Датчики температуры

Датчики температуры

Термометр сопротивления (Resistance Thermometer) — датчик для измерения температуры, принцип действия которого
основан на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Термосопротивления могут быть металлические (платина, никель, медь) или полупроводниковые.

Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен – их сопротивление растёт с ростом температуры.
Для полупроводников без примесей он отрицателен – их сопротивление с ростом температуры падает.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковые термосопротивления с большим температурным коэффициентом.

• PTC-термисторы (Positive Temperature Coefficient), обладают свойством резко
  увеличивать свое сопротивление, когда достигнута заданная температура – широко используются для защиты двигателей
• NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient), обладают свойством резко
  уменьшать свое сопротивление при достижении заданной температуры

PT100, PT1000

Платиновые термометры сопротивления (Platinum Resistance Thermometers) обладают высокой стойкостью к
окислению и большой точностью измерения.

KTY

Кремниевые терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления, отличаются высокой линейностью характеристики,
высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь

Сравнение термометров сопротивления с термопарами

• выше точность и стабильность
• можно исключить влияние сопротивления присоединительных проводов на результат измерения при использовании 3-х или
  4-х проводной схемы измерений
• практически линейная характеристика
• не требуется компенсация холодного спая

• малый диапазон измерений
• не могут измерять высокую температуру.

Термопары

Термопара (Thermocouple) – это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения
температуры называется – рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем.
Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС),
пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения,
свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из
тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного
контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке
измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара.
При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного
термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Типы термопар

• K: хромель-алюмель
• J: железо-константан
• S, R: платина-платина/родий и др.

Термопары отличаются диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерений.

Преимущества термопар

• Большой температурный диапазон измерения
• Измерение высоких температур.

Недостатки

• Невысокая точность
• Необходимость вносить поправку на температуру холодного конца.

Термостаты

Термостат (Thermostat) – это регулятор, который поддерживает постоянную температуру воздуха или жидкости в
системах отопления, кондиционирования и охлаждения.

Как выбрать

• Измеряемая среда (выхлопные газы, морская вода, бензин и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Скорость потока измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Первичный преобразователь

• Тип датчика:
• термосопротивление (Pt, Ni.)
• термопара
• Класс точности.

Способ монтажа защитной арматуры в резервуары и трубопроводы

• фланцевый (размер)
• резьбовой (шаг)
• приварной
• асептическое (гигиеническое) присоединение.

Схема электрического подключения для терморезистора

• 2-х проводная
• 3-х проводная
• 4-х проводная.

Защитная трубка (гильза)

• Материал
• Длина погружаемой части датчика
• Диаметр
• Гигиеническая конструкция.

Соединительные кабели

• Длина
• Материал.

Соединительная головка

• Степень защиты корпуса
• Материал (алюминий, нержавеющая сталь, пластик)
• Тип кабельного ввода
• Материал электрических контактов (позолоченные).

НСХ (номинально-статическая характеристика) – это функция или таблица значений, которая определяет зависимость «сопротивление – температура».

2. Какое сопротивление выбрать: 50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом?

Главный принцип действия ТС – это изменение сопротивления от температуры.Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого лучше использовать ТС с бОльшим сопротивлением, чем сопротивление линии связи. Поэтому, 1000 Ом – лучше всего.
НО! Многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.Раньше стандартными были 50-омные датчики, так как для их производства расходовалось меньше материала, чем для 100-омных.

3. Что лучше: медь или платина?

От материала чувствительного элемента (ЧЭ) зависит диапазон измерения температур

Но от материала чувствительного элемента зависит и стоимость термосопротивления: медные – дешевле, платиновые – дороже.
Еще один из показателей, который нужно учитывать при выборе материала, это стабильность и точность. В ГОСТ Р 6651-2009 есть таблица, зависимости класса точности от материала и диапазона измерения.

4. Чем отличаются 100П и Pt100?

5. Что там по точности?

Кто-то может сказать, что это вкусовщина, но все сводится к надежности и к стоимости. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости:• Токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление».• Цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.
Что касается стоимости, то самый дешевый – «сопротивление», токовый – средний по цене и «цифра» – дорогой.При этом если покупать комплект оборудования, то датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые ПЛК, так как нет необходимости в аналоговых входах.

Описание чувствительного платинового элемент (ЧЭП Pt1000 исполнение 1 класс точности и схема соединения A2)

Чувствительный элемент платиновый (ЧЭП) – тонкая пленка из платины, нанесенная на керамическую подложку.

Принцип действия термочувствительных элементов основан на известной зависимости электрического сопротивления платины от температуры.

Расшифровка чувствительных элементов (ЧЭП)

Отличительные особенности

• Тип НСХ: Pt1000;
• Выпускаются в корпусе (исполнение 1), есть варианты исполнения без корпуса (исполнение 2, 3).

Области применения

• Применяются в термометрах сопротивления;
• Чувствительные элементы в конструктивном исполнении 1 могут применяться как самостоятельное изделие для контроля температуры воздуха и неагрессивных газов, а также для измерения температуры холодного спая в измерителях-регуляторах, работающих с термопарами.

Комплект поставки

При выборе датчиков температуры (ДТ) следует учитывать много нюансов, описание которых в короткой статье не представляется возможным. Поэтому специалисты отдела датчиков ОВЕН дали базовые рекомендации, которые помогут выбрать наиболее подходящий датчик для решения задачи.

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. Компания ОВЕН производит множество модификаций термопар и термосопротивлений. При подборе датчика нужно исходить из следующих основных критериев: температура измерения; место монтажа; расстояние от датчика до прибора.

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.

На заметку. Для измерений до 400-500 °C при прочих равных условиях выбирают термопреобразователи на более высокие температуры – термопары.

Протяженность линий связи датчик-прибор

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.

Передача показаний

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.

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.

Рис. 1. Температуры применения различных типов термопар

Конструктивные исполнения термопар

Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и вредных воздействий внешней среды их помещают в защитную арматуру. При изготовлении малогабаритных термопар для измерения температур до 300-400 ˚С используются трубки из латуни; для более массивных датчиков, предназначенных на температуры до 800-900 ˚С, используются трубки из нержавеющей стали. Выше 1000 ˚С и до 1250 ˚С применяются трубки из жаростойких сталей и сплавов (15Х25Т, ХН45Ю, Nicrobell), а также керамические защитные чехлы. При измерении температуры расплавов металлов и солей применяют толстостенные чехлы из серого чугуна, нитрида и карбида кремния.

Тип коммутации

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

Рис. 2. Термопары с кабельными выводами

Рис. 3. Термопары с коммутационными головками

Датчики с кабельным выводом (рис. 2) можно подключать к измерителям, при этом нужно точно оценить длину кабеля. Такие модели рекомендуется применять до 400 ˚С. В датчиках с коммутационной головкой (рис. 3) 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 (рис. 4, 5). Это приведет к ошибке измерения, может повлечь брак термообрабатываемой продукции и другие непредсказуемые последствия.

Существует также третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики (рис. 6). 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 рис. 7 показан диапазон измерения температур в зависимости от НСХ.

Рис. 7. Диапазон измерения температур в зависимости от НСХ

• номинал сопротивления R0 (50 Ом, 100 Ом, 500 Ом, 1000 Ом);
• материал чувствительного элемента (медь, платина);
• температурный коэффициент α, где:
  α=0,00428 ⁰С-1 – для 50М/100Мα=0,00391 ⁰С-1 – для 50П/100Пα=0,00385 ⁰С-1 – для Pt100/Pt500/Pt1000
• α=0,00428 ⁰С-1 – для 50М/100М
• α=0,00391 ⁰С-1 – для 50П/100П
• α=0,00385 ⁰С-1 – для Pt100/Pt500/Pt1000

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 (рис. 8):

– 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.

Рис. 8. Схемы подключения термосопроивления

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.

Рис. 9. Технологии производства чувствительных элементов

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, которое является стандартом ОВЕН.

Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.

Сопротивление, ток или цифровой

При выборе выходного сигнала все сводится к надежности 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.