В данной статье сравним датчики температуры – термопары и термосопротивления, взвесим плюсы и минусы, и подведем итоги.
Термопара – это температурный датчик, состоящий из двух спаянных проводников, изготовленных из разных металлов. Принцип её работы основан на эффекте Зеебека, когда разность температур между спаем и концами создаёт термоэлектрическое напряжение, пропорциональное температурной разнице (рисунок 1). Это напряжение измеряют, и по его величине можно определить температуру среды в которой находится спай металлов. Термопары широко применяются в промышленности, научных исследованиях и других областях для измерения высоких температур.
Два проводника из различных металлов (например хромель-алюмель) спаиваются в одной точке и помещаются в защитную арматуру (из стали или керамики), с другой стороны, подключается измеритель напряжения, далее полученные значения пересчитываются в температуру. От выбора материала проводников зависит точность и надежность термопары в определенных условиях. Рассмотрим самые распространенные.
Тип J (железо/константан):
Подходит для применения в диапазоне до 760°C. Используется в лабораторных условиях, при измерениях в домашних или малых промышленных установках, где высокая температура не является критической.
Тип K (хромель/алюмель):
Универсальный тип, применяемый в широком диапазоне температур (от -200°C до +1260°C). Часто используется в промышленности, энергетике и при контроле технологических процессов благодаря своей универсальности и относительной устойчивости к окислению.
Тип T (медь/константан):
Идеален для низкотемпературных измерений (от -200°C до +350°C) и хорошо подходит для работы в условиях с низким уровнем окислительной среды. Применяется в холодильной технике и биомедицинских исследованиях.
Тип E (хромель/константан):
Обладает высоким коэффициентом чувствительности, что делает его подходящим для точных измерений в диапазоне до +900°C. Часто применяется в лабораторных исследованиях и там, где требуется высокая чувствительность при низких температурах.
Тип N (никрозил/нисиль):
Разработан для повышения стабильности в высокотемпературных условиях (до +1300°C) и особенно эффективен в агрессивных средах, где присутствует окисление. Применяется в металлургии и других высокотемпературных процессах.
Тип S (платина/платиново-родиевый сплав):
Эти типы обеспечивают высокую точность и стабильность в измерениях при высоких температурах (до +1600°C). Применяются в лабораториях, при калибровке оборудования и в процессах, требующих высокой точности измерений, таких как производство стекла и керамики.
Тип B (два сплава платинового типа):
Предназначен для измерений в экстремально высоких температурах (от +600°C до +1800°C). Применяется в процессах, где требуются измерения в диапазоне температур, недоступном для других типов, например, в пирометрах и высокотемпературных печах.
Выбор типа термопары зависит от конкретных условий эксплуатации, требуемого температурного диапазона, точности измерения и условий окружающей среды (например, агрессивной атмосферы или высоких вибраций).
Основные преимущества термопар включают:
Возможность измерения высоких температур.Термопары могут измерять температуры экстремально высоких значений, что делает их незаменимыми во многих областях промышленности.
Быстрый отклик. Благодаря прямому физическому эффекту (эффект Зеебека), термопары обеспечивают оперативное реагирование на изменение температуры.
Надёжность и долговечность. Они хорошо работают в агрессивных средах, обладают устойчивостью к вибрациям и механическим воздействиям.
К основным недостаткам термопар можно отнести следующие моменты:
Нелинейность. Выходное термоэлектрическое напряжение термопары имеет нелинейную зависимость от температуры, что может усложнять точные измерения без дополнительной обработки сигнала.
Необходимость компенсации холодного спая (точки подключения к измерительному прибору). Измерения требуют учета температуры так называемого холодного спая, что добавляет сложность в систему и может влиять на точность, если компенсация выполнена некорректно.
Сравнительно низкая точность.По сравнению с термосопротивлениями термопары обладают меньшей точностью, особенно при низких температурах.
Чувствительность к электромагнитным помехам. Низкий уровень выходного сигнала делает их уязвимыми к внешним помехам, что требует дополнительных мер по экранированию или фильтрации.
Дрейф характеристик. При длительной работе в экстремальных условиях может наблюдаться изменение характеристик термопары (дрейф), что снижает стабильность измерений с течением времени.
Необходимость использования специального кабеля. Для корректного считывания температуры требуется использовать кабель (между датчиком и измерительным прибором) материал проводников которого соответствует материалу проводников датчика.
Термосопротивление – это разновидность датчиков температуры, принцип работы которых основан на зависимости электрического сопротивления материала от температуры окружающей среды (рисунок 2).
В защитную арматуру помещается чувствительный элемент под действием температуры сопротивление элемента начинает изменяться, измеренное значение сопротивления пересчитывается в температуру. Существуют три вида стандартных материалов чувствительных элементов.
Платина (Pt):
Наиболее распространённый выбор благодаря высокой стабильности, хорошей линейности зависимости сопротивления от температуры и устойчивости к коррозии.
Медь (Cu):
Используется в некоторых случаях, но её применение ограничено узким температурным диапазоном, поскольку медь легко окисляется и теряет стабильность при высоких температурах.
Никель (Ni):
Применяется для бюджетных решений, однако его температурный коэффициент ниже, а нелинейность зависимости может потребовать дополнительной коррекции.
Также чувствительные элементы отличаются по сопротивлению. Существуют варианты Pt50, 100, 1000. Цифра после названия материала чувствительного элемента означает сопротивление датчика при нуле градусов цельсия. Чем выше это значение, тем более точные показания можно получить.
Основные преимущества использования термосопротивлений включают:
Высокая точность. Особенно платиновые термосопротивления демонстрируют высокую точность измерений благодаря почти линейной зависимости сопротивления от температуры.
Хорошая повторяемость и стабильность.Термосопротивления обеспечивают стабильные показания при повторных измерениях, что важно для контроля технологических процессов.
Легкость калибровки. Зависимость сопротивления от температуры хорошо изучена и воспроизводится, что упрощает процесс калибровки датчиков.
Низкий дрейф. При правильном использовании и в заданных температурных диапазонах терморезисторы сохраняют свои характеристики в течение длительного времени.
Простота схемотехники. Измерение изменения сопротивления позволяет использовать относительно простые схемы для обработки сигнала, что упрощает интеграцию датчиков в системы контроля.
Измерение экстремально низких температур. Термосопротивления могут измерить температуру до -196°C.
Основные недостатки термосопротивлений включают:
Ограниченный диапазон предельных температур.В отличие от термопар, термосопротивления измеряют температуру до +500°C.
Замедленный отклик. Из-за большей массы датчика или особенностей конструкции, термосопротивления могут медленнее реагировать на резкие изменения температуры.
При выборе между термопарами и термосопротивлениями важно учитывать специфику задачи, рабочий температурный диапазон, требуемую точность и особенности среды. Ниже приведены рекомендации по применению каждого типа датчика:
Термопары.
Высокая температура среды: Идеальны для измерения очень высоких температур (иногда до 2000°C и выше).
Быстрый отклик: Благодаря непосредственному физическому эффекту, изменения температуры фиксируются оперативно.
Эксплуатация в агрессивных условиях: Прочные и устойчивы к экстремальным условиям, что позволяет использовать их в тяжелой промышленности.
Экономичность: Как правило, термопары дешевле в изготовлении и установке, что делает их предпочтительными в системах с большим количеством датчиков.
Термосопротивления.
Высокая точность и стабильность: Особенно датчики типа Pt обладают почти линейной зависимостью сопротивления от температуры, что обеспечивает высокую точность измерений.
Повторяемость измерений: Отличаются хорошей стабильностью показаний и низким дрейфом, что важно для контроля технологических процессов.
Простота калибровки: Зависимость сопротивления от температуры хорошо известна, что упрощает процедуру калибровки и последующую эксплуатацию датчика.
Измерения низких температур: Минимальная температуру измерения до -196°C.
