Термопары применяются для измерения температуры давно и пользуются заслуженной популярностью. Оно просты внешне, но не так просты в применении. В любительской практике термопары используют относительно редко. В основном при необходимости измерения высоких температур. Тем не менее, термопары достойны более внимательного рассмотрения.
Как работает термопара. Эффект Зеебека
В начале 19 века Томас Зеебек проводил опыты по тепловому воздействию на гальванические элементы. Как это не редко случается с полезными и интересными открытиями, он случайно соединил два отрезка проволоки, висмут и медь. Так и появилась первая термопара.
Что происходит что то необычное стало видно по отклонению стрелки лежащего рядом компаса. Зеебек продолжил эксперименты с разными металлами и разными температурами. Правда он не признал электрическую природу явления (о чем говорил Эрстед) поэтому опубликованная статья называлась "Магнитная поляризация металлов и руд из-за разницы температур".
Последующие исследования подтвердили фундаментальный характер явления и его электрическую природу. А сам эффект получил название эффекта Зеебека. Давайте физику возникновения термо-ЭДС оставим в стороне и займемся вопросами практического применения термопар.
А для этого еще раз посмотрим на иллюстрацию, приведенную выше. Но на компас внимания обращать уже не будем. Итак, у нас есть два отрезка проволоки (в данном случае), которые соединены между собой с обоих концов. Точки соединения обычно называются спаями (junction), они показаны черными точками на иллюстрации. Если теперь температура спаев будет различной, то в цепи потечет ток, сила которого будет зависеть от разницы температур и сопротивления цепи.
Все так просто? Не совсем... Но сначала давайте посмотрим, на еще одну иллюстрацию
На самом деле, каждый из спаев будет источником термо-ЭДС, которая будет зависеть от температуры. На иллюстрации показана температура каждого спая (Т1 и Т2) и термо-ЭДС (u1 и u2). Причем термо-ЭДС имеет знак.
Если мы разрежем один из наших проводников и подключим в разрыв вольтметр, то он покажет некоторое напряжение U=u1-u2. И тут сразу возникает вопрос, а зачем нам следовать схеме экспериментов Зеебка, почему просто не измерять термо-ЭДС одного спая?
Дело в том, что напряжение выдаваемое спаем имеет несколько составляющих. И термо-ЭДС лишь одна из составляющих. Другой составляющей является, например, контактная разность потенциалов материалов термопары. Кроме того, влияние оказывает и разность температур между концами каждого из проводов термопары. А они, как мы помним выполнены из разных материалов.
В общем, влияющих на измеряемое напряжение факторов достаточно. Кроме того, температура в формулах для определения термо-ЭДС будет абсолютной. То есть, относительно абсолютного нуля, который принят в шкале Кельвина. А это не всегда бывает удобным.
Второй спай помогает, пусть и не полностью, решить эти затруднения. При этом спаи часто называют не горячим и холодным, а измерительным и опорным. Опорный спай позволяет и задать "точку отсчета", и компенсировать влияние контактной разности потенциалов. Последнее не полностью скомпенсированно, так как зависит от температуры, а она у спаев разная.
То есть, мы фактически измеряем температуру "дифференциально". И как дифференциальный способ измерения напряжения помогает минимизировать влияние синфазных помех, так и "дифференциальный" способ измерения температуры позволяет минимизировать влияние вторичных факторов.
Чувствительность термопар. Нормирующие усилители
Термопары изготавливаются из различных материалов. Вообще говоря, термопара может быть изготовлена даже из одно и того же материала, но с разной технологической обработкой. Например, термопарой будет и соединение проволоки после волочения и проволоки после волочения и отжига.
Разумеется, величина термо-ЭДС будет зависеть от материалов, из которых она изготовлена. Не смотря на то, что для себя вы можете и сами изготовить термопару из любых материалов, есть несколько стандартных термопар, выпускаемых промышленно.
Без сомнения, наиболее известной является термопара типа К (хромель-алюмель), которая входит в комплект многих мультиметров. Ее чувствительность равна примерно 40 мкВ/С. Да, именно так, 40 микровольт на градус Цельсия. Почему примерно? Потому что чувствительность зависит и от температуры.
Немного более чувствительной является термопара типа T (медь-константан), 45 мкВ/С. Другие термопары, которые могут встретиться в любительской практике, это тип E (хромель-константан), 75 мкВ/С, и тип J (железо-константан), 55 мкВ/С. Термопары с вольфрамом или платиной вам встретятся вряд ли.
То есть, термопары обладают весьма малой чувствительностью, а значит, нуждаются в усилителях. Причем это усилители постоянного напряжения, которые не только должны обеспечивать требуемый коэффициент усиления, но и иметь малый дрейф и малое напряжение смещения. А вот высокого быстродействия от них не требуется.
Для достижения высокой точности необходимо применять прецизионные усилители. Оптимальным вариантом будет использование специализированных микросхем. О некоторых из них мы немного поговорим чуть позже. Но усилитель можно собрать и на прецизионном ОУ или инструментальном усилителе. Но прецизионными должны быть все компоненты используемые в усилителе, а не только ОУ. И стабильными.
Кроме того, поскольку выходной сигнал термопары очень мал, порядка 8 мВ при 200 градусах Цельсия для термопары типа К, не стоит использовать усилители с однополярным питанием (включая rail to rail), так как они все таки имеют заметную нелинейность при работе с сигналами сравнимыми с уровнем земли.
Лучше всего использовать двухполярное питание. В крайнем случае, возможно подключение отрицательного вывода термопары к стабильному потенциалу выше уровня земли, для вывода усилителя на линейный участок передаточной характеристики.
В любительских конструкциях в усилителе встречается и использование LM358, причем с однополярным питанием, и без компенсации опорного спая (об этом далее), например, "Подключаем термопару к микроконтроллеру" (статья не моя!). Для простого знакомства с термопарами такое может быть допустимым. Но для реального использования нет!
Осталось сказать, почему усилитель называют нормирующим. Просто он "приводит в норму" сигнал с термопары для его дальнейшего использования. Например, для АЦП может потребоваться привести сигнал с термопары к диапазону 0-2 В. Мы еще вернемся к теме усилителей сегодня.
Компенсация опорного (холодного) спая
Давайте еще раз нарисуем схему измерения температуры с помощью термопары, но с учетом всего, что рассмотренного ранее
Здесь мы заменили вольтметр на усилитель с двухполярным питанием. И задали функционал каждого спая. Тизм это спай имеющий измеряемую температуру, а Топ это опорный спай, который имеет температуру 0 градусов Цельсия. Встает вопрос, как обеспечивать постоянство температуры опорного спая?
Выглядит разумным, на первый взгляд, использовать емкость с водой и льдом. Ведь известно, что именно так и определен 0 градусов в шкале Цельсия (в оригинальном варианте). Однако, это неудобно даже в лаборатории, так как нужно постоянно следить, что бы лед не растаял. А в условиях цеха, например, это вообще не применимо.
Поэтому вместо опорного спая используют электронную компенсацию. Действительно, ведь сигнал с опорной термопары можно представить в виде опорного же напряжения. Однако, как всегда, на сцене появляется дьявол усердно прячущийся в деталях.
Что бы понять в чем дело, давайте добавим в нашу схему точки соединения термопары и усилителя
Точки подключения термопары здесь обозначены как клеммы К1 и К2. Это могут быть и винтовые клеммы, и пайка, и любой иной способ. Проблема в том, что эти точки подключения тоже являются термопарами! И термо-ЭДС этих паразитных термопар зависит от температуры усилителя (точек подключения).
Если материалы паразитных термопар идентичны, а температура одинакова, то они скомпенсируют друг друга. Выровнять температуру можно обеспечив тепловой контакт между клеммами. А вот с материалами сложнее.
Смотрите, если у нас используется реальный опорный спай, то подходящие к клеммам проводники от термопар будут из одного материала. Вспомните иллюстрацию, где мы разрезали один из проводников. Пусть это будет хромель. А если мы заменяем опорный спай на его электронный аналог, то к одной клемме будет по прежнему подключаться хромель, а вот к второй уже алюмель. И тут уже напряжения паразитных термопар будут разными, даже при одинаковой температуре!
А значит, мы не можем использовать постоянное опорное напряжение. Нам нужно изменять его в зависимости от температуры точек подключения термопары. Сделать это можно с помощью ИОН, напряжение которого корректируется датчиком температуры. Этот дополнительный датчик может быть терморезистором или полупроводниковым аналоговым датчиком. Даже обычным диодом. Вот один из примеров
Здесь изотермический блок это просто конструктивная особенность клемм подключения термопары, которая обеспечивает надежный тепловой контакт между клеммами и термодатчиком.
Вместо термодатчика, если нужна высокая точность измерения, лучше использовать специализированные микросхемы, например, LT1025. Это специализированная микросхема для компенсации опорного спая, которая может работать с различными типами термопар.
Кроме специализированной микросхемы компенсации здесь используется и прецизионный усилитель LT1001. Разумеется, может быть использован и другой прецизионный ОУ. Да и микросхема компенсации может быть иная. Это просто иллюстрация одного из возможных вариантов.
Лианеризация термопар
Если помните, я приводил лишь примерную чувствительность термопар. И сказал, что она сама зависит от температуры. Действительно вот графики для некоторых типов термопар
Эта нелинейность дает ошибку измерения зависящую от температуры. Вот пример для некоторых типов термопар
Как видно, одна из самых распространенных в любительских конструкциях термопар (типа К) дает ошибку измерения не превышающую одного градуса в диапазоне от 0 до 170 градусов. И ошибку не превышающую 2.5 градусов в диапазоне от 0 до 400 градусов.
Если требуется высокая точность измерения, эту нелинейность характеристик нужно учитывать. Если измерение температуры осуществляется устройством с микроконтроллером, то калибровочную таблицу можно разместить в памяти устройства и обрабатывать программно. А если микроконтроллера нет? Тогда остаются схемотехнические способы лианеризации.
Например, вот такая кусочная лианеризация по нескольким точкам. Я ее приведу только для примера.
Существуют и специализированные микросхемы аналоговых вычислителей, например, AD538. И вот пример его использования
Обратите внимание, насколько эта схема проще приведенной ранее схемы кусочной лианеризации для того же самого типа термопар.
К счастью, термопара типа К при положительных температурах может считаться достаточно линейной. Если не нужна очень высокая точность измерения. А значит, самая сложная часть в применении термопар, лианеризация, может и не потребоваться.
Заключение
Пожалуй, на сегодня достаточно. Такая простая, на первый взгляд, термопара оказалась не так и проста. При этом одна из самых популярных у любителей термопар (тип К) не требует особых усилий при ее использовании. И именно поэтому она столь популярна.
Для нее достаточно усилителя с малым дрифтом нуля и коэффициента усиления. Причем для любительских конструкций периодическая подстройка нуля и коэффициента усиления (калибровка по двум точкам, по сути) вполне допустима.
Но в целом, в любительских конструкциях имеет смысл применять термопары лишь при необходимости измерения высоких температур.
В следующий раз мы познакомимся с термометрами (термопреобразователями) сопротивления.
