Перейти к содержанию

Термопара

Термопара — самый простой и широкодиапазонный датчик температуры: два провода из разных сплавов, сваренные в точку. Она измеряет сотни и даже больше тысячи градусов, но даёт всего десятки микровольт на градус и требует компенсации холодного спая.

Обновлено Редакция GAW

Термопара (thermocouple) — датчик температуры из двух проводников из разных сплавов, соединённых в рабочем спае. Между свободными концами возникает термоЭДС, которая зависит от разности температур рабочего спая и места, где провода термопары переходят в медь прибора, — холодного спая. Поэтому любой прибор для термопары измеряет ещё и температуру клемм и добавляет поправку.

Чувствительность и типы

ЭДС термопары мала: по даташиту MAX31855 у типа K она меняется примерно на 41 мкВ/°C. Диапазоны номинальных характеристик типов — как в калькуляторе термопары (NIST ITS-90), рядом — что поддерживает преобразователь MAX31856 (табл. 1 его даташита):

ТипДиапазон характеристики, °CПоддерживает MAX31856, °C
K−270…1372−200…+1372
J−210…1200−210…+1200
N−270…1300−200…+1300
T−270…400−200…+400
E−270…1000−200…+1000
R, S−50…1768,1−50…+1768
B0…1820250…1820

Зависимость ЭДС от температуры нелинейна: MAX31855 считает её линейной с коэффициентом 41,276 мкВ/°C, и ADI прямо предупреждает, что для точности нужна поправка; MAX31856 линеаризует сам по таблицам для каждого типа.

Eизм=E(tраб)−E(tхол)≈S⋅(tраб−tхол),SK≈41 мкВ/°C,E_\text{изм} = E(t_\text{раб}) - E(t_\text{хол}) \approx S \cdot (t_\text{раб} - t_\text{хол}), \qquad S_K \approx 41\ \text{мкВ/°C},

где E(t) — ЭДС термопары относительно 0 °C. Правая часть — линейное приближение; точный расчёт идёт через E(t) и компенсацию E(tхол), см. холодный спай.

Подключение к микроконтроллеру

Десятки микровольт на градус — меньше шага АЦП микроконтроллера, поэтому термопару подключают через преобразователь с усилителем и датчиком холодного спая, например MAX31855 (14 бит, шаг 0,25 °C, SPI). ADI советует: керамический конденсатор 10 нФ между входами T+ и T−, витая пара для удлинительного провода, микросхема вдали от нагревающихся деталей — её температура и есть температура холодного спая. Вход T− у MAX31855 нельзя соединять с общим проводом.

Не путать термопару с термосопротивлением Pt100: Pt100 меняет сопротивление, точнее и линейнее в своём диапазоне, но не выдерживает таких температур. Перевод ЭДС в температуру с учётом холодного спая делает калькулятор термопары, сравнение всех датчиков — в статье «Датчики температуры».

Частые вопросы

Сколько милливольт даёт термопара?

Немного: у термопары типа K около 41 мкВ на градус разности температур спаев, то есть при разнице 100 °C — около 4 мВ (наш расчёт в линейном приближении). Поэтому её не подключают напрямую к АЦП микроконтроллера, а используют специальные преобразователи вроде MAX31855 или MAX31856 с усилителем и компенсацией холодного спая.

Какой тип термопары выбрать?

Тип K — универсальный: его номинальная характеристика задана от −270 до +1372 °C. Тип J — до +1200 °C, тип T — для низких температур до +400 °C, R, S и B — платинородиевые для высоких температур до 1768–1820 °C. Микросхема-преобразователь может поддерживать более узкий диапазон: MAX31856 для типа K — от −200 °C. Выбор определяют диапазон, среда и требуемая точность.

Почему термопара с MAX31855 показывает неточно на высоких температурах?

MAX31855 считает зависимость ЭДС от температуры линейной с коэффициентом 41,276 мкВ/°C, а у реальной термопары она нелинейна. ADI прямо пишет, что к результату нужно применить поправку. MAX31856 делает её сам по таблице для каждого типа.

Источники

  1. Analog Devices (Maxim Integrated). MAX31855 Cold-Junction Compensated Thermocouple-to-Digital Converter (19-5793, Rev 5, 1/15) — с. 1: типы K, J, N, T, S, R, E; 14 бит, 0,25 °C; с. 8: термопара типа K меняет ЭДС примерно на 41 мкВ/°C, преобразователь считает зависимость линейной (41,276 мкВ/°C) и без поправки на нелинейность; с. 9: точнее всего, когда холодный спай и микросхема при одной температуре, вдали от нагревающихся деталей; с. 11: керамический конденсатор 10 нФ между T+ и T−, витая пара удлинительного провода; T− не подключать к общему проводу
  2. NIST Standard Reference Database 60: ITS-90 Thermocouple Database (NIST Monograph 175), версия 3.0 — опорные функции E(t) типов B, E, J, K, N, R, S, T и их диапазоны — по ним построен калькулятор термопары сайта
  3. Analog Devices (Maxim Integrated). MAX31856 Precision Thermocouple to Digital Converter with Linearization (19-7534, Rev 0, 2/15) — табл. 1: диапазоны — B 250…1820 °C, E −200…+1000, J −210…+1200, K −200…+1372, N −200…+1300, R и S −50…+1768, T −200…+400 °C; линеаризация по таблице, точность холодного спая ±0,7 °C

Нашли ошибку?

Смотрите также