Измерение температуры: теория и практика

  • Просмотров: 7670
 

Немного теории

Для корректного изложения вопросов измерения температуры необходимо дать ее точное физическое определение. Итак, температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какоголибо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном для измерения очень высоких температур. В первую, более обширную группу входят жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др. Для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические и магнитные термометры. Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.

Немного истории

Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.

Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки  температуру тела человека (96°F  в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C). Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры. Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:
 
 
Таким образом, 0°C соответствует 32°F и 273,15 К, а 100°C — 212°F и 373,15 К. Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек). Для обеспечения единства измерений тем пературы в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могутбыть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур. Перечень основных фиксированных точек МПТШ68 приведен в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Термопары

Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т.Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и состоит в следующем. Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (рис. 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Говорят, что термоэлектрод А положителен по отношению к В, если ток течет от А к В в более холодном из двух контактов. Электродвижущая сила, вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека и зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

 

Е = α(Т2 - Т1),

где α — коэффициент пропорциональности (коэффициент Зеебека).

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ееподдерживают постоянной, например, равной 0°С) и измеряя этот ток или напряжение, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.Конструкции и материалы для изготовления термопар весьма разнообразны (рис. 2) и определяются физическими и химическими свойствами веществ, температуру которых необходимо измерять. Различают три основных типа термопар (рис. 3): с открытым контактом, с  изолированным незаземленным контактом и с заземленным контактом. Термопары с открытым контактом имеют малую коррозионную стойкость и малую постоянную времени и пригодны для измерения температуры жидкости и газа в потоке, а также твердых тел. Два других типа термопар пригодны для измерений в агрессивных средах. В таблице 2 приводятся основные типы термопар и их параметры в соответствии с международной спецификацией, а в таблице 3 — наиболее распостраненные варианты конструктивного исполнения термопар и области их применения.
 
 
 

Практическое применение термопар

Измерение температуры с помощью термопар основывается на нормированных калибровочных характеристиках термопар и законах термоэлектричества, установленных опытным путем.

1. Закон внутренних температур. Наличие температурного градиента в однородном проводнике не приводит к возникновению электрического тока (рис. 4).
Таким образом, термоЭДС определяется только разностьютемператур в местах контакта различных проводников.

2. Закон промежуточных проводников. Пусть два однородных проводника из металлов А и В образуют термоэлектрическую цепь с контактами, имеющими температуры Т1 и Т2 (рис. 5). В разрыв проводника А включается проводник из металла Х, и образуются два новых контакта — J1 и J2. Если температура проводника Х одинакова по всей длине, то результирующая термоЭДС цепи не изменится. Этот важный закон позволяет:
а)спаивать (а не сваривать) концы электродов,
б)использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборорам

 

3. Закон промежуточной температуры. Если в цепи, образованной двумя термоэлектродами из разнородных металлов, индуцируется термоЭДС Е1 при температурах контактов Т1и Т2и термоЭДС Е2при температурах контактов Т2 и Т3, то при температурах Т1 и Т3 ЭДС будет равна Е1+Е2. Это означает, что градуировочные таблицы можно использовать и при температуре опорного контакта, не равной 0°С (рис. 6).

4. Закон аддитивности термоЭДС. Если известны термоЭДС металлов А и В в паре с опорным металлом R, то термоЭДС пары А с В будет равна их сумме (рис. 7). Это означает, что можно создавать нестандартные комбинации термоэлектродов и попрежнему пользоваться для них градуировочными таблицами. При подключении термопар к измерительным устройствам обязательно возникают дополнительные контакты между термопарой и соединительными проводниками. Допустим, мы хотим подключить термопару медьконстантан с рабочим спаем J1, имеющим температуру Т1, и свободными концами с температурой Т2, к вольтметру медными проводниками и непосредственно измерить термоЭДС (рис. 8).

 

В этом случае показания вольтметра не будут соответствовать истинной разности температур Т1 и Т2 для термопары медь-константан, поскольку, подсоединив термопару, мы получим два новых контакта J2 и J3 с температурами Т2 и Т3. Контакт J2 (медьмедь) не вносит в цепь паразитной термоЭДС, но контакт J3 (константанмедь) образует новую термопару, спай которой находится при температуре Т3, вносящую в цепь дополнительную термоЭДС, противоположную по знаку термоЭДС от спая J1 (рис. 9). Таким образом, для того чтобы определить неизвестную температуру Т1, нужно знать температуру Т3 (ее можно, например, измерить другим датчиком температуры или привязать к известной температуре, погрузив J3 в ледяную ванну).
На практике не обязательно устраивать ледяную ванну рядом с каждой термопарой. Существует несколько программных и аппаратных способов обеспечения точности измерений с помощью термопар, из которых наибольшее распостранение получил метод схемы компенсации холодного спая (в англоязычной литературе — CJC). Суть его заключается во введении в измерительную цепь источника напряжения с ЭДС равной по величине и противоположной по знаку термоЭДС контакта J3 (рис. 10). Разумеется, эта ЭДС должна так же зависеть от температуры окружающего воздуха, поэтому, как правило, частью такого источника является интегральный полупроводниковый датчик температуры. В приведенной схеме использован полупроводниковый датчик AD590 и источник опорного напряжения AD580. Существуют также специальные микросхемы для подключения термопар, содержащие устройства компенсации холодного спая, усилители и схемы контроля исправности термопар. 
 
Примером, правда, несколько устаревшим, может служить микросхема AD595, типовая схема включения которой приведена на рисунке 11. Обычно такие устройства уже входят в состав готовых измерительных модулей и контроллеров для подключения термопар, и у пользователя не возникает необходимости создавать и настраивать их самому. 
 
Итак, мы точно измерили термоЭДС нашей термопары. Теперь остался последний шаг: преобразовать эту термоЭДС в температуру. К сожалению, у большинства термопар зависимость термоЭДС от температуры в некоторых диапазонах имеет нелинейный характер . Основная причина этого — зависимость коэффициента Зеебека от температуры. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его
калибровка. Простейший (и, кстати, наиболее точный) метод калибровки заключается в составлении и размещении в памяти ЭВМ таблицы соответствия значений термоЭДС и температуры, измеренной с помощью образцового термометра. Единственным серьезным недостатком табличного метода является его высокая ресурсоемкость (при широком температурном диапазоне требуется очень большой объем таблицы).
 
Наряду с табличной используется также полиномиальная апроксимация
Т = A0 + A1X + A2X2 + A3X3+…+ AnXn
Здесь Т — температура, Х — выходное напряжение термопары. Коэффициенты Аj и порядок полинома n определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопары.

Основные источники погрешности при измерении температуры с помощью термопар

Среди источников погрешностей можно выделить как явления, специфичные только для термопар, так и общие (шумы и помехи), характерные для любых змерительных систем. Рассмотрим вкратце эти явления и методы их нейтрализации.
Плохой контакт в месте спая и раскалибровка
Для соединения разнородных металлов между собой чаще всего применяются пайка припоем и сварка. При температурах, близких к точке плавления припоя, возможно нарушение контакта и даже разрыв термопары (эту ситуацию можно выявить по изменению характеристик термопары). Термопары, соединенные с помощью сварки, выдерживают более высокие температуры, однако при сварке структура и химический состав проводников могут деградировать, что приводит к возникновению погрешностей.Раскалибровка термопары (возникновение несоответствия рабочей характеристики термопары калибровочному полиному) также может являться результатом химического изменения материала термоэлектродов под действием высоких температур. Чтобы уменьшить такие погрешности, можно прибегнуть к повторной калибровке или замене термопары.
 
Шунтирование термопары и гальванический эффект
При высоких температурах электрическое сопротивление материалов изоляционных оболочек термоэлектродов снижается и может стать меньше омического сопротивления RS самих электродов (рис. 14). Это эквивалентно включению в цепь термопары шунтирующего резистора RL и образованию нового паразитного спая, имеющего температуру Т1 (в отличие от измеряемой Т2). Также при высоких температурах, особенно при измерении температуры жидкости, возможно образование (проникновение) электролита внутри термопары и возникновение гальванического эффекта, также приводящего к ошибкам измерения. 
Шумы и помехи
Поскольку выходной сигнал термопары очень мал, необходимо принимать специальные меры для снижения уровня шумов (и соответственно погрешности измерения). Кратко остановимся на наиболее важных из них.
1. Соединительные проводники для подключения термопар должны быть изготовлены из материалов с коэффициентом Зеебека, максимально близким к материалам термопары.
2. Необходимо стремиться к максимальному сокращению длины соединительных проводников между термопарой и цифровым измерительным устройством. В случае большого удаления термопары от контроллера следует использовать располагаемые в непосредственной близости от термопар специальные модули нормализации сигналов, превращающие термоЭДС в токовый сигнал (например, 420 мА) или непосредственно в цифровой отсчет (рис. 15). Кроме того, эти модули, как правило, обеспечивают гальваническую развязку сигналов и содержат устройства компенсации холодного спая. Дополнительные затраты сторицей окупаются надежностью, точностью и стабильностью работы системы.
3. Как можно шире использовать экранирование термопар и соединительных проводников для борьбы с помехами общего вида, особенно если проводники проходят рядом с источниками наводок и помех, а также при измерениях в электропроводящих средах.
4. Использовать фильтрацию сигналов для снижения уровня высокочастотных помех.
5. При многоканальных измерительных системах использовать метод временного отключения не используемых в данный момент групп каналов для предотвраще
ния суммирования их шумов с сигналом измеряемого канала.
 
Методы дистанционной диагностики исправности термопар
Наиболее просты и удобны программные методы диагностики, в основе которых лежит протоколирование результатов измерений температуры за некоторый период
времени. В частности, поскольку температура в данном технологическом процессе может меняться с конечной скоростью, любое мгновенное изменение показаний термопарного термометра, скорее всего, является признаком ошибки или отказа.
Среди аппаратных методов наибольшее распостранение получили метод закорачивания термопары и метод измерения сопротивления термопары. Предположим, что термопара (железоконстантан) подключена к измерительному прибору медными проводниками (рис.17) через клеммный соединитель с известной температурой ТREF (как правило, это комнатная температура). В этом случае термоЭДС будет равна:
V = α(TJ - ТREF)
 
Если мы теперь замкнем между собой клеммы медным проводом (V = 0), то получим:
TJ = ТREF
Таким образом, при закороченной термопаре прибор должен показывать температуру клеммного соединителя ТREF. Этот простой тест позволяет проверить правильность работы контроллера, измерительного устройства, устройства компенсации холодного спая, но не самой термопары. Для проверки термопары можно использовать, например, метод контроля ее омического сопротивления. В нормальном состоянии сопротивление плавно меняется с температурой.
Если, например, в результате локального нагрева возникнет замыкание термопары, то сопротивление резко изменится (рис. 18), что, скорее всего, указывает на ошибку.

Краткие выводы и рекомендации

Качественные показатели системы измерения температуры с помощью термопар могут быть улучшены следующими путями.
● Используйте максимально толстые проводники, не отводящие тепло от измеряемой зоны.
● Если необходимо использовать тонкие проводники, старайтесь максимально уменьшить их длину.
● Оберегайте по возможности датчик и провода от ударов и вибраций, которые могут ухудшить параметры системы.
● При невозможности расположить преобразователь вблизи термопары используйте для подключения экранированную витую пару.
● Не подвергайте термопару резким колебаниям температуры и используйте ее и соединителные провода только в рабочем диапазоне температур.
● По возможности ведите протоколирование результатов измерений.
 
Автор: Виктор Гарсия, сайт www.cta.ru

 

Powered by module Blog | News | Reviews | Gallery ver.: 4.32.5 Lightspeed (Commercial license) (opencartadmin.com)