Термодатчики: путеводитель по выбору и применению

Когда дело доходит до промышленного нагрева, измерение температуры часто имеет первостепенное значение – и это происходит по множеству причин. Оно служит, например, фундаментальным параметром контроля, влияющим на качество и стабильность выпускаемой продукции, эффективность процесса и, самое главное, безопасность. При точном контроле измерение гарантирует, что материалы обрабатываются в заданных температурных диапазонах, предотвращая дефекты и обеспечивая целостность продукта.

 

Измерение температуры на производстве статья Элемаг

 

Температуру можно измерить с помощью разнообразного набора датчиков, и все они определяют температурные показания, регистрируя некоторые изменения в физических характеристиках. Шесть типов, с которыми инженер, скорее всего, столкнется:

  • Термопары
  • Температурные устройства сопротивления
  • Инфракрасные термометры
  • Биметаллические устройства
  • Устройства расширения жидкости
  • Устройства изменения состояния

Рабочие лошадки

В промышленности наиболее часто используемыми датчиками температуры являются термопары, термометры сопротивления и инфракрасные температурные датчики. Очень часто возникает непонимание того, как работают эти устройства и как их следует использовать.

Термопары

Рассмотрим сначала термопару – вероятно, наиболее часто используемый и наименее понимаемый из трех типов термодатчиков. По сути, термопара состоит из двух сплавов, соединенных вместе на одном конце и открытых на другом. ЭДС на выходном конце (открытый конец; V1 на рисунке 1а) является функцией температуры T1 на закрытом конце. При повышении температуры ЭДС возрастает.

Часто термопара располагается внутри металлического или керамического экрана, защищающего ее от различных сред. Термопары с металлической оболочкой также доступны со многими типами наружных покрытий, например политетрафторэтиленом, для беспроблемного использования в агрессивных растворах.

 

Конструкция и особенности температурных датчиков - термопары

 

ЭДС открытого конца является функцией не только температуры закрытого конца (т. е. температуры в точке измерения), но и температуры открытого конца (T2 на рисунке 1a). Только выдерживая Т2 при стандартной температуре, можно считать измеренную ЭДС прямой функцией заряда в Т1. Промышленно принятый стандарт для Т2 составляет 0 °C; поэтому в большинстве таблиц и диаграмм предполагается, что Т2 находится на этом уровне. В промышленных приборах разница между фактической температурой при Т2 и 0 °C обычно корректируется электронным способом внутри приборов. Эта регулировка ЭДС называется коррекцией холодного спая или CJ.

Изменения температуры в проводе между входным и выходным концами не влияют на выходное напряжение при условии, что провод изготовлен ​​из термопарного сплава или термоэлектрического эквивалента (рисунок 1а). Например, если термопара измеряет температуру в печи, а прибор, показывающий показания, находится на некотором расстоянии, проводка между ними может проходить рядом с другой печью и не подвергаться влиянию ее температуры, если только она не станет достаточно горячей, чтобы расплавить термопарный провод или навсегда изменить его электротермическое поведение.

 

Конструкция и особенности термопар

 

Состав самого спая никак не влияет на действие термопары, пока температура T1 поддерживается постоянной на всем протяжении спая и материал перехода является электропроводным (рис. 1b). Аналогичным образом, на показания не влияет вставка сплавов, не являющихся термопарами, в один или оба вывода, при условии, что температура на концах «паразитного» материала одинакова (рис. 1c).

Эта способность термопары работать с металлом на пути передачи позволяет использовать ряд специализированных устройств, таких как термопарные переключатели. Хотя сама проводка обычно является термоэлектрическим эквивалентом сплава термопар, правильно работающие переключатели термопар должны быть изготовлены из позолоченной или посеребренной меди, чтобы элементы с соответствующими стальными пружинами обеспечивали хороший контакт. Пока температуры на входном и выходном переходах ключа равны, это изменение состава не имеет значения.

Важно знать о том, что можно назвать законом последовательных термопар. Из двух элементов, показанных в верхней части рисунка 1d, одна термопара имеет T1 на горячем конце и T2 на открытом конце. У второй термопары горячий конец находится на Т2, а открытый конец на Т3. Уровень ЭДС термопары, измеряющей T1, равен V1; для другой термопары это V2. Сумма двух ЭДС, V1 плюс V2, равна ЭДС V3, которая будет генерироваться комбинированной термопарой, работающей между Т1 и Т3. В соответствии с этим законом термопара, предназначенная для одной эталонной температуры открытого конца, может использоваться с другой температурой открытого конца.

Термометр сопротивления

Типичный RTD состоит из тонкой платиновой проволоки, обернутой вокруг оправки и покрытой защитным покрытием. Обычно оправка и покрытие изготавливаются из стекла или керамики. Средний наклон графика зависимости сопротивления от температуры для термометра сопротивления часто называют значением альфа (рис. 2), где альфа означает температурный коэффициент. Наклон кривой для данного датчика в некоторой степени зависит от чистоты содержащейся в нем платины.

 

Конструкция и особенности термодатчиков сопротивления

 

Наиболее часто используемый стандартный температурный коэффициент имеет значение 0,00385 (при условии, что сопротивление измеряется в Омах, а температура — в градусах Цельсия). Кривая зависимости сопротивления от температуры, построенная с таким коэффициентом, представляет собой так называемую европейскую кривую, поскольку термометры сопротивления такого состава впервые широко использовались в Европе. Картину усложняет еще один стандартный коэффициент, относящийся к несколько иному составу платины. Имея немного более высокое значение альфа, равное 0,00392, оно соответствует так называемой американской кривой.

Если значение альфа для определенного RTD не указано, оно обычно составляет 0,00385. Однако разумно убедиться в этом, особенно если измеряемые температуры высоки. 

Термисторы

Зависимость сопротивления от температуры в термисторе отрицательна и сильно нелинейна. Это создает серьезную проблему для инженеров, которым приходится разрабатывать собственные схемы. Однако эту трудность можно облегчить, используя термисторы в согласованных парах таким образом, чтобы нелинейности компенсировали друг друга. Кроме того, поставщики предлагают панельные счетчики и контроллеры, которые внутренне компенсируют отсутствие линейности термисторов.

Термисторы обычно обозначаются в соответствии с их сопротивлением при 25 °C. Самый распространенный из этих номиналов — 2252 Ом; среди остальных 5000 и 10000 Ом. Если не указано иное, большинство приборов поддерживают термистор 2252.

Инфракрасные датчики

Инфракрасные термометры измеряют количество излучения от поверхности. Электромагнитная энергия исходит от любой материи независимо от ее температуры. Во многих технологических ситуациях энергия находится в инфракрасном диапазоне. С повышением температуры увеличивается количество инфракрасного излучения и его средняя частота.

Различные материалы излучают с разной эффективностью. Эта эффективность количественно выражается как коэффициент излучения, десятичное число или процент в диапазоне от 0 до 1 или от 0% до 100%. Большинство органических материалов, включая кожу, очень эффективны, часто их коэффициент излучения составляет 0,95. С другой стороны, большинство полированных металлов, как правило, являются неэффективными излучателями при комнатной температуре, с коэффициентом излучения или эффективностью часто 20% или меньше.

Для правильной работы инфракрасное измерительное устройство должно учитывать излучательную способность измеряемой поверхности. Часто это можно найти в справочной таблице. Однако имейте в виду, что таблицы не могут учитывать локальные условия, такие как окисление и шероховатость поверхности. Иногда практичный способ измерения температуры с помощью инфракрасного излучения, когда уровень излучения неизвестен, состоит в том, чтобы «вынудить» уровень излучения достичь известного уровня, покрыв поверхность малярной лентой (коэффициент излучения 95%) или высокоэмиссионной краской.

Часть входного сигнала датчика вполне может состоять из энергии, которая не излучается оборудованием или материалом, поверхность которого является целью, а вместо этого отражается этой поверхностью от другого оборудования или материалов. Излучательная способность относится к энергии, излучаемой от поверхности, тогда как «отражение» относится к энергии, отраженной от другого источника. Излучательная способность непрозрачного материала является обратным показателем его отражательной способности: вещества, которые являются хорошими излучателями, не отражают большую часть энергии и, следовательно, не создают для датчика особых проблем при определении температуры поверхности. И наоборот, когда измеряется поверхность объекта, имеющая, скажем, излучательную способность всего 20%, большая часть энергии поступает из чего-то вроде ближайшей печи с какой-то другой температурой. Короче говоря, будьте осторожны с горячими, ложно отраженными целями.

Руководства по выбору

РДТ более стабильны, чем термопары. С другой стороны, как класс, их температурный диапазон не так широк: термометры сопротивления работают примерно от -250 до 850 °C, тогда как термопары находятся в диапазоне от -270 до 2300 °C. Термисторы имеют более ограниченный диапазон измерения и обычно используются в диапазоне от -40 до 150 °C, но обеспечивают высокую точность в этом диапазоне.

Термисторы и термометры сопротивления имеют очень важное ограничение: они являются резистивными устройствами и, соответственно, функционируют, пропуская ток через датчик. Несмотря на то, что обычно используется очень малый ток, он создает определенное количество тепла и, таким образом, может искажать показания температуры. Этот самонагрев в резистивных датчиках может быть существенным при работе со спокойной жидкостью, поскольку происходит меньший отвод выделяемого тепла. Эта проблема не возникает с термопарами, которые по сути являются устройствами с нулевым током.

Инфракрасные датчики, хотя и относительно дороги, подходят при чрезвычайно высоких температурах. Они доступны для температур до 3000 °C, что значительно превышает диапазон термопар или других контактных устройств.

Инфракрасный способ также привлекателен, когда нежелательно вступать в контакт с поверхностью, температуру которой необходимо измерить. Таким образом можно контролировать хрупкие или влажные поверхности, такие как окрашенные поверхности, выходящие из сушильной печи. Вещества, которые являются химически активными или электрически шумными, являются идеальными кандидатами для инфракрасных измерений. Этот подход также выгоден при измерении температуры очень больших поверхностей, таких как стены, для измерения которых потребуется большое количество термопар или термометров сопротивления.



2024-03-19



Все статьи