Как замерить температуру термопарой
Перейти к содержимому

Как замерить температуру термопарой

  • автор:

§ 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 (UкЕЛ =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 R1R3, 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *