В этой статье мы постараемся ответить на вопрос: какая максимальная длина термопарного или компенсационного кабеля допустима при подключении термопары ко вторичным приборам, чтобы точность измерения не падала? Сначала будет немного теории, затем покажем данные нашего эксперимента с большим количеством разных кабелей (даже медным), а в самом конце – полезные рекомендации. Сохраняйте себе в качестве памятки!
Если вы пока мало знакомы с термопарами, советуем сначала прочитать эту статью перед прочтением текущей публикации. Так вам будет понятнее, о чем пойдет речь.
Термопара – очень распространенный датчик температуры. Является источником термоэлектродвижущей силы, ТЭДС, которая относительно мала – это микро- и милливольты (мкВ и мВ). По сути, это очень низкое напряжение, которое вырабатывают два разнородных металла при изменении температуры их «горячего» спая. Ко вторичному прибору датчик обычно подключается термопарными или компенсационными проводами – то есть имеющими ту же зависимость милливольт (мВ) от температуры, что и сама термопара.
Вторичный прибор – терморегулятор или контроллер – выступает в качестве милливольтметра. Для точности измерения термопарой большое значение имеет внутреннее сопротивление милливольтметра: чем оно больше, тем лучше. В идеале у вторичного прибора должно быть бесконечно большое сопротивление, тогда все напряжение будет «падать» на нем, и он измерит ТЭДС термопары максимально точно. При его бесконечном внутреннем сопротивлении было бы неважно сечение или длина термопарного провода – все равно сопротивление линии связи «датчик – прибор» было бы пренебрежимо мало.
Но ничего идеального не существует, и у современных промышленных приборов хоть и большое внутреннее сопротивление, но оно не бесконечное. Поэтому учитывать сопротивление термопарных кабелей необходимо, если точность измерения имеет значение. Определяющей величиной тут является именно сопротивление, но более осязаемыми параметрами для нас являются длина провода, материал жил и его сечение.
Мы провели эксперимент, главной целью которого было установить: как длина линии связи термопарных кабелей разного сечения влияет на точность измерения? Причем при измерении не образцовыми лабораторными приборами, а обычными общепромышленными – из нашего ассортимента.
Применяемое оборудование:
· Обновленный терморегулятор 2ТРМ1-У2.
· Термопара в керамическим чехле ДТПК145-0919.250.1 (ХА хромель-алюмель, 1 класс допуска).
· Трубчатая печь со своей штатной «платиновой» термопарой.
Испытываемые двухжильные кабели:
· ДКТК-0,3; ДКТК-0,5 и ДКТК-0,7 – монопроволочный неэкранированный кабель, проводники из сплавов хромель и алюмель, изоляция – кремнеземная нить с пропиткой лаком; цифры в обозначении – это диаметр проводников, мм. Рабочая температура до 300 °C.
· СФКЭ ХА 2×0,5 – многопроволочный экранированный кабель, проводники из сплавов хромель и алюмель, изоляция многослойная. Сечение жил 0,5 мм2. Рабочая температура до +200 °C.
· МКЭШ 2×0,75 – многопроволочный медный экранированный кабель. Сечение 0,75 мм2. Оговоримся: медным кабелем термопары подключать не рекомендуется. В эксперименте мы его использовали исключительно для того, чтобы показать – почему.
Порядок проведения эксперимента: измерения проводились на двух контрольных точках – поддерживаемые температуры в печи 500 и 1000 °C. Рабочая термопара нагревалась вместе с печью. В клеммную головку термопары был подключен небольшой отрезок кабеля ДКТК-0,7, к которому для быстроты и удобства коммутации была присоединена вилка термопарного разъема. В розетку термопарного разъема подключались испытываемые кабели, другой их конец подключался к измерительному входу ТРМ.
Трубчатая печь, в которой проводились измерения, имеет особенность – заданная температурная уставка более-менее точно поддерживается только в середине печи. В других точках температура может на несколько градусов отличаться. Наша рабочая термопара ДТПК145 имела длину 250 мм и «не дотягивалась» до середины. Этим (да еще погрешностью) и объясняется разница показаний штатной термопары печи и нашей рабочей даже с тремя метрами кабеля.
Вот таблица с результатами измерений при температуре печи ~ 500°C:
Показания ТП при подключении кабелем ДКТК длиной 3 метра мы приняли за истинное – 518 °C. Затем подключили 20 метров кабеля СФКЭ – показания не изменились. После подключили 50 метров ДКТК-0,5 – ТРМ показал температуру на 2 градуса меньше предыдущего измерения. Потом был подключен провод с совсем тонкими жилами – ДКТК-0,3. Показания были занижены на 25 °C – прибор показал 493 °C! Потом мы подключили ТП кабелем СФКЭ длиной 250 и 1000 метров. Получили заниженные результаты: 511 °C и 486 °C соответственно. И, наконец, подключили термопару медным кабелем. Сначала подключили с помощью вилки и розетки – температура на ТРМ была 520 °C. Затем подключили медный кабель прямо к клеммнику в разогретой головке. Получили самые неадекватные показания – 450 °C.
Необходимо было подтвердить закономерности на другой, более высокой температуре. Поэтому мы нагрели печь до 1000 °C, провели измерения с теми же кабелями, добавив еще 3 варианта кабелей:
Истинное значение показаний для нашей термопары – 1010 °C. На более высокой температуре влияние сопротивления проводов стало более заметным. Добавив отрезки кабелей длиной 50 и 100 метров различных сечений, нам стало легко сравнивать их влияние на показания термопары. Так, ДКТК-0,3 и ДКТК-0,7 одинаковой длины – 100 метров – внесли погрешность 36 °C и 3 °C соответственно. Разница существенная! 50 метров кабеля ДКТК-0,5 вносит погрешность 4 градуса, а СФКЭ, сечение жил которого в 2,5 раза больше ДКТК-0,5, длиной те же 50 метров все еще не увеличивает погрешность измерения! Но 250 и 1000 метров СФКЭ заметно влияют на точность показаний.
Итак, давайте перейдем к выводам.
Чем меньше сечение кабеля, тем больше его сопротивление. Вот значения сопротивления термопарной проволоки различных сечений по ГОСТ 1790-2016 и сопротивление жил кабеля СФКЭ, а также наши замеры сопротивления во время эксперимента:
Главный вывод – необходимо учитывать сопротивление термопарного или компенсационного кабеля при расчете длины линии связи «термопара – вторичный прибор». В Руководстве по эксплуатации на 2ТРМ1 указано максимальное сопротивление линии связи для термопар 100 Ом. Можно ориентироваться на это значение; также наш эксперимент показал, что допустимо и чуть больше: например, суммарное сопротивление кабеля 70 м ДКТК-0,7 в нашем эксперименте составило 193,2 Ом. Погрешность, вносимая кабелем, в этом случае составила всего 1 °C. Можно предположить, что для линии длиной 50 метров ДКТКТ-0,7 (сопротивление 138,4 Ом) погрешность линии связи будет пренебрежимо мала.
Важно: многое зависит от самого вторичного прибора. Цифры и погрешности, приведенные в нашей статье, справедливы только для ОВЕН 2ТРМ1 и других терморегуляторов этого семейства. Поэтому при подключении термопары типа К к другим вторичным приборам допустимые длины линии связи будут отличаться.
Известно, что внутреннее сопротивление некоторых советских измерителей температуры – самописцев – составляет несколько сотен Ом, что очень мало для точных измерений. В этом случае термопару нужно подключать как можно более «толстыми» проводами – вплоть до сечения 2,5 мм2.
Рекомендации:
· Если расстояние невелико – до 20 метров, то можно использовать любой кабель из исследованных.
· Если расстояние от 20 до 50 метров – рекомендуем использовать ДКТК-0,7, ДКТК-1,2 или СФКЭ ХА 2×0,5.
· Если расстояние больше 50 метров – для максимальной точности измерения рекомендуем использовать провод ПТГВВТ ХА 2×1,5. Сечение жил 1,5 мм2. У такого кабеля суммарно сопротивление 1 метра – 0,66 Ом. Это в 3 раза меньше, чем у СФКЭ ХА 2×0,5. Даже при длине линии более 100 метров в этом случае «кабельная» погрешность будет пренебрежимо мала.
· Можно ли подключать термопары медным кабелем? Можно, если температура по всей длине кабеля не меняется. Но в обычных условиях это труднодостижимо. При разности температур будет появляться ошибка измерения. Чем больше перепад температуры по длине медного кабеля – тем больше ошибка измерения. Погрешность в 70 градусов в ходе эксперимента указывала именно на это. Поэтому использовать медный кабель для подключения термопар мы не рекомендуем.
Кабели для термопар на сайте Овен
Если понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал! Впереди много интересного!
Еще статьи по теме:
· Плюсы и минусы термопар в защитных чехлах
· Как определить тип термопары
· Как правильно выбрать датчик температуры? 4 принципа!
· Ошибки при монтаже датчиков температуры, которых лучше избегать
