|
|
|
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИВ сайте 3.9 главы 3 подробно описан термоэлектрический эффект, лежащий в основе физического принципа действия термопар, а в соответствующей таблице Приложения перечислены наиболее популярные термопары. Более подробное описание различных термопар и их применений можно найти во многих статьах, к примеру, в [1], [9] и [10]. Приведем некоторые важные рекомендации по использованию наиболее распространенных типов термопар Си (+) и константан (-). Такие термопары устойчивы к коррозии (поэтому могут применяться для работы во влажной атмосфере) и пригодны для измерения отрицательных температур. При работе на воздухе в агрессивной среде их верхний предел рабочего диапазона ограничен 370°С (700°F), что связано с окислением медного элемента. В других окружающих условиях термопары типа Т могут использоваться при более высоких температурах. Тип J: Fe (+) и константан (-). Термопары этого типа подходят для работы в вакууме, а также в различных средах: и инертных, и окислительных, и восстановительных. Их рабочий температурный диапазон лежит в интервале 0...760°С. При температуре около 540°С начинается быстрый процесс окисления железных термоэлементов. Если требуется, чтобы термопары работали длительное время в условиях высоких температур, для их изготовления необходимо применять провода с крупным поперечным сечением. Термопары типа J не рекомендуется использовать для измерения температур ниже точки замерзания воды из-за их хрупкости и подверженности ржавлению. В этом температурном диапазоне лучше работают термоэлементы типа Т. Тип Е: 10% Ni/Cr (+) и константан ( — ). Эти термопары рекомендуется использовать в температурном диапазоне — 200...900°С в окислительных или инертных атмосферах. В восстановительной атмосфере и в вакууме они имеют те же ограничения, что и термопары типа К. Термопары типа Е могут применяться для измерения отрицательных температур, благодаря тому, что они не подвержены коррозии при работе в атмосфере с повышенным содержанием влаги. Они способны вырабатывать наибольшую среди всех известных типов термопар э.д.с, поэтому термоэлементы типа Е являются самыми популярными (см. рис. 3.36 главы 3) Тип К: 10% Ni/Cr (+) и 5% Ni/Al/Si ( — ). Такие термопары применяются для работы в окислительной и полностью инертных средах для измерения температур в диапазоне — 200...1260°С. Благодаря своей устойчивости к окислению их часто используют при температурах выше 540°С. Однако термопары типа К нельзя применять в восстановительных и сернистых атмосферах, а также в вакууме. Тип RnS: Pt/Rh (+) и Pt (-). Эти термопары предназначены для непрерывной работы в окислительной и инертной среде в температурном диапазоне 0...1480°С Тип В: Pt/Rh (+) и 6% Pt/Rh (-). Термопары типа В подходят для непрерывной работы в окислительной и инертной атмосфере в температурном диапазоне 870... 1700°С. Их также можно использовать для проведения кратковременных измерений в вакууме. Такие термопары не рекомендуется применять в восстановительной среде, содержащей пары металлов и неметаллов. Их нельзя вставлять в металлические защитные корпуса или чехлы.Законы термоэлектричества Для практического использования термопар необходимо знать три основных закона, устанавливающих правила их подключения. рекомендуется подчеркнуть, что интерфейсные электронные схемы всегда должны подсоединяться к двум идентичным проводникам. Эти проводники, как правило, формируют одно из плечей термопарного контура, используемого для подключения измерительного устройства. Поскольку термоэлектрические контактные датчики состоят, по крайней мере, из двух разных проводников и двух соединений (пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они являются пассивными датчиками, т.к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных сенсоров, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измерении температуры при помощи термопары один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определять при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, к примеру, термистора, РДТ и т.д. или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура того точно известна (см. в соответствующей таблице Приложения). 16.15Б): Если известны термо э.д.с (Vx и V2) двух проводников (В и С) при их подсоединении к эталонному проводнику А, результирующее напряжение при непосредственном контакте проводников В и С будет равно алгебраической сумме термо э.д.с V и V. Закон 3. Если два соединения разных материалов, находящихся при температурах Тх и Т2, вырабатывают термо э.д.с К,, а при температурах Тг и Тг результирующая термо э.д.с. равна Vv то при температурах Тх и Тъ выходное напряжение К3 определяется суммой двух термо э.д.с Vx и К, (рис. 16.15В). Этот закон иногда называется законом промежуточных температур. Он позволяет калибровать термопары в одном температурном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также рекомендуется, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены дополнительные провода без изменения ее точностных характеристик. На основе этих трех законов может быть построено множество практических схем, применяемых для измерения, к примеру, средней температуры объекта, разности температур между двумя объектами, а также для включения в измерительную цепь детекторов температуры других типов для определения температуры эталонных спаев. рекомендуется отметить, что термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому такие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подвержены влиянию различных помех. В сайте 5.9 главы 5 даны рекомендации по повышению помехоустойчивости термопарных цепей. На рис. 16.15А это разомкнутое плечо обозначено как А. Закон 1. Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электрических цепей. 
Рис. 16.15. Иллюстрации правил соединения термопар
Из этого закона рекомендуется, что для получения разности потенциалов Зеебека необходимо использовать неоднородный материал. В случае однородного проводника при любом распределении температуры вдоль его длины результирующее напряжение будет всегда нулевым. Соединение двух разных проводников обеспечивает возникновение термо э.д.с. Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо э.д.с. цепи, состоящей из любого количества термопар (соединений разных материалов), будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковой температуре. Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополнительный материал С, не боясь изменить результирующее напряжение Vt при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру (Г3 на рис. 16.15А). Здесь нет никаких ограничений на количество внесенных проводников, необходимо только поддерживать одинаковую температуру в местах их подключения. Из этого закона также рекомендуется, что термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом, даже с использованием промежуточных материалов (к примеру, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавлением и т.д.. При этом метод соединения не будет влиять на точность термопар. Из закона 2 вытекает правило введения дополнительных материалов (рис. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталонные соединения называются холодными спаями, а чувствительные — горячими. На рис. 16.16А отображена эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений eh и е , соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы V является функцией измеряемой разности температур. Предполагается, что выводы схемы изготавливаются из того же самого материала, к примеру, железа. 
Рис. 16.16. Применение термопар: А — эквивалентная схема
термопары, Б — тер-мопарный термометр, в котором для измерения температуры
эталонного соединения используется полупроводниковый детектор LM35DZ
Схемы подключения термопар В прошлом холодные спаи термопар опускались в сосуды с тающим льдом для поддержания их температуры, равной 0°С (отсюда появилось название «холодные» спаи). Но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Простое решение этой проблемы вытекает из второго и третьего законов термо-элетричества. 
Рис. 16.17. Суммирование сигналов термитстора и термопары
Холодный спай может находится при любой температуре, даже
при температуре окружающей среды, единственное условие: значение этой
температуры должно быть известно. Поэтому часто для измерения температуры
холодного спая используется дополнительный детектор (к примеру, терморезистивный
или полупроводниковый) без компенсационных цепей.
На рис. 16.16Б отображена схема подключения термопары к
электронному интерфейсу. Как видно из схемы, холодный спай термопары и
дополнительный детектор находятся практически при одинаковой температуре, для
этого они часто располагаются на одной медной подложке. Для устранения сухих
контактов и обеспечения лучшей теплопроводности используется специальная смазка
или эпоксидная смола. В рассматриваемом примере в качестве детектора для измерения
эталонной температуры применяется полупроводниковый датчик LM35DZ (National
Semiconductor, Inc). Схема имеет два выходных сигнала: напряжение Зеебека V и
эталонное напряжение Vr. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы
выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо
поддерживать одинаковую температуру Т, необязательно равную температуре
холодного спая. Это обстоятельство очень важно при проведении дистанционных
измерений, когда температура интерфейсной схемы может значительно отличаться от
температуры холодного спая термопары.
Для определения температуры со схемы снимаются два сигнала:
напряжение на термопаре V и напряжение с выхода эталонного детектора К. Эти два
сигнала поступают от сенсоров разного типа, имеющих различные передаточные
характеристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать
линейными преобразователями с нормализованной чувствительностью а (В/К), в то
время как выражение чувствительности эталонного детектора определяется его типом. Для усиления выходного сигнала иногда используют последовательное соединение
нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и
все чувствительные соединения находились при соответствующих температурах. к примеру, чувствительность термистора а при рабочей температуре Т задается
уравнением (16.21) и имеет размерность Ом/К. Существует несколько способов
обработки выходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном
измерении сигналов, последующем определении эталонной температуры Г по
характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности
температур Д по напряжению на термопаре V:
Откуда и находится абсолютная температура измеряемого
объекта Т. Значение чувствительности термопары может быть найдено из
соответствующей таблицы Приложения.
При работе в сравнительно узком температурном диапазоне
сигналы термопары и эталонного детектора температуры могут быть подключены ко
входам одного ОУ (рис. 16.17). Поскольку чувствительности этих устройств а и а
достаточно сильно различаются, необходимо применять масштабирующее устройство.
Желательно, чтобы R0 = 5 (S0 — это сопротивление термистора
при калибровочной температуре Т0 в Кельвинах; к примеру, при Т= 298.15 К (25°С)
или в середине рабочего диапазона). После дифференцирования выражения для
напряжения К и подстановки уравнения (16.21) получим следующее соотношение для
нахождения коэффициента усиления:
где V0 — постоянное напряжение, а Д — характеристическая
температура термисто-ра. Измеряемая температура может быть найдена по одному из
уравнений, приведенных в таблице 16.3, соответствующих типу используемого
термистора. Температура вычисляется по сопротивлению термистора S,
определяемого по выходному напряжению V:
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
