Измерительные цепи термопар

Типовая функциональная схема измерения термо-ЭДС показана на рисунке 8.15.

Схема предусматривает автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. В цепь термопары и инструментального усилителя включён мост, одним плечом которого является терморезистор R2, помещённый возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов R3…R5). Схема работает следующим образом. При температуре t₀ мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры свободных концов сопротивление терморезистора R2 изменяется, мост выходит из состояния равновесия и возникшее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, равной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов R3…R5. Изменение выходного напряжения П_вых моста при температуре t до значения, равного уменьшению термо-ЭДС ДЕ так, чтобы t/_BbIX(t) — Д?(0 = 0, производится изменением напряжения питания моста, то есть сопротивлением R1. Вследствие нелинейной характеристики термопары полной коррекции погрешности получить не удаётся, однако погрешность значительно уменьшится.

Рис. 8.15. Функциональная схема измерения термо-ЭДС Напряжение термо-ЭДС усиливается инструментальным усилителем и преобразуется в цифровой код цифровым вольтметром. Измеренная величина отображается на цифровом индикаторе.

Примеры исполнения измерительных каналов

Решение некоторых из перечисленных проблем достаточно очевидно. Например, чтобы избежать возникновения гальванического эффекта нужно выбирать герметичную конструкцию датчика, чтобы минимизировать помехи — использовать экранированные кабели минимальной длины и т. д. Другие же проблемы требуют специальным образом спроектированных измерительных каналов. Для примера возьмём модуль согласования сигналов термопар SCXI-1112 и модуль согласования сигналов общего назначения с гальваноразвязкой SCXI- 1125 в паре с терминальным модулем для подключения термопар SCXI- 1328 фирмы National Instruments.

Модуль SCXI-1112 предназначен для прямого подключения до восьми термопар. Блок-схема измерительного канала модуля показана на рисунке 8.16.

Рис. 8.16. Блок-схема одного канала SCXI-1112.

Как видим, каждый измерительный канал включает в себя схему защиты от перенапряжения, инструментальный усилитель со схемами калибровки смещения нуля и усиления, фильтр низких частот с частотой среза 2 Гц для подавления промышленных помех, детектор обрыва термопары с индикатором и, наконец, отдельные датчики температуры холодного спая для каждого входа. Задачи компенсации температуры холодного спая, линеаризации и обнаружения неисправностей датчика возложены на программное обеспечение.

Терминальный модуль предназначен для подключения термопар к модулю согласования сигналов. Для обеспечения условий изотермальности конструкция собрана на единой алюминиевой подложке. Кроме того, в терминальном модуле установлен высокоточный термисторный датчик температуры холодного спая.

Плата согласования сигналов SCXI-1125 содержит восемь изолированных аналоговых каналов для работы с сигналами размахом от 2,5 mV.

Каждый канал содержит программируемый фильтр низких частот, усилитель с программируемым коэффициентом усиления и автоматической корректировкой нуля. Плата рекомендована производителем для согласования сигналов от термопар. Блок-схема одного из каналов усиления показана на рисунке 8.17.

Как и в предыдущем примере, компенсация холодного спая, линеаризация и обнаружение неисправностей выполняется программно.

Рис. 8.17. Блок-схема одного канала SCXI-1125.

Задачи и упражнения к главе 8

• 1. Внутренний диаметр цилиндрического капилляра ртутного термометра равен 0,2 мм. Считая, что объёмы капилляра и чашечки с ртутью не меняются с температурой, найдите объём чашечки термометра, если чувствительность термометра равна 2 мм/°С. Термометр работает при температуре около 24 °C. Считайте, что объём капилляра пренебрежимо мал по сравнению с объёмом чашечки. Коэффициент теплового расширения ртути равен 1,82×10 мл/(мл • °С).
• 2. ЭДС термопары? вычисляется по формуле (8.20). Рассчитайте и постройте график Е при условии, что референтная термопара находится при 0 °C, а температура изменяется от 0 °C до 50 °C. Используется медь-константановая термопара, для которой а = 38,7 мкВ/°С и Ъ — 0,082 мкВ/°С. Какой вклад в ваши расчёты вносит второй член? Следует отметить, что эти вычисленные кривые не отвечают реальной ситуации. Калибровочная кривая должна измеряться экспериментально в интересующем интервале температур.
• 3. Используя результаты расчётов из задачи 2, вычислите чувствительность медь-константановой термопары при 37 °C.
• 4. Вычислите температурный коэффициент термистора для Т = 300 К и Т = = 4000 К.
• 5. Нарисуйте типичную вольтамперную характеристику термистора с теплоотводом и без него. Объясните, почему эти характеристики отличаются.
• 6. Нарисуйте мостовую схему измерения температуры с помощью тензорезистора, в которой мост уравновешивался бы за счёт обратной связи по температуре (саморазогрева терморезистора).
• 7. Запишите уравнение теплового баланса для задачи 6.
• 8. Построите зависимость от температуры сопротивления платинового элемента в диапазоне от 100 °C до 800 °C.