Усиление и нормализация сигналов термопар

Усиление и нормализация сигналов термопар

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — один из самых распространенных датчиков температуры. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматических системах управления и контроля благодаря своей простоте, низкой цене и возможности работы в широком диапазоне температур при высокой надежности. Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов с разными термоэлектрическими свойствами. Спаянное соединение проводников для подключения измерительной схемы называют рабочим спаем. Именно он размещается в измеряемой среде.

Свободные концы проводников (холодный спай) подключаются ко входу измерительной схемы. Если температуры холодного и рабочего спаев отличаются, то термопара вырабатывает термоЭДС, пропорциональную разности температур спаев. ТермоЭДС зависит только от материалов термоэлектродов и разности температур между спаями. Для получения корректных измерений необходимо учитывать температуру холодного спая. Датчиком его температуры обычно служит полупроводниковый диод, который располагается в непосредственной близости от клеммной колодки для коммутации выводов термопары и соединительных проводников с измерительной схемой. Основные параметры и материалы (или сплавы) термоэлектродов наиболее распространенных термопар приведены в таблице.

Табл. Основные типы термопар и их характеристики в соответствии с международными стандартами

В таблице представлены обозначения термопар по американскому стандарту ANSI (American National Standards Institute) и по ГОСТ соответственно. Материалы термоэлектродов у некоторых термопар изготовлены из сплавов двух или более металлов. Минимальная температура, измеряемая термопарами, составляет –270°С, максимальная температура достигает 2200°С и более (до 2300°С) при кратковременном режиме измерения. Термопары гораздо более линейны, чем многие другие датчики. Нелинейность термопар очень хорошо изучена и подробно описана в специальной литературе. Термопары вырабатывают термоЭДС в диапазоне от мкВ до мВ, но для высокой точности измерения необходимо обеспечить высокую стабильность усиления схемы нормализации сигнала. Вольт-температурные характеристики широкораспространенных термопар показаны на рис. 1.

Рис. 1. Вольт-температурные характеристики наиболее популярных термопар

Наилучшей линейностью обладают термопары типа K (ТХА). Они предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Термопары тип N (ТНН) имеют высокую стабильность термоЭДС (по сравнению с термопарами типов K, R и S) и обладают высокой стойкостью к окислению электродов, что очень важно при работе в агрессивных средах. Термопары A-1, A-2 (отечественное наименование ТВР) имеют самую высокую рабочую температуру измерений 2200°С (2300°С при кратковременном режиме) в неокислительных средах. Они устойчиво работают в азоте, гелии, аргоне, водороде. 
На рис. 2 приведена схема усиления сигнала термопары типа K, рекомендуемая компанией Texas Instruments. Диод 1N4148 служит для измерения и компенсации температуры холодного спая термоэлектрического преобразователя.

Рис. 2. Усиление и нормализация сигнала термопары с помощью микросхемы XTR106