Схемы включения и компенсации термопар
Как известно, термопара содержит два спая, поэтому для правильного и точного измерения температуры на одном (первом) из спаев, необходимо поддерживать другой (второй) спай при известной постоянной температуре, чтобы измеренная ЭДС оказывалась явной функцией температуры только первого спая — главного рабочего спая.
Так, с целью поддержания в термоизмерительном контуре условий, при которых паразитное влияние ЭДС второго («холодного спая») было бы исключено, необходимо как-то компенсировать в любой рабочий момент времени напряжение на нем. Как это сделать? Как привести схему к такому состоянию, чтобы измеряемое напряжение термопары менялось бы только в зависимости от изменений температуры первого спая, независимо от текущей температуры второго?
С целью достижения правильных условий, можно прибегнуть к незамысловатой хитрости: поместить второй спай (места присоединения проводов первого спая с измерительным прибором) в емкость с ледяной водой — в заполненную водой ванночку, в которой еще плавает лед. Таким образом получим на втором спае фактически постоянную температуру таяния льда.
После чего останется, отслеживая результирующее напряжение на термопаре, вычислять температуру первого (рабочего) спая, ибо второй спай будет находится в неизменном состоянии, напряжение на нем будет константой. Цель в итоге будет достигнута, влияние «холодного спая» окажется скомпенсировано. Но если так делать, то получится громоздко и не удобно.
Чаще термопары применяются все же в мобильных портативных устройствах, в переносных лабораторных приборах, поэтому нежен другой вариант, ванночка с ледяной водой разумеется нам не подходит.
И такой иной способ есть — метод компенсации напряжения от изменяющейся температуры «холодного спая»: присоединить последовательно к измерительному контуру источник дополнительного напряжения, ЭДС которого будет иметь противоположное направление и по величине будет всегда точно равна ЭДС «холодного спая».
В случае, если ЭДС «холодного спая» непрерывно отслеживается путем измерения его температуры иным способом нежели термопара, — тогда равную компенсирующую ЭДС можно непрерывно тут же прикладывать, сводя суммарное напряжение паразитного участка цепи к нулю.
Но чем же можно непрерывно измерять температуру «холодного спая», чтобы получать непрерывные значения напряжений для автоматической компенсации?
Для этого подойдет термистор или термометр сопротивления, соединенный с типовой электроникой, которая и будет автоматически формировать компенсирующее напряжение необходимой величины. И хотя «холодный спай» не обязательно может быть буквально холодным, его температура, как правило, не такая уж экстремальная, какая может быть у рабочего спая, поэтому обычно подходит даже термистор.
Доступны специальные электронные компенсирующие модули «температуры таяния льда» для термопар, задача которых в том и состоит, чтобы подавать точное противоположное напряжение в измерительную цепь.
Значение компенсирующего напряжения от такого модуля поддерживается на таком значении, чтобы точно компенсировать температуру точек присоединения проводников термопары к модулю.
Температура точек присоединения (на терминале) измеряется термистором или термометром сопротивления, и точно необходимое напряжение автоматически прикладывается последовательно в цепь.
Неискушенному читателю может показаться, что слишком много нагромождений ради просто точного использования термопары. Может быть целесообразнее, да и проще, сразу пользоваться термометром сопротивления или тем же термистором? Нет, не проще и не целесообразнее.
Термисторы и термометры сопротивления не так механически прочны как термопары, да и безопасный рабочий температурный диапазон у них не велик. Дело в том, что термопары обладают рядом преимуществ, два из которых основные: очень широкий температурный диапазон (от −250 °C до +2500 °C) и высокое быстродействие, которое недостижимо на сегодняшний день ни термисторами, ни термометрами сопротивления, ни датчиками иных типов аналогичной ценовой категории.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Как работает термосопротивление?
Термопреобразователи – это устройства предназначенные для преобразования температуры в электрический сигнал, для его последующей обработки с помощью электроизмерительных приборов. Основными типами термопреобразователей являются термосопротивления и термопары.
Термосопротивления ( термопреобразователи сопротивления, термометры сопротивления) – это датчики, принцип действия которых основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры окружающей среды. Конструкция этих датчиков представляет чувствительный элемент из тонкой медной или платиновой проволоки находящийся в защитном корпусе.
Термопары (преобразователи термоэлектрические) – это датчики, принцип действия которых основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в месте соединения двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Значение термоЭДС зависит от разности температур спая и холодных концов термопары.
Визуально отличить термопару и термосопротивление очень сложно, поэтому специалисты сразу ищут шильдик на датчике или документацию на изделие и по маркировке понимают, о каком типе датчика идет речь. Если заводской шильдик отсутствует и документация утеряна, то без электроизмерительных приборов даже специалист может ошибиться с типом датчика. Почему мы акцентируем на этом Ваше внимание? Все очень просто. Большинство приборов, котлов, агрегатов работают только с одним типом датчика : или термосопротивлениями, или термопарами, поэтому ошибка при покупке приводит к приобретению товара который некуда поставить и как следствие – происходит потеря Ваших денег и времени.
Принцип работы термосопротивления
При нагреве проводника изменяется его сопротивление, а следовательно, и ток, проходящий через проводник. Интенсивность изменения зависит от нескольких факторов:
- температура и плотность окружающей среды;
- скорость жидкой или газообразной среды;
- размеры и материал самого проводника.
Если измерить зависимость сопротивления провода от этих неэлектрических величин, то на основе этой информации можно получать данные об изменении параметров окружающей среды. Собственно, в этом и заключается принцип, по которому работает термосопротивление.
Чем отличается термосопротивление от термопары
Сопротивление резистора — формула для рассчета
Принцип действия ТС объясняется изменением проводимости контрольного участка цепи. Термопара, несмотря на схожее название, функционирует по-другому. Изделия этой категории создают из двух разных материалов. Соединение (рабочую спайку) помещают в зону измерений. Колебания температуры провоцируют изменение потенциалов на выходах. Эти показания фиксируют вольтметром или другим подходящим прибором.
Принцип действия, функциональные компоненты термопары и способы измерения
К сведению. Приведенные сведения объясняют главные практические отличия датчиков разного рода. Термопара фактически является генератором ЭДС, поэтому дополнительный источник тока не нужен.
Термопарный преобразователь можно применить для измерения вакуума. Для этого обеспечивают контакт чувствительного участка с нитью лампы накаливания. Колбу соединяют трубкой с рабочей зоной. Изменение разряжения газа сопровождается увеличением (уменьшением) ЭДС. После калибровки шкалы достаточно точно можно определять значение контролируемого параметра.
Какие бывают термосопротивления?
По типу чувствительного элемента термосопротивления бывают :
– ТСМ с чувствительным элементом из меди;
– ТСП с чувствительным элементом из платины.
Датчики ТСМ, в своем большинстве, имеют с градуировкой 50М и 100М. Датчики ТСП , в основном, встречаются с градуировками 50П, 100П, Pt100, Pt500, Pt1000 Бывают и другие варианты градуировок, для понимания сути вопроса это не критично.
Итак, данные сокращения расшифровываются следующим образом :
– 50М означает медный датчик с сопротивлением 50 Ом при температуре 0 градусов ;
– 100М означает медный датчик с сопротивлением 100 Ом при температуре 0 градусов ;
– 50П, Pt50 означает платиновый датчик с сопротивлением 50 Ом при температуре 0 градусов ;
– 100П,Pt100 означает платиновый датчик с сопротивлением 100 Ом при температуре 0 градусов ;
– Pt500 означает платиновый датчик с сопротивлением 500 Ом при температуре 0 градусов ;
– Pt1000 означает платиновый датчик с сопротивлением 1000 Ом при температуре 0 градусов ;
то есть в этом коде указывается материал чувствительного элемента и сопротивление при 0 градусов Цельсия.
По конструкции термометры сопротивления бывают :
с кабельным выводом ;
– с коммутационной головкой.
 |  |
| Термопреобразователь с кабельным выходом | Термопреобразователь с коммутационной головкой |
По количеству чувствительных элементов термосопротивления бывают :
– с одним элементом (стандартное исполнение);
– с двумя чувствительными элементами.
По схеме внутреннего соединения проводников термосопротивления бывают :
двухпроводные (стандартное исполнение) ;
– трехпроводные ;
– четырехпроводные .
Электрические схемы двух-, трех- и четырехпроводных датчиков температуры :
По типу класса допуска термосопротивления бывают :
– класса А (+-0,15С+0,002Т) ;
– класса В (+-0,3С+0,005Т) ;
– класса С (+-0,5С+0,0065Т).
Класс допуска показывает допустимое отклонение температуры для датчика.
По исполнению коммутационной головки термосопротивления бывают :
с пластмассовой головкой (исполнение по умолчанию) ;
– с металлической головкой (при заказе в конце марки датчика добавляется код МГ) ;
– с увеличенной пластмассовой головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л ) ;
– с увеличенной металлической головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л и в конце марки датчика добавляется код МГ) .
Увеличенная головка применяется для встраивания в датчик нормирующего преобразователя тока НПТ, что превращает обычное термосопротивление в преобразователь температуры с токовым выходом 0..20 или 4..20 мА.
По типу защиты термометры сопротивления бывают :
– обычные
– взрывозащищенные.
По цене обычно взрывобезопасные датчики дороже в 2 раза обычных.
Виды термосопротивлений
По материалу изготовления все термосопротивления можно разделить на следующие группы:
- Проводниковое термосопротивление. Термопреобразователи сопротивления производятся в точном соответствии с ГОСТ 6651-2009. Как правило, они изготавливаются из чистых металлов: меди, никеля и платины. В основном представляют собой каркасную или безкаркасную катушку, выполненную из однородного проводника с контактными выводами. Характеризуются прямой зависимостью сопротивления от температуры, чем выше температура, тем выше сопротивление. Имеют большой температурный коэффициент измерения, точность, характеристику близкую к линейной.Медь используется при измерениях от -50 до 150—180 градусов Цельсия в среде, свободной от посторонних примесей. Если температура будет выше, металл окислится, а это снижает точность.
Никель можно применять для измерений до 250—300 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что при температуре свыше 100 ºС зависимость сопротивления уже не является линейной. Она высчитывается по формулам, зависящим от марки никеля.
NTC-термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1-б) выпускаются в герметичном металлическом корпусе (2), за счет чего могут использоваться даже во влажной среде. Герметизация осуществляется при помощи стекла (3) и олова (4), а сам полупроводниковый стержень (1) обернут фольгой (5).
- рис. 1-а рис. 1-б
Медно-кобальто-марганцевые терморезисторы вроде МКМТ-16 бусинкового типа (NTC-термисторы) (рис. 2) — это мини-измерители в стеклянном корпусе. В нем роль сопротивления играет шарик диаметром около 0,8 мм с платиновыми выводами диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм.
Цены, наличие и другие данные, указанные на сайте, не являются публичной офертой. Для уточнения информации свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом
Типовые конструкции платиновых термосопротивлений
Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.
Типовые конструкции ТС
| 1 | Strain-free | Основной элемент освобожден от нагрузок порошковой засыпкой из оксида алюминия | Разным цветом глазури, герметизирующей торцевую часть, обозначают соответствие определенному температурному диапазону |
| 2 | Hollow nnulus | Рабочий проводник наматывается на полый цилиндр | Материалы конструкции подбирают с учетом коэффициентов теплового расширения |
| 3 | Thin-film | Из металла формируют тонкий слой на изоляторе (керамической основе) | Эта модель отличается быстродействием, высокой чувствительностью |
| 4 | Проволока в стеклянной оболочке | В такой конструкции обеспечиваются идеальная герметизация проводника, надежная защита от внешних воздействий | Подобные решения используют для изготовления дорогих серий датчиков, которые рассчитаны на сложные условия эксплуатации |
Типичные конструкции датчиков из платины
Никелевые термометры сопротивления
Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С-1. Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.
Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).
Медные датчики (ТСМ)
ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С-1, диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.
Внешний вид термопреобразователя ТСМ 1088 1
Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.
Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.
Преимущества и недостатки термометров сопротивления
При сравнении с термопарой можно упомянуть следующие минусы ТС:
- высокую стоимость;
- обязательное использование внешнего источника стабилизированного электропитания;
- ограниченный рабочий диапазон.
- линейный график измеряемых параметров;
- точность;
- корректная компенсация искажений от соединительных проводов.
Выбор подходящего датчика организуют на основе подготовленных критериев. Кроме базовых технических параметров, уточняют допустимые габариты, условия эксплуатации. Для продления срока службы необходимы регулярные проверки состояния термосопротивления и других компонентов измерительной схемы.
Схемы включения ТСМ/ТСП
Существует три варианта подключения:
- 2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема.
Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления - 3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
- 4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.
В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.
Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха
Обратим внимание, что под rл.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.
Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления
Есть банальные истины, которыми нужно руководствоваться при выборе подходящего датчика температуры. Конечно же, нужно в первую очередь обратить внимание на диапазон измерения и точность. Во-вторых, нужно решить вопрос с основным конструктивным исполнением: в клеммной головке, или с кабельным выводом. Датчики с кабельным выводом более миниатюрны и менее инерционны. Они уже полностью готовы к подключению к вторичному прибору. Но вышеперечисленные преимущества одновременно являются и их недостатками. Миниатюрный корпус – следовательно, небольшой размер чувствительного элемента и малый измерительный ток. Жёстко присоединённый кабель несёт за собой худшую, чем для датчиков в клеммной головке степень защиты от воды. Эти датчики заведомо дороже из-за высокой стоимости применяемого высокотемпературного кабеля. Они менее надёжны при механических воздействиях опять-таки из-за наличия кабеля. С термосопротивлением в клеммной головке не обязательно использовать высокотемпературный кабель. Минус этих датчиков в одном – габаритных размерах, что бывает важно в ряде случаем. 
При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключения. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глубина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина ЧЭ. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от ЧЭ датчика по кабелю. Ещё лучше, если и датчик и подводящий кабель будут закрыты хорошим теплоизолятором, например пенополиуретаном, или пенополиэтиленом. 
Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов.
При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.
Обслуживание
Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.
Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:
- Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
- Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
- Помимо этого проверяется наличие пломб.
- Проверяется заземление.
Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.
Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.
Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)
Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.
Градуировочная таблица для терморезистора pt100 (фрагмент, без указания пределов градуировки измерений)
Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.
Область применения
Термометр сопротивления — это устройство, предназначенное для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред. Также его используют и при измерении температуры сыпучих веществ.
Свое место термометр сопротивления нашел в газо- и нефтедобыче, металлургии, энергетике, сфере ЖКХ и многих других отраслях.
ВАЖНО! Термометры сопротивления можно использовать как в нейтральных средах, так и в агрессивных. Это способствует распространению прибора в химической промышленности.
Обратите внимание! Для измерения температур в промышленности также используют термопары, про них подробнее узнаете из нашей статьи про термопары.
Градуировочные таблицы термометров сопротивления
Градуировочные таблицы — это сводная сетка, по которой можно легко определить при какой температуре термометр будет иметь определенное сопротивление. Такие таблицы помогают работникам КИПиА оценить значение измеряемой температуры по определённому значению сопротивления.
В рамках этой таблицы существуют специальные обозначения ТС. Их вы можете увидеть в верхней строчке. Цифра означает значение сопротивления датчика при 0°С, а буква металл, из которого оно создано.
Для обозначения металла используют:
- П или Pt — платина;
- М — медь;
- N — никель.
Например, 50М — это медный ТС, с сопротивлением 50 Ом при 0 °С.
Ниже представлен фрагмент градуировочной таблицы термометров.
50М (Ом)100М (Ом)50П (Ом)100П (Ом)500П (Ом)
| -50 °С | 39.3 | 78.6 | 40.01 | 80.01 | 401.57 |
| 0 °С | 50 | 100 | 50 | 100 | 500 |
| 50 °С | 60.7 | 121.4 | 59.7 | 119.4 | 1193.95 |
| 100 °С | 71.4 | 142.8 | 69.25 | 138.5 | 1385 |
| 150 °С | 82.1 | 164.2 | 78.66 | 157.31 | 1573.15 |
Класс допуска
Класс допуска не стоит путать с понятием класса точности. С помощью термометра мы не напрямую измеряем и видим результат измерения, а передаем на барьеры или вторичные приборы значение сопротивления соответствующее фактической температуры. Именно поэтому введено новое понятие.
Класс допуска — это разница между фактической температурой тела и температурой, которую получили при измерении.
Существует 4 класса точности ТС (от наиболее точного к приборам с большей погрешностью):
Приведем фрагмент таблицы классов допуска, полную версию вы можете увидеть в ГОСТ 6651-2009.
Класс точностиДопуск, °СТемпературный диапазон, °С
| Медный ТС | Платиновый ТС | Никелевый ТС | ||
| АА | ±(0,1 + 0,0017 |t|) | – | от -50 °С до +250 °С | – |
| А | ±(0,15+0,002 |t|) | от -50 °С до +120 °С | от -100 °С до +450 °С | – |
| В | ± (0,3 + 0,005 |t|) | от -50 °С до +200 °С | от -195 °С до +650 °С | – |
| С | ±(0,6 + 0,01 |t|) | от -180 °С до +200 °С | от -195 °С до +650 °С | -60 °С до +180 °С |
Как выбрать термосопротивление ?
Для выбора корректного подбора термосопротивления используются таблицы, с помощью которых можно сначала визуально выбрать вид датчика, а по нему выбрать модель.
О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение
В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.
Устройство и принцип действия
Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Схема строения термопары
Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.
Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).
Рис. 2. Термопара с керамическими бусами
Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.
Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП
Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.
В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.
Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар
На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.
Типы термопар и их характеристики
Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
- ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
- ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
- ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
- ТЖК – железо-константановые (тип J);
- ТМКн – медь-константановые (тип T);
- ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
- ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
- ТХКн – хромель-константановые (тип E);
- ТХК – хромель-копелевые (тип L);
- ТМК – медь-копелевые (тип M);
- ТСС – сильх-силиновые (тип I);
- ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).
Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.
Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.
Типы спаев
В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.
Рис. 5. Типы спаев
Буквами обозначено:
- И – один спай, изолированный от корпуса;
- Н – один соединённый с корпусом спай;
- ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
- 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
- ИН – два спая, один из которых заземлён;
- НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.
Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.
С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.
Многоточечные термопары
Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.
Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.
Таблица сравнения термопар
Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?
Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.
Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.
| Тип термопары | K | J | N | R | S | B | T | E |
| Материал положительного электрода | Cr—Ni | Fe | Ni—Cr—Si | Pt—Rh (13 % Rh) | Pt—Rh (10 % Rh) | Pt—Rh (30 % Rh) | Cu | Cr—Ni |
| Материал отрицательного электрода | Ni—Al | Cu—Ni | Ni—Si—Mg | Pt | Pt | Pt—Rh (6 % Rh | Cu—Ni | Cu—Ni |
| Температурный коэффициент | 40…41 | 55.2 | 68 | |||||
| Рабочий температурный диапазон, ºC | 0 до +1100 | 0 до +700 | 0 до +1100 | 0 до +1600 | 0 до 1600 | +200 до +1700 | −185 до +300 | 0 до +800 |
| Значения предельных температур, ºС | −180; +1300 | −180; +800 | −270; +1300 | – 50; +1600 | −50; +1750 | 0; +1820 | −250; +400 | −40; +900 |
| Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±0,5 от −40 °C до 125 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | |
| ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±0,004×T от 375 °C до 750 °C | ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° | ±0,004×T от 125 °C до 350 °C | ±0,004×T от 375 °C до 800 °C | ||
| Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C | ±1,0 от −40 °C до 133 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C |
| ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0, T от 333 °C до 750 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C | ||
| Цветовая маркировка выводов по МЭК | Зелёный – белый | Чёрный – белый | Сиреневый – белый | Оранжевый – белый | Оранжевый – белый | Отсутствует | Коричневый – белый | Фиолетовый – белый |
Способы подключения
Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.
Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).
Рис. 6. Компенсационные провода
Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.
Рис. 7. Схема подключения на разрыв
При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.
В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.
И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.
Применение
Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.
Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.
Преимущества
- высокая точность измерений;
- достаточно широкий температурный диапазон;
- высокая надёжность;
- простота в обслуживании;
- дешевизна.
Недостатки
Недостатками изделий являются факторы:
- влияние свободных спаев на показатели приборов;
- ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
- при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
- необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.
Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.
Термопреобразователи сопротивления и термопары
В данной статье приведены основные технические характеристики термопреобразователей сопротивления, ГОСТ 6651-94 (Общие технические требования и методы испытаний) и преобразователей термоэлектрических (далее термопары), ГОСТ 6616-94 (Общие технические условия, а также рекомендации по правильному выбору термопреобразователей, их установке, подключению и обслуживанию.
Термины и определения
Термоэлектрический эффект — генерирование термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть одной и той же цепи.
Термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Соединение при измерении (рабочий конец для термопар) — соединение, подлежащее воздействию температуры, которую необходимо измерить.
Соединение при контроле (свободный конец для термопары) — соединение термопары, находящееся при известной температуре, с которой сравнивают измеряемую температуру.
Длина монтажной части —
для термопреобразователей сопротивления и термопар с неподвижным штуцером или фланцем — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до опорной плоскости штуцера или фланца;
для термопреобразователей сопротивления и термопар с подвижным штуцером или фланцем, а также без штуцера или фланца — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до головки, а при отсутствии ее — до мест заделки выводных проводников.
Длина наружной части — расстояние от опорной плоскости неподвижного штуцера или фланца до головки.
Длина погружаемой части — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до места возможной эксплуатации при температуре верхнего предела измерения.
Диапазон измеряемых температур — интервал температур, в котором выполняется регламентируемая функция термопреобразователя по измерению.
Рабочий диапазон — интервал температур, измеряемых конкретным термопреобразователем и находящийся внутри диапазона измеряемых температур.
Номинальное значение температуры применения — наиболее вероятная температура эксплуатации, для которой нормируют показатели надежности и долговечности.
Показатель тепловой инерции — время, необходимое для того, чтобы при внесении термометра сопротивления или термопары в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима.
Допуск — максимально допустимое отклонение от номинальной зависимости сопротивления (термопреобразователя сопротивления) или ЭДС (термопары) от температуры, выраженное в градусах Цельсия.
Чувствительный элемент (ЧЭ) — элемент термопреобразователя, воспринимающий и преобразующий тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.
Измерительный ток термопреобразователя сопротивления — ток, вызывающий изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления при 0°С не более 0,1% его номинального значения.
Термопреобразователи сопротивления, основные технические характеристики
Тип ТС
Класс допуска
Допускаемое отклонение сопротивления от номинального значения при 0°С, %
Значение W100
Диапазон измеряемых температур, °С
Предел допускаемого отклонения сопротивления от НСХ, °С