Замер температуры на судне. Термопара, Термометр сопротивления и Pt100.
Sanford Leffler
Продолжаем знакомиться с датчиками, ведь без них - никуда. Сегодня поговорим о самых распространённых типах датчиков, разберёмся с тем, как они работают и, главное, как их проверять.
Содержание:
Термопара
Принцип действия.
В прошлой статье я вскользь затрагивал такое понятие как "потенциал". Свободные электроны в проводнике ведут себя точно так же, как масло в гидравлической системе: когда в одном цилиндре повышается давление (растет потенциал) - масло стремится в поршень, двигая его и пытаясь выровнять эту разницу потенциалов. Это-же правило работает и с электрическим потенциалом: если у нас имеется достаточно большой лист металла и мы начнём нагревать его в одном месте - мы получим то самое изменение потенциала в металле за счёт его термических свойств. Т.е. уже в рамках одного листа металла мы можем получить разность потенциалов которая будет изменяться хоть и в небольших значениях, единицах милливольт, но тем не менее этого уже достаточно для того, чтобы вызвать движение заряженных частиц из одной части листа в другую, не смотря на то, что лист металла для нас является такой себе "единой точкой".
А теперь представим что будет если мы соединим между собой два металла с разными термическими характеристиками при помощи сварки и будем нагревать этот спай. Таким образом мы получим бо́льший лист металла, разность потенциалов в разных частях которого будет ещё больше! И вот мы с вами, по сути, изобрели термопару.
Термопара представляет собой два отрезка различных металлов соединённых в одну точку при помощи сварки (это место называется "Рабочий спай"). Нагревая рабочий спай относительно свободных концов (это место называется "Холодный спай") - мы и получим разность потенциалов. Величина этой разности потенциалов зависит от материалов из которых изготовлена термопара. За подробностями обращайтесь к литературе которая уже выложена на канале.
Часто на собеседованиях вам могут задать вопрос, который звучит следующим образом:
Какой сигнал на выходе термопары?
Правильным ответ:
"Термоэлектродвижущая сила", или "Термо ЭДС". Ибо величина, которую мы, по итогу, и замеряем представляет собой ЭДС генерируемое термическими свойствами металлов и измеряется в вольтах.
На схемах термопара обозначается соответствующе, два провода из разных металлов соединены в точку.
Когда следует проверить термопару?
Для проверки нам нужны конкретные основания. Особенно эта мысль касается механиков: прекратите звать электромехаников когда вы просто не знаете что делать!
И так, какие у нас возможные варианты неисправности термопары?
Короткое замыкание.
При коротком замыкании потенциалы, само собой, сравняются и на на выходе мы получим 0мВ. Следовательно и на индикации мы увидим экстремально низкое значение температуры, а не отличающееся на ± 10%.
Обрыв.
Вот тут уже интереснее. В случае обрыва мы получим два длинных отдельных провода в пространстве (от, грубо говоря, монитора в ЦПУ до цилиндра главного). При таком раскладе ЭДС будет наводиться в этих двух проводах независимо, а наш компьютер будет фиксировать это и выдавать нам галиматью. Если вы возьмёте мультиметр и, присоединив к нему щупы, включите режим измерения милливольт вы увидите что показания на мультиметре безумно скачут в весьма широком диапазоне (±10мВ) и равняется нулю лишь когда мы замыкаем щупы между собой.
Происходит это потому, что в каждом щупе наводится свой потенциал из-за множества факторов: температура ваших рук, температура в комнате, наличие слабого электромагнитного поля вокруг вас и т.д., а замыкая щупы между собой - мы выравниваем их потенциалы и измерительный прибор показыват нам 0 мВ.
Если вы видите на индикаторе что температура скачет в пределах ±30 градусов даже когда, к примеру, главный стоит и ничего не происходит - можно обосновано считать что, во-первых: там установлена термопара; во-вторых: в цепи данной термопары обрыв. Само собой при этом, когда вы запустите главный, температура не поднимется, а останется на прежнем уровне и будет продолжать скакать.
Никаких других вариантов неисправности термопары нет.
Главными плюсами термопар можно уверенно назвать их весьма высокую надёжность, но это, в принципе, касается всех датчиков которые мы рассмотрим в данной статье. К минусам именно термопар можно отнести, разве что, не самую высокую точность по сравнению со следующими типами датчиков температуры.
Термометр сопротивления
Само по себе понятие "Термометр сопротивления" включает в себя спектр датчиков которые используют свойство различных материалов изменять своё сопротивление при воздействии на них температуры. Уж не знаю стоит-ли сделать настолько базовую статью про величины вроде сопротивления и тока. Дайте знать. Пока что нам будет достаточно понять (если слово "сопротивление" ни о чем вам не говорит) что эти материалы меняют степень своего препятствия прохождению сквозь них электрического тока.
Термисторы (они же терморезисторы), позисторы, силисторы и бла-бла-бла. Всё это названия для готовых элементов которые используются при измерении температуры, которые изменяют своё электрическое сопротивление. Отличаются они друг от друга диапазоном измерения температур, положительным/отрицательным температурным коэффициентом (при увеличении температуры одни датчики увеличивают своё сопротивление, другие - уменьшают), линейностью/нелинейностью своих выходных характеристик.
При подключении этих датчиков к измерительной системе система измеряет ток, проходящий через термометр сопротивления сравнивая его с референсным значением и, тем самым, определяя температуру датчика.
Если вы хоть немного понимаете в электрических делах или внимательно читали, к примеру, статью про трансформаторы тока, то уже знаете что при прохождении тока через проводник последний нагревается, так уж устроена вселенная. Так как же нам быть с этим фактом? Ведь получается что мы сами нагреваем наш датчик и в итоге получаем погрешность! Благо не мы одни уже это знаем, а потому системы измерений к которым эти самые датчики подключены имеют систему коррекции которая всё это дело нивелирует.
Что может пойти не так?
Теперь наш датчик не генерирует термо ЭДС и система к которой он подключаем измеряет не милливольты. В данном случае у нас имеются три возможных варианта развития событий, которые могут быть интерпретированы системой как угодно, в зависимости от типа датчика.
Обрыв.
В случае обрыва мы увидим либо слишком малое, либо слишком высокое значение температуры которое никак меняться не будет. Как я упоминал ранее: разные термометры сопротивления по-разному отыгрывают при повышении температуры, но суть в том, что мы увидим какое-либо крайнее положение ибо в цепи будет полностью отсутствовать ток.
Короткое замыкание.
То же самое что и предыдущий вариант, но система будет фиксировать свой максимально допустимый ток. Снова в зависимости от типа датчика получим какое-то крайнее положение которое не будет меняться при разных раскладах.
Деградация.
Речь пойдёт не про молодёжь, а про такое явление как деградация полупроводников и прочих материалов от высокой температуры, вибрации и прочих радостей жизни для любого морского оборудования. В таком случае мы можем наблюдать ощутимое линейно кратное отклонение, т.е. на главном, к примеру, которому лет 20 уже, это может быть отклонение в 40-50 и более градусов на цилиндре.
К главным минусам можно отнести тот факт, что для этих датчиков нужен отдельный источник питания, но поскольку не мы его покупаем и приходим "на всё готовое", то для нас это не минус, тем более что и термопара требует специального оборудования для считывания данных в неё.
А вот к плюсам, которые нас касаются, можно отнести, безусловно, очень высокую точность (вплоть до 0,013⁰С) и линейная (в основном) характеристика что упрощает нам его проверку.
ВАЖНОЕ ДОПОЛНЕНИЕ УПУЩЕННОЕ В ЭТОЙ СТАТЬЕ ОПИСАНО ТУТ!
Pt100
Иначе известна как ПЭТЭШКА. Это тот же термометр сопротивления состоящий из платины, чьё поведение при разных температурах прекрасно изучено. Собственно исходя из названия мы может это выяснить. P (платина) имеет сопротивление в 100 Ω при t = 0⁰С, а далее изменения сопротивления от температуры составляет 0,39 Ом/1⁰С в большую или меньшую сторону соответственно.
Pt100 наиболее популярный датчик температуры на судах. В большинстве своём мы измеряем температуру именно ими.
Плюсы и минусы, как и варианты неисправностей те же, что и у других термометров сопротивлений. Отдельно выделил лишь потому, что именно с ними мы встречаемся чаще всего.
Дополнительно:
Да, конечно существуют и другие типы датчиков температуры такие как пирометры, звуковые и тд. Однако эти типы являются крайне специфичными и настолько повсеместно не встречаются. Будет лучше, в случае необходимости, рассмотреть их по-отдельности или же, если вопрос заинтересовал, обратиться к уже не раз упомянутой литературе которая есть на канале.
Проверка датчиков температуры
На самом деле все эти телодвижения с замером датчиком мультиметром имеют мало смысла, ибо всегда проще поменять датчик и сравнить. Тем не менее когда мы имеем дело с экстремальными значениями (а-ля -50⁰С на цилиндре работающего главного) нам нужно убедиться что проблема именно в датчике, а не в цепи до него: обрыв или КЗ.
Из информации выше мы выяснили что наши датчики либо генерируют термо ЭДС, либо изменяют своё сопротивление, соответственно это и есть величины которые нам нужно будет измерять для проверки.
Опустим момент поиска физического места нахождения датчика. Нас больше интересует определение его типа и проверка самого датчика.
Допустим вы нашли датчик в нужном месте (труба охлаждения, к примеру) и решаете его проверить. Обычно температура в районе 45⁰С, а тут, вдруг, -20⁰С, при этом локальный градусник показывает что температура, по-факту, выше той, что показывает нам датчик, т.е. в норме. На самом датчике нет (допустим) никаких опознавательных знаков, мы видим только крышечку которую можно открыть и подключить два проводка.
Помню услышал однажды от одного электромеханика следующий "лайфхак":
Если на выходе термодатчика два провода - это термопара, а если три - это Pt100.
Земля тебе пухом братишка, ибо Pt100 может иметь как 2, так и 3 и 4 провода на выходе. Нужны они для большей точности измерений, т.е. несут вполне конкретную функцию, но подробнее об этом милости прошу в литературу.
Самым простым вариантом, в данном случае, будет откинуть эти два проводка и произвести замер всех нужных нам величин поочерёдно. Не бойтесь замкнуть провода в процессе работы. Больших токов там не водится.
Начнём с замера термо ЭДС. ЭДС у нас измеряется в вольтах, а значение вольт, в случае с термопарами, очень мало, потому выбираем на мультиметре режим измерения милливольт.
Утыкаемся щупами в выводы датчика и видим 0 мВ. Возможность обрыва термопары мы так же исключаем т.к. в таком случае мы бы видели скачки ЭДС на экране мультиметра.
Следовательно имеем мы дело с Pt100 (вероятность того, что это какой-то другой датчик - крайне мала). В таком случае переключаемся на режим измерения сопротивления, утыкаемся щупами в то же место и наблюдаем следующее:
Вроде что-то показывает: 92,2 Ω.
Понимаем что для Pt100 сопротивление маловато, ибо для Pt100 сопротивление должно быть 100 Ω при 0⁰С. Понимаем что дело в пэтэшке и меняем её любой другой пэтэшкой подходящей по размеру. Полярность в данном случае не имеет никакого значения.
Практически всегда датчики температуры входящие в трубу не устанавливаются непосредственно в трубы. Они установленные в такие себе "карманы", т.е. сам датчик не соприкасается с водой/маслом/газом и его можно спокойно выкрутить, не опасаясь устроить потоп.
Системы обслуживающие датчик ОЧЕНЬ редко выходят из строя, а потому вариант с их неисправностью можно исключать до последнего. Как правило проблема даже не в датчиках, а в аппаратуре, температуру которой он замеряет. Да, механики, это я вам.
Итог
Вот мы и разобрались с основами датчиков температуры чаще всего применяемых на судах. Знаем какие они бывают и как работают. Если вы хотите разобраться в вопросе подробнее, то обращайтесь к указанной литературе.
Как всегда с ЛЮБЫМИ вопросами обращайтесь в комментарии. Если знаю - подскажу, а если нет - разберёмся вместе и другим расскажем. ;)