Всё что вам нужно знать для выбора датчика температуры. Термопары и термосопротивления

Общая информация

Основными типами термопреобразователей – устройств, предназначенных для преобразования температуры в электрический сигнал, являются термосопротивления и термопары.
Термосопротивления – датчики, принцип действия которых основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры среды. 
Термопары – датчики, принцип действия которых основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в замкнутой системе, состоящей из двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. 
При подборе датчика нужно исходить из следующих основных критериев:

• Место монтажа;
• Температура измерения;
• Расстояние от датчика до прибора;
• Тип выходного сигнала датчика.

Место монтажа датчика

Сначала необходимо определиться, в какой точке процесса нужно измерять температуру. Часто производители технологического оборудования сами предусматривают места установки датчиков – в стенках агрегатов, печей уже имеются технологические отверстия, резьбовые втулки и др. Для трубопроводов чаще всего применяются датчики с резьбовым штуцером и дополнительной арматурой для монтажа – гильзами и бобышками. Но возможен и вариант применения накладных датчиков температуры.

Накладные датчики температуры -  это разновидность контактных датчиков, которая используются для измерения температуры различных трубопроводов, коллекторов, шлангов и отводных трубок. Типовые области применения: температура теплоносителя в трубах калориферов вентиляционных установок и индивидуальных или блочных тепловых пунктов, контроль параметров в компрессорных установках и трубопроводах фанкойлов, канальных кондиционеров.

Погружные (врезные) датчики температуры - это датчики температуры, в которых измерительный элемент размещен в цельноточенном из шестигранного прутка штуцере с резьбой G1/4 или G1/2 дюйма. На этапе проведения строительно-монтажных работ в трубопровод приваривается бобышка с внутренней резьбой, соответствующей резьбе штуцера датчика температуры, после чего устанавливается (ввинчивается) непосредственно погружной датчик. Длину бобышки рекомендуется выбирать таким образом, чтобы обеспечить максимальный контакт с жидкостью.

Канальные датчики температуры - используется для измерения температуры воздуха в каналах систем вентиляции и кондиционирования. Крепление канального датчика температуры к воздуховоду осуществляется как правило с помощью монтажного фланца. С помощью фланца можно регулировать глубину погружения датчика температуры в воздуховод. В воздуховоде системы вентиляции сверлится отверстие 6-8 мм. в диаметре; устанавливается монтажный фланец таким образом, чтобы отверстие в вентиляционном канале и в центре фланца совпадали; монтажный фланец крепится к воздуховоду саморезами; канальный датчик температуры опускается в отверстие, регулируется по глубине погружения и фиксируется саморезом.

Наружные датчики температуры - предназначены для измерения температуры воздуха на улице, а также в производственных и технологических помещениях. Благодаря своей конструкции датчики легко крепятся на стенах и устойчивы к внешним ударным воздействиям.

Температура измерения

Основной показатель для выбора датчика – это измеряемая температура: максимальная при нагреве и минимальная при охлаждении. Например, для процесса термообработки металла при 1000 °C следует выбирать термопару, которая может долговременно работать при данной температуре. Это может быть хромель-алюмель ХА (К), нихросил-нисил НН (N) или более дорогая, но надежная платинородий-платиновая термопара ПП (S). При охлаждении ниже минус 70 °C – выбор за термосопротивлениями 50П и 100П, которые стабильно работают до -196 °C.

Термосопротивления не измеряются температуру выше 660 °C, поэтому при измерении температур ниже данного уровня, следует обратить внимание на них ввиду более легкого подключения, о чем будет рассказано далее.

Выходной сигнал: сопротивление, ток/напряжение или цифровой

Есть 3  ̶г̶е̶н̶д̶е̶р̶а̶ типа выходных сигналов: пассивный (или сопротивление), ток/напряжение (4...20мА/0-10В) и цифровой (RS-485). Пассивные датчики - это датчики без нормирующего преобразователя (НП). Токовые и цифровые же в свою очередь оснащены соответствующими НП.

• Пассивный (или сопротивление) - это такой, который в цепь энергию не передаёт и возникновение тока в цепи не вызывает. Все датчики, у которых выходным измеряемым параметром является активное сопротивление могут быть подключены по двух- трёх- или четырёх- проводной схеме. При этом вообще не важно по какой схеме они подключены, — выходы таких датчиков всегда пассивные. Электрическое сопротивление температурных датчиков измеряется путем подачи напряжения с активного выхода контроллера.
• Токовый/цифровой (4...20мА/0-10В) - принцип работы такого преобразователя основан на линейном преобразовании сопротивления измерительного элемента Pt100 в унифицированный нормированный сигнал 4-20 мА или 0-10 В. В качестве измерительного элемента используется терморезистор с прямой зависимостью сопротивления от температуры, например PT100 имеет сопротивление 100 Ом при температуре 0°C.
• Цифровой (RS-485) - преобразователь непрерывно считывает с датчиков данные температуры, преобразовывает их в цифровой код, производит выдачу полученных данных по интерфейсу RS-485 в виде цифровых данных.

При выборе выходного сигнала все сводится к надежности, протяженности линии связи датчик-прибор и цене. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости: токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление»; цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.

Что касается цены: самый дешевый – сопротивление, токовый – средняя ценовая категория, самый дорогой цифровой. Но, с другой стороны, при выборе комплекта оборудования стоит учитывать, что датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые контроллеры, т.к. нет необходимости в аналоговых входах и применении модулей аналогового ввода.

Протяженность линий связи датчик-прибор

Немаловажный параметр при выборе – это расстояние между датчиком и вторичным прибором.

ДТ без нормирующего преобразователя (НП) (пассивный) рассчитан на относительно небольшие линии связи между датчиком и вторичным прибором (ЖКХ, печи).

ДТ с НП (с выходным сигналом 4…20 мА/0-10 В) могут иметь длину до 100 метров.

ДТ с RS-485 рассчитаны на протяженные линии связи – до 1200 метров.

Передача показаний

Считывающее устройство может не заработать с конкретным типом датчика. У терморегуляторов или модулей ввода есть собственный набор типов сенсоров, с которыми они могут работать. Их список указывается в Руководстве на прибор.

Типы термопар и их особенности

В качестве материала термопары используются металлы и сплавы, наилучшим образом подходящие на роль проводников-термоэлектродов. Они попарно компонуются в связки, называемые типами термопар: хромель – алюмель ХА (К), хромель – копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), платинородий-платинородий ПП (В) и др. Различаются величиной вырабатываемой термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), температурой применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации и т.д.

Пара хромель-алюмель (К) устойчива к деформации, имеет высокую чувствительность, применяется на производстве и в лабораторных установках. В этой паре со временем происходит дрейф ТЭДС, т.е. растет погрешность измерения. Погрешность зависит от условий эксплуатации: величины рабочих температур; состава среды, с которой контактирует термопара; конструктивного исполнения термопары и т.д.

Диапазон измеряемых температур термопары ХА: от -200 до +1200 ˚С, однако, не следует применять ее на предельных значениях, т.к. это приводит к ускоренному дрейфу термоЭДС (ТЭДС), и, как следствие, термопара прослужит недолго. ОВЕН рекомендует применять хромель-алюмелевые термопары (ДТПК) в диапазоне: от -40 до +1100 ˚С.

Верхняя граница диапазона измеряемых температур для пары хромель-копель (L) по сравнению с предыдущей ХА ниже (ОВЕН ДТПL до +600 ˚С). К ее особенностям относятся: высокая чувствительность и высокая термоэлектрическая стабильность, т.е. ничтожно малый дрейф ТЭДС. К недостаткам – высокая чувствительность к деформации. За рубежом ХК практически не применяется, используется похожий по характеристикам тип Е.

Термопара железо-константан (J) служит для измерения не очень высоких температур (до +750 ˚С). Ее отличает от других термопар стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2). Поэтому она применяется для контроля температуры в печах для безокислительного нагрева металла. В агрегатах с восстановительной атмосферой термопары типа J будут лучшим выбором.

Термопара нихросил-нисил (N) является улучшенной версией термопары ХА. Температура применения до 1250 ˚С, дрейф термоЭДС и погрешность измерения гораздо меньше. Это позволяет применять термопару типа N вместо дорогостоящих термопар, например, вместо платинородий-платиновой (S). ДТПN считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Класс термопар из благородных металлов: платинородий-платина (S, R), платинородий-платинородий (В) широко распространен во всем мире. Альтернативы им для измерения температур в диапазоне 1250…1600 ˚С практически не существует. Термопары типа S и R различаются содержанием родия в платинородиевом термоэлектроде (10 и 13 % соответственно). Их свойства практически идентичны. Тип S распространен в РФ, тип R – на Западе.

Термопара типа S отличается большей чувствительностью, диапазон измеряемых температур: от 0 до 1400 ˚С, кратковременно – до 1600 ˚С. Выше 1400 ˚С ДТПS длительно применять не рекомендуется – начинают расти зерна платины, изменяя генерируемую ТЭДС этой термопары.

Термопара типа В развивает небольшую термоЭДС при температуре ниже 600 ˚С, поэтому для измерения низких температур не подходит. Однако, она подходит для долговременного измерения температур вплоть до 1600 ˚С, кратковременно – до 1800 ˚С.

Платинородий-платиновые датчики отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением к коррозии в окислительных и нейтральных средах.

Тип коммутации

По типу коммутации с приборами термопары делятся на два больших класса: с кабельными выводами и с коммутационными головками.

Датчики с кабельным выводом можно подключать к измерителям, при этом нужно точно оценить длину кабеля. Такие модели рекомендуется применять до 400 ˚С. В датчиках с коммутационной головкой провода для линии связи «датчик-прибор» подключаются к клеммам в головке. Этот класс стоит использовать для более высоких температур (до 800 – 900 ˚С), а также при неизвестном расстоянии между датчиком и прибором. Термопарный провод при этом приобретается отдельно. Категорически не рекомендуется подключать термопары к вторичным приборам медными или алюминиевыми проводами. Это приведет к ошибке измерения, может повлечь брак термообрабатываемой продукции и другие непредсказуемые последствия.

Существует также третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики. Конструкция такой термопары максимально проста: термоэлектроды находятся внутри оплетки из кремнеземной нити, рабочий спай открытый, температура применения – вплоть до 300 °C.

Термометры сопротивления

Термометры сопротивления (ТС) – это датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления сенсора от температуры. Термосопротивления также существуют несколько видов. Рассмотрим основные характеристики наиболее часто используемых ТС.

НСХ (номинально-статическая характеристика) – это самая важная характеристика ТС, которая определяет зависимость сопротивления от температуры. На рисинке показан диапазон измерения температур в зависимости от НСХ.

Выбор сопротивления: 50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом

Принцип действия ТС – это изменение сопротивления сенсора при изменении температуры. Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого, лучше использовать ТС с большим сопротивлением, по сравнению с сопротивлением линии связи. Поэтому 1000 Ом – оптимальный выбор. Однако многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.

Необходимо сказать пару слов о схемах подключения ТС:

- некоторые приборы поддерживают только двухпроводную схему подключения ТС (например, программируемое реле ПР200). В таком случае рекомендуем выбирать именно РТ1000, чтобы минимизировать ошибку измерения

- если есть возможность, лучше использовать трех- или четырехпроводные схемы подключения. Тогда и с помощью низкоомных датчиков получится точно измерять температуру.

Материал чувствительного элемента: медь или платина

От материала чувствительного элемента зависит диапазон измерения температур. Медные: от -50 до +180 ⁰С, платиновые: от -196 до +500 ⁰С.

По цене: термосопротивления из меди – дешевле, из платины – дороже.

Еще один показатель, который нужно учитывать при выборе материала, это стабильность и точность. В ГОСТ Р 6651-2009 приведена таблица зависимости класса точности от материала и диапазона измерения.

Отличие 100П и Pt100

Существуют следующие технологии производства чувствительных элементов: намоточная (проволочная) и тонкопленочная (рис. 9).

100П применяется в основном российскими производителями, изготавливается по проволочной технологии, работают в широком диапазоне, но сенсор достаточно громоздкий.

Рt100 на основе тонкопленочных чувствительных элементов получают напылением тонкого слоя металла на керамическую подложку с образованием токопроводящей дорожки. Этот чувствительный элемент имеет малые габариты, что позволяет использовать в моделях с малым диаметром. Также технология производства позволяет делать 500- и 1000-омные сенсоры.

Точность

Класс допуска определяет максимально допустимое отклонение от номинальной характеристики. Отклонение, как функция температуры, фиксирует наименьшее допустимое отклонение при нуле градусов. При уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Существуют 4 класса допуска АА, А, В, С (рис. 10).

Класс допуска В – общепромышленное исполнение.

Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.