Подбор типа провода для удлинения термопары
В промышленной сфере, чтобы следить за точностью термической выработки нагревателя и набора температуры определенного узла оборудования обычно используют термопары. Но, случается так, что длины ее проводков недостаточно для того, чтобы в точности провести измерения конкретной зоны. С такой целью прибегают к удлинению термопары за счет термокомпенсационных проводов. Казалось бы, что все так легко, но не каждый материал удлинения в итоге способен выявить точные показатели измерений. Чтобы понимать, как разрешить данную задачу быстро и без проблем предлагаем рассмотреть в качестве наглядного пособия несколько вариантов удлинения термопары.
Каждый контур термопары имеет горячий (на участке замера температуры) и холодный спай (в зоне подключения измерительного устройства). Такая особенность является неизбежной в формовании замкнутого измерительного контура, в котором использованы металлические провода разного состава. Те, кому приходилось сталкиваться с измерением температур за счет термопары, прекрасно понимают, что показатели ее измерений основываются на разнице между напряжениями двух разных сплавов.
Целью большинства инструментов по замеру температуры является ее определение в определенных местоположениях, эффект холодной спайки в таких случаях компенсируется всеми возможными средствами. Например, добавлением в контур некоторого компенсаторного напряжения или прибегая к программным алгоритмам. Чтобы компенсация была максимально эффективной ее механизм должен в точности уметь определять температуру места нахождения. Данный факт настолько очевиден, что и упоминать о нем, наверное, не обязательно. Но, что не является таким же очевидным, этот вопрос должен разрешаться использованием проводов с определенных сплавов в контуре термопары. Чтобы иметь правильное представление об этом, предлагаем рассмотреть простой метод установки термопары типа К с ее непосредственным соединением к термометру за счет собственных длинных проводков:
Как и все современные приборы, изображенный объект имеет помимо термопары специальный термистор для определения термического состояния терминала. К термистору подключены проводки термопары. В соответствии с этим, прибор выдает компенсирующее напряжение для отображения температурных значений именно того участка где идут измерения. Теперь наглядно просмотрим подключение того же типа термопары, но с удлиненным медным кабелем (в составе находятся два провода) к терминалу индикатора:
Несмотря на то, что кроме вида соединительных проводков ничего не было поменяно, месторасположение холодной спайки полностью поменялось. Холодный спай теперь находится на терминале, который установлен в зоне совершенно другой температуры, чем измеряет термистор индикатора. Полученные данные говорят о том, что компенсации холодного спая не произойдет.
Единственным практическим методом ухода от этой проблемы будет удержание холодного спая в том месте, где он должен быть. Если в обязательном порядке для присоединения термопары к объекту измерения, размещенному на далеком от нее расстоянии должны использоваться удлиняющие провода, то они должны относиться к типу, который не образует дополнительные соединения разных по составу металлов в голове термопары, а сформирует лишь одно такое соединение на терминале устройства.
Очевидным будет использование удлиненных проводов из того же материала из которого состоят и сами провода термопары. А конкретней, для термопары типа К должны быть применены удлиняющие провода принадлежащие к типу К:
Единственным минусом данного способа подключения является потенциальный расход кабеля материала термопары. Зачастую это можно заметить у некоторых типов термопары, где применяются несколько экзотические виды материалов. Экономичнее в таком случае использовать проводки из более дешевых составов, но обладающих такими же термическими и электрическими характеристиками в более узком диапазоне температур, в которых применим удлиненный кабель. Таким образом, можно получить очень широкий выбор сплавов из металла, которые будут существенно меньше стоить, чем используемые в термопарах.
Широкий ассортимент различных термопар на основе металлов с высокой проводимостью, таких как железо, никель, медь, хром, алюминий, платина, родий и их сплавы доступен для различных применений. Иногда конкретная термопара выбирается исключительно потому, что она работает точно для определенного температурного диапазона, но условия, при которых она должна четко выдавать информацию о температуре, также могут влиять на выбор (например, материалы в термопаре могут быть немагнитными, неагрессивными или устойчивыми к воздействию определенными химическими веществами). Если вам необходима консультация по подбору самого подходящего типа термопары и удлиняющих проводов под ваши конкретные задачи обращайтесь к специалистам Элемаг ТПК. Мы с удовольствием поможем вам подобрать правильный тип материалов, которые позволят проводить высокоточное измерение температуры в любых точках нагрева. У нас вы можете найти все самое необходимое не только по контролю и измерению температуры, но и для высокоточного и надежного нагрева.
Источник
Термопары и термосопротивления
Для измерения температуры служат первичные преобразователи температуры — термодатчики (термопреобразователи).
В промышленности, как правило, используются две разновидности датчиков температуры — термопары и термосопротивления. С приборами Термодат могут быть использованы термопары любого отечественного или иностранного производителя, при условии, что они имеют стандартную градуировку по ГОСТ Р 50342-92.
С приборами Термодат могут использоваться термосопротивления любого отечественного или иностранного производителя, при условии, что они имеют стандартную градуировку по ГОСТ Р 50353-92, при этом термосопротивления должны быть электрически изолированы от корпуса. Следует отметить, что приборы Термодат имеют универсальный вход, к которому также можно подключить пирометры (с градуировкой 20-РК15 и 21-РС20), а также другие датчики с унифицированным сигналом напряжения 0-50мВ или тока 0-20 мА (0-5мА, 4-20мА).
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Существует несколько типов термопар. Самые распространенные термопары — хромель-алюмель ХА(К) и хромель-копель ХК(L). Другие типы — платина-платинородий ПП(S и R), железо-константан ЖК(J), медь-константан МК(T), вольфрам-рений ВР и некоторые другие менее распространены. Приборы Термодат могут работать с термопарой любого типа. В памяти прибора прошиты градуировочные таблицы, тип градуировочной таблицы и соответствующее обозначение в меню указывается в паспорте прибора. Перед установкой прибора на оборудование следует установить тип используемой термопары. Тип термопары устанавливается в третьем уровне режима настройки приборов. В многоканальных приборах ко всем каналам должны быть подключены термопары одного типа.
Следует помнить, что термопара по принципу действия измеряет температуру между «горячим спаем» (рабочим спаем) и свободными концами («холодными спаями») термоэлектродов. Поэтому термопары следует подключать к прибору непосредственно, либо с помощью удлиннительных проводов, изготовленных из тех же термоэлектродных материалов. Температура «холодных спаев» в приборах Термодат измеряется в зоне подключения термопар (вблизи клеммной колодки) специальным термодатчиком и автоматически учитывается при вычислении температуры. Для достижения наибольшей точности и правильного измерения температуры холодных спаев, необходимо следить, чтобы в зоне контактной колодки отсутствовали большие градиенты температуры, конвективные потоки (обдув, ветер, сквозняки), а также лучистый нагрев от горячих тел. Если включить прибор Термодат, а вместо термопары к входу прибора подключить перемычку (закоротить вход), то прибор должен показать измеренную температуру в зоне контактной колодки (температуру «холодного спая»). Сразу после включения эта температура близка к температуре окружающей среды, а затем несколько повышается по мере саморазогрева прибора. Это нормальный процесс, так как задача термокомпенсационного датчика измерять не температуру окружающей среды, а температуру холодных спаев. При необходимости термокомпенсационный датчик можно подстроить. Подстройку следует выполнять в соответствии с инструкцией по калибровке.
Если у Вас возникли сомнения в правильности работы прибора, исправности термопары, компенсационного провода, в качестве первого теста мы рекомендуем погрузить термопару в кипящую воду. Показания прибора не должны отличаться от 100 градусов более чем на 1-2 градуса. Более тщательную проверку и настройку прибора Термодат можно выполнить в соответствии с инструкцией по калибровке.Приборы Термодат имеют высокое входное сопротивление, поэтому сопротивление термопары и компенсационных проводов и их длина в принципе не влияют на точность измерения. Однако, чем короче термопарные провода, тем меньше на них электрические наводки. В любом случае длина термопарных проводов не должна превышать 100м. Если требуется измерять температуру на больших расстояниях, то лучше использовать двухблочные системы с выносным блоком (приборы типа Термодат-22). В этих приборах связь между измерительным блоком и блоком индикации цифровая, расстояние межу ними может превышать 200м. Следует учитывать, что конструктивно термопары изготавливаются двух типов — изолированные или неизолированные от корпуса (горячий спай либо изолирован, либо приварен к защитному чехлу). Одноканальные приборы могут работать с любыми термопарами, а многоканальные — только с изолированными от корпуса термопарами.
К приборам Термодат могут быть подключены как медные (ТСМ) так и платиновые (ТСП) термосопротивления. При настройке прибора следует установить тип термосопротивления и его градуировку (сопротивление при 0°C) в третьем уровне режима настройки. Стандартные значения составляют 50 и 100 Ом (50М, 50П, 100М, 100П), однако могут быть установлены и другие значения. В многоканальных приборах ко всем каналам должны быть подключены термосопротивления одного типа.
Термосопротивления могут быть подключены к прибору Термодат как по трехпроводной, так и по двухпроводной схеме. Двухпроводная схема подключения дает удовлетворительные результаты, когда датчик удален на небольшое расстояние от прибора. Уточним наши слова. Предположим, Вы используете медное термосопротивление номиналом 100 Ом (градуировка 100М). Сопротивление этого датчика изменяется на dR=0,4%R=0,4Ом, при изменении температуры на один градус. Это означает, что если сопротивление проводов, соединяющих термодатчик с прибором, будет равно 0,4 Ом, ошибка измерения температуры будет равна одному градусу. В таблице приведены справочные значения сопротивлений медных проводов разного сечения, и допустимые длины проводов при двухпроводной схеме подключения.
| Сечение подводящих проводов, мм² | Сопротивление провода при 20°C, Ом/км | Максимально допустимое удаление датчика, при котором ошибка, вызванная подводящими проводами при двухпроводной схеме подключения составляет один градус | |
|---|---|---|---|
| М50, П50 | М100, П100 | ||
| 0,25 | 82 | — | 2,5 |
| 0,5 | 41 | 2,5 | 5 |
| 0,75 | 27 | 3,5 | 7,1 |
| 1,0 | 20,5 | 5 | 10 |
| 1,5 | 13,3 | 7,5 | 15 |
| 2,0 | 10 | 10 | 20 |
| 2,5 | 8 | 12,5 | 25 |
При удалении термодатчика на большие расстояния следует применять трехпроводную схему подключения. Третий провод используется для измерения сопротивления подводящих проводов. Все три провода должны быть выполнены из одного и того же медного кабеля сечением не менее 0,5 мм² и иметь одинаковую длину (говоря точно, сопротивление проводов не должно отличаться друг от друга более чем на 0,2 Ом для ТСМ100 и более чем на 0,1 Ом для ТСМ50). Максимальная длина проводов не должна превышать 300м. Для работы с искрозащитными барьерами требуется четырехпроводная схема подключения термосопротивления. По специальному заказу приборы Термодат могут быть оборудованы входами для четырехпроводного подключения датчиков.
Для быстрой проверки работоспособности прибора, термодатчика, схемы подключения и настроек мы рекомендуем, как и в случае с термопарами, поместить подключенный датчик в кипящую воду или в тающий лед. Измеренная прибором температура не должна отличаться от 100°C (от 0°C) более, чем на 2°C. Прибор без датчика можно протестировать, подключив к входу вместо термосопротивления точный постоянный резистор номиналом 100 Ом (точность не хуже 0,5%). Установить тип термодатчика ТСМ или ТСП (роли не играет) и градуировку 100. После этого прибор должен показывать температуру 0±2°C. С помощью точного резистора аналогичным образом можно проверить качество длинной линии, подключив резистор вместо термосопротивления на длинной линии.
Диапазон измерения температуры, точность измерения и разрешение по температуре
Разрешение по температуре определяется последней значащей цифрой на индикаторе прибора и составляет 1°C для большинства моделей, работающих с термопарами. Для программных регуляторов температуры и части приборов, работающих с термосопротивлениями, разрешение составляет 0.1°C.
Разрешение по температуре следует отличать от точности измерения. Допускаемая относительная погрешность измерения приборов Термодат составляет 0,5% от нормирующего значения (класс точности 0,5). Под нормирующим значением принимается алгебраическая разность верхнего и нижнего пределов измерения. Максимальные диапазоны измерений температуры при работе с различными типами термодатчиков приведены в таблице. Из вышесказанного следует, что максимальная абсолютная погрешность измерения температуры приборов Термодат при работе с термопарой ХК (ХА) в диапазоне от -50 до 1100°C составляет 5,7°C. Погрешность измерения температуры приборами Термодат может быть уменьшена при их производстве путем уменьшения диапазона измерения. Так, например, при работе в диапазоне от 0 до 400°C погрешность составит 2°C. В этом случае, при выпуске и проведении поверки, в паспорте прибора должен указываться соответствующий диапазон измерений. Погрешность измерения темературы приборами Термодат не может быть меньше 2°C при работе с термопарами и меньше 0,5°C при работе с термосопротивлениями.
| Тип термопреобразователя | Диапазон измерения, °C | Обозначение в меню настройки |
|---|---|---|
| Термопара ХА(К) | -50 +1100 | 1 |
| Термопара ХК(L) | -50 +800 | 2 |
| Термопара МК(Т) | -50 +400 | указывается в паспорте |
| Термопара ЖК(J) | -50 +700 | указывается в паспорте |
| Термопара ПП (S) | 0 +1600 | указывается в паспорте |
| Термопара ПП (R) | 0 +1700 | указывается в паспорте |
| Термопара ПР (B) | +300 +1800 | указывается в паспорте |
| Термопара ВР (А-1,А-2,А-3) | +300 +2500 | указывается в паспорте |
| Термосопротивление ТСМ (М50, М100) | -50 +200 | Cu |
| Термосопротивление ТСП (П50, П100) | -50 +800 | Pt |
Погрешность измерения температуры складывается из погрешности измерения электронного прибора и погрешности датчика температуры. Максимально допустимая погрешность используемого Вами датчика температуры должна быть указана в его паспорте или ГОСТе. Для термопар, например, погрешность измерения связана с возможными отклонениями от номинальной статической характеристики (НСХ). В соответствии с ГОСТ Р 50342-92, для термопар ХА(К) второго класса точности допустимые отклонения от НСХ составляют 2,5°C в диапазоне температур 0-330°C и 0,0075*t °C в диапазоне температур 330-1000°C. В случае, если требуется более высокая точность измерения, следует применять термопары более высокого класса точности, а также термопары из благородных металлов (ПП или ПР). Следует отметить, что точность измерения температуры зависит не только от прибора и термодатчика. Многое зависит от конструкции объекта измерения, от точки расположения термодатчика, от качества теплового контакта с измеряемой средой, от условий отвода тепла холодной монтажной частью термодатчика. То есть, задача измерения температуры является сложной инженерной задачей и должна решаться специалистами.
В большинстве задач регулирования температуры быстродействия измерительного прибора не имеет значения, так как характерные времена тепловых процессов велики. Приборы Термодат последовательно опрашивают все каналы и производят измерения. В каждом цикле измерения производится измерение температуры холодных спаев и опрос опорных каналов для самокалибровки и балансировки нуля. Время измерения по одному каналу для малоканальных одноблочных приборов составляет 200мс, с учетом усреднений и пауз после переключения коммутатора. Полный цикл измерения составляет 2 сек для одноканального прибора, 2,5 сек для двухканального и 3 сек для трехканального. Время полного цикла измерения для многоканальных приборов зависит от количества установленных каналов измерения N и может быть оценено по формуле: Т= (0.6 + 0.2N) секунд.
В условиях повышенных электромагнитных помех показания прибора могут быть неустойчивыми и колебаться в пределах 1-2 последних разрядов. Эти колебания не выходят за пределы погрешности измерения, однако, вызывают неудовлетворенность работой аппаратуры. Мы рекомендуем в таких условиях включить программный цифровой фильтр. Фильтр включается наладчиком оборудования во втором уровне режима настройки. Алгоритм обработки результатов измерения при включении цифрового фильтра предусматривает анализ результатов измерений, отсев случайных выбросов, специальное цифровое сглаживание сигнала. Фильтр существенно увеличивает соотношение сигнал/шум в приборе и, соответственно, стабильность показаний прибора. Однако при включении фильтрации сигнала увеличивается постоянная времени прибора. Если условия работы прибора благоприятные, устанавливать цифровую фильтрацию не следует.
Источник
