СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-1

В ВЕДЕНИЕ Термопара является простым, ши роко используемым компонентом для измерения температуры. Эта статья представляет общий обзор термопар, описывает стандартные проблемы, во зникающие при разработке с их ис пользованием, и предлагает два реше ния для обработки сигнала. Первое решение сочетает и компенсацию эта лонного спая, и обработку сигнала в одной аналоговой ИС для удобства и лёгкости использования; второе реше ние разделяет компенсациюэталонно го спая и обработку сигнала для боль шей гибкости и точности измерения температуры с цифровым выходом. Т ЕОРИЯ ТЕРМОПАРЫ Термопара, показанная на рисун ке 1, состоит из двух проводников раз нородных металлов, соединённых вместе на одном конце, называемом измерительным («горячим») спаем. Другой конец, где проводники не со единены, подключен к дорожкам схе мы обработки сигнала, обычно сде ланным из меди. Это переход между металлами термопары и медными до рожками называется эталонным («хо лодным») спаем.* Напряжение, генерируемое эталон ным спаем, зависит от температуры и на измерительном, и на эталонном спае. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не прибором для измерения абсолютной температуры, температура эталонно го спая должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолют ной температуры. Этот процесс извес тен как компенсация эталонного спая (компенсация холодного спая). * Мы используем термины «измерительный спай» и «эталонный спай», а не более традиционные «горячий спай» и «холодный спай». Традиционное наименование системы может сбить с толку, поскольку во многих приложениях измерительный спай может быть холоднее, чем эталонный спай. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2011 Два способа измерения температуры при помощи термопар Мэтью Дафф, Джозеф Тови (США) Перевод Андрея Данилова В статье приведены краткие сведения о термопарах и описаны две измерительные схемы на основе ИС компании Analog Devices. Термопары используются в стан дартных промышленных методах экономически эффективного изме рения температуры в широком диа пазоне с приемлемой точностью. Они используются в разнообразных при менениях вплоть до +2500 ° C в бойле рах, водонагревателях, печах и само летных двигателях, и т.д. Наиболее популярной термопарой является термопара типа К, состоящая из хро меля и алюмели (марки сплава нике ля, содержащие хром и алюминий, магний и кремний соответственно), с температурным диапазоном от –200 до +1250 ° C. П ОЧЕМУ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ТЕРМОПАРА ? Преимущества Температурный диапазон. Наиболее реальные температурные диапазоны– от криогеники до выхлопа реактивно го двигателя – могут быть перекрыты при помощи термопар. В зависимос ти от использованного металла про водников, термопара способна изме рять температуру в диапазоне от –200 до +2500 ° C. Надёжная . Термопары являются прочными приборами, невосприим чивыми к удару и вибрации и подходя щими для использования в опасных окружающих условиях. Быстрый отклик . Благодаря неболь шимразмерами низкой теплоёмкости, термопары быстро откликаются на из менения температуры, особенно если воздействию подвергается измери тельный спай. Они могут реагировать на быстро изменяющуюся температу ру в пределах нескольких сотенмилли секунд. Отсутствует саморазогрев . По скольку термопары не требуют энер гии питания, они не подвержены са моразогреву и от природы безопасны. Недостатки Сложнаяобработкасигнала . Необхо дима существенная обработка сигнала, чтобы преобразовать напряжение тер мопарывполезныепоказания темпера туры. Традиционно обработка сигнала требовалабольшихзатрат времени, что быизбежатьпривнесённыхпогрешнос тей, которые снижали точность. Точность . Кроме внутренних неточ ностей в термопарах, обусловленных их металлургическими свойствами, из мерение при помощи термопары яв ляется настолько точным, насколько точно может быть измерена темпера тура эталонного спая, традиционно в пределах 1…2 ° C. Подверженность коррозии . Посколь ку термопары состоят из двух разно родныхметаллов, в некоторых окружа ющих условиях коррозия с течением времениможет привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита, а уход и техни ческое обслуживание являются неотъ емлемыми процедурами. Подверженность помехам. При из мерении изменений сигнала на уровне микровольт, помехи от паразитных электрических имагнитных полеймо гут быть проблемой. Скручивание па ры проводов термопарыможет значи тельно снизить наводку от магнитного поля. Использование экранирован ного кабеля или укладка проводов в металлический лоток и защитный экран могут снизить наводку от элек трического поля. Измерительное уст ройство должно обеспечивать фильт рацию сигнала либо на аппаратном, либо на программном уровне, с интен сивным подавлением частоты сети (50 или 60 Гц) и её гармоник. Печатается с разрешения Analog Devices, Inc. (http://www.analog.com ) © СТА-ПРЕСС