Датчики температуры: термопреобразователи сопротивления и термопары

Что такое датчик температуры?

Промышленный датчик температуры состоит из чувствительного элемента в металлической защитной оболочке, выводов, соединяющих элемент с внешней цепью, и монтажного адаптера, которым датчик крепится к процессу или к соединительной головке. На технологических установках преобладают две технологии: термопреобразователи сопротивления (ТС, в англоязычной литературе — RTD) и термопары. В термопреобразователе сопротивления электрическое сопротивление платинового элемента растет с температурой, и температура вычисляется по измеренному сопротивлению. В термопаре два разнородных металла соединены в рабочем спае, и разность температур между этим спаем и опорным спаем создает небольшое напряжение.

В измерительной цепи датчик никогда не работает сам по себе. В большинстве установок его защищает от воздействия потока, давления и агрессивной среды защитная гильза, а необработанный сигнал линеаризует и переводит в инженерные единицы преобразователь температуры или плата ввода системы управления. Поэтому датчик следует выбирать с учетом внутреннего диаметра и длины защитной гильзы, типа входа преобразователя и конструкции соединительной головки.

Определяющие параметры — диапазон измерения, требуемый класс допуска, уровень вибрации и механических ударов, необходимое время отклика и классификация взрывоопасной зоны в точке установки. В общем случае до 600 °C, где важны высокая точность и долговременная стабильность, предпочтение отдают термопреобразователям сопротивления; при более высоких температурах или когда нужен очень быстрый отклик выбирают термопары.

Принцип работы термопреобразователей сопротивления и термопар

Термопреобразователи сопротивления и термопары регистрируют температуру за счет разных физических эффектов, и это различие определяет как достижимую точность, так и схему подключения. Измерительную цепь можно описать следующими этапами:

1.      Изменение сопротивления платинового элемента: Сопротивление платины растет с повышением температуры, причем эта зависимость стабильна и воспроизводима в широком диапазоне. Зависимость сопротивления от температуры для элемента Pt100 задается температурным коэффициентом α = 0,00385 — это наиболее распространенная в международной практике номинальная статическая характеристика (НСХ).

2.      Компенсация сопротивления соединительных проводов: В термопреобразователе сопротивления соединительные провода входят в измерительную цепь. При трехпроводной схеме третий провод компенсирует сопротивление линии в предположении, что сопротивления всех проводов одинаковы. При четырехпроводной схеме постоянный ток около 150 мкА подается по двум проводам, а напряжение снимается по двум другим высокоомной измерительной цепью, поэтому сопротивление проводов не влияет на результат.

3.      Термоэлектрическое напряжение и эффект Зеебека: В термопаре два разнородных металла соединены в точке измерения — рабочем, или горячем, спае. Возникает нелинейное напряжение, пропорциональное разности температур рабочего спая и опорной точки (холодного спая). Его величина зависит от пары металлов и определяет разрешающую способность измерения.

4.      Холодный спай и обработка сигнала: Холодным спаем служит преобразователь, плата ввода или нормирующий преобразователь, на котором измеряется напряжение; его температура известна и компенсируется. Преобразователь переводит сопротивление ТС или напряжение термопары в температуру по соответствующей стандартной характеристике или по индивидуальным коэффициентам датчика.

Тонкопленочные и проволочные чувствительные элементы

Тонкопленочный элемент представляет собой тонкий платиновый рисунок, нанесенный на керамическую подложку; он более устойчив к вибрации и механическим ударам. Стандартный тонкопленочный элемент работает в диапазоне от –50 до 450 °C, высокотемпературный тонкопленочный — от –60 до 600 °C. В проволочных элементах платиновая проволока высокой чистоты уложена спиралью в керамическом корпусе; при диапазоне от –196 до 600 °C они подходят для низкотемпературных задач ниже –60 °C и для точек, где требуется более жесткий допуск.

Типы термопар и рабочая атмосфера

Тип E (никель-хром/константан) дает наибольший выходной сигнал из пяти типов — около 68 мкВ/°C — и рекомендуется для окислительной или инертной атмосферы. Тип J (железо/константан) применяется в вакууме, восстановительной и инертной атмосфере; ниже 0 °C становится хрупким. Тип K (никель-хром/никель-алюминий) — термопара общего назначения, чаще всего используемая выше 538 °C в окислительной или нейтральной среде. Тип N (никель-хром-кремний/никель-кремний) обладает более высокой термоэлектрической стабильностью, чем тип K, но не допускается к применению в вакууме и восстановительной атмосфере. Тип T (медь/константан) сочетает хорошую линейность со стойкостью к влаге при криогенных и умеренных температурах.

Термопреобразователи сопротивления обеспечивают более высокую точность и долговременную стабильность, термопары — более широкий диапазон температур и меньшее время отклика. Выбор технологии зависит от температуры процесса и от назначения точки измерения: регулирование или контроль.

Ключевые особенности

Семейство датчиков построено так, что одну механическую платформу можно адаптировать к самым разным точкам измерения.

·         Единый наружный диаметр: Все типы и длины датчиков имеют номинальный наружный диаметр 6 мм (¼ дюйма): это упрощает складской запас ЗИП и подбор по внутреннему диаметру защитной гильзы.

·         Три исполнения элемента Pt100: Доступны виброустойчивый тонкопленочный элемент, высокотемпературный тонкопленочный элемент и проволочный элемент, сохраняющий жесткий допуск при низких температурах.

·         Пять типов термопар: Термопары типов E, J, K, N и T поставляются в оболочке из нержавеющей стали 321 или сплава 600 в зависимости от диапазона измерения и рабочей атмосферы.

·         Выбор класса допуска: Термопреобразователи сопротивления выпускаются с классом допуска A или B по IEC 60751, термопары — с классом допуска 1 или 2 по IEC 60584 либо со специальным или стандартным допуском по ASTM E230.

·         Одинарные и сдвоенные элементы: ТС с одним элементом по трех- или четырехпроводной схеме и с двумя элементами по трехпроводной схеме, а также одинарные или сдвоенные термопары с заземленным или изолированным рабочим спаем позволяют организовать резервированное измерение.

·         Постоянный контакт с дном гильзы: Подпружиненные адаптеры рассчитаны на сжатие пружины 13 мм, и каждый датчик изготавливается на 6 мм длиннее заказанной длины; наконечник прижимается к дну защитной гильзы, что сокращает время отклика и повышает виброустойчивость.

·         Вторичное уплотнение с приварным адаптером: В приварном адаптере капсула датчика приварена к адаптеру. Такое соединение допускает прямое погружение в среду, а при установке в защитную гильзу образует вторичное технологическое уплотнение, рассчитанное на 3500 psi.

·         Варианты удлинительных выводов: Удлинители из витых проводов, экранированного кабеля в обмотке из PTFE или бронированного кабеля в оболочке из ПВХ/PTFE позволяют вынести преобразователь от источников тепла или в доступное место.

·         Калибровка и коэффициенты CVD: Термопреобразователи сопротивления могут поставляться с одноточечной калибровкой по сопротивлению или с калибровкой и сертификатом, содержащим коэффициенты Каллендара — Ван Дюзена для стандартного или заказного диапазона.

·         Автоматическое распознавание по идентификационной метке: Опциональная идентификационная метка, встроенная в датчик, передает совместимому преобразователю калибровочные данные, тип элемента и число проводов, исключая ошибки ручного ввода.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые данные семейства термопреобразователей сопротивления и термопар, рассматриваемого на этой странице. Окончательные значения для выбранного типа элемента, класса допуска, монтажного адаптера и варианта сертификации следует подтверждать на этапе проекта.

Диапазон температур, указанный для каждого типа датчика, — это полный рабочий диапазон элемента; класс допуска действует только в пределах диапазона, для которого этот класс определен. Компактные адаптеры не являются взрывозащищенными и не применяются в конфигурациях с сертификатами Division 2 / зона 2.

Основные преимущества

·         Подходящая технология для каждой точки: Исполнения ТС и термопар на одной механической платформе позволяют для каждой точки измерения осознанно выбирать между точностью и диапазоном температур.

·         Измеримая точность системы: Ввод индивидуальных коэффициентов CVD в преобразователь заменяет номинальную характеристику реальной характеристикой датчика; как правило, точность точки измерения повышается в три-четыре раза.

·         Резервированное измерение: Сдвоенные ТС и термопары сохраняют измерение в критических точках при отказе одного элемента и позволяют контролировать расхождение показаний двух элементов.

·         Простая замена датчика: При установке в защитную гильзу датчик можно извлечь для калибровки или замены без остановки процесса; подпружиненный адаптер обеспечивает прилегание нового датчика к дну гильзы.

·         Работа в тяжелых условиях объекта: Виброустойчивые тонкопленочные элементы, бронированные кабельные удлинители и соединительные головки из нержавеющей стали обеспечивают надежную работу в точках с вибрацией, агрессивной средой или затрудненным доступом.

·         Стандартная цветовая маркировка проводов: Цвета проводов ТС соответствуют IEC 60751, термопар — IEC 60584 или ASTM E230, что снижает риск ошибок при подключении на объекте.

·         Поставка точки измерения в сборе: Датчик может поставляться в сборе с защитной гильзой и преобразователем — готовым к установке, с соединениями, затянутыми с нормированным моментом, и выполненной электрической разводкой.

Области применения

Термопреобразователи сопротивления и термопары применяются везде, где для контроля и регулирования процесса температуру нужно измерять непрерывно и надежно. Ниже приведены группы задач, в которых выбор типа элемента особенно важен.

Контроль процесса и контуры регулирования

Для регулирования температуры в реакторах, теплообменниках, колоннах и трубопроводах обычно выбирают термопреобразователи сопротивления Pt100 благодаря жесткому допуску и долговременной стабильности. В критических контурах сдвоенные датчики обеспечивают резервированное измерение.

Коммерческий учет жидкостей и газов

Датчики предлагаются с вариантами калибровки, отвечающими требованиям MID для коммерческого учета жидкостей и газов; эти варианты требуют четырехпроводной схемы и минимальной длины датчика. Такие датчики служат для температурной коррекции при измерении расхода.

Криогенные и низкотемпературные задачи

При температурах до –196 °C применяют проволочные ТС или термопары типа T. Для соединительных головок доступны низкотемпературные исполнения для температуры окружающей среды до –51 °C и до –60 °C.

Высокотемпературные точки измерения

Выше 600 °C термопары типов K и N в оболочке из сплава 600 измеряют температуру до 1200 °C. Электронику преобразователя необходимо защищать от тепла процесса удлинителем или выносным монтажом.

Трубопроводы с вибрацией

В точках с вибрацией, например на нагнетании насосов и компрессоров, тонкопленочные элементы ТС и подпружиненные адаптеры, прижимающие наконечник к дну гильзы, повышают механическую прочность и непрерывность измерения.

Взрывоопасные зоны

Соединительные головки со взрывонепроницаемой оболочкой и искробезопасные конфигурации датчиков предназначены для газовых и пылевых сред согласно ATEX и IECEx. Объем сертификации определяется при совместной оценке датчика, головки и кабельного ввода.

Как выбрать датчик температуры

Выбор датчика определяет как точность точки измерения, так и потребность в обслуживании. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Условия процесса

·         Минимальная, рабочая и максимальная температура процесса (пределы для типа элемента и материала оболочки)

·         Атмосфера процесса: окислительная, восстановительная, инертная или вакуум (для выбора типа термопары)

·         Уровень вибрации и механических ударов

·         Установка в защитную гильзу или прямое погружение в среду

Точность и конфигурация элементов

·         Требуемый класс допуска (IEC 60751 класс A/B, IEC 60584 класс 1/2 или ASTM E230)

·         Трех- или четырехпроводная схема подключения ТС; при длинных кабельных линиях предпочтительна четырехпроводная

·         Одинарный или сдвоенный элемент (потребность в резервированном измерении)

·         Рабочий спай термопары: заземленный (быстрый отклик) или изолированный (меньше подвержен помехам)

·         Потребность в сертификате калибровки и согласовании датчика с преобразователем по коэффициентам CVD

Конструкция и монтаж

·         Длина удлинения (lagging) H и монтажная длина U защитной гильзы; длина датчика L = H + U

·         Тип монтажа: подпружиненный, приварной, компрессионный фитинг или пластина DIN

·         Длина удлинителя или удлинительных выводов для защиты электроники от тепла процесса

·         Для замены установленного датчика — длина, измеренная при несжатой пружине

Электрическое подключение и взрывоопасная зона

·         Материал соединительной головки (алюминий или нержавеющая сталь), необходимость крышки с окном для индикатора, резьба кабельного ввода

·         Преобразователь в головке или клеммная колодка для выносного монтажа

·         Классификация зоны и требуемый вид взрывозащиты (взрывонепроницаемая оболочка, искробезопасная цепь, зона 2, пылевая среда)

·         Минимальная температура окружающей среды и необходимость низкотемпературного исполнения головки

Сборки «датчик — преобразователь» или «датчик — защитная гильза», затянутые только вручную, не отвечают требованиям сертификатов для взрывоопасных зон; для таких зон следует заказывать готовые к установке сборки, затянутые с нормированным моментом. Чтобы сохранить пылезащиту и степень защиты оболочки, подпружиненные датчики и датчики DIN-исполнения необходимо устанавливать в защитную гильзу.

Стандарты допусков и сертификаты для взрывоопасных зон

Метрологические характеристики, допуски и безопасность датчиков определяются приведенными ниже стандартами и сертификатами. Применимый объем зависит от заказанной конфигурации.

Объем сертификации определяется при совместной оценке датчика, соединительной головки, кабельного ввода и типа монтажа и должен подтверждаться для каждого проекта с инженерами TLY Enerji.

Решения TLY Enerji для измерения температуры

Для TLY Enerji датчик температуры — не отдельный компонент, а часть системы, работающей вместе с защитной гильзой, преобразователем и системой управления. Наши инженеры анализируют температуру процесса, атмосферу, вибрацию и классификацию зоны, чтобы сделать выбор между термопреобразователем сопротивления и термопарой и определить тип элемента, класс допуска и схему подключения.

На действующих объектах мы помогаем определить длину датчиков для замены, проверить совместимость с длиной удлинения и монтажной длиной защитных гильз, подобрать длину удлинителя и перенести индивидуальные калибровочные коэффициенты датчика в преобразователь. Вместе со службами объекта мы сопровождаем подготовку проектной документации, интеграцию в ПЛК/РСУ и пусконаладку, чтобы точка измерения с первого дня давала точные и прослеживаемые данные. В этот подход также входят сокращение номенклатуры датчиков температуры на разных установках и унификация ЗИП.

Часто задаваемые вопросы

Чем термосопротивление отличается от термопары?

Термопреобразователь сопротивления работает на изменении сопротивления платинового элемента с температурой и обеспечивает более высокую точность, повторяемость и долговременную стабильность; ТС на этой странице охватывают диапазон от –196 до 600 °C. Термопара использует термоЭДС, возникающую в месте соединения двух разнородных металлов; она измеряет температуру до 1200 °C и быстрее реагирует, особенно с заземленным спаем. ТС предпочтительны для регулирования и высокоточных точек, термопары — для высоких температур.

Что означает Pt100?

Pt100 — это термопреобразователь сопротивления с платиновым (Pt) чувствительным элементом, номинальное сопротивление которого при 0 °C составляет 100 Ом. Зависимость сопротивления от температуры задается коэффициентом α = 0,00385 — это наиболее распространенная в международной практике характеристика. Датчики Pt100 выпускаются с тонкопленочным или проволочным чувствительным элементом.

Чем отличаются классы допуска A и B?

Классы A и B — допуски взаимозаменяемости по IEC 60751. Например, при 0 °C допуск класса A составляет ±0,15 °C, класса B — ±0,3 °C; при 100 °C — соответственно ±0,35 °C и ±0,8 °C. Класс A действует в диапазоне от 0 до 300 °C для тонкопленочных элементов и от –100 до 450 °C для проволочных. Высокотемпературный тонкопленочный элемент поставляется только с классом B.

Какую схему подключения выбрать: трех- или четырехпроводную?

Трехпроводная схема компенсирует сопротивление линии в предположении, что все провода одинаковы, и этого достаточно для многих задач. В четырехпроводной схеме ток и напряжение передаются по разным проводам, поэтому сопротивление проводов не влияет на измерение; ее следует выбирать для длинных датчиков и кабельных линий, а также для высокоточных точек. При необходимости четырехпроводный датчик можно подключить и по двух- или трехпроводной схеме.

Чем отличается термопара с заземленным и изолированным спаем?

В термопаре с заземленным спаем рабочий спай соприкасается с оболочкой, поэтому она реагирует быстрее (T90 около 4,0 с в проточной воде), но сильнее подвержена помехам от контуров заземления. В термопаре с изолированным спаем спай отделен от оболочки изоляцией: показания стабильнее, но время отклика больше (T90 около 7,3 с). То же различие действует и для сдвоенных исполнений.

Какой тип термопары подходит для какой атмосферы?

Тип K — термопара общего назначения для окислительной или нейтральной атмосферы до 1200 °C. Тип N охватывает тот же диапазон с более высокой термоэлектрической стабильностью, но не подходит для вакуума и восстановительной атмосферы. Тип J предназначен для вакуума и восстановительной среды; тип E дает наибольшее выходное напряжение; тип T обеспечивает хорошую линейность при криогенных и низких температурах.

Как определить длину датчика для защитной гильзы?

Для новой установки длина датчика равна сумме длины удлинения защитной гильзы (H) и ее монтажной длины (U): L = H + U. Для замены установленного подпружиненного датчика его измеряют при несжатой пружине от наконечника до точки на 13 мм в глубину резьбового соединения и вычитают 6 мм. Подпружиненные датчики изготавливают немного длиннее заказанной длины, чтобы они упирались в дно гильзы.

Как согласование датчика с преобразователем повышает точность?

Реальная характеристика каждого ТС немного отличается от номинальной. Датчик испытывают при нескольких температурах и определяют его коэффициенты Каллендара — Ван Дюзена (R0, α, δ, β), которые затем вводят в преобразователь на заводе или на объекте. После этого преобразователь использует индивидуальную характеристику датчика, и точность точки измерения, как правило, повышается в три-четыре раза.