Термопарные (компенсационные) провода и их применение
Подписка на рассылку
Термопарные и компенсационные провода используются для измерения температуры и применяются с термопарами. Термопарным проводам присуща хорошая стойкость к любым температурам. Они прекрасно переносят воздействие коррозии, кислоты, устойчивы к старению, а также влиянию воды и масла. Каждый провод состоит из определенной пары жил.
Жилы изготовляют из разных термоэлектродных металлов и сплавов, составляющих пару:
Эти сплавы характеризуются рядом преимуществ:
Расцветка термопарных проводов с жилами из различных термоэлектродных сплавов
Жилы различаются по числу проволок, которые придают проводам гибкость. Каждому металлу присуща своя расцветка, которая характеризуется цветной изоляцией и нитями.
Изоляция термопарных проводов
Возможная одинарная и двойная изоляция. В первом случае каждую жилу изолируют в отдельности, во втором — добавляется кожух, являющийся внешним слоем изоляции. От того насколько толстым будет изоляционный слой, зависит длительность эксплуатации провода. Если предполагается продолжительное использование провода в условиях низких температур и агрессивной среды, требуется более толстая изоляция.
Применение термопарных проводов
Сегодня термопарные провода применяется достаточно часто. Они могут служить контрольными термопарами с целью контролирования равномерности распределения тепла по промышленной печи. Если необходимо организовать контроль температур, в которых проходит обработка материала или детали, прибегают к применению закладных термопар.
В основе их работы лежит способность сплавов к образованию термодвижущей силы, которая будет зависеть от спаечных мест двух проводников. Возникновение термодвижущей силы происходит в том месте, где соединяются два конца проводника, имеющие одинаковую температуру нагрева. Такие проводники называются термоэлектродами, а их пара носит название термопара.
В ходе эксплуатации термопары один ее конец сваривается между собой в горячий спай. Его и будут присоединять к объекту, который необходимо контролировать. Холодный спай, образуемый противоположными концами термопары, служит для присоединения к измерительному устройству. Обязательное условие эксплуатации — изоляция термоэлектродов друг от друга по всей длине, за исключением горячего спая.
О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение
В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.
Устройство и принцип действия
Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Схема строения термопары
Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.
Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).
Рис. 2. Термопара с керамическими бусами
Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.
Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.
В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.
Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар
На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.
Типы термопар и их характеристики
Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.
Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.
Типы спаев
В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.
Буквами обозначено:
Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.
С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.
Многоточечные термопары
Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.
Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.
Таблица сравнения термопар
Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?
Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.
Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.
| Тип термопары | K | J | N | R | S | B | T | E |
| Материал положительного электрода | Cr—Ni | Fe | Ni—Cr—Si | Pt—Rh (13 % Rh) | Pt—Rh (10 % Rh) | Pt—Rh (30 % Rh) | Cu | Cr—Ni |
| Материал отрицательного электрода | Ni—Al | Cu—Ni | Ni—Si—Mg | Pt | Pt | Pt—Rh (6 % Rh | Cu—Ni | Cu—Ni |
| Температурный коэффициент | 40…41 | 55.2 | 68 | |||||
| Рабочий температурный диапазон, ºC | 0 до +1100 | 0 до +700 | 0 до +1100 | 0 до +1600 | 0 до 1600 | +200 до +1700 | −185 до +300 | 0 до +800 |
| Значения предельных температур, ºС | −180; +1300 | −180; +800 | −270; +1300 | – 50; +1600 | −50; +1750 | 0; +1820 | −250; +400 | −40; +900 |
| Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±0,5 от −40 °C до 125 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | |
| ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±0,004×T от 375 °C до 750 °C | ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° | ±0,004×T от 125 °C до 350 °C | ±0,004×T от 375 °C до 800 °C | ||
| Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C | ±1,0 от −40 °C до 133 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C |
| ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0, T от 333 °C до 750 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C | ||
| Цветовая маркировка выводов по МЭК | Зелёный — белый | Чёрный — белый | Сиреневый — белый | Оранжевый — белый | Оранжевый — белый | Отсутствует | Коричневый — белый | Фиолетовый — белый |
Способы подключения
Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.
Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).
Рис. 6. Компенсационные провода
Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.
Рис. 7. Схема подключения на разрыв
При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.
В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.
И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.
Применение
Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.
Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.
Преимущества
Недостатки
Недостатками изделий являются факторы:
Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.
Компенсационный провод для термопар для чего нужен
Компенсационные провода практическое применение
Компенсационные провода применяются для подключения термопар (датчиков температуры) к измерительным устройствам (прибор, прилад). Они служат для уменьшения погрешности, вносимой температурой окружающей среды.
Для Украины наиболее распространёнными являются термопары и соответственно провода ХК( L ) ХА( K ) ПП ( R ) ПП( S ). Более подробно смотрите раздел «Термопары, практическое применение».
Что нужно знать для практического применения:
— Термопары обязательно подключать компенсационным проводом. Исключением являются термопары ТПР 30/6 (плативородиевые), которые могут использоваться без компенсации. Применяются при температурах свыше 600С.
— Каждый тип термопар имеет свой компенсационный провод, который имеет одинаковую с термопарой термо эдс.
— Провод имеет полярность «+» и «-», подключение к термопаре «+» к «+», «-» к «-».
— Длинна провода должна быть не более 20м, не следует оставлять запас провода, или скручивать его в кольца. При большом удалении термопары от измерителя, рекомендуется использовать нормирующие усилители.
— Сигнал с термопары составляет тысячные доли вольта, поэтому, контакты провод – термопара и провод – прибор, должны быть зачищены и туго стянуты. Хороший результат получается, ели провода предварительно залудить.
— Запрещается добавлять (скручивать), использовать только целые куски компенсационного провода
— Проводить необходимо вдали от электромагнитных помех, при необходимости экранировать (прокладывать в металлической трубе) или использовать экранированный провод.
Часто задаваемые вопросы:
Вопрос: Какой длинны должны быть провода, влияет ли длинна на точность измерений?
Вопрос: Нашли много разных типов проводов, как правильно выбрать?
Ответ: В первую очередь тип провода должен соответствовать типу термопары. Далее тип изоляции и различные варианты сечений проводов. Изоляцию выбирают из расчёта максимальной температуры и параметров среды в котором он будет находится. Сечение проводов указывается в квадратных миллиметрах и при не большой длине значения не имеет. Наиболее удобным для подключения (к клеммам прибора) являются провода сечением 0.5-1.5 мм2. Экранированные провода применяются в условиях интенсивных помех и больших удалениях датчика от прибора. Также в этих случаях рекомендую использовать более толстые провода с сечением от 1 до 2.5 мм2.
Вопрос: Хочу подключить термопару обычным проводом, насколько будет погрешность, и в какую сторону?
Ответ: Какой будет погрешность, это зависит от многих факторов. Эта погрешность не является постоянной. Она зависит от параметров печи, места установки термопары, температуры в помещении, наличии сквозняков и т.д. В моей практике встречал погрешность более 100С. Поэтому ни какой производитель приборов не даст гарантии точности показаний без использования компенсационного провода. Без использования компенсационного провода можно обойтись при использовании нормирующих усилителей и т.д. (это ведёт к удорожанию цепи измерения). Применимо для больших расстояний или особых условий.
Вопрос: Как определить полярность провода где «+» а где «-»?
Термопары и термокомпенсационные провода
Для измерения температурных показателей нагревательного устройства термопарой, ее следует подсоединить к вторичному измеряющему устройству. Измерительное устройство зачастую устанавливается на некотором расстоянии от термопары. Обычную медь в качестве проводов для подключений применять не рекомендуется. При совмещении медных проводков с выводами термопары измерительные данные будут иметь большую погрешность. Для таких целей прибегают к использованию специальных удлиненных проводов, которые в паре с соответствующими электродами исключают вероятность погрешности. Можно использовать провода, состоящие из таких же материалов, как и электроды термопары, или другие материалы, развивающие в заданном температурном интервале аналогичную термо-ЭДС, что и термопара. Данные приспособления относятся к компенсаторным материалам. Следует отметить, что в условиях использования проводков с такого же сплава, как и электроды термопары, обеспечивается более точное измерение.
Положительный электрод термопары ЖК и отрицательный электрод термопары типа ХА имеют магнитные свойства.
Термопара ТПР не требует установки компенсационного провода, в условиях повышенной температуры окружающей среды необходимо применение жаропрочного кабеля категории КМЖ 2х1, в состав которого входят медные жилы.
Подключая любой тип термопары, следует обращать внимание на полярность. Несоблюдение полярности в условиях перегрева свободных концов термоэлектрического преобразователя приведет к увеличению коэффициента погрешности. Чтобы избежать ошибки в процессе определения полярности и выборе типа удлиненного провода, производители выпускают их в виде двухжильных кабелей с разной расцветкой оболочки каждой отдельной жилы. Цвет провода зависит от цвета изолятора либо обозначается цветной нитью на оплетке. Помимо всех этих обозначений, у некоторых проводов положительные электроды маркируют продольной полоской по всей его длине.
Зависимо от температурных условий, для которых предназначен тот или иной вид термопары изоляция удлинительных кабелей/проводов производится из разных материалов. Для осуществления правильного подбора кабеля или провода важно точно знать производимую термическую нагрузку и условия, в которых будет производиться эксплуатация. От температуры эксплуатации зависит подбор маркировки.
Для проводов ПТВ, ПТГВВ, ПТВВ используют виниловый изоляционный материал, относящийся к ПВХ-пластикатам. Такой тип изоляции способен выдержать температуру до 70 градусов. Специально изготовленный пластикат с характеристиками высокой теплостойкости можно эксплуатировать при температурной нагрузке до 105 градусов.
Провода ПТФФ и ПТФФГ требуют более стойкого изолятора, поэтому в данном случае используют фторопласты, выдерживающие температуры до 200 градусов, а специального производства фторопласты способны выдерживать даже температуры до 250 градусов. Такую температурную нагрузку способен выдерживать еще и силикон, который сравнительно с фторопластом обладает еще и мягкими свойствами, что позволяет снизить угол сгибания провода.
Провода и кабели КТМСЭ и ККМСЭ производят с изоляцией из стеклонити, способной выдерживать 400 градусов температуры. Стеклонити, обладающие высокими показателями термостойкости можно использовать при 650 градусах.
Маркировки проводов СФКЭ, КТМСФЭ, КТСФЭ выпускаются в эксплуатацию с комбинированными изоляторами из стеклонити и фторопласта. Температурную нагрузку в таком случае определяет материал, обладающий меньшими значениями выдержки.
Если в маркировке кабеля есть обозначение «Г» то, это значит, что кабель обладает гибкостью, а жила состоит из семи или даже больше проволок. Такая конструкция отлично подходит для нестационарных прокладок и удобна при монтаже.
Обозначение «Э» говорит о том, что между слоями изоляции кабеля или провода нанесен экран, выполняющий защиту от помех электромагнитного характера, которые способны влиять на показания термопары. Экран обычно изготавливают из луженой меди либо нержавеющего металла. Стальной экран способен не только производить защиту от помех, но и повышает стойкость кабеля к механическим повреждениям.
Компенсационные провода для термопар
Кабель (провод) компенсационный еще называют проводом для термопар, термоэлектродный проводом, кабелем для термопреобразователя или кабелем для термопары.
Применение
Компенсационный провод используют для подключения термопар (термопреобразователей) к преобразователям и измерительным приборам для того чтобы снизить погрешности измерения.
