Побочные эффекты компенсации «холодного» спая

Наличие компенсации «холодного» спая в каждом приборе измерения температуры с помощью термопары приводит к интересному явлению. Если Вы замкнете накоротко входные клеммы такого прибора, он всегда будет регистрировать температуру окружающей среды, независимо от термопары. Это поведение можно проиллюстрировать на следующих примерах. На первой схеме показана нормальная эксплуатация системы измерения температуры, а на второй эта же система с закороченным входом. Здесь мы видим индикатор температуры, который получает текущий сигнал 4-20 мА от трансмиттера температуры, который, в свою очередь, получает милливольтовый сигнал от термопары типа «К», измеряющей температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта: 

Внутренняя компенсация «холодного» спая передатчика дает компенсацию для температуры окружающей среды 68 градусов Фаренгейта. Если окружающая температура повышается или падает, компенсация автоматически приспосабливается к этим изменениям и индикатор по-прежнему показывает температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта.

Теперь, мы отсоединяем термопару от температурного трансмиттера и накоротко замыкаем вход тансмиттера:

 

С замкнутым входом трансмиттер «не видит» от термопары никакого напряжения вообще. Нет никакого ни «горячего» спая, ни «холодного» спая, только кусок обычного электрического провода, соединяющий входные клеммы. Это означает, что компенсация «холодного» спая в трансмиттере больше не выполняет полезную функцию. Однако, трансмиттер «не знает», что он больше не связан с термопарой, и механизм компенсации продолжает работать. Вспомните уравнение напряжения, связывающее напряжения «горячего» и «холодного» спаев и напряжения компенсации:

 

Отключение проволоки термопары и подключение перемычки к клеммам устраняет VJ1 и VJ2, оставляя только напряжение компенсации:

 

В результате индикатор показывает температуру только окружающей среды. Это явление используется для оперативного тестирования цепей от термопары до индикатора. Можно считать этот побочный эффект полезным при обслуживании. Но есть и другие эффекты, которые скорее мешают при обслуживании, чем помогают. Присутствие компенсации «холодного» спая становится довольно хлопотным, к примеру, если специалист пытается имитировать термопару с использованием милливольтового источника. Простая подача с источника напряжения соответствующего нужной температуре (по таблице) значения, не даст желаемого результата для любой температуры за исключением точки замерзания воды!

Предположим, например, что техник хочет имитировать термопару типа K при 300 градусов Фаренгейта, установив на милливольтовом источнике 6.094 милливольт (напряжение, соответствующее 300 градусов для термопар типа K согласно стандарту ITS-90). Подключение источника напряжения к прибору не приведет к реагированию прибора как на 300 градусов F:

Вместо этого, прибор регистрирует 339 градусов, потому что внутренняя компенсация спая по-прежнему активна, компенсируя «холодный» спай, которого уже нет. Выход милливольтового источника 6.094 mV получает добавку компенсирующего напряжения (внутри передатчика) 0.865 mV. В результате большее суммарное напряжение (6.959 mV) интерпретируется трансмиттером как температура 339 градусов. Единственным способом правильно использовать милливольтовый источник для имитации желаемой температуры является для техника учесть функцию компенсации трансмиттера, подав сигнал с учетом действия компенсации. Другими словами, вместо того, чтобы установить значение напряжения источника 6.094 mV, технику следует установить значение только 5.229 mV, передатчиком будут добавлены 0.865 mV и, в результате, получим суммарное напряжение 6.094 mV. И прибор покажет 300 градусов по Фаренгейту:

Конечно, современные калибраторы термопар предоставляют возможность прямого ввода температуры с автоматическим учетом компенсирующего напряжения трансмиттера, так что любую требуемую температуры можно легко имитировать (в любой температурной шкале – Цельсия, Кельвина, Фаренгейта):