Общие характеристики термоэлектрических датчиков

Термопары являются небольшими, точными и относительно недорогими устройствами и работают в широком диапазоне температур. Термопары особенно полезны при выполнении измерения весьма высоких температур (до +2300 ⁰С) в агрессивных средах. Они дают на выходе милливольтные сигналы и требуют точного усиления для проведения дальнейшей их обработки. Использование термопарных датчиков требует принятия мер по компенсации температуры холодного спая. Термопары более линейны, чем многие другие датчики и их нелинейность хорошо формализована. Некоторые из наиболее известных зарубежных термопар показаны в табл. 9.2.

Таблица 9.2 – Термопары

Для создания термопар используются следующие металлы: железо, платина, родий, рений, вольфрам, медь, алюмель (сплав никеля и алюминия), хромель (сплав никеля и хрома) и константан (сплав меди и никеля).

На рис. 9.7 показаны кривые зависимости напряжения от температуры для трех широко используемых термопар при фиксированной температуре опорного спая (холодного спая) 0 ⁰С. Из показанных термопар, термопары J являются наиболее чувствительными, производя наибольшее выходное напряжение на заданный перепад температуры. С другой стороны, термопары S являются наименее чувствительными. Приведенные характеристики очень полезны для рассмотрения при разработке схем нормирования сигналов. В том смысле, что термопары с относительно малыми выходными сигналами требуют усилителей с более низкими шумами, малым дрейфом и высоким усилением.

Рисунок 9.7 – Выходные напряжения для термопар типов J, K, S

Для понимания свойств термопары необходимо рассмотреть нелинейность ее отклика на перепад температуры. Рис. 9.7 показывает соотношение между температурой измерительного спая и выходным напряжением для ряда термопар (во всех случаях холодный спай поддерживается при температуре 0 ⁰С). На рис. 9.8 показано как коэффициент Зеебека (изменение выходного напряжения при изменении температуры чувствительного спая – т.е. первой производной выходного напряжения от температуры) меняется с температурой измерительного спая (предполагается случай, когда температура холодного спая поддерживается при 0 ⁰С).

Рисунок 9.8 – Зависимость коэффициента Зеебека термопары от температуры

При выборе термопары для выполнения измерений в заданном диапазоне температур необходимо выбирать термопару, коэффициент Зеебека которой в меньшей степени меняется в заданном рабочем диапазоне.

Например, термопара типа J имеет коэффициент Зеебека, меняющийся менее чем на 1 μV/⁰С в промежутке от 200 ⁰С до 500 ⁰С, что делает ее предпочтительной для измерений в данном диапазоне.

Наличие этих данных по термопарам дает две возможности.

Первая, рис. 9.7 иллюстрирует диапазон и чувствительность трех типов термопар так, что разработчик сразу может определить, что термопара типа S имеет наиболее широкий рабочий диапазон, а термопара типа J будет наиболее чувствительной.

Вторая, коэффициент Зеебека дает быструю оценку линейности термопар.

Используя данные рис. 9.8, разработчик может выбрать термопару типа К благодаря линейности ее коэффициента Зеебека для работы в диапазоне от 400 ⁰С до 800 ⁰С или термопару типа S для работы в диапазоне от 900 ⁰С до 1700 ⁰С. Поведение коэффициента Зеебека термопары важно в тех приложениях, где представляет интерес изменение температуры, а не ее абсолютное значение. Эти данные также показывают, какие рабочие характеристики потребуются от цепи нормирования сигналов.