Схемы включения термоэлектрических датчиков

Термопары дают на выходе напряжения, хотя и достаточно малой величины, но не требующие внешнего возбуждения. Как показано на рис. 9.9 г, для измерения используются два спая (Т1 – измерительный спай и Т2 – опорный спай). Если Т1 = Т2, то V1 = V2 и выходное напряжение V = 0. Выходные напряжения термопар часто определяются по отношению к температуре опорного спая при 0 ⁰С (откуда следует термин холодный спай или спай точки таяния льда), таким образом, термопара дает выходное напряжение 0 V при температуре измерительного спая 0 ⁰С. Для того, чтобы сохранить высокую точность измерения системы, опорный спай должен находиться при хорошо известной температуре (необязательно при 0 ⁰С). Принципиально простой метод выполнения этого требования показан на рис. 9.10. Хотя получить ванну таящего льда достаточно просто, данным методом пользоваться крайне неудобно.

Рисунок 9.10 – Классическая компенсация температуры холодного спая при использовании опорного спая, находящегося при температуре таяния льда (0 ⁰С)

В настоящее время, обычно, ванна таящего льда заменяется электроникой. Другой температурный датчик (часто полупроводниковый датчик, а иногда термистор) измеряет температуру холодного спая и его сигнал используется для введения компенсирующего напряжения в измерительную цепь термопары. Сигнал компенсирует разницу между действительной температурой холодного спая и ее идеальной величиной (0 ⁰С), как показано на рис. 9.11.

Рисунок 9.11 – Использование датчика температуры для компенсации холодного спая

В идеальном случае, компенсирующее напряжение должно точно соответствовать требуемой разнице напряжений, поэтому в схему вводится напряжение являющееся функцией от T₂ (функция от Т₂, а не К∙Т₂, где К – константа). На практике, поскольку температура холодного спая редко отличается от 0 ⁰С более чем на несколько десятков градусов, и обычно меняется меньше, чем на ±10 ⁰С, от номинальной величины, линейная аппроксимация (V = K∙T₂) является достаточно точной и часто используемой функцией. (Выражение для выходного напряжения термопары с температурой ее измерительного спая Т ⁰С и опорного спая при температуре 0 ⁰С выражается полиномом V = K₁∙T + K₂∙T²+ K₃∙T³+ ..., но величины коэффициентов К₂, К₃ и т.д. весьма малы для большинства известных типов термопар). В [8 и 9] даются величины этих коэффициентов для широкого набора термопар.

При использовании электронной компенсации холодного спая, общепринято не делать дополнительного спая термопары, а устанавливать свободные концы термопары в специальном изотермической блоке, как показано на рис. 9.12.

Рисунок 9.12 – Установка термопарных проводников непосредственно в изотермическом блоке

Соединения: Металл А – Медь и Металл В – Медь, если они находятся при одинаковой температуре, эквивалентны термопарному спаю Металл А – Металл В, как показано на рис. 9.11.

Схема на рис. 9.13 нормирует выходной сигнал термопары типа К и одновременно обеспечивает компенсацию холодного спая, для температур от 0 ⁰С до 250 ⁰С.

Рисунок 9.13 – Использование датчика температуры (ТМП35) для компенсации холодного спая термопары

Схема работает от одного источника питания от +3,3 V до +12 V и предназначена давать передаточную характеристику выходного напряжения 10 mV/⁰С. Термопара типа К имеет коэффициент Зеебека приблизительно 41 μV/⁰С; поэтому на холодном спае устанавливается ИС TMP35-датчик температуры с температурным коэффициентом 10 mV/⁰С. Он используется совместно с делителем R₁ и R₂ для того, чтобы ввести компенсирующий температурный коэффициент холодного спая противоположного знака, величиной –41 μV/⁰С. Указанное включение препятствует появлению ошибки измерения температуры, обусловленной непосредственным соединением между проводниками термопары и трассами печатных проводников платы. Данная компенсация работает исключительно хорошо в диапазоне температур окружающей среды от 20 ⁰С до 50 ⁰С.

Для смещения выходного напряжения, устанавливается дополнительный резистор R₃ на источник питания. Резистор R₃ также обеспечивает определение обрыва цепи термопары, устанавливая величину выходного напряжения больше 3 V, если термопара оборвана. Резистор R₇ балансирует входной импеданс операционного усилителя ОР193, а пленочный конденсатор 0,1 μF уменьшает величину шума на неинвертирующем входе.