Меню

Измерение температуры потока термопарой



Измерение температуры с помощью термопары

В этой статье краткий обзор темы «измерение температуры с помощью термопар», рассказывается о проблемах стандартного характера, возникающие при их использовании, и предлагает два решения для снятия показаний.

В принципе действия термопары лежит эффект Зеебека, иначе говоря термоэлектрический эффект. Поместив спай металлов, с различным термо-ЭДС, в среду с измеряемой температурой, то на электродах будет разность потенциалов прямопропорциональная разности температур.

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

  • Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
  • Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
  • Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Источник

Форум сайта mypractic.ru

Обсуждение и вопросы по темам сайта.

Как измерить температуру термопарой

Как измерить температуру термопарой

Сообщение Эдуард » 04 ноя 2016, 22:56

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.

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.

Рабочий спай образуют два проводника из разнородных металлов. Его размещают в точке, температуру которой измеряют.

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.

Термопары делают из самых разных материалов, даже из платины. Но самые распространенные и дешевые это:

    ТХК – хромель-копелевые;
    ТХА – хромель-алюмель.

Как практически измерить температуру термопарой .

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. );

по таблице НСХ термопары определить температуру рабочего спая, используя термо-ЭДС рабочего спая.

Пример.
У меня есть термопара TP-01A. Типичная, широко распространенная термопара от тестера, типа ТХА.

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.

Читайте также:  Приборы для измерения углов их применение

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.

По той же таблице НСХ определил, что значению ЭДС 11,66 мВ соответствует температуре 287 °C. Это и есть измеренная температура жала паяльник.

Это самая точная методика.

Источник

Измерение температуры поверхностей с помощью термопар

Не существует единого типа термопары, предназначенной для измерения температуры поверхности твердых тел (поверхностных термопар). Обилие существующих конструкций поверхностных термопар объясняется прежде всего многообразием условий измерений и свойств поверхностей, температуры которых подлежат измерению.

В промышленной практике возникает необходимость измерения температур поверхностей различных геометрических форм, неподвижных и вращающихся тел, электропроводных тел и изоляторов, тел с высокой и низкой теплопроводностью, гладких и шероховатых. Поэтому поверхностные термопары, пригодные для использования в одних условиях, оказываются непригодными в других.

Измерение температуры металлической поверхности приваркой термопары

Довольно часто для измерения температур нагретых тонких металлических пластин или массивных тел к контролируемой поверхности непосредственно припаивают или приваривают спай термопары. Такой способ измерения температуры можно считать допустимым только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Теплообмен между поверхностью пластины и шариком спая термопары осуществляется главный образом тепловым потоком, проходящим через поверхность их соприкосновения, составляющую часть поверхности спая и примыкающих к спаю термоэлектродов. В некоторой степени теплообмен осуществляется излучением между пластинкой и неконтактирующей с ней частью поверхности спая с термоэлектродами.

С другой стороны, контактирующая с пластиной часть поверхности спая и термоэлектроды термопары теряют тепловую энергию вследствие излучения к более холодным телам, окружающим пластину, и конвективной теплоотдачи к омывающим спай потокам воздуха.

Таким образом, спаем и прилегающими к нему термоэлектродами термопары рассеивается значительная часть тепловой энергии, непрерывно поступающей в спай через поверхность соприкосновения с пластиной.

В результате равновесия температура спая и примыкающей к нему части поверхности пластины оказывается гораздо ниже, чем температура частей пластины, удаленных от спая (при измерении высоких температур тонких пластин эта систематическая погрешность измерения может достигать сотен градусов).

Эту погрешность снижают, уменьшая величину теплового потока, рассеиваемого спаем и термоэлектродами термопары. С этой целью полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлектродов.

Сами термоэлектроды не следует сразу отводить от пластины, а лучше сначала проложить их в тепловом контакте с пластиной на расстоянии, равном по крайней мере 50 диаметрам термоэлектродов.

При этом следует иметь в виду, что если пластина и поверхность термоэлектродов не окислены, то они могут замкнуться пластиной и измеренная термо э. д. с. термопары будет соответствовать температуре не спая термопары, а температуре точки соприкосновения термопары с поверхностью.

В этом случае между термоэлектродами и пластиной необходимо проложить тонкий слой электрической изоляции, например тонкую пластину слюды. Целесообразно также всю поверхность спая и участка термоэлектродов покрыть слоем тепловой изоляции, например огнеупорной обмазкой, для уменьшения потерь вследствие излучения и конвективной теплоотдачи.

При соблюдении этих предосторожностей можно обеспечить измерение температуры поверхности металлических деталей с погрешностью, не превышающей нескольких градусов.

Иногда к поверхности металлической пластины приваривают не спай термопары, а ее термоэлектроды на некотором расстоянии один от другого.

Такой способ измерения температуры металлической поверхности можно считать приемлемым только в том случае, если есть уверенность в равенстве температур пластины в обеих точках приварки термоэлектродов. В противном случае в цепи термопары возникнет паразитная термо э. д. с, развиваемая материалами термоэлектродов с материалом пластины.

Ниже дано описание таких термопар, как лучковые, пятачковые и штыковые. Их используют для измерения температур поверхностей неподвижных тел.

Лучковая (ленточная) термопара

Лучковая термопара снабжена чувствительным элементом, изготовленным в виде ленты из двух металлов или сплавов (например, из хромеля и алюмеля) длиной 300 мм, шириной 10 — 15 мм, спаянных или сваренных в стык и прокатанных до толщины 0,1 — 0,2 мм.

Концы ленты со спаем посредине закрепляют на изоляторах по концам пружинящей рукоятки в форме лука так, чтобы лента была все время натянутой. От концов ее к зажимам измерительного прибора (милливольтметра) проходят проводники, изготовленные из тех же материалов, что и обе половинки ленты.

Для измерения температуры выпуклой поверхности лучковая термопара прижимается к этой поверхности средней частью так, чтобы поверхность охватывалась лентой, по крайней мере, на участках по 30 мм по обе стороны от спая.

В сквозные отверстия красномедного диска впаивают термоэлектроды, образующие термопару. Для обеспечения механической прочности конструкции применяют термоэлектроды диаметром 2 — 3 мм. Нижней поверхности диска («пятачка») придают форму той поверхности, для измерения температуры которой предназначена термопара.

Читайте также:  Основания единица измерения времени

Термоэлектродвижущая сила пятачковой термопары образуется в результате замыкания термоэлектродов металлом пятачка. При хорошей пайке это замыкание происходит по всей поверхности отрезков термоэлектродов, утопленных внутрь пятачка. Но электрическая цепь с наименьшим сопротивлением образуется главным образом верхним поверхностным слоем пятачка и температуру этого слоя в основном определяет термо э. д. с. термопары.

Уравнения теплового баланса пятачковой термопары составляют аналогично тому, как это было сделано выше для ленточной термопары, с той разницей, что помимо теплового потока, рассеиваемого в результате конвективной и лучистой теплоотдачи с внешней поверхности пятачка, большое значение приобретает учет части рассеиваемого теплового потока, отсасываемой от пятачка термоэлектродами вследствие их теплопроводности.

Необходимо учесть следующее обстоятельство. Термоэлектроды изготовлены из различных металлов или сплавов с разными значениями коэффициента теплопроводности. Так, например, платинородиевый термоэлектрод термопары типа ПП характеризуется коэффициентом теплопроводности, вдвое меньшим, чем второй термоэлектрод — платиновый.

Если диаметры термоэлектродов одинаковы, то различие значений коэффициентов теплопроводности термоэлектродов приведет к тому, что в местах электрического контакта термоэлектродов с пятачком образуется разность температур, которая послужит причиной возникновения в цепи термопары паразитной термо э. д. с.

Термопары этого типа применяют главным образом для измерения температур поверхности сравнительно мягких металлов и сплавов. Для штыковой термопары применяют термоэлектроды из достаточно твердых сплавов, например из хромеля и алюмеля диаметром 3 — 5 мм.

Один из термоэлектродов термопары закреплен на головке неподвижно, а второй может перемещаться вдоль своей оси, и в нерабочем состоянии конец его выдвигается пружиной ниже конца первого термоэлектрода. Концы обоих термоэлектродов заострены.

При подведении термопары к объекту значительных размеров поверхности объекта касается сначала острие подвижного термоэлектрода. При дальнейшем нажиме на головку термоэлектрод входит в нее до тех пор, пока острие термоэлектрода не встретит поверхности объекта. Тогда оба острия прокалывают поверхностную пленку окисла на поверхности объекта, и этот металл замыкает электрическую цепь термопары.

При хорошей заточке концов термоэлектродов термопара дает надежные результаты измерений температур поверхностей цветных металлов, обладающих мягкой, легко прокалываемой пленкой окислов.

Применение штыковой термопары с затупленными остриями приводит к тому, что поверхности соприкосновения обоих термоэлектродов с объектом становятся сравнительно большими, в результате чего охлаждаются участки поверхности объектов в местах касания концов термоэлектродов и термопара дает явно заниженные показания температур. Однако уже через 20 — 30 секунд тепло, поступающее из окрестных областей объекта, нагревают охлажденный участок, а с ним и концы термоэлектродов.

Таким образом штыковая термопара с затупленными концами в момент контакта дает заниженные показания температуры объекта, затем в течение нескольких десятков секунд ее показания растут, асимптотически приближаясь к устойчивому значению. Это устойчивое значение тем сильнее отличается от действительного значения температуры поверхности объекта, чем больше поверхность соприкосновения затупленных концов термоэлектродов с объектом.

Градуировка поверхностных термопар

Температура, которую принимает в установившемся состоянии поверхностная термопара, оказывается ниже измеряемой температуры поверхности, с которой контактирует термопара. Этот перепад температур в значительной степени может быть учтен благодаря градуировке поверхностной термопары в условиях теплоотдачи с ее наружной поверхности, приближающихся к условиям эксплуатации.

Из этого положения вытекает, что градуировочная характеристика поверхностей термопары может сильно отличаться от характеристики термопары, образованной из тех же термоэлектродов, но градуированной методом сравнения с образцовой при их совместном погружении в термостатируемое пространство.

Следовательно, поверхностные термопары нельзя градуировать погружением в термостаты (жидкостные лабораторные нагревающие термостаты для градуировки термопар). К ним должна быть применена другая методика градуировки.

Поверхностные термопары градуируют, прикладывая их с требуемым прижатием к наружной металлической поверхности тонкостенного жидкостного термостата. Нагретая жидкость внутри термостата хорошо перемешивается, и ее температура измеряется каким-либо образцовым прибором.

Наружная поверхность термостата покрывается слоем тепловой изоляции. Тепловой изоляцией не покрывается только небольшой участок наружной поверхности, находящийся приблизительно на половине высоты термостата, к которому и приложена термопара.

При такой конструкции температуру металлической поверхности термостата под поверхностной термопарой с погрешностью, не превышающей несколько десятых градуса, можно считать равной температуре жидкости в термостате.

Источник

Измерение температуры с помощью термопары и микроконтроллера AVR

Термопара – это один из видов температурных датчиков, который может применяться в измерительных устройствах и системах автоматизации. Ей присущи определенные преимущества: дешевизна, высокая точность, широкий по сравнению с термисторами и микросхемами цифровых датчиков температуры диапазон измерения, простота и надежность. Однако выходное напряжение термопары мало и относительно, а схема измерителя на термопаре сложна, так как предъявляются жесткие требования к прецизионному усилению сигнала с термопары и к схеме компенсации. Для разработки таких устройств существуют специализированные микросхемы, интегрирующие схему преобразования и обработки аналогового сигнала. С помощью этих микросхем можно построить достаточно компактный измеритель температуры с термопарой в качестве датчика (Рисунок 1).

Читайте также:  Моль единица измерения название

Рисунок 1. Внешний вид цифрового измерителя температуры с термопарой в качестве датчика.

Принципы

Википедия определяет принцип действия термопары следующим образом:

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединенными проводниками имеется контактная разность потенциалов. Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различной. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (Рисунок 2).

Рисунок 2. Генерирование термо-ЭДС в термопаре, образованной двумя разнородными проводниками.

Существует несколько типов термопар, в зависимости от используемой пары материалов (чистый металл или сплав). В нашем проекте мы используем термопару K-типа (хромель-алюмель), которая часто применяется в промышленных инструментах и приборах. Выходное напряжение термопары K-типа составляет приблизительно 40 мкВ/°С, следовательно, потребуется схема усиления сигнала с небольшим смещением напряжения по входу.

Как упоминалось выше, термо-ЭДС пропорциональна разности температур между холодным и горячим спаем. Это означает, что температура холодного спая должна быть известна для вычисления фактического значения температуры горячего спая. Для этого потребуется схема компенсации холодного спая, которая будет автоматически вводить поправку к измеренной термо-ЭДС (Рисунок 3).

Рисунок 3. Схема компенсации холодного спая, введение поправки к измеренной термо-ЭДС.

Чтобы получить значение температуры с помощью термопары потребуется аналоговая схема, например прецизионный операционный усилитель и схема компенсации холодного спая. Однако, существует несколько видов специализированных микросхем со встроенным интерфейсом термопары. Эти микросхемы интегрируют указанные выше аналоговые схемы и значительно упрощают проект. В нашем случае мы выбрали микросхему MAX31855 компании Maxim. Она содержит аналоговую схему и аналого-цифровой преобразователь, следовательно, на выходе микросхемы мы получим цифровые данные. Перед покупкой микросхемы необходимо заранее определить тип термопары, которая будет использоваться в устройстве.

Основные характеристики микросхемы MAX31855:

Компенсация холодного спая реализуется с помощью интегрированного в микросхему датчика температуры, поэтому одним из важных условий при сборке измерителя является размещение микросхемы непосредственно возле коннектора подключения термопары. Немаловажным условием является также изоляция данного узла от внешнего нагрева. Для подключения мы использовали коннектор, изображенный на Рисунке 4. Можно использовать коннекторы других типов.

Рисунок 4. Возможный вариант коннектора для подключения термопары к схеме.

Принципиальная схема измерителя температуры изображена на Рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема измерителя температуры.

Сердцем прибора является микроконтроллер Atmel AVR ATmega164P. Микросхема MAX31855 подключается к микроконтроллеру по интерфейсу SPI.

В качестве источника питания используется батарея типоразмера LR1 с напряжением 1.5 В. Для питания микроконтроллера и микросхемы интерфейса термопары используется схема повышающего DC/DC преобразователя, выполненного на микросхеме серии XC9111, обеспечивающего выходное напряжение 3.0 В. Микроконтроллер осуществляет управление питанием и отслеживает напряжение батареи.

Так как для питания используется элемент питания 1.5 В, для отображения данных оптимально использовать сегментный статический ЖК индикатор TWV1302W, который применяется в цифровых устройствах измерения температуры (Рисунок 6). Рабочее напряжение этого индикатора 3 В. При использовании индикатора с рабочим напряжением 5 В потребуется дополнительная схема преобразователя напряжения (Рисунок 7). Функции управления индикатором выполняет микроконтроллер. При таком решении потребляемый устройством ток составит 4 мА, а батарея прослужит, как минимум, 100 часов.

Рисунок 6. Внешний вид символьного ЖК индикатора TWV1302W.

Рисунок 7. Вариант схемы преобразователя напряжения применяемой в случае использования ЖК индикатора с рабочим напряжением 5 В.

Измеритель температуры совместно с ПК или ноутбуком может использоваться в качестве системы сбора данных. Для этого предусмотрена возможность подключения к последовательному порту RS-232 для передачи данных. Настройки порта: 8 бит данных, 1 стоп-бит, скорость передачи данных 300 бит/с.

В программе микроконтроллера реализуется чтение данных по интерфейсу SPI с интервалом 0.5 сек и отображение измеренного значения на ЖК индикаторе. Управление индикатором осуществляется в фоновом режиме.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера – скачать
Демонстрационное видео – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник