эталонного детектора температуры могут быть подключены ко входам одного ОУ (рис. 16.17). Поскольку чувствительности этих устройств αи αr достаточно сильно различаются, необходимо применять масштабирующее устройство. Коэффициент усиления ОУ а должен выбираться, исходя из соотношения:
(16.42)
Желательно, чтобы Ro = So (So — это сопротивление термистора при калибровочной температуре То в Кельвинах; например, при То= 298.15 К (25°С) или в середине рабочего диапазона). После дифференцирования выражения для напряжения К и подстановки уравнения (16.21) получим следующее соотношение для нахождения коэффициента усиления:
(16.43)
где V0 — постоянное напряжение, а β - характеристическая температура термистора. Измеряемая температура может быть найдена по одному из уравнений, приведенных в таблице 16.3, соответствующих типу используемого термистора. Температура вычисляется по сопротивлению термистора Sc, определяемого по выходному напряжению Vc:
(16.44)