§ 10.3. Измерение температуры с помощью термопар
При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод, рассмотренный в § 2.7.
Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков тонкого медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.
Обозначим через RB сопротивление милливольтметра, R, — сопротивление термопары, /?„ — сопротивление соединительных проводов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС £„,,
Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Ет, но и от сопротивлений R,, R^, ^ Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления R^ и /^ уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).
Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах UB = 1^.
Обозначим внешнее сопротивление цепи /^н = R, + К„ и выразим из (10.3) термоЭДС
Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на Ue(RBH/RB). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметра Д, по сравнению с внешним сопротивлением RBH. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.
Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая 62 = 0. На практике при измерении температуры 0, холодный спай имеет 92 * 0. Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 92. Необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.
Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую тер-моЭДС при 02. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.
Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.
Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина со-
единительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.
Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-никеле-вым сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель—копель, т. е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.
Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Еа, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение UK, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а
скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (по-тенциометрического датчика) Лп до тех пор, пока напряжение UK не сравняется с Ел. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При UK = Еа напряжение на входе усилителя равно нулю (UK — Ел = 0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика £д =/(Т °С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала програ-дуирована в °С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.
Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения UK и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов Л,—Л3, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистора R. изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Еп и одновременно меняется сопротивление Лк, что приводит к изменению компенсирующего напряжения UK на ту же величину, на какую изменилось Ея. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление ^ служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении £).
Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает движок регулировочного резистора R^, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.
Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.
Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.
Контрольные вопросы
1. Какое физическое явление используется при измерении температуры с помощью термопар?
2. Какие материалы применяются для термопар?
3. Какими способами поддерживается неизменная температура холодных спаев?
4. Поясните принцип действия автоматического потенциометра для измерения температуры. Сравните его схему с функциональной схемой на рис. 1.1.
Меряем температуру термопарой
На сегодняшний момент существует два типа аналоговых датчиков, позволяющих измерить температуру: терморезистор (термистор) и термопара. Принцип их работы почти ясен 🙂 из названия: терморезистор — это резистор изменяющий свое сопротивление под действием температуры, термопара — два провода из разных материалов спаянные вместе, в которых при нагреве, за счет разности потенциалов, возникает ЭДС.
Обычно в автомобильных системах применяют терморезисторы, так как они способны работать при значительных механических нагрузках, но одновременно с этим преимуществом они имею и ряд недостатков: способны работать только в узком диапазоне температур, да и в этом диапазоне зависимость температура -сопротивление у них нелинейная, причем в течении срока службы эта зависимость изменяется. Термопара в этом плане проще, да и если ее механически не нагружать, то надежнее, да и диапазон рабочих температур у нее побольше. Поэтому в различных системах измерений чаще применяют термопару. А раз ее применяют, то нужно научится ее применять и нам — мы что рыжие? 🙂
На этом с теорией все, перехожу к практике. Кто хочет почитать о типах датчиков подробнее, могу порекомендовать статью — www.picad.com.ua/0105/pdf/50-54.pdf
Электроника
ЭДС вырабатываемая термопарой очень небольшая — порядка нескольких миливольт, поэтому без усилителя не обойтись. Поискав в интернете я нашел 5 различных схем усилителей под термопару и на основе одной из них нарисовал свою
Как потом понял R3 лишний и его можно из схемы выбросить — коэффициент усиления мы все равно учтем потом программно.
Ну тут мне немного повезло — термопара паяльника (который нужно подключить) и имеющегося у меня мультиметра имели одинаковые характеристики, поэтому я просто крокодильчиками мультиметра «сел» на выход термопары, а второй мультиметр прицепил на выход схемы. Нагревая кончик паяльника(а соответственно и термопару) горелкой записал значения температуры и соответствующие им значения напряжения на выходе схемы.
Тем кому такая халява «не прокатит» придется или располагать обе термопары (подключаемую к контроллеру и мультиметра) рядом или мерять термопарой температуру у тел с точно известной температурой (например: льда — 0 С, человеческого тела -36,6С, кипятка — 100С).
Немножко математики
Заносим полученные данные в Excel, выделяем их и нажимаем кнопочку «мастер диаграмм»
Далее выбираем тип диаграммы «точечная» и нажимаем «готово»
Получили нашу зависимость «температура — напряжение» графически.
Если полученные точки не лежат примерно на одной линии, то значит намеряли мы чегой то неправильно — перемеряем. Если все «Ок», то клацаем мышкой на любой из построенных точек и, нажав на правую кнопочку, получим окошко, где выбираем «Добавить линию тренда».
В открывшимся окошке проверяем, чтобы «Тип» был «Линейный», а на вкладке «Параметры» нужно поставить галочку напротив «Показать уравнение на диаграмме».
Добавившееся на графике уравнение и есть искомая зависимость «напряжение-температура»
Теперь вспоминаем, что для AtMega АЦП при 0В на входе выдает 0, а при 5В — 1024 и пересчитываем «температура — напряжение» в «показание АЦП — температура» умножив на 5/1023:
у=206.36*х*(5.0 / 1023.0) -13.263
где х — показание АЦП, у — реальное значение температуры
Сборка
Описывать в данном пункте особо нечего — цепляем нашу схему к МК или платке Ардуино, подключаем туда же цифровую панель отсюда — www.drive2.ru/b/2826794/
Программа
Программу тоже берем для цифровой панели, изменив только основной цикл
void loop() unsigned long previousMillis = 0;
const long interval = 1000;
int sensorValue;
int temp_real;
//cчитываем показания АЦП
unsigned long currentMillis = millis();
if (currentMillis — previousMillis >= interval)
//Считаем реальное значение температуры
temp_real = abs(int(206.36*sensorValue*(5.0 / 1023.0) -13.263));
>
showNumber(temp_real);
>
Результат
Как то так
как видно изображение слегка дрожит -нужно усреднять показания, а не мерять через какой то интервал. но это уже будет учтено в окончательной версии
§ 10.3. Измерение температуры с помощью термопар
При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод, рассмотренный в § 2.С
Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры, магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков тонкого медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.
Обозначим через Rв сопротивление милливольтметра, RT — сопротивление термопары, Ra — сопротивление соединительных про водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Ети,
Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Ети, но и от сопротивлений RB, Rt, Rn. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления Rt, и RB уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).
Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована
в милливольтах. Напряжение на его зажимах С учетом (10.2)
Обозначим внешнее сопротивление цепи из (10.3) термоЭДС
Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на UB(Rвн/Rн). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметра RB по сравнению с внешним сопротивлением Rвн. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.
Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая . На практике при измерении температуры 0i холодный спай имеет . Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 8i. Необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.
Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при . Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.
Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.
Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС.
Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветном’ пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.
Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-нике-лгным сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т. е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.
Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС ЕД, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение UK, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) Rп до тех пор, пока напряжение Uк не сравняется с ЕД. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При Uк=ЕД напряжение на входе усилителя равно нулю (Uк— ЕЛ =0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика ЕЛ = [(Т°С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в «С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.
Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения UК и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R1—R3, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезнстора RK, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется ЕД и одновременно меняется сопротивление Rк, что приводит к изменению компенсирующего напряжения UK на ту же величину, на какую изменилось ЕД. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление RP служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).
Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемеща ет движок регулировочного резистора Rp, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.
Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.
Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.
Форум сайта mypractic.ru
В интернете написано бесчисленное количество статей о термопарах. В них столько формул, схем, советов. Но на мой поисковый запрос ”как измерить температуру термопарой” я не получил ни одного вразумительного правильного ответа. Или ничего не понятно, или советуют измерить напряжение на термопаре и посмотреть значение температуры по таблице. Что совершенно не правильно.
Я расскажу, как сделать это методически правильно. Подробнее о термопарах я писал в одном из уроков программирования Ардуино. Здесь я приведу только самую необходимую информацию.
Немного теории и терминов.
Термопара (правильное название – термоэлектрический преобразователь) представляет собой два спаянных проводника из разнородных металлов.
tp1.JPG (4.29 КБ) 12473 просмотра
В цепи образовывается термо-ЭДС, величина которой зависит от температуры и материалов проводников.
Если соединения разнородных проводников объединены в кольцо и имеют одинаковую температуру, то сумма термо-ЭДС спаев равна 0. Если же температура спаев отличается друг от друга, то общая ЭДС между ними зависит от разности температур спаев. Это свойство приводит к следующей конструкции термопары.
tp2.JPG (10.4 КБ) 12473 просмотра
Рабочий спай образуют два проводника из разнородных металлов. Его размещают в точке, температуру которой измеряют.
tp3.JPG (2.69 КБ) 12473 просмотра
Холодные спаи это точки подключения проводников термопары к другому металлу, обычно к меди. Это могут быть соединения с медными проводами связи с термопарой или клеммные колодки измерительного прибора. Температура холодного спая влияет на общую термо-ЭДС. Поэтому ее необходимо измерять и учитывать в вычислениях.
-
ТХК – хромель-копелевые;
ТХА – хромель-алюмель.
Зависимость ЭДС от температуры для каждого типа термопары указана в виде таблицы. Называется номинальная статическая характеристика (НСХ). Представляет собой таблицу с двумя столбцами: температура рабочего спая и соответствующая ей термо-ЭДС. Для разных типов термопар НСХ содержатся в ГОСТ Р 8.585-2001. Загрузить в формате PDF можно по этой ссылке ГОСТ Р 8.585-2001.
Неважно, измеряется температура вручную или используется электронный прибор. В любом случае необходимо выполнить следующую последовательность действий:
-
измерить термо-ЭДС термопары (Eобщ.);
измерить температуру холодного спая;
по таблице НСХ термопары определить термо-ЭДС холодного спая (E хол. спая), используя температуру холодного спая;
определить термо-ЭДС рабочего спая, т.е. сложить ЭДС холодного спая и общую термо-ЭДС ( E раб. спая = E хол. спая + E общ. );
tp4.JPG (9.09 КБ) 12473 просмотра
Вот как я измерил температуру жала паяльника.
-
Прикоснулся рабочим спаем термопары к жалу паяльника и замерил тестером напряжение на ее выводах. Получилось 10,7 мВ.
Замерил термометром температуру окружающей среды, получилось примерно 24 °C. Посчитал, что выводы термопары имеют температуру окружающей среды. Т.е. температура холодного спая равна 24 °C.
По таблице из ГОСТ Р 8.585-2001 для термопары типа K определил, что ЭДС холодного спая при 24 °C равна 0,96 мВ.
Вычислил термо-ЭДС рабочего спая, 10,7 + 0,96 = 11,66 мВ.