Термопара

Что действительно измеряет термопара

Термопара состоит из проводников разных материалов. В измерительной цепи термоэлектрическое напряжение связано с температурным распределением вдоль этих проводников. При однородных материалах и согласованной схеме соединения его выражают через температуры рабочего и опорного соединений: U=E(tраб)−E(tоп). Функция E относится к определённому типу термопары и обычно задаётся относительно опорной температуры 0 °C. Измеренное напряжение само по себе не является температурой рабочего конца.

Название «холодный спай» историческое: клеммы прибора могут находиться при комнатной или более высокой температуре. Электронная компенсация измеряет температуру переходов термоэлектродных проводников к медной цепи, вычисляет соответствующую ЭДС и добавляет её к измеренному напряжению. После этого обратная функция или таблица преобразует суммарную ЭДС в температуру рабочего соединения. Поэтому компенсация требует правильного типа термопары и теплового равновесия клемм.

Почему нельзя складывать температуры

Зависимость E(t) нелинейна. Правильный алгоритм имеет вид tраб=E⁻¹[U+E(tоп)], а не E⁻¹(U)+tоп. При переносе опорного соединения вычитаются либо добавляются значения ЭДС, а не показания температуры. Постоянная чувствительность пригодна лишь как локальная оценка малого изменения в явно указанной точке. Она не заменяет таблицу на широком диапазоне.

Таблицу можно прокручивать по горизонтали →

Условный пример для типа K

Пусть однородная термопара K имеет рабочую температуру 100 °C, а клеммы находятся при 25 °C. Округлённые значения таблицы NIST относительно 0 °C: E(100)=4,096 мВ и E(25)=1,000 мВ. Тогда измеритель получает U=4,096−1,000=3,096 мВ. Компенсация добавляет 1,000 мВ; восстановленные 4,096 мВ соответствуют 100 °C по той же таблице. В примере использованы округлённые табличные значения, поэтому он демонстрирует порядок действий и не задаёт точность измерительного канала.

Если клеммы нагрелись, а алгоритм оставил прежнюю температуру опоры, ошибка возникает даже при неизменном рабочем соединении. Она определяется чувствительностью обеих температурных областей. Нельзя автоматически приравнивать один градус ошибки датчика компенсации к одному градусу ошибки результата для любого типа и диапазона. Две разные температуры переходов на клеммах также не описываются одним корректирующим числом.

Конструкция и достоверность показаний

Тип обозначает пару материалов и номинальную характеристику, но не гарантирует допустимость любой оболочки при всех температурах таблицы. Рабочий диапазон конкретного изделия зависит от диаметра, изоляции, атмосферы и защитной конструкции. Допуск термопары не является суммой всех ошибок: добавляются неоднородность проводников, дрейф, ошибка компенсации, входной электроники и тепловой контакт с объектом.

Термоэлектрическая неоднородность особенно существенна там, где проводник проходит через температурный градиент. Поэтому замена места установки или глубины погружения способна изменить результат без повреждения рабочего соединения. Теплопроводность оболочки и проводников может отводить тепло к более холодному креплению; измеряется температура собственного чувствительного узла, которую следует связать с температурой объекта.

Заземлённое, изолированное и открытое соединения различаются электрической изоляцией и тепловой динамикой. Выбор делают по условиям процесса и входной схеме, учитывая паразитные токи и допустимые потенциалы. Обрыв, перепутанная полярность и несоответствующий кабель требуют диагностики цепи. Совпадение показания в одной точке не подтверждает правильность типа и всей характеристики на рабочем интервале.

Первичные источники

• NIST SRD 60 — таблицы ЭДС термопар по ITS-90
• OMEGA, Thermocouple measurement — нелинейность и необходимость компенсации опорного соединения
• OMEGA, Reference junction principles — опорные соединения измерительной цепи