6.3.3. Термопары

Термопары являются самым распространенным средством измерения температуры в промышленности и лабораториях [Олейник]. Это связано с их широким температурным диапазоном (от -270 °С до +2500 °С), обычно удовлетворительной точностью, низкой ценой, взаимозаменяемостью и высокой надежностью.

Понимание принципа действия термопары крайне важно для ее корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединенных на одном конце ("рабочий конец", "горячий спай") и предназначенных для измерения температуры (рис. 6.8). Вторые концы термопары ("свободные концы", "холодный спай") соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например, меди.

Между двумя несоединенными выводами термопары возникает э. д. с,   (рис. 6.8-а), величина которой зависит от температуры горячего спая:

Для случая, когда температура холодного спая (свободных концов) равна 0°С ( ), зависимость (6.1), а также обратная зависимость   представлены в ГОСТ Р 8.585-2001 [ГОСТ] и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или полинома.

Для случая, когда температура свободных концов не равна нулю ( ), они являются источником э. д. с.  , величина которой также зависит от температуры:  . Поэтому напряжение на входе измерителя напряжения термопары будет равно (см. рис. 6.8-б)

Обратим внимание, что для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря "правилу промежуточных проводов", согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис. 6.8), то промежуточный металл не влияет на результирующую э. д. с., если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединенные с измерителем напряжения медными проводами (рис. 6.8-а), можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Измерение температуры с помощью термопары выполняется косвенным методом: сначала измеряется напряжение   между свободными концами термопары и их температура  . Затем путем решения уравнения (6.2) относительно   находится измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (6.2), обычно используется табулированная функция, обратная  , т.е.  , приведенная в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется "компенсацией температуры холодного спая".

В модулях ввода сигналов термопар (например, в модуле NL-8TI серии RealLab! указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (см. табл. 6.31) и подключить ее к модулю ввода. Температура свободных концов ("холодного спая") измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 6.8-б), в качестве которого чаще всего используется терморезистор.

Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температуры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектрическую прокладку прикрепляются свободные концы термопары и датчик температуры. Конструктив выполняется таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт пластины с датчиком и термопарными проводами, а также изотермичность поверхности.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Зависимость напряжения между свободными концами термопары от температуры при условии, что температура холодных концов стабилизирована на уровне 0°С, в стандартах NIST* и ГОСТ Р описывается полиномом вида [ГОСТ, Temperature]:

где   - коэффициенты полинома;   - степень полинома. Для обеспечения необходимой точности аппроксимации весь температурный диапазон разбивается на 1...3 поддиапазона, для каждого из которых используется отдельный полином вида (6.3).

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением

Погрешность такой аппроксимации составляет от ±0,02°С до ±0,05°С.

В таблице 3 приведены типы термопар, их маркировка, классы допуска и допустимые отклонения от номинальной статической характеристики преобразования.

Примечание.

1. Пределы отклонений (технологический разброс) указаны как отклонения от номинальной нелинейной характеристики (6.4).

2. В таблице приведены значения отклонений для классов допуска 2 и 3. Термопары класса 1 и 2 имеют меньшие отклонения (допуск), см. в ГОСТ Р 8.585-2001.

Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Сварка проводов термопары, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. Термопары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинального вида вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металл, а также изменения структуры материала. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым спаем имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности, поверхности полупроводниковых приборов [Milanovi - Miyazaki]. В [Dashevsky] описана термопара с диаметром рабочего конца 1 мкм, которая имеет постоянную времени 1 мкс.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.