Размещение датчиков температуры

Требования к монтажу термометров сопротивления

Требования к монтажу термометров сопротивления ТСП-Н и комплектов термопреобразователей сопротивления КТСП-Н описаны в руководстве по эксплуатации ТНИВ.405511.002 РЭ основанном на межгосударственном стандарте СНГ — ГОСТ 8.586.5 — 2005 и на международных стандартах EN 1434 – 2007.

Правила установки термопреобразователей на трубопроводе:

  1. При установке термометра сопротивления ТСП-Н в защитную гильзу усилия не допускаются.
  2. При монтаже КТСП-Н в прямом потоке трубопровода устанавливается прибор с маркировкой «Г» (горячий), в обратном потоке – термометр сопротивления с маркировкой «Х» (холодный).
  3. ТСП-Н и КТСП-Н монтируются таким образом, чтобы чувствительный элемент прибора, расположенный на конце монтажной части, располагался на оси трубопровода.
  4. При монтаже термометра сопротивления под углом 45° концы монтажной части прибора должны быть направлены навстречу потоку теплоносителя.
  5. Во избежание помех при измерении, необходимо удалить присоединительные провода приборов от электрических кабелей с напряжением 220 В и более на расстояние не менее 0,3 м.
  6. Производить ориентацию корпуса (головки) необходимо в нужном направлении и закрепите штуцер.
  7. При горизонтальной ориентации термопреобразователя сопротивления с клеммной головкой кабельный ввод должен быть обращен вниз.
  8. Предусмотреть сальниковое уплотнение под применяемый кабель.
  9. Подсоединение комплекта термопреобразователей сопротивления производится к измерительному прибору, затем закрепляется кабель в сальниковом вводе.
  10. Установленный термометр должен быть опломбирован.

Тонкая пленка

Тонкопленочные элементы имеют чувствительный фрагмент, который формируется путем нанесения очень тонкого слоя резистивного материала, обычно платинового, на керамическую подложку (покрытие). Этот слой обычно имеет толщину от 10 до 100 нг (от 1 до 10 нанометров).

Эта пленка затем покрывается эпоксидной смолой или стеклом, которое помогает защитить ее, а также действует, как средство от натяжения для внешних подводящих проводов. Недостатки этого типа заключаются в том, что они не так стабильны, как их проволочные или спиральные аналоги.

Они также могут быть использованы только в ограниченном температурном диапазоне из-за разных скоростей расширения подложки и осаждения с сопротивлением, что дает эффект «тензометрического датчика», который можно увидеть в коэффициенте удельной температуры. Эти элементы работают при температурах до 300 °C (572 °F) без дополнительной упаковки, но могут выдерживать до 600 °C (1112 °F), когда они надлежащим образом заключены в стекло или керамику. Специальные высокотемпературные термопреобразователи сопротивления могут использоваться при температуре до 900 °C (1652 °F) с правильной герметизацией.

Особенности конструкции устройств

Самый распространенный конструкторский вариант имеет термометр в виде «свободной от напряжения спирали», который производится многими отечественными компаниями. Разница в моделях этого типа заключается в различных размерах используемых деталей и применении разнообразных материалов, использующихся при герметизации чувствительного компонента. Для различных температур необходимо использовать свой тип глазури. Этот тип ТС распространен не только в нашей стране, но и заграницей. Схема термометра сопротивления этого распространенного вида показана ниже.

Третий вид ТС – пленочные контрольные элементы. На керамическую основу наносят тонкий слой платины. Такой тип устройства широко распространен за рубежом. Этот термометр сопротивления дешевле предыдущих приборов и практичен, так как имеет меньшие размер и вес. Однако есть и свой минус – низкие стабильность и устойчивость к изменениям окружающей среды и резким перепадам температуры.

Четвертый вариант – платиновый стержень, покрытый массой из стекла. Такой ТС получается дорогим, но зато обеспечивается полная герметизация чувственного компонента и повышается устойчивость к влаге. Но у этого термометра низкий диапазон замера температур.

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Основные ошибки, возникающие при монтаже термометров сопротивления:

  • Неправильно выбран отбор для измерения температуры (без теплоизоляции трубопровода, приводящей к повышенной потере теплоты).
  • Неправильно установлен сам датчик в рабочем потоке измеряемой среды (малая или большая монтажная длина датчика; датчик установлен не по оси потока и не навстречу потока).
  • Установлен датчик несоответствующей градуировки, регламентируемой монтажной схемой объекта.
  • Нарушены требования компенсации влияния изменения температуры окружающей среды (датчик подключен к регистрирующему прибору по двухпроводной схеме; не используется компенсационный провод и компенсационные коробки).
  • Неправильно выбран датчик без учета повышенной вибрации, агрессивности и влажности среды и ее высокого давления.
  • Плохой контакт на клеммной колодке датчика (плохая пайка; не зажаты гайки; в местах повышенной влажности не выполнена герметизация проводки от попадания влаги внутрь датчика).

Конструкция

Обычные чувствительные элементы RTD, изготовленные из платины, меди или никеля, имеют повторяемое соотношение сопротивления к температуре (R против T) и диапазон рабочих температур. Отношение Rs к T определяется как величина изменения сопротивления датчика на градус преобразования температуры. Относительное изменение сопротивления (температурный коэффициент сопротивления) изменяется незначительно в пределах полезного диапазона датчика.

Платина была предложена сэром Уильямом Сименсом в качестве элемента для резистивного температурного детектора на лекции Бейкера в 1871 году: это благородный металл и имеет наиболее стабильное соотношение сопротивление-температура в наибольшем диапазоне температур.

Никелевые элементы имеют ограниченный температурный диапазон, потому что величина изменения сопротивления на градус преобразования температуры становится очень нелинейной при температурах выше 300 ° C (572 ° F). Медь имеет очень линейное отношение сопротивления к температуре, однако она окисляется при умеренных температурах и не может использоваться при нагреве выше 150 ° C (302 ° F).

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

– для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
– для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Обозначение варианта исполнения ТС

Pt

П

М

Температурный коэффициент a, °С-1

0,00385

0,00391

0,00428

Номинальное сопротивление R, Ом

100, 500; 1000

50,  100

50,  100

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Возможно, вам также будет интересно

В статье рассмотрены современные волоконно-оптические датчики и измерительные системы контроля объектов в тяжелых условиях эксплуатации в разных областях применения.

Во многих современных источниках бесперебойного питания (ИБП) предусмотрен режим, позволяющий осуществлять дополнительную экономию энергии. Однако результаты, полученные в ходе исследования, показывают, что этот режим, из-за наличия в нем потенциальных рисков, на практике используется лишь очень немногими центрами обработки данных (ЦОД). В статье рассматриваются различные режимы работы ИБП и их…

Электромагнитные помехи (EMI) могут стать главным источником головной боли разработчиков и операторов приводных сервосистем. При отсутствии средств подавления, помехи влияют на стабильность системы управления, приводят к возникновению ошибок передачи сигналов, могут даже приводить к включению и отключению приборов. Частоты электромагнитных помех варьируются от самых низких радиочастот и постоян…

Термометр сопротивления ТСП

Стандартные термометры для замеряющего элемента используют платину, так как она меньше окисляется и точно выдает показания температуры. Но чаще всего применяются более дешевые ТС — из меди и никеля. У этих устройств много преимуществ, они могут замерять большой диапазон различных температур, четко улавливая колебания в ту или иную сторону.

Термометр сопротивления обладает устойчивостью к вибрациям, что разрешает их установку в сейсмических зонах. Эти термометры производятся разнообразных размеров — от самых малых до больших. Потому их используют в различных ситуациях на любых объектах.

Несмотря на все положительные моменты применения устройства, его высокую надежность и практичность, имеются и свои минусы. Надо учесть, приобретая термометр сопротивления — подключение и установка должны производится в 3-х или 4-проводной электрической системе. Если использовать меньше проводов, то показания температуры будут иметь погрешность. Еще одним недостатком прибора считается трудоемкий процесс подбора особенного типа глазури для герметической защиты датчика. При неправильном выборе смазки, когда произойдет резкий скачок температуры, корпус термометра может лопнуть.

Выбор наиболее подходящего типа датчика

При выборе типа датчика, наиболее подходящего для конкретного технологического процесса и поставленной задачи, следует предварительно поставить несколько основных вопросов. Ответы на них предоставят ценную информацию.

Каков диапазон измеряемых температур?

При выборе датчика определение правильного температурного диапазона является очень важным. Если температура будет превышать +850 °C, необходимо использовать ТП. При температурах ниже +850 °C можно выбрать как ТС, так и ТП. Кроме того, не стоит забывать, что проволочные ТС обладают более широким диапазоном измерения температур, чем тонкопленочные (рис. 2).

Рис. 2. Диапазоны измерения температур различными типами термодатчиков

Какова требуемая точность измерения датчика?

Определение требуемого уровня точности является еще одним важным фактором при выборе датчика. Как правило, ТС имеют большую точность по сравнению с ТП, а проволочные ТС — по сравнению с тонкопленочными. Если предположить, что на выбор одной из двух технологий не оказывают влияние другие факторы, это правило помогает сделать выбор наиболее точного датчика.

Вызывает ли опасения вибрация, возникающая в ходе процесса обработки?

Уровень вибрации при технологическом процессе также необходимо учитывать при выборе датчика. ТП обладают наиболее высокой вибростойкостью из всех существующих технологий измерения температуры.

Существуют различные типы термопар, определяющиеся сочетанием используемой в них проволоки. ТП большинства типов могут использоваться для измерения более высоких температур, чем ТС.

Если достоверно известно, что в ходе процесса возникает сильная вибрация, использование ТП позволит достичь максимальной надежности измерения температуры. Тонкопленочные ТС также устойчивы к воздействию вибрации; тем не менее они не обладают достаточной прочностью. Использование проволочных ТС в условиях повышенной вибрации исключено.

Градуировка

Она выполняется тремя способами.

  • На шкалу наносятся значения температуры, которые соответствуют величине сопротивления датчика. Это более наглядный способ. Нелинейность зависимости можно компенсировать с помощью неравномерной разметки шкалы. Недостаток – погрешность равна цене деления шкалы.
  • Фиксируется действительное значение сопротивления, которое затем по специальным таблицам переводится в температуру. Более трудоемкий способ индикации, но более точный. Если нужного значения нет в таблице, результат измерения интерполируется, получается точное значение температуры. Нелинейность характеристик измерителя не оказывает влияния на результат. Интерполяция – метод нахождения промежуточных значений величины по готовому дискретному набору ее значений. Не представляет большой сложности и выполняется по формулам.
  • Фиксирование с помощью вычислительной техники. Совмещает все достоинства предыдущих способов. Результат выводится на дисплее.

Спирали

Подобные элементы в значительной степени заменили проволочные в промышленности. Это особенно заметно в случае с 50 М термопреобразователями сопротивления. Эта конструкция имеет проволочную катушку, которая может свободно расширяться, в зависимости от температуры, и удерживаться на месте некоторой механической опорой, которая позволяет катушке сохранять свою форму.

Такая конструкция без натяжения позволяет чувствительному проводу расширяться и сжиматься без воздействия других материалов: в этом отношении он аналогичен SPRT, первичному стандарту, на котором основан ITS-90, обеспечивая при этом долговечность, необходимую для промышленного использования.

Основой чувствительного элемента является небольшая катушка из платиновой проволоки. Эта катушка напоминает нить в лампе накаливания. Корпус или оправка представляет собой твердо обожженную керамическую оксидную трубку с одинаково расположенными отверстиями, проходящими поперек осей. Катушка вставляется в отверстия оправки и затем упаковывается очень тонко измельченным керамическим порошком. Это позволяет сенсорному проводу двигаться, оставаясь при этом в хорошем тепловом контакте с процессом. Эти элементы работают при температуре до 850 °С.

Схемы подключения

Для хороших результатов нужно не только выбрать датчик, но и правильно его подключить. Для этого есть 3 способа, все хорошо подходят для мостовой схемы питания.

Двухпроводная

Используется только для грубых измерений, поскольку на точность влияет сопротивление проводов. Диапазон длины этих проводов задается в паспорте устройства, нарушать его нельзя. Это ограничивает сферу применения такого способа подключения. Не подходит для устройств с классом точности АА и А.

Трехпроводная

В ней, помимо сопротивления чувствительного элемента, отдельно измеряется проводимость одного из монтажных кабелей, что позволяет вычесть эту величину из расчета. Предполагается, что сопротивления проводов равны между собой. При этом ток через сигнальный провод не течет, на него поступает только напряжение с датчика. Соответственно, изменение проводимости чувствительного элемента влияет на напряжение в сигнальном проводе, которое и регистрируется вольтметром.

Четырехпроводная

Электрическое сопротивление кабелей питания может различаться между собой. Достоинство этой схемы в том, что она позволяет учитывать проводимость сразу 2-х кабелей питания датчика. Принципиально не отличается от трехпроводной. Применяется для очень точных измерений в лабораторных условиях и эталонных установках. Последние 2 схемы допускают использование прибора в любых условиях. У них нет ограничений по длине проводов, что благотворно сказывается на общей компоновке систем измерения.

Виды и их характеристика

Основное различие между термометрами – устройство датчика. Они сделаны из разных материалов, отличаются толщиной чувствительного элемента и имеют различную стоимость.

Металлические

Они бывают платиновые, никелевые и медные. Рассмотрим подробнее элементы их этих металлов.

Платина. Самый дорогой материал, из нее изготавливаются самые точные лабораторные и эталонные приборы. Достоинства – очень высокая точность и широкий диапазон измерений, стабильность работы, практически линейная зависимость электропроводности от температуры (номинальная статическая характеристика, НСХ). Недостаток – высокая стоимость, хотя сейчас развитие технологий уменьшает количество платины, а значит, и цену. Все плюсы при этом сохраняются. Приборы с датчиком из платины обозначаются как ТСП (Термометр Сопротивления с платиновым датчиком).

Также существуют различные конструкции чувствительного элемента.

Проволочный. Чувствительный элемент – проволока, намотанная на каркас из металла, керамики, кварца, слюды или пластмассы. Во избежание потерь на индукцию намотка бифилярная (это когда провод складывается вдвое и только затем наматывается). Между витками есть мелкодисперсный наполнитель из Al2O3, который нужен для дополнительной изоляции витков и амортизации при колебаниях. Катушка заключена в металлический корпус и загерметизирована.

Полупроводниковые

Обычно они изготавливаются из германия и кремния. В качестве легирующей добавки выступает сурьма. Также есть кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ) приборы, работающие в пределах от -90 до +180 градусов. Благодаря большому внутреннему сопротивлению датчика проводимостью соединителей можно пренебречь. Чувствительный элемент расположен в защитном корпусе.

Преимущества – высокое быстродействие, возможность работы в сверхнизких температурах – от -270 градусов по Цельсию. Точность и стабильность измерений большие. Недостатки – нелинейная характеристика НСХ и невоспроизводимость градуировочной характеристики.

Благодаря нелинейной зависимости «температура-сопротивление» такие устройства скачкообразно меняют проводимость при определенной температуре. Это называется релейным эффектом и позволяет использовать данные приборы в системах сигнализации. Датчики по-разному крепятся на поверхность. Варианты креплений делятся на:

  • ввинчивающиеся;
  • поверхностные;
  • вставные;
  • с присоединительными проводами;
  • с байонетными соединениями (это осевое перемещение и поворот, как в боксах для дисков).

Расшифровка обозначений термометров сопротивления не составит труда. Обычно латиницей или кириллицей указывается его тип, далее цифрами – сопротивление в Ом при температуре 0 градусов Цельсия. Например, Pt100 – термометр платиновый, сопротивление термопреобразователя – 100 Ом при 0 градусов. Также есть несколько общепринятых сокращений:

  • ТПТ – технический платиновый термометр;
  • ТСПН – термометр, предназначенный для регистрации низких температур;
  • ЭТС – эталонные термометры сопротивления, которые используются для калибровки других датчиков.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

Ссылка на основную публикацию