14

2.1. Датчики и измерительные преобразователи для измерения температуры

Для измерения температуры широко используются термометры сопротивления (термосопротивления), термоэлектрические преобразователи (термопары) и датчики-реле температуры, пирометры.

2.1.1 Термоэлектрические преобразователи (Термопары)

Термоэлектрические преобразователи (ТП) с металлическими электродами предназначены для измерения температуры в комплекте с милливольтметрами, автоматическими потенциометрами, измерительными преобразователями и устройствами связи с объектами ЭВМ.

Термоэлектрические преобразователи или термопары (ТП) относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на появлении термоэлектродвижущей силы в электрической цепи составленной из двух разнородных металлических проводников сваренных с одного конца. ТермоЭДС возникает за счет появления контактной разницы потенциалов между двумя сваренными электродами из разных металлов. При этом один электрод приобретает положительный потенциал, другой – отрицательный. Контактная разность потенциалов вызвана разной энергией свободных электронов в них и зависит от температуры. Возникающая термоЭДС почти пропорциональна разности температур места спая и свободных, неспаянных концов. Для характеристики материалов, применяемых для термопар, определяют термоЭДС материала в паре с платиной. ТермоЭДС основных материалов при температуре спая и холодных концов равных соответственно 100 и 0⁰С для термопар в паре с платиной (относительно платины) приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Величина термоЭДС основных материалов

Материал	ТермоЭДС, мВ	Материал	ТермоЭДС, мВ
Платина	0	Платинородий (10% Ro)	+0.64
Кремний	+44.8	Вольфрам	+0.8
Хромель	+2.95	Молибден	+1.3
Железо	+1.8	Алюмель	-1.15
Медь	+0.76	Копель	-4.0

Термопара, составленная из другой пары материалов, будет иметь термоЭДС равную разности термоЭДС материалов относительно платины. Например: термоЭДС пары хромель-копель равна 2.95мВ -(-4.0мВ)=6.95мВ.

Чувствительный элемент промышленной термопары представляет собой 2 электрода из разных металлов или сплавов, сваренные между собой на рабочем конце в термопару и изолированных по длине. В качестве изолятора используется асбест (до 300⁰С), кварц (до 1000⁰С), фарфор (до 1400⁰С). Изолированный чувствительный элемент помещается в защитную арматуру, выполненную из стали, кварца или фарфора. Рабочий спай может быть изолирован или соединен с защитной арматурой. При нагревании рабочего спая между свободными концами возникает термоЭДС.

Свободные концы с помощью термоэлектрических проводов через колодку зажимов подсоединяются к вторичному прибору или преобразователю.

Номинальные статические характеристики ТП представляют зависимость термоЭДС от температуры рабочего спая. При этом температура свободных концов принята равной 0⁰С. Статическая характеристика близка к линейной. Инерционность термопары зависит от ее конструктивного исполнения (материала, размеров и формы защитной арматуры) и особенностей процессов теплообмена между термопарой и средой, температура которой измеряется. При выборе термопары необходимо учитывать область ее применения, длину монтажной части и инерционность. При измерениях внутри трубопровода с толщиной менее 50мм необходимо устанавливать расширитель для установки в него термопары. В большинстве случаев термопару можно рассматривать как объект первого порядка без запаздывания. Типы и характеристики термопар приведены в таблице 2.2. Материал положительного электрода указан первым.

Таблица 2.2. Типы и характеристики термопар

Типы термопар	Материал	Рабочая температура, 0С	Крутизна преобразования, мв/0C	Инерцинность, с
ТПР, ПР(В)	платинородиевый сплав - платинородиевый сплав	до 1600	0.01	5-180
ТВР, ВР(А)	сплавы: вольфрам-рейний, вольфрам-рейний	0 - 2200	0.014	5-180
ТХА, ХА(К)	хромель - алюмель	(-200)- (1000)	0.04	5-180
ТХК, ХК(L)	хромель -копель	(-200) -(+600)	0.07	20-30
TMK, MK(M)	медь –никель	(-200) -(+100)	0.09	20-30

Состав некоторых распространенных сплавов для электродов:

• хромель- 89% никеля, 9.8% хрома,1% железа, 0.2% марганца;

• алюмель - 94% никеля, 2.5% марганца, 2% алюминия,1% кремния и 0.5% марганца;

• копель - 55% меди, 45% никеля;

• платинородий – сплав платины и родия в соотношениях 70%Pt и 30%Rh или 94%Pt и 6%Rh.

При подключении ТП к измерительным приборам различными проводниками возникают дополнительные источники термоЭДС, вызванные вносимыми контактными разностями потенциалов проводников. Для устранения этого эффекта подключение ТП к измерительным приборам и вторичным преобразователям осуществляется термоэлектрическими проводами. Материал термоэлектрических проводов подбирается так, чтобы не вносить дополнительные термоЭДС. Материал жил проводов связан с типом термопары в соответствии с таблицей 2.3.

Таблица 2.3. Материал термоэлектрических проводов

Термопара	Положительная жила	Отрицательная жила	Обозначение
медь-копель	медь	копель	МК
хромель-алюмель	медь	константан	М
хромель-копель	хромель	копель	ХК
платина-платинородий	медь	сплав ТП	П

Марки и характеристики некоторых проводов представлены в таблице 2.4.

При заказе термоэлектродных проводов в маркировке указывается марка провода, определяющая его конструкцию, изоляцию и условия прокладки, число жил, знак "х", сечение жил в мм² и материал жил. Например: ПТВ2х2,5М. Термоэлектрические провода имеют цветную маркировку. Так провода типа М имеют оплетку с красно-белыми нитями, а провода типа ХК имеют фиолетово-желтый цвет.

Таблица 2.4. Марки термоэлектрических проводов

Марка	Характеристика провода	Условия применения	Сечение мм2
ПТВ	термоэлектродный с поливинилхлоридной изоляцией	прокладка в помещениях, трубах, внутри приборов при температуре (-40)-(+70) 0С	2.5
ПТГВ	та же, но гибкий	те же, но повышенная гибкость	1.0, 2.5
САК-Х	термоэлектродный, нагревостойкий со стеклоасбестовой изоляцией и жилой из сплава хромель-Т	для подключения ТП при температуре (-60)-(+450) 0С. Число жил -1.	0.5, 2.5
САК-А	та же, но с жилой из сплава алюмель	те же	0.5, 2.5
ПТП	термоэлектродный с изоляцией из полиэтилен- терефталатной пленки с общей оплеткой из лавсана	для прокладки в помещениях и внутри приборов при температуре (-60)-(+120) 0С	1.5, 1.8, 2.5
ПТПЭ	та же, но экранированный	те же	0.5-4

Наряду с ТП выпускаются кабельные термопреобразователи, изготовленные из термопарного кабеля КТСМ-ХА(ХК) с хромель-алюмелиевыми или хромель-копелиевыми электродами, с минеральной изоляцией и стальной оболочкой. Со стороны рабочего торца электроды сварены лазерной сваркой и заглушены стальной пробкой. Наружний диаметр преобразователей от 1 до 6 мм. Монтажная длина – заказывается любая. Рабочая температура – для преобразователя КТХА от (–200) до 1200 ⁰С и для КТХК - от (-200) до 600⁰С.

Научно-производственное предприятие «Элемер» выпускает широкий набор термопреобразователей с различными номинальными статическими характеристиками.

Так как температура свободных концов термопары отличается от номинальной, в показания приборов необходимо вносить поправку. При термостатировании свободных концов термопары поправка постоянна. Поправку вносят или расчетным путем или введением в измерительную цепь компенсирующего напряжения. В милливольтметрах, автоматических потенциометрах и измерительных преобразователях компенсация обеспечивается автоматически, т.е. предусмотрена схемой (конструкцией) прибора.

При измерении температуры с использованием термоэлектрических термометров - термопар используются схемы с прямым усилением сигнала термопары, а также применяются измерительные преобразователи, работающие по компенсационному принципу.

Компенсационный принцип измерения сигнала термопары реализован в схеме представленной на рисунке 2.4. Для уменьшения дрейфа выходного сигнала усилителя постоянного тока он построен по схеме: модулятор - усилитель переменного тока - демодулятор. Показания стрелочного прибора, включенного в цепь обратной связи, пропорциональны ЭДС термопары. Ток обратной связи, протекающий через сопротивления R₁ и R_Н , создает на сопротивлении R₁ компенсирующее напряжение U₁ , которое вычитается из ЭДС термопары.

При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя в нагрузочном сопротивлении R_Н установится такой ток, при котором падение напряжения, вызванное им, на сопротивлении R₁ будет с большой степенью точности равно ЭДС термопары. Ток в цепи измерительного прибора будет пропорционален термоЭДС и, следовательно, температуре спая.

В о входных цепях некоторых нормирующих преобразователей и регуляторов используются мостовые схемы для компенсации температуры холодных спаев и ввода сигнала задания. В одно из плеч разбалансированного моста включается переменное сопротивление (задатчик), а в другое – проволочное термосопротивление, как показано на рисунке 2.5. При этом термопара подключается к диагонали моста так, что ее ЭДС складывается с сигналом разбаланса моста и поступает на усилитель. Таким образом, на усилитель подается сигнал рассогласования.

При изменении температуры холодного спая (температуры места подключения термопары) величина термосопротивления изменяется, что приводит к изменению разбаланса моста. Напряжение разбаланса моста вызванное термосопротивлением компенсирует изменение величины термоЭДС термопары при изменении температуры внешней среды.

Например, при повышении температуры внешней среды ЭДС термопары уменьшается, а величина термосопротивления увеличивается. Возникающее в диагонали моста напряжение между точками а и в складывается с сигналом термопары, компенсируя уменьшение ее ЭДС. Величина терморезистора должна быть рассчитана исходя из статической характеристики термопары.

Ч асть такой мостовой схемы иногда выполняется в виде внешнего сменного устройства называемого коробкой холодных спаев (КХС). Внутренняя схема КХС, используемого с регулятором РП2-Т и схема ее подключения к входным цепям регулятора представлена на рисунке 2.6. Коробка имеет два канала, в каждом из которых можно включить последовательно 2 термопары, одна из которых малоинерционная. Сигнал термопар поступает на усилитель постоянного тока с малым дрейфом нуля. Обычно используется или магнитный усилитель или электронный, собранный по схеме: модулятор, усилитель, демодулятор. В последнее время стали использоваться операционные усилители с малым дрейфом нуля.

Д ля измерения ЭДС термопар в автоматических потенциометрах используется компенсационный принцип измерения. Принцип действия автоматического потенциометра с ТП виден из рисунка 2.7. В системе автоматически поддерживается равенство ЭДС термопары и сигнала разбаланса моста, так что сигнал на входе усилителя равен 0, электродвигатель стоим и, связанный с ним через редуктор, движок балансировочного реохорда не перемещается. При изменении температуры и появлении сигнала рассогласования на входе усилителя на его выходе формируется напряжение питания обмотки электродвигателя, который начинает вращаться и перемещать движок реохорда в ту сторону, которая уравновесит ЭДС термопары и напряжение разбаланса моста. Тогда двигатель остановится. С движком реохорда связана стрелка потенциометра, по положению которой производится отсчет температуры.