Два способа измерения температуры при помощи термопар

Мэтью Дафф, Джозеф Тови (США)
 (http://www.analog.com)

Перевод Андрея Данилова

В статье приведены краткие сведения о термопарах и описаны две измерительные схемы на основе ИС компании Analog Devices.

Введение
Термопара является простым, широко используемым компонентом для измерения температуры. Эта статья представляет общий обзор термопар, описывает стандартные проблемы, возникающие при разработке с их использованием, и предлагает два решения для обработки сигнала. Первое решение сочетает и компенсацию эталонного спая, и обработку сигнала в одной аналоговой ИС для удобства и лёгкости использования; второе решение разделяет компенсацию эталонного спая и обработку сигнала для большей гибкости и точности измерения температуры с цифровым выходом.

Теория термопары
Термопара, показанная на рисунке 1, состоит из двух проводников разнородных металлов, соединённых вместе на одном конце, называемом измерительным («•горячим») спаем. Другой конец, где проводники не соединены, подключен к дорожкам схемы обработки сигнала, обычно сделанным из меди. Это переход между металлами термопары и медными дорожками называется эталонным («холодным») спаем.*
Напряжение, генерируемое эталонным спаем, зависит от температуры и на измерительном, и на эталонном спае. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не прибором для измерения абсолютной температуры, температура эталонного спая должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Этот процесс известен как компенсация эталонного спая (компенсация холодного спая).

Термопары используются в стандартных промышленных методах экономически эффективного измерения температуры в широком диапазоне с приемлемой точностью. Они используются в разнообразных применениях вплоть до +2500°С в бойлерах, водонагревателях, печах и самолетных двигателях, и т.д. Наиболее популярной термопарой является термопара типа К, состоящая из хро-меля и алюмели (марки сплава никеля, содержащие хром и алюминий, магний и кремний соответственно), с температурным диапазоном от -200 до+1250°С.

Почему используется термопара?
Преимущества
Температурный диапазон. Наиболее реальные температурные диапазоны -от криогеники до выхлопа реактивного двигателя - могут быть перекрыты при помощи термопар. В зависимости от использованного металла проводников, термопара способна измерять температуру в диапазоне от -200 до+2500=С.

 
Надёжная. Термопары являются прочными приборами, невосприимчивыми к удару и вибрации и подходящими для использования в опасных окружающих условиях.

 
Быстрый отклик. Благодаря небольшим размерам и низкой теплоёмкости, термопары быстро откликаются на изменения температуры, особенно если воздействию подвергается измерительный спай. Они могут реагировать на быстро изменяющуюся температуру в пределах нескольких сотен миллисекунд. 

Отсутствует саморазогрев. Поскольку термопары не требуют энергии питания, они не подвержены саморазогреву и от природы безопасны.

Недостатки
Сложная обработка сигнала. Необходима существенная обработка сигнала, чтобы преобразовать напряжение термопары в полезные показания температуры. Традиционно обработка сигнала требовала больших затрат времени, чтобы избежать привнесённых погрешностей, которые снижали точность.

 
Точность, Кроме внутренних неточностей в термопарах, обусловленных их металлургическими свойствами, измерение при помощи термопары является настолько точным, насколько точно может быть измерена температура эталонного спая, традиционно в пределах 1...2°С.

Подверженность коррозии. Поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых окружающих условиях коррозия с течением времени может привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита, а уход и техническое обслуживание яачяются неоть-емлемыми процедурами.

Подверженность помехам. При измерении изменений сигнала на уровне микровольт, помехи от паразитных электрических и магнитных полей могут быть проблемой. Скручивание пары проводов термопары может значительно снизить наводку от магнитного поля. Использование экранированного кабеля или укладка проводов в металлический лоток и защитный экран могут снизить наводку от электрического поля. Измерите л ьное устройство должно обеспечивать фильтрацию сигнала либо на аппаратном, либо на программном уровне, с интенсивным подавлением частоты сети (50 или 60 Гц) и её гармоник.

Проблемы измерения при помощи термопар
По многим причинам нелегко преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точные показания температуры: сигнал напряжения является небольшим, взаимосвязь температура-напряжение является нелинейной, эталонный спай требует компенсации, а термопары могут создавать проблемы заземления. Давайте рассмотрим эти проблемы по очереди.

Сигнал напряжения мал. Большинство общеупотребительных термопар относятся к типам J, К и Т. При комнатной температуре их напряжение изменяется на 5 2 мкВ/°С, 41 мкВ/°С и 41 мкВ/°С соответственно. Другие, менее известные типы имеют даже меньший температурный коэффициент напряжения. Этот небольшой сигнал требует каскада с большим усилением перед аналого-цифровым преобразованием. Таблица 1 сравнивает чувствительности различных типов термопар.

 Таблица 1. Изменение напряжения в зависимости от температуры (коэффициент термоЭДС) для различных типов термопар при 25°С

Поскольку сигнал напряжения является небачьшим, схема обработки сигнала обычно нуждается в усилении 100 В/В или около этого - фактически простое согласование сигнала. Более трудным может быть распознавание истинного сигнала из помех, собираемых выводами термопары. Выводы термопары являются длинными и часто прокладываются в электрически зашумленном окружении. Помехи, считанные выводами, могут легко поглотить ничтожный сигнал термопары.

Чтобы выделить сигнал из помех, обычно сочетают два подхода. Первым является использование усилителя с дифференциальным входом, такого как измерительный усилитель, чтобы усилить сигнал. Поскольку большие помехи появляются на обоих проводах (синфазно), дифференциальное измерение их устраняет. Вторым является низкочастотная фильтрация, которая удаляет внеполосные помехи. Низкочастотный фильтр должен удалять и радиочастотные помехи (свыше 1 МГц), которые могут вызвать выпрямление в усилителе, и фон 50/60 Гц (источник питания). Важно расположить радиочастотный фильтр перед усилителем (или использовать усилитель с отфильтрованными входами). Расположение фильтра 50/60 Гц часто некритично - он может  сочетаться  с  радиочастотным фильтром, располагаться между усилителем и АЦП, быть частью сигма-дельта-АЦП либо может быть заложен в программное обеспечение в качестве фильтра усреднения.

Компенсация эталонного спая. Температура эталонного спая термопары должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Когда термопары использовались впервые, это делали путём содержания эталонного спая в ванне со льдом. Рисунок 2 изображает цепь термопары с одним концом при неизвестной температуре и другим концом в ванне со льдом (0°С). Этот метод был использован для исчерпывающего исследования параметров различных типов термопар, следовательно, почти все таблицы термопар используют 0СС в качестве эталонной тем пер атур ы.

Однако содержание эталонного спая термопары в ванне со льдом является непрактичным для большинства систем измерения. Вместо этого большинство систем используют технологию, называемую компенсацией эталонного спая (также известную как компенсация холодного спая). Температуру эталонного спая измеряют при помощи другого термочувствительного прибора - обычно микросхемы, тер-мистора, диода или RTD (резистивного датчика температуры).

Отсчёт напряжения термопары затем корректируют для отображения температуры эталонного спая. Важно, чтобы эталонный спай был считан как можно более точно - с точностью датчика температуры, содержащегося при той же самой температуре, что и эталонный спай. Любая погрешность в определении температуры эталонного спая отразится на конечном отсчёте показаний термопары.

Для измерения образцовой температуры доступны различные датчики:

• термисторы. Они имеют быстрый отклик и небольшой корпус; однако они нуждаются в линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур. Они также требуют тока для возбуждения, который может вызывать саморазогрев, приводящий к дрейфу. Общая точность системы в сочетании с обработкой сигнала может быть недостаточной;

• резистивные датчики температуры (RTD). Резистивные датчики температуры являются точными, стабильными и достаточно линейными, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их применение в системах управления технологическими процессами;

• удалённые термодиоды. Это диоды, используемые для считывания температуры вблизи разъёма термопары. Формирующий кристалл преобразовывает напряжение на диоде, которое пропорционально температуре, в аналоговый или цифровой выходной сигнал. Его точность ограничена примерно ±1°С;

• интегрированный датчик температуры. Интегрированный датчик температуры - автономная ИС, которая считывает температуру локально, -должен быть тщательно установлен вблизи эталонного спая и может сочетать компенсацию эталонного спая и обработку* сигнала. Достижимы точности в пределах малых долей 1°С.

Сигнал напряжения является нелинейным. Наклон графика характеристики термопары изменяется в зависимости от температуры. Например, при 0°С выход термопары Т-типа изменяется на 39 мкВ/°С, но при 100°С наклон возрастает до 47 мкВ/"С.

 
Существуют три стандартных метода компенсации нелинейности термопары. Выбрать часть графика, которая является относительно плоской, и аппроксимировать наклон как линейный в данной области - подход, который работает особенно хорошо для измерений в ограниченном диапазоне температур. Не требуются сложные вычисления. Одной из причин, по которой термопары К- и J-типа являются популярными, является то, что они имеют большие промежутки температуры, для которых возрастающий наклон чувствительности (коэффициент тер-моЭДС) остаётся фактически постоянным (см. рис. 3).

 
Другим подходом является сохранение в памяти просмотровой таблицы, которая соотносит набор напряжений термопары с её относительной температурой. Затем используется линейная интерполяция между двумя ближайшими пунктами таблицы для получения других значений температуры.
Третьим подходом является использование уравнений высокого порядка, которые моделируют поведение термопары. Хотя этот метод имеет наибольшую точность, он также является самым затратным по вычислениям. Дтя каж-дой термопары существуют два набора уравнений. Один набор преобразовывает температуру' в напряжение термопары (полезное для компенсации эталонного спая). Другой набор преобразовывает напряжение термопары в температуру. Таблицы термопар и уравнений высокого порядка для термопар могут быть найдены на интернет-страницеhttp://srdata.nist.gov/its90/main/. Все эти таблицы и уравнения основаны на температуре эталонного спая 0°С. Компенсация эталонного спая должна быть использована, если он находится при любой другой температуре.

Требования к заземлению. Промышленность выпускает термопары и с изолированными, и с заземлёнными наконечниками для измерительного спая (см. рис. 4). Обработка сигнала термопары должны быть спроектирована так, чтобы избежать петель заземления при измерении заземлённой термопарой, а также иметь контур для входных токов усилителя, когда измерение производится изолированной термопарой. Кроме того, если наконечник термопары заземлён, входной диапазон усилителя должен выдерживать любые разности в потенциалах заземления между наконечником термопары и землёй системы измерения (см. рис. 5).
Система обработки с двойным питанием для неизолированных систем будет, как правило, более устойчивой для заземлённого наконечника и незащищённых типов наконечников. Из-за своего широкого диапазона синфазного входного напряжения, усилитель с двойным питанием может обрабатывать большое дифференциальное напряжение между заземлением печатной платы и землёй наконечника термопары. Системы с одним источником питания могут работать удовлетворительно во всех трёх вариантах наконечников, если диапазон синфазного сигнала усилителя имеет некоторую возможность измерять потенциал ниже заземления в конфигурации с одним источником питания. Для преодоления ограничения по синфазному сигналу*, в системах с одним источником питания полезно сдвигать термопару к середине напряжения питания. Это хорошо работает для изолированных наконечников термопар либо если вся система измерения является изолированной. Однако это не рекомендуется для неизолированных систем, которые предназначены для измерения заземлённых или незащищённых термопар.

 
Практические схемы с термопарами. Обработка сигнала термопары является более сложной, чем обработка в других системах измерения. Время, необходимое для разработки и отладки обработки сигнала, может увеличить время выхода изделия на рынок. Ошибки в обработке сигнала, особенно в части компенсации измерительного спая, могут привести к более низкой точности. Две описанные ниже схемы посвящены этим проблемам.

Первая описывает простое аналоговое интегрированное аппаратное решение, сочетающее прямое измерение термопары с компенсацией эталонного спая при помощи единственной ИС. Второе решение подробно рассматривает схему компенсации эталонного спая на основе программного обеспечения, обеспечивающую повышенную точность для измерения термопары и гибкость в использовании термопар многих типов.

Решение для измерения 1: оптимизированное для простоты
Рисунок 6 показывает схему для измерения термопары типа К. Она основана на применении усилителя термопары AD8495, который специально разработан для термопар типа К. Это аналоговое решение оптимизировано для минимяльного времени разработки: Оно имеет простой тракт для сигнала и не требует написания кода программы.

 
Как этот простой сигнальный тракт удовлетворяет требованиям обработки сигнала для термопар К-типа?
Усиление и выходной масштабный коэффициент. Малый сигнал термопары усиливается AD8495 в 122 раза, обеспечивая выходную чувствительность 5 мВ/°С (200°С/В).

 
Подавление помех. Высокочастотные синфазные и дифференциальные помехи удаляются внешним радиочастотным фильтром. Низкочастотные синфазные помехи подавляет измерительный усилитель AD8495. Любой оставшийся шум удаляется внешним фильтром при последующей обработке.
Компенсация эталонного спая. Усилитель AD8495, который содержиттем-пературный датчик для компенсации изменений окружающей температуры, должен быть установлен вблизи эталонного спая, чтобы работать при той же температуре для точной компенсации эталонного спая.

Коррекция нелинейности. Усилитель AD8495 откалиброван для получения выхода 5мВ/°С на линейном участке графика термопары К-типа, с погрешностью линейности менее чем 2=С в диапазоне температур -25.-.400°С. Если необходим более широкий температурный диапазон, указание по применению AN-1087 от компании Analog Devices описывает, как может быть использована просмотровая таблица или уравнение в микропроцессоре для расширения диапазона температур.

Эксплуатация изолированных, заземлённых и незащищённых термопар. Рисунок 5 показывает подсоединённый к земле резистор 1 МОм, который учитывает все типы наконечников термопар. Усилитель AD8495 был специально разработан, чтобы обеспечить измерение на уровне нескольких сотен милливольт ниже потенциала земли при использовании одного источника питания, как показано на схеме. Если ожидается большая разность в потенциалах заземления, усилитель AD8495 также может быть использован с двойным источником питания.

 
Более подробно о AD8495. Рисунок 7 показывает структурную схему усилителя термопары AD8495. Усилители А1, А2 и A3 и показанные резисторы образуют измерительный усилитель, который усиливает выходной сигнал термопары К-типа настолько, чтобы соответствовать выходному напряжению 5 мВ/°С. Внутри блока «Компенсация эталонного спая» находится датчик окружающей температуры. Когда температура измерительного спая поддерживается постоянной, дифференциальное напряжение от термопары будет снижаться, если температура эталонного спая возрастает по любой причине. Если миниатюрный (3,2 х х 3,2 х 1,2 мм) усилитель AD8495 находится в тепловой близости к образцовому спаю, схема компенсации вводит дополнительное напряжение в усилитель, с тем чтобы выходное напряжение оставалось постоянным, компенсируя, таким образом, изменение эталонной температуры.
В таблицу 2 сведены характеристики интегрального аппаратного решения, использующего микросхему AD8495.

Таблица 2. Решение 1 (см. рис. 6), сводка характеристик

Решение для измерения 2: оптимизированное для точности и гибкости
Рисунок 8 показывает схему для измерения термопары J-, К- и Т-типа с большой степенью точности. Эта схема включает высокоточный АЦП для измерения малых напряжений термопары и высокоточный датчик для измерения температуры эталонного спая. Оба прибора управляются по интерфейсу SPI от внешнего микроконтроллера.

 
Как эта конфигурация удовлетворяет требованиям обработки сигнала, приведённым ранее?
Удалить помехи и усилить напряжение. Микросхема AD7793, показанная в подробностях на рисунке 9, является высокоточным аналоговым входным интерфейсом с малым потреблением и используется для измерения напряжения термопары. Выход термопары фильтруется внешним способом и подсоединяется к набору дифференциальных входов, AIN1(+) и AINl(-). Затем сигнал поступает на коммутатор, буферный усилитель и измерительный усилитель, который усиливает малый сигнал термопары, и на АЦП, который преобразовывает сигнал в цифровой.

Компенсация температуры эталонного спая. Микросхема ADT7320 (см. блок-схему на рис. 10), будучи установленной достаточно близко к образцовому спаю, может измерять температуру этого перехода с точностью до ±0,2СС в диапазоне от -10 до+85°С Встроенный в кристалл датчик температуры генерирует напряжение, пропорциональное абсолютной температуре, которое сравнивается с внутренним опорным источником и прикладывается к высокоточному7 цифровому модулятору. Оцифрованный результат от модулятора обновляет 16-разрядный регистр значения температуры. Регистр значения температуры затем может быть считан обратно из микроконтроллера при помощи интерфейса SPI и объединён с цифровым отсчётом из АЦП для выполнения компенсации.

Корректировка нелинейности. Микросхема ADT7320 обеспечивает превосходную линейность в своём паспортном диапазоне температур (-40... 125°С), не требующую коррекции или калибровки пользователем. Её цифровой выход, таким образом, может считаться точным представлением состояния эталонного спая. Чтобы определить фактическую температуру термопары, это эталонное измерение температуры должно быть преобразовано в эквивалентное термоэлектрическое напряжение при помощи уравнений, предоставленных Национальным институтом стандартов и технологии (NIST). Затем это напряжение добаатяется к напряжению термопары, измеренному микросхемой AD7793) а итог переводится обратно в температуру' термопары, снова при помощи уравнений NIST.

Эксплуатируйте изолированные и заземлённые термопары. Рисунок 8 показывает термопару с незащищённым (открытым) наконечником. Это обеспечивает наилучшее время отклика, но аналогичная конфигурация также могла бы использоваться и вместе с термопарой с незащищённым наконечником. Таблица 3 суммирует характеристики схемы измерения эталонного спая на основе программных средств с использованием информации NIST.

Таблица 3. Решение 2 (см. рис. 8), сводка характеристик

 
Заключение
Термопары позволяют надёжно измерять температуру в достаточно широком диапазоне, но инженеры часто отказываются от их использования из-за неизбежного компромисса между временем разработки и точностью измерения. Статья предлагает экономически эффективные способы разрешения этих проблем.

 
Первое решение сосредотачивается на уменьшении сложности измерения посредством технологии аппаратной аналоговой компенсации эталонного спая. Это приводит к простому сигнальному тракту, не требующему программирования, с учётом интеграции, предоставленной усилителем термопары AD8495, обеспечивающего выход сигнала 5 мВ/°С, который может быть подан на аналоговый вход разнообразных микроконтроллеров.

 
Второе решение обеспечивает высочайшую точность измерения и также позволяет использовать различные типы термопар. Технология компенсации эталонного спая программным способом опирается на высокоточный цифровой датчик температуры ADT7320, чтобы обеспечить более точное измерение компенсации эталонного спая, недостижимое до сегодняшнего дня. Микросхема ADT7320 поставляется полностью откалиброванной и по техническим условиям соответствует диапазону температур —40...125°С. Абсолютно понятная, в отличие от измерения традиционным термистором или резистивным датчиком, она не требует ни затратного этапа калибровки после монтажа платы, ни ресурсов процессора или памяти с калибровочными коэффициентами или процедурами линеаризации. Потребляя только микроватты  мощности, эта ИС избегает проблем саморазогрева, которые подрывают точность традиционных решений с резистивным датчиком.

Приложение
Использование уравнения NIST для преобразования температуры микросхемы ADT7320 в напряжение
Компенсация эталонного спая термопары основана на следующем соотношении:

ΔV=V_J1-V_J2,      (1)

где ΔV - выходное напряжение термопары; V_J1 — напряжение, генерируемое на спае термопары; V_J2 - напряжение, генерируемое на эталонном спае.

Чтобы это соотношение для компенсации работало, оба вывода эталонного спая должны содержаться при одной и той же температуре. Выравнивание температуры выполняется при помощи изотермического клеммника, который позволяет выравниваться температуре обоих выводов, обеспечивая при этом электрическую изоляцию.

После того как температура эталонного спая измерена, она должна быть преобразована в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, которое могло быть выработано этим спаем при измеренной температуре. Один из методов использует полином в виде степенного ряда. Термоэлектрическое напряжение вычисляется как:

E = a₀ + a₁T+a₂T² + + а₃Т³ + ... + а_nTⁿ            (2)

где Е - термоэлектрическое напряжение (микровольты); а_п - коэффициенты полинома, зависящие от типа термопары; T- температура (°С); п = порядок полинома.

NIST публикует таблицы коэффициентов полинома для каждого типа термопары. В этих таблицах перечислены коэффициенты, порядок (число составляющих полинома), применимые диапазоны температуры для каждого списка коэффициентов и диапазон погрешности. Некоторые типы термопар требуют более одной таблицы коэффициентов для перекрытия всего диапазона температур при эксплуатации. Таблицы для степенных рядов полинома перечислены в основном тексте.