ЖУРНАЛ СТА 3/2012

96 СТА 3/2012 www.cta.ru П РИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ Термопары являются самым распространённым средством измерения температуры в промышленности и лабораториях [1, 2]. Это связано с их широким температурным диапазо- ном (от –270 до +2500°С), обычно удовлетворительной точ- ностью, низкой ценой, взаимозаменяемостью и высокой надёжностью. Понимание принципа действия термопары крайне важно для её корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединённых на одном конце (рабочий конец, горячий спай). Вторые концы термопары (свободные концы, холодный спай) соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например меди. Между двумя несоединёнными выводами термопары воз- никает эдс V x (рис. 1 а ), величина которой зависит от темпе- ратуры горячего спая T : V x = E ( T ), (1) где E – функция, которая раскрывается в формуле (3). Для случая, когда температура холодного спая (свободных концов) равна 0°С ( T cj = 0), зависимость (1), а также обрат- ная зависимость T = E –1 ( V x ) представлены в ГОСТ Р 8.585- 2001 [3] и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или полинома. Для случая, когда температура холодного спая не равна нулю ( T cj ≠ 0), свободные концы являются источником эдс V cj , величина которой также зависит от температуры: V cj = = E ( T cj ). Поэтому напряжение на входе измерителя напряже- ния термопары будет равно (рис. 1 б ) V x = E ( T ) – E ( T cj ). (2) Обратим внимание, что для вычисления значений напря- жения 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 реализован через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис. 1), то промежуточ- ный металл не влияет на результирующую эдс, если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, сво- бодные концы термопары, соединённые с измерителем напряжения медными проводами (рис. 1 а ), можно рассмат- ривать как второй контакт между константаном и железом. Измерение температуры с помощью термопары выполняет- ся косвенным методом: сначала измеряются напряжение V x между свободными концами термопары и их температура T cj . Затем путём решения уравнения (2) относительно T находит- ся измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (2), обычно используется табулированная функция, обратная V = E ( T ), то есть T = = E –1 ( V ), приведённая в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная проце- дура называется компенсацией температуры холодного спая. В модулях ввода сигналов термопар указанные нелинейные зависимости обычно хранятся в ПЗУ микропроцессора, и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (в табл. 1 приведены типы термопар, их обозначения, классы допуска и допустимые отклонения от номинальной статической харак- теристики преобразования) и подключить её к модулю ввода. Температура свободных концов (холодного спая) измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 1 б ), в качестве которого чаще всего используется терморезистор. Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температу- ры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектриче- скую прокладку прикрепляются свободные концы термопа- ры и датчик температуры. Конструкция выполняется таким образом, чтобы были обеспечены не только хороший тепло- вой контакт пластины с датчиком и термопарными провода- ми, но и изотермичность поверхности. Для подключения термопары к модулю ввода применяют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. В принципе здесь можно использовать и обычные медные провода, однако в этом слу- чае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контак- та термопары с медными проводами. В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Термопары: принципы применения, разновидности, погрешности измерений Виктор Денисенко Рис. 1. Измерение сигнала термопары без компенсации температуры холодного спая ( а ) и с компенсацией ( б ) Константан Железо Медь Медь + V x T cj – Термопара T Экран + V cj V x t °C T cj – Изометрическая планка T а б © СТА-ПРЕСС