CC BY
35Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 536.531
Д.О. Летников, Д.В. Кудинов
АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ОПОРНОГО СПАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА
В статье рассматривается проблема компенсации опорного ("холодного") спая термоэлектрического преобразователя. Проведен анализ различных методов компенсации, для использования в микропроцессорном блоке термоэлектрического термометра. Главным критерием для выбора оптимального способа является точность измерений разрабатываемого устройства.
Ключевые слова: Термоэлектрический преобразователь, термопара, холодный спай, компенсация холодного спая, опорный спай, измерение температуры, прецизионные термометры.
На сегодняшний день температура является одной из самых измеряемых физических величин. Исходя из условий эксплуатации и выдвигаемых требований к разрабатываемому измерительному средству, разработчик должен выбрать наиболее оптимальный способ для решения поставленной задачи (в данном случае - измерении температуры). Одним из наиболее распространённых способов измерения температуры является использование термоэлектрического преобразователя или термопары. Термопары обладают достаточно широким диапазоном измерения (от -200 до 2500 °С), а различные типы термопар позволяют выбрать подходящую характеристику преобразования с оптимальной нелинейностью в нужном диапазоне. Также стоит отметить быстрый отклик к изменению температуры измеряемой среды и надежность термопар. Одним из главных недостатков данного типа преобразователей в сравнении с другими термометрами является точность. Терморезистивные преобразователи, термисторы и полупроводниковые датчики температуры обеспечивают меньшую погрешность измерения прибора. Однако в задачах с достаточно широким диапазоном измеряемой температуры, где необходимо обеспечить относительно высокую точность, использование термопар вполне оправдано. Получение значения погрешности измерения меньше чем 1-2 °С проблематично, но этого можно добиться, так как основным источником погрешности, помимо внутренних неточностей термопар, обусловленных их металлургическими свойствами, является погрешность опорного спая. То есть термопары являются настолько точными, насколько точно может быть измерена температура опорного спая для дальнейшей компенсации.
© Летников Д.О., Кудинов Д.В., 2017.
В данной статье будут проанализированы различные способы компенсации "холодного" спая, и предложен метод для обеспечения максимальной точности измерения.
В общем, суть компенсации "холодного" спая состоит в учете температуры на опорном спае при преобразовании температуры окружающей среды. Для этого производится измерение температуры опорного спая, для дальнейшего преобразования в напряжение. Затем необходимо учесть это напряжение при расчете непосредственно измеряемой температуры. Самым простым методом преобразования является использование таблиц преобразования (в России - ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ "Термопары, номинальные статические характеристики преобразования"). Поиск данных в этих таблицах программным путем требует определенного объема памяти для их хранения, но это быстрое и точное решение в случаях измерения с большой частотой. Другим методом преобразования напряжения в данные является линейная аппроксимация с помощью полиномов. Данный метод особенно популярен, так как необходима память только для хранения заранее известных коэффициентов полинома. Недостатком данного метода является время, затраченное на расчет полинома высокой степени. Время на расчет растет с увеличением степени полинома, что обычно происходит при увеличении диапазона измерений прибора.
Для измерения температуры холодного спая могут быть использованы различные датчики и устройства, такие как: термистор, резистивный температурный преобразователь (РТП), интегральный датчик температуры (ИДТ) и др. Исходя из требований к термометру, выбирают наиболее оптимальный датчик для измерений температуры холодного спая. Критериями выбора являются: точность, диапазон измерения температур, линейность выходных характеристик и стоимость. В качестве примера рассмотрим способ компенсации с использованием ИДТ.
Метод с использованием ИДТ
На схеме, показанной на рисунке 1, используется ИДТ, который измеряет температуру холодного спая. Микросхема располагается в непосредственной близости от опорного спая.
Так как сигнал с выхода термопары достаточно мал и достигает несколько десятков милливольт, его необходимо усилить. Для этого используется операционный усилитель (ОУ) OP03CT (Texas Instruments). Он усиливает входной сигнал для попадания в диапазон преобразования АЦП. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует сигнал с термопары в выходной цифровой сигнал. В качестве АЦП выбрана микросхема AD7793 (Analog Devices). Это трехканальный, мало потребляющий, 24 разрядный сигма-дельта АЦП со встроенными источниками опорного напряжения и источником тока. Интегральный датчик температуры (MAX6610), помещенный в непосредственной близости от соединителей термопары, измеряет температуру около холодного спая. В этом случае допускается, что температура микросхемы будет близка к температуре холодного спая. Выходное напряжение с датчика на холодном спае подается на второй канал АЦП.
Рис. 1. Использование ИДТ для компенсации опорного спая
Полученные значения температуры необходимо перевести в соответствующие им термоэлектрические напряжения. Для этого используйте таблицы перевода температуры (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ "Термопары, номинальные статические характеристики преобразования"). Далее необходимо вычесть преоб-
разованное значение температуры холодного спая из значения рабочего спая. Далее преобразуем полученное значение в температуру согласно таблицам преобразования. Результат и будет абсолютным значением температуры горячего спая.
Точность измерения при использовании данного метода в основном зависит от точности ИДТ и температуры холодного спая. Так как использование данного метода ограниченно рабочим диапазоном самого ИДТ, выберем другой способ компенсации.
Метод с использованием платинового терморезистивного преобразователя При использовании данного метода, необходимо удовлетворить некоторые условия. Соединения холодного спая должны находиться при одинаковой температуре. Для поддержания одинаковой температуры на концах пары проводников желательно расположить выводы как можно ближе друг к другу, и не допускать расположения в непосредственной близости от источника тепла на плате. Также рекомендуется при создании печатной платы предусмотреть проводящие полигоны с двух сторон платы, соединенные переходными отверстиями. Получившийся простейший изотермический блок должен иметь хорошую теплопроводность и большую теплоемкость, чтобы локальные отличия в температурах были минимальными. Удостоверьтесь, что изотермический блок не подвержен влиянию паразитных источников тепла, таких как стабилизаторы напряжения и т.д. Желательно предусмотреть крепление к плате измеряемого датчика.
Резистивные датчики температуры обладают достаточно точными, стабильными и линейными характеристиками. Главным их недостатком является высокая стоимость и необходимость во внешнем источнике тока. Рассмотрим пример использования данного типа датчиков. В качестве чувствительного элемента, который будет детектировать изменения температуры, был выбран прецизионный платиновый терморезистор Honeywell 702. Он подключен к каналу АЦП с помощью четырех проводной схемы включения, представленной на рисунке 2.
Рис. 2. Использование платинового терморезистора
Под воздействием температуры на холодном спае, терморезистор меняет свое сопротивление, следственно меняя напряжение, поступающее на канал АЦП. АЦП преобразует это напряжение в двоичный код и посылает его микроконтроллеру. Далее МК учитывает код полученный с термопары (первый канал АЦП) вместе с кодом, полученным с терморезистора (второй канал АЦП). В качестве АЦП выбрана микросхема А07711. Это 24 разрядный АЦП с сигма-дельта модуляцией. Устройство может принимать малые входные сигналы и преобразовывать их в двоичный код с достаточно высокой точностью. Также данная АЦП имеет встроенные источники тока.
Принципиальным отличием данного метода от предыдущего является использование терморезистора в качестве датчика на опорном спае.
Приведем рекомендации по монтажу чувствительного элемента, предоставив часть топологии печатной платы (рисунок 3). Как видно из рисунка, датчик расположен в непосредственной близости от кон-
тактов опорного спая. Также предусмотрен крепеж датчика для лучшего контакта с изотермическим полигоном. Полигоны на верхнем и нижнем слоях печатной платы соединяются переходными отверстиями. При такой трассировке обеспечивается максимальный контакт между датчиком и полигоном, что обеспечивает одинаковую температуру на холодном спае и на датчике.
Данная схема позволяет добиться высокой точности благодаря использованию высокоточного ре-зистивного датчика в паре с 24 разрядным сигма-дельта АЦП АЭ7711. Для уменьшения влияния проводников используется четырехпроводная схема включения терморезистора.
Рис. 3. Топология участка монтажа резистивного датчика
В заключении отметим, что каждый из методов компенсации обладает своими достоинствами и недостатками. Так, термистор обладает более широким рабочим диапазоном измерения по сравнению с ИДТ, однако ИДТ используется чаще из-за линейности его характеристик, а корректировка нелинейности у термисторов требует определенного количества ресурсов микроконтроллера. Для устройств с высокими требованиями по точности лучшим выбором будет откалиброванный платиновый РТП с его широким температурным диапазоном. Главный недостаток данного метода - его дороговизна.
Использование термопар позволяют обеспечить достаточно широкий диапазон измерений, однако для обеспечения высокой точности необходима сложная обработка сигнала. В следствии чего разработчики часто отказываются от использования данного типа термометров, из-за больших временных затрат на разработку конечного устройства. Статья предлагает использование универсального способа, который обеспечивает высочайшую точность измерений.
Библиографический список
1. Геращенко, О. А. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. — К.: Наукова думка, 1965, — 304 с.
2. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — 3-е изд., перераб. — Москва: «Энергия», 1978. —704 с.
ЛЕТНИКОВ ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ - магистрант, Московский технологический университет, Россия.
КУДИНОВ ДАНИИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант, Московский технологический университет, Россия.
