Измерение температуры с помощью термопары

В этой статье краткий обзор темы «измерение температуры с помощью термопар», рассказывается о проблемах стандартного характера, возникающие при их использовании, и предлагает два решения для снятия показаний.

В принципе действия термопары лежит эффект Зеебека, иначе говоря термоэлектрический эффект. Поместив спай металлов, с различным термо-ЭДС, в среду с измеряемой температурой, то на электродах будет разность потенциалов прямопропорциональная разности температур.

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например - термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Схематический рисунок термопары

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

  • Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
  • Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
  • Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

  • Чистый метал;
  • Сплав.

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет - оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Простая схема термопары

Тип термопары

Диапазон температуры измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность при 25°С

Потребляемая мощность

K

-25...400°С

0...50°С

±3°С (группа А) ±1°С (группа С)

1,25 мВт

 

Оптимизация для точности и гибкости

Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары  схему со сверхточным АЦП  и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.

Схема для точного измерения термопарой

Тип термопары

Диапазон температуры
измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность

Потребляемая мощность

J,K,T

Полный диапазон

-Ю...85°С

-20...105°С

±0.2°С ±0,25°С

ЗмВт

ЗмВт

 

Измерение высоких температур

Если Вы измеряете в среднем (500-1600 °С) или высоком (1600-2500 °С) диапазоне температур, то в этом случае применяются защита в виде чехла из огнеупорных материалов. Высокая плотность и термостойкость – вот те требования, которые применяться к защите.

Достоинства:

  • - надежность;
  • - отсутствует саморазогрев;
  • - дешевизна;
  • - высокая точность;
  • - широкий температурный диапазон.

Недостатки:

  • - сложность обработки сигнала;
  • - подверженность коррозиям;
  • - подверженность помехам;
  • - малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);
  • - высокое исходное сопротивление;
  • - необходимость поддержки.