Термопреобразователи

В различных отраслях промышленности, науки и техники требуется измерение температуры среды. Для этой цели используются электронные термометры, первичными датчиками в которых, чаще всего, являются термопреобразователи сопротивления (ТС) или термоэлектрические преобразователи (ТЭП). В качестве ТЭП могут быть использованы и термопары. В настоящий момент на рынке представлена широчайшая номенклатура таких устройств. Например, термопары от СудоСнаб (г. Санкт-Петербург, тел. +7(812)409-45-77 ) отвечают всем необходимым требованиям и применимы во множестве отраслей современной промышленности.

Характеристики ТС   

В основе действия ТС лежит явление изменения электрического сопротивления (ЭС) металла при повышении его температуры. Благодаря этому температуру окружающей среды можно измерять через измерение ЭС датчика. Применяются также ТС с полупроводниковыми датчиками (термисторами, позисторами). Датчики ТС, изготовленные из платины, никеля или меди, помещаются в защитный корпус. Для измерения ЭС датчика они снабжаются выводами. Существуют проволочные и пленочные датчики. При этом датчики первого типа представляют собой проволоку, намотанную на керамический корпус, а датчики второго типа – это керамическая пластинка с нанесенным на нее резистивным слоем.

Наиболее распространенными являются платиновые изделия (ТСП). Они отличаются широким диапазоном измерения (-200…+650°С), высокой точностью, почти линейной характеристикой зависимости проводимости от температуры (НСХ). Недостаток – высокая стоимость.

Благодаря низкой стоимости широко используются ТС из Cu (ТСМ). Они имеют линейную НСХ, но у них небольшой рабочий диапазон (-50…+160°С).

Градуировка ТС осуществляется:

• Непосредственно на шкале измеряющего прибора.
• С помощью градуировочных таблиц.
• С использованием цифровой техники.

В первом случае на шкалу наносится температура, соответствующая измеряемому сопротивлению датчика. Нелинейность НСХ в этом случае можно компенсировать неравномерностью шкалы.  Во втором случае температура определяется с помощью таблиц. Такие таблицы для платины, меди и никеля приведены в ГОСТ 6651-2009. По этому ГОСТу характеристика ТС может быть рассчитана по формулам. Например, для платины в диапазоне температур от 0 до 850°С зависимость имеет вид: R_t = R₀(1+At+Bt₂), где:

• R_t - сопротивление датчика при температуре t °С;
• R₀ - сопротивление датчика при температуре 0 °С:
• A, B - коэффициенты аппроксимации.

Для получения правильных результатов работы ТС имеет значение вид схемы его подключения, так как в данном случае имеет влияние сопротивление подводящих проводов (Rп). При проведении очень точных эталонных измерений используется четырехпроводная схема, позволяющая точно учитывать влияние обоих проводов, для более грубых измерений применяется однопроводная схема. В промышленности используется трехпроводная схема, не требующая сложного монтажа и дающая достаточно точные результаты.

Характеристики ТЭП

Основным элементом ТЭП является термопара, которая состоит из двух разнородных специально подобранных проводников, соединенных на одном конце. При нагревании такого соединения на концах проводников возникает ТЭДС.

Для создания соединения могут быть использованы:

• скрутка;
• пайка;
• сварка.

Скрутка – это наиболее простой способ. Однако, в этом случае соединение не будет надежным, что повлияет на точность измерений. При пайке получается более надежное соединение. Но так как большинство припоев имеют довольно низкую температуру плавления, то для измерения высоких температур можно применить сварку. Однако, при сварке необходимо учесть то, что в этом случае изменяется структура металлов и это может повлиять на качество измерений.

В соответствии с ГОСТ Р 8.585-2001 одним из важных параметров термопары является зависимость ТЭДС (в мВ) от температуры (НСХ). При этом температура свободных концов изделия остается постоянной. Линейность НСХ и чувствительность устройства зависят от сочетания металлов, образующих термопару.

Согласно ГОСТ и документам МЭК существует большое количество различных термопар, обозначаемых латинскими буквами от E до S. Например, термопара типа К (ТХА) представляет собой хромель – алюмелевую сборку. Хромель - это сплав из Cr и Ni с примесями Si, Cu, Mn,Co, а алюмель включает Ni, Al, Mn и Si.

Достоинства термопары ТХА:

• большой диапазон работы (-200…+1100°С);
• высокая чувствительность (40мкВ/град);
• малая теплопроводность;
• низкая погрешность (± 0,1°С при температурах, меньших 300°С);
• невысокая цена.

Есть у такой термопары и недостатки – плохая устойчивость к деформациям, хрупкость и возможность окисления при высоких температурах.

Высокой чувствительностью в 65мкВ/град и выше обладает устройство типа L (ТХК), включающее сплав хромеля и копеля (Ni, Fe, Cu). Но при высоких температурах такие термопары окисляются.                                        

Сравнение

Выбор типа ТП зависит от конкретной ситуации. При этом необходимо иметь в виду, что:

• ТЭП имеют большую скорость реакции и больший рабочий диапазон, чем ТС.
• ТС обладает лучшей стабильностью и чувствительностью, чем ТЭП.
• ТС имеет лучшую линейность и устойчивость показаний. Последнее сокращает число калибровок прибора.
• ТС имеет больший срок службы. Ухудшение чувствительности ТЭП требует частой замены термопар.
• ТС невосприимчив к радиопомехам, а для ТЭП требуется защита от таких помех.
• Затраты за срок службы для ТС более низкие.

---

---

Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи