Датчики температуры: Всё про термопары

Чем измеряется температура?

Что такое термопара?

Термопара - это устройство для измерения температуры, принцип действия которого основан на явлении возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) при нагревании двух разнородных металлов или их сплавов в точке их соприкосновения.

Это явление было открыто немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Thomas Johann Seebeck) в 1821 г. Он заметил, что если взять два проводника из разнородных металлов, а их концы замкнуть (спаять), так чтобы образовалась замкнутая электрическая цепь, то поддерживая контакты при различной температуре, в этой замкнутой цепи можно наблюдать протекание постоянного электрического тока.

Горячий спай ─ первоначально это тот спай, который подвергается нагреву. Сейчас этим термином принято называть ту часть канала измерения, которая непосредственно участвует в измерении температуры (находится в месте, где технологически требуется выполнить измерение).

Холодный спай ─ первоначально это спай, противоположный нагреваемому, который находится при 0°С. Применительно к каналу измерения ─ это место, где компенсационные провода соединяются с термопарой или друг с другом вплоть до соединения с клеммами вторичного преобразователя.

Канал измерения - это все устройства, начиная от датчика (первичного преобразователя), до вторичного преобразователя, включая соединительные провода и элементы.

Первичный преобразователь - это устройство, преобразующее измеряемую физическую величину в другую промежуточную физическую величину, удобную для передачи. Например, термопара - это первичный преобразователь, который преобразует температуру в сигнал в милливольтах.

Вторичный преобразователь - это устройство, преобразующее промежуточную физическую величину в форму, понятную для восприятия человеком. Например, сигнал в милливольтах преобразуется в число градусов в месте измерения первичного преобразователя.

Если в цепи протекает электрический ток, значит в ней есть электродвижущая сила. Не трудно понять, что если разомкнуть один конец (спай), то ток уже протекать не будет, но будет какое-то напряжение на концах разомкнутого спая. Напряжение это равно электродвижущей силе (точнее, термоэлектродвижущей силе), возникающей из-за разности температур спаев.

Значение этой термоэлектродвижущей силы невелико - от нескольких милливольт до нескольких сот милливольт в рабочем диапазоне прибора. Она всегда имеет строгую полярность, т. е. у термопары есть “плюсовой” и “минусовой” выводы. Но чтобы извлечь какую-то пользу из этого явления, нужно научиться им управлять или знать закон изменения электродвижущей силы от температуры (т. е. номинальную статическую характеристику ─ НСХ). К сожалению, не все комбинации металлов дают линейную характеристику, а те, что дают линейную характеристику, дают её только в каком-то диапазоне. Поэтому один или оба электрода могут быть не чистыми металлами, а сплавами.

Номинальная статическая характеристика (НСХ) - это кривая, показывающая, как изменяется промежуточная величина в зависимости от изменения первичной, т.е., как меняется значение милливольт на выходе термопреобразователя в зависимости от изменения измеряемой температуры: mV = f(t°С).

Металлы или сплавы подбирают таким образом, чтобы при 0°С у характеристики НСХ был линейный участок и генерируемая ЭДС термопары равнялась бы 0 мВ. Позже мы узнаем, как это свойство используется для температурной компенсации.

От применяемых металлов в спае зависит значение милливольт на выходе датчика (закон изменения НСХ). Выбор пары металлов (или сплавов металлов) для организации спая применяют в зависимости от того, для какого рабочего диапазона выполняется термопреобразователь.  Диапазоны стандартизованы и разбиты на типы. Согласно ГОСТ Р 50342 существуют следующие группы термопар:

В ГОСТе приведены не все существующие термопары. В таблице ниже приводятся данные по термопарам не вошедшим в ГОСТ Р 50342:

Удлинительный и компенсационный кабели

Чтобы получить значение температуры, сигнал от точки измерения термопары нужно передать до вторичного преобразователя, который преобразует милливольты в градусы. Обычным медным проводником этого делать нельзя, потому что жила термопары и медь - это тоже разнородные металлы, которые в своей точке соединения будут генерировать электродвижущую силу, величина которой будет зависеть от температуры окружающей среды, в которой это соединение находится. А это создает погрешность измерения.

Чтобы избежать погрешности в измерениях, вызванных соединениями разнородных проводников, логично предположить, что нужно удлинить выводы термопары до клемм измерительного прибора. При изготовлении выводы термопар могут быть довольно длинными, но не всегда удаётся обойтись без промежуточных соединений. Поэтому для удлинения выводов существует два варианта:

1. Использовать удлинительный кабель - это кабель, жилы которого выполнены точно из тех же металлов, что применяются в термопаре.
2. Использовать компенсационный кабель - кабель, жилы которого выполнены из подобных более дешёвых сплавов металлов, которые в ограниченном диапазоне температур имеют такую же номинальную статическую характеристику, как термопара.

Например, термопара класса S, жилы которой состоят из разных составов платины, предназначена для диапазона 0-1760°С. Использовать удлинительный кабель, состав жил которого должен быть такими же, довольно дорого при его большой длине. Поэтому применяется подобный компенсационный кабель с жилами из меди и константана. Этот кабель в диапазоне температур от 0 до 200°С имеет схожую номинальную статическую характеристику. Удлинительный кабель присоединяется к жилам выводов термопары за пределами точки измерения. Как правило, место соединения имеет более “мягкие" условия. Поэтому диапазона 0-200°С вполне достаточно, чтобы доставить сигнал до вторичного преобразователя без погрешности.

На рисунке точка 1 это "горячий спай", а точка 2, 3 и 4 ─ это всё "холодные спаи". Кабель от термопары (термопара ─ первичный преобразователь) до клеммной коробки и от клеммной коробки до измерительного прибора (вторичного преобразователя) находится в более благоприятных условиях, чем сама термопара. Соединение 2 находится в зоне температуры 60°С, соединение 3 ─ в зоне -20°С, а соединение 4 ─ в +22°С. В каждом из этих соединений образовывалась бы дополнительная ЭДС, которая внесла бы неконтролируемую погрешность в итоговый результат, если бы применялся обычный медный кабель. Если в точке 1 и 4 температура еще более или менее стабильна, то в точке 2 и 3 она зависит от погодных условий и никак не может быть учтена. Поэтому нужно использовать удлинительный кабель, жилы которого состоят из тех же металлов, что и выводы термопары. Или компенсационный кабель, который в диапазоне температуры (в нашем примере от -20°С до 60°С) будет абсолютно аналогичен кабелю удлинительному, вследствие чего не образует в точках 2, 3 и 4 дополнительных ЭДС.

В обозначении удлинительного кабеля присутствует буквой тип термопары, для которой он предназначен, с окончанием X (extension). Для компенсационного кабеля вместо X указывается буква C (compensating). А следом может быть указана еще одна буква (A или B), обозначающая рабочий диапазон компенсационного кабеля.

Например, JX1 - удлинительный кабель для термопары типа J класса точности 1. Обозначение RCA1 говорит о том, что кабель компенсационный и применяется для термопары типа R, имеет рабочий диапазон характеристики 0-100°С (потому что класс А) и класс точности 1. Обозначение RCB2 говорит о том, что компенсационный кабель для термопары R имеет рабочий диапазон характеристики 0-200°С (потому что класс В) и класс точности 2.

Правило, когда применять компенсационный, а когда удлинительный кабель, очень простое: нужно ориентироваться по возможной температуре окружающей среды, в которой будет проложен компенсационный кабель. Если в процессе эксплуатации в месте соединения компенсационного кабеля с термопарой, окружающая температура может выходить за пределы линейности НСХ этого кабеля, то в этом месте следует применять удлинительный кабель.

Ещё один хороший способ передачи сигнала с минимумом потерь - это использование промежуточного преобразователя. Выход термопары подключается к преобразователю, который сигнал из милливольт преобразует в токовую петлю 4-20 мА.

Токовая петля считывается регистрирующим прибором, и не нужно никаких специальных кабелей - всё соединяется медными проводниками.

Соединения кабелей между собой и с приборами

По всей длине кабеля от термопары до вторичного преобразователя не всегда удаётся избежать соединений. Как быть, когда нужно соединить кабели? Можно ли соединять простыми клеммами кабели для термопар? Попробуем разобраться. На рисунке ниже показано, что происходит, когда кабели соединены обычным способом через обычную клемму:

В каждом соединении образуется своя ЭДС: в месте измерения и в точках соединения с клеммами. В месте измерения ─ это полезная ЭДС, а в местах соединения с клеммой ─ это паразитная ЭДС. Как мы уже знаем, величина этой ЭДС зависит от температуры, в которой находится это соединение. Нетрудно понять, что соединения в клеммах находятся в среде с одной температурой, поэтому ЭДС образованная соединениями Ni-Медь и Медь-Ni будут равны и противоположны по своему направлению. То же самое можно сказать и про соединение Al-Медь и Медь-Al. Теоретически эти паразитные соединения компенсируют друг друга, поэтому на результат общего измерения влияния не оказывают.

Но это теоретически. Как будет практически ─ зависит от множества факторов: грязь, контактное соединение, затяжка и прочее-прочее, чего никогда никому не учесть... В таких случаях хорошим тоном было бы соединение жил друг с другом, как показано ниже. Если есть очевидный способ избавиться от не очевидных проблем, то почему бы им не воспользоваться?

Другим "очевидным способом" из этой же серии является использование специальных соединительных разъёмов. В некоторых "притчах во языцех" им приписывается сверхспособность над клеммами не образовывать паразитные ЭДС при соединении, что правда. Но это не сверхспособность, потому что то же самое, как мы видим, достигается соединением проводов друг с другом. Разъёмы несут лишь два улучшения от предложенного метода: это удобство подключения и за счёт специальной конструкции ─ невозможность перепутать полярность проводов.

Они изготавливаются под определённый тип проводников, который будут соединять. И классифицируются поэтому так же, как и термопары, теми же самыми буквами. Различаются лишь цветовой маркировкой.

Если всё же нет возможности использовать специальные клеммные соединения или разъёмы, самый простой выход из ситуации - скрутить соединяемые жилы между собой и в таком виде зажать под клемму.

Температурная компенсация

В месте подключения кабеля к измерительному прибору (вторичному преобразователю) не избежать соединения разных металлов. Какого типа ни была бы термопара, клеммы на которые она подключается, как правило медные, латунные или стальные. И от этого никуда не деться. Один из распространённых способов убрать или снизить погрешность от соединения в месте подключения жил к прибору - это измерить в этом месте температуру. 

Что нам это даёт? Вспомним про характеристики НСХ датчиков, согласно которых при 0°С термопара генерирует 0 мВ. Зная температуру, зная тип термопары и материал клемм прибора, можно рассчитать вносимую погрешность в милливольтах и внести поправку в измеренный сигнал. Измерение температуры в месте подключения термопары к прибору как бы "вычитает" из общей расчётную (паразитную) ЭДС вызванную неоднородностью материала жилы термопары и материала клеммы, тем самым создавая зависимость только от температуры горячего спая. Современные приборы делают это программно.

Иногда эти датчики температуры встраиваются в измерительные приборы, а иногда используется выносной датчик. И чаще всего это датчик на основе термосопротивления (ТС или RTD). Термопара для этих целей не используется, потому что она также будет измерять температуру с погрешностью переходного контакта на клеммнике, что не решает задачу по определению температуры в месте подключения кабеля к прибору. Датчик на основе термосопротивления лишен этого недостатка.

Наличие и работоспособность датчика для компенсации легко проверить: если отключить концы термопары от прибора, а на его входные клеммы поставить перемычку, то прибор должен показать текущую температуру окружающей среды.

Это явление легко объяснить. Перемычка на клеммах делает напряжение на входе прибора равным нулю. Но так как датчик для компенсации измеряет температуру в месте подключения, и она не равна нулю, то прибор пересчитывает значение температуры окружающей среды в милливольты. Эти милливольты он добавляет к 0 мВ, созданные перемычкой, и поучает то же значение. При обратном преобразовании ожидаемо получается измеренная температура окружающей среды.

Справедливо заметить, что на этом соединения не заканчиваются. Внутри прибора стальной или латунный клеммник соединяется с медным проводником на печатной плате, который через оловянный припой соединяется с выводами микросхемы, и т. д. И в конце концов - с полупроводниковым слоем микросхемы АЦП. Какое же влияние оказывают эти соединения на сигнал и как решается задача по их компенсации?

Иногда трудные на первый взгляд задачи имеют простейшие решения. Если рассмотреть цепь, показанную на рисунке выше, то не трудно заметить, что образовавшиеся ЭДС на стыках плюсового провода компенсируются ЭДС, образовавшимися на стыках минусового провода термопары. Это доказывается вторым законом Кирхгофа:

E₀ = -E_1.1+E_2.1+E_3.1+E_4.1+E_5.1+E_6.1+V_ТП-E_6.2-E_5.2-E_4.2-E_3.2-E_2.2-E_1.2

Отсюда находим значение напряжения измеряемого прибором (V_ТП):

V_ТП = E₀+E_1.1-E_2.1-E_3.1-E_4.1-E_5.1-E_6.1+E_6.2+E_5.2+E_4.2+E_3.2+E_2.2+E_1.2

Так как соединения E_1.x по E_6.x находятся внутри прибора, то можно принять, что их температура равна. Тогда это упрощение даёт нам право принять равными E_2.1 = E_2.2, E_3.1 = E_3.2, ..., E_6.1 = E_6.2, потому что это соединения одних и тех же материалов при одной и той же температуре. К E_1.1 и E_1.2 мы не имеем права принять это допущение из-за того, что соединения Ni-Латунь и Al-Латунь не одинаковые.

Тогда, с учётом этих рассуждений, получаем окончательное выражение напряжения, измеряемого схемой:

V_ТП = E₀+E_1.1+E_1.2

Отсюда следуют важные выводы:

1. Сколько бы ни было промежуточных соединений, если они однородные и находятся в одной температуре, то они компенсируют друг друга. Это же справедливо и для соединений кабеля по трассе до прибора. Главное, чтобы соединения обоих выводов кабеля находились при одной и той же температуре!
   
2. Если от термопары до измерительного прибора соединения выполнены правильно, остаётся скомпенсировать только соединение кабеля на клеммах измерительного прибора, а при известном типе термопары и известной температуре окружающей среды эта задача разрешима: ЭДС E_1.1 и E_1.2 определяются и компенсируются.
   

Цветовое кодирование термопар и кабелей

Чтобы ориентироваться в типах термопар существует множество стандартов цветового кодирования оболочек и жил кабелей. Прохор Наумович постарался собрать самую полную информацию по цветовой маркировке и свёл её в таблицу:

И еще...

Увы, с отечественными термопарами всё гораздо хуже: кто-то придерживается стандарта IEC 584-3 для маркировки, а кто-то руководствуется собственными ТУ. Ниже приведена таблица со стандартизованной маркировкой, которую удалось найти:

Иногда кабели не окрашиваются. Но жилы кабеля всё равно маркируются так, чтобы можно было определить, где образуется "плюс", а где "минус". Согласно ГОСТ Р 50342-92 маркировка наносится на положительный термоэлектрод. Обозначается либо тонкой едва заметной полосой вдоль всей длины кабеля, либо "скошенным" торцом.

Если остаются сомнения по поводу полярности жил, то её легко проверит зачистив концы кабеля и скрутив их друг с другом. При нагреве скрутки, например, зажигалкой на противоположных концах будет наводиться разность потенциалов, которую легко можно проверить милливольтметром.

Виды защитных колб термопар

Для наладчика полезно учитывать еще один момент. Перед установкой или подключением термопары обязательно нужно проверить относительно колбы электрическую связь с жилами. Для некоторых устройств (вторичных преобразователей) это очень важно.

По исполнению защитных колб термопары делятся на три типа:

• С открытым спаем. Рекомендуется для измерения температуры текущих или статических некорродирующих газов небольшого давления, когда требуется точность и быстродействие.
• С изолированным от колбы спаем. Применяется в коррозионных средах, где не критична реакция на скорость измерения температуры. Такие термопары реагируют медленнее на температуру среды.
• Со спаем, соединенным с колбой. Так же используется в коррозионных средах и под высоким давлением. Обладает более быстрой реакцией, чем с изолированной колбой.

Перед установкой термопары на место эту связь следует проверить: убедиться в том, что там, где она должна быть - она есть, а там где её не должно быть - её нет.

Классификация термопар по конструктивному исполнению

Достоинства и недостатки термопар

1. Какая бы колба ни применялась, нахождение термопары в агрессивной среде неизбежно оказывает влияние на химический состав применённых металлов. А это явление, как следствие, оказывает негативное влияние на НСХ термопары, что приводит к ухудшению точности измеряемой величины. Этот недостаток удалось существенно сократить за счёт применения технологии КТМС. О ней речь ниже;
2. Необходимо учитывать температуру холодного спая и производить компенсацию;
3. На результат измерения может оказывать влияние неоднородность проводов по всей длине;
4. При большой длине соединительных проводников возрастает вероятность возникновения наводок, что тоже сказывается на точность измерений.
   

Термопары, выполненные по технологии КТМС

Одним из существенных недостатков термопары является потеря свойств её НСХ из-за процесса корродирования электродов. Взаимодействие с высокой температурой, электродов друг с другом, с проникающими веществами в колбу вызывает необратимый процесс нарушения точности датчика. Даже использование закрытой колбы не спасает термопару от деградации.

Для сокращения этого паразитного явления предложено конструктивное решение, имеющее аббревиатуру КТМС. Применение термопары изготовленной по технологии КТМС существенно снижает корродирование электродов. КТМС ─ Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке. Конструктивно КТМС состоит из гибкой металлической трубки, в которую помещены термоэлектроды. Пространство между термоэлектродами и стальной жаростойкой оболочкой заполнено плотной дисперсной минеральной изоляцией – оксидом магния.

Такая конструкция имеет низкий показатель тепловой инерции, ресурс термопары увеличивается в 2-3 раза. Её так же можно изгибать и прокладывать в труднодоступных местах.