Рассмотрим только датчики температуры, применяемые в промышленности. Если датчик новый, на нём указывается его тип и проблем не возникает, но если нужно заменить старый датчик, на котором не осталось маркировки? Проблема в том, что термодатчиков достаточно много. Внешне датчики температуры могут быть абсолютно одинаковыми, но внутри могут быть разные сплавы. От сплава зависит тип датчика. При подключении датчика другого типа прибор может показывать какую-нибудь температуру, но может и не показывать
вообще. Показания могут сильно отличаться от фактических, поэтому важно
разобраться в этом вопросе.
Немного теории.
В промышленности наиболее часто используются термопары (чаще типа K, L,
J) и термосопротивления (50М, Pt100 и Pt1000). В холодильных установках
встречаются терморезисторы (NTC и PTC).
Термопара – два проводника из различных металлов,
соединённых на одном конце. Принцип действия термопары основан на
возникновении термоэлектродвижущей силы в месте соединения двух
проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Далее полученные
значения пересчитываются в температуру. Распространены типы: K, L, J.
Термометр сопротивления – это датчик температуры, принцип
действия которого основан на изменении электрического сопротивления от
температуры. Чем выше температура – тем выше сопротивление.
Распространены медные 50М и платиновые термометры сопротивления Pt100 и Pt1000, где цифры обозначают сопротивление при 0°C
NTC (Negative Temperature Coefficient) Принцип работы: при
повышении температуры количество свободных электронов в материале
увеличивается, что приводит к снижению сопротивления. NTC-сенсоры
ограничены температурой от -50 …+150 °C, что зачастую может быть
недостаточным для применения с более высокими температурами. Например,
при измерении температуры теплоносителя в системах отопления.
Максимальная температура зависит от исполнения корпуса датчика. В
пластиковом корпусе NTC не выдержит и 100 °C. Основное применение
— холодильное оборудование. NTC номинальное сопротивление указывается
при температуре 25 градусов.
PTC (Positive Temperature Coefficient) Принцип работы: сопротивление увеличивается с увеличением температуры. У PTC номинальное сопротивление указывается при температуре 0 градусов. Так как температурный диапазон у PTC выше, примерно до +500 °C кроме холодильного оборудования датчики применяется и в других областях промышленности, например, устанавливаются в обмотку асинхронных двигателей.
Ещё раз повторим, если у нас холодильное оборудование то
нам нужен NTC или PTC датчик чаще с сопротивлением 10кОм. Применяются
редко, но всё таки встречаются, поэтому кратко их рассмотрели. Дальше в
основном будем рассматривать термопары и термометры сопротивления (ТС).
Несмотря на сходство внешнего вида датчиков, термопары и
термометры сопротивления имеют различные принципы работы. Термопары чаще используются для измерения высоких температур, в то время как
термометры сопротивления чаще применяются на низкотемпературных
процессах. Важное уточнение, термопары нельзя наращивать медным кабелем,
а термометры сопротивления можно. Термопара наращивается тем же
материалом. Например, для термопары типа K (хромель – алюмель) нужен
такой же провод хромель – алюмель. Важно соединить хромель с хромелью, а алюмель с алюмелью, иначе работать не будет! Для термопар используется провод марки СФКЭ. Для термосопротивлений нужен экранированный медный кабель — МКЭШ.
Если мы не знаем какой перед нами датчик?
Первый способ.
Нужно найти информацию на датчике или в документации. Бывает, что
на самом приборе к которому подключен датчик пишут букву — тип датчика с
которым он работает. Чаще всего встречается латинские буквы K, L или J.
Они же могут быть и на самом датчике.
Буква K значит, что у вас термопара ХА (хромель – алюмель).
Буква L значит, что у вас термопара ХК (хромель – копель).
Буква J значит, что у вас термопара ТЖК (железо-константан).
Более распространены терморегуляторы, которые работают не с одним
типом датчиком, а имеют универсальный вход к которому можно подключить
разные термопары (K, L, J) или термосопротивления (50М, Pt100 и Pt1000).
Нужно найти инструкцию к прибору, зайти в меню и посмотреть на какой
датчик настроен. Это самый простой способ.
Второй способ.
Для второго способа определения типа датчика понадобится мультиметр.
Провода мультиметра подключаем к COM и Ω, переключатель ставим на
измерение сопротивления (Ω) 200 Ом или на «прозвонку». Важное уточнение,
нужно подождать что бы датчик остыл, если только что
был снят. И наоборот если стоял на улице зимой, нужно занести в
помещении и дождаться пока нагреется до комнатной температуры примерно
25 градусов. Если мультиметр вместо значений показывает 1, то это обрыв
датчика (сломан). Если сопротивление есть, то сравниваем с вашими показаниями.
Приблизительно 5 Ом — у термопары J (железо-константан).
Приблизительно 12 Ом — у термопары L (хромель – копель).
Приблизительно 13 Ом — у термопары K (хромель – алюмель).
Как видно у термопары L (12 Ом) и K (13 Ом) ,будут похожие
значения, однозначно по сопротивлению нельзя понять. В кратце разберем
ещё один третий способ. Для того, что бы определить какая перед нами
термопара понадобиться магнит. Если одна из жил магнитится, то перед
нами термопара типа K (хромель – алюмель).
Термопара L (хромель – копель) на магнит никак не реагирует.
У термопары К (хромель – алюмель) один проводник (алюмень) магнитится.
Но так же и у термопары J (железо-константан) один проводник (очевидно, что это железо) магнитится.
У термопары К магнитится минусовая жила (алюмень), а у термопары J плюсовая жила (железо).
И ещё одно важное уточнение. Как мы помним из
определения, у термопар при работе меняется не сопротивление, а
напряжение. Сопротивление термопар указал для примерного сравнения с
другими датчиками. А к термометрам сопротивления даже судя из
названия этот способ как раз подходит.
Приблизительно 57 Ом — у термосопротивления 50М.
Приблизительно 110 Ом — у термосопротивления Pt100.
Приблизительно 1097 Ом — у термосопротивления Pt1000.
Приблизительно 990 Ом — терморезистора PTC.
Приблизительно 10кОм — у терморезистора NTC.
Если сопротивление большое переключатель мультиметра ставим на 20К — (20 000 Ом).
Датчики NTC и PTC используются чаще в холодильных системах
то есть при низкой температуре. Могут быть номиналом в 1 кОм, 2 кОм,
5 кОм, 10 кОм, 20 кОм. На практике чаще встречаются на 1 и 10 кОм.
Термопар как и термосопротивлений намного больше, указал не все датчики,
а только распространенные. В сети есть таблицы, показывающие
зависимость сопротивления термометров сопротивления (ТС) от температуры.
Они доступны на различных сайтах и представлены в виде таблиц или
графиков, в которых указаны значения температуры и соответствующие им
величины сопротивления.
Четвертый способ.
Определить визуально. У термосопротивлений (50М, Pt100 и Pt1000) медный провод, который легко гнётся. У термосопротивлений 50М и Pt100 может быть два, три или четыре провода, но на практике чаще всего их три.
У термосопротивлений Pt1000 может быть два, три или четыре провода, но на практике их всегда два. У термопар всегда два проводника. В отличии от меди они более жесткие. Причем для больших температур применяются проводники с увеличенным сечением, которые ещё жёстче.
Третий провод в трёхпроводной схеме подключения
термосопротивления используется для измерения сопротивления проводов и
его последующего вычитания из общего результата. Это необходимо, чтобы
компенсировать влияние сопротивления провода, которое может искажать
результаты измерений, особенно при использовании длинных кабелей. Таким
образом, трёхпроводная схема позволяет получить более точные данные,
особенно в условиях, где важна высокая точность измерений. У
термосопротивлений Pt1000 (1000 Ом) сопротивление в 10 раз больше чем
у Pt100 поэтому часто не используется третий провод считающий длину
линии. В результате двухпроводная схема подключения наиболее полезна при
использовании датчиков с высоким сопротивлением или в местах, где не
требуется высокая точность.
Четырехпроводная схема полностью компенсирует все
сопротивления проводов и соединителей между ними. 4-проводные
термосопротивления используются в основном в лабораториях и других
условиях, где требуется высокая точность. В большинстве случаев
используется двух или трехпроводная схема подключения.
Пятый способ.
Если датчик температуры в обрыве (сопротивление на
мультиметре ровно 1). на датчике нет маркировки, а документация утеряна.
Самый последний способ — подбор путем проб и ошибок. Если у нашего
неизвестного датчика три провода, находим термосопротивление 50М или
Pt100. Или если у датчика два провода, находим термопару K или L. Так же
нам нужен будет чайник. Кипятим воду до 100 градусов, переливаем в
кружку. Подключив датчик к прибору, а конец опустив в кружку с горячей
водой, смотрим на показания. Если прибор показывает 98-100 градусов, то
ура мы угадали. Если показывает что-то другое, то продолжаем пробовать
дальше. Далеко не идеальное решение, потому что, например, при 100
градусов вроде все работало, но на практике мы поставили этот же датчик,
например, в печь и этот же датчик будет показывать, например, 300
градусов, когда на самом деле в печи будет уже 600 С. Нет стопроцентной
уверенности в правильном подборе, для полной уверенности нужно в тот же
процесс, в тоже место установить заведомо исправленный прибор с датчиком
температуры и сверить показания температур на всём рабочем диапазоне.
И последний лайфхак. Термопары типа К (ТХА, ХА)
были распространены СССР, а в Европе термопары L (ХК). В современных
недорогих китайский приборах всегда (в большинстве случаев) —
термопара K. В китае кажется вообще нет ГОСТов, но по привычке
коммунистическая партия Китая делает термопары K. Шутка.
Самые простые китайские терморегуляторы чаще всего работают
только с одним типом датчиков и в большинстве случаем это тип К. Как
уже писал выше в «промышленных» терморегуляторах универсальные
входы. Можно выбирать с каким типом датчиком будет работать
прибор. Например, если установили термопару типа К, в меню
терморегулятора нужно задать тип К.
Где какие датчики применяются?
В первую очередь, как ни странно, зависит от измеряемой температуры. С
минусовой температурой и до 500 градусов лучше использовать
термосопротивления. У них выше точность, и их можно нарастить медным
кабелем, а для термопар нужен специальный провод СФКЭ. Если температура
выше 500, используются термопары.
У термосопротивлений 50М максимальная рабочая температура до 150 °C.
У термосопротивлений Pt100, Pt1000 максимальная рабочая температура до
250 °C, но в зависимости от конструкции корпуса может быть до 500 °C.
У простой термопары L (-40…+300 °C), у термопары K (-40…+400 °С). Но
также в зависимости от исполнения есть термопары L (–40...+600 °С) и К
(–40...+1100).
Если температура ещё выше можно использовать термопару N
«нихросил-нисил» (-40 ...+1250 °С), или S «платинородий-платина»
(0...+1300 °С).
Максимальная длина линии для датчиков температуры зависит
от типа датчика: для PT100 — до 100 метров, для термопар — до 50 метров.
Для подключения термопар необходимо использовать специальный
компенсационный кабель, жилы которого изготовлены из тех же материалов,
что и электроды термопары, или из материалов с аналогичными
термоэлектрическими свойствами. Использование обычного медного кабеля
приводит к появлению дополнительных термоэлектродвижущих сил в местах
соединения разнородных металлов и вносит значительную погрешность в
измерения. Для NTC — до 30 метров при использовании рекомендуемого
сечения.
Если длина более 100 метров используются термопары или
термосопротивления с токовым выходом 4-20 мА. Всё индивидуально. Если мы
проложим кабель в чистом поле, то в принципе до 100 метров работать
будет, но на практике на каком-нибудь заводе кабель будет укладываться в
лотках, прикрепленных к стенам вместе с кучей других проводов, которые
будут давать наводку. На длинной линии даже если для термосопротивлений
мы используем экранированный медный кабель (МКЭШ), после монтажа нужно
проверить, насколько показания соответствуют фактическим. В некоторых
случаях можно использовать датчики с токовым выходом и до 100 метров.
Ну а если нужно подключить датчик длиной в несколько сотен метров, тогда
используются только термопары или термосопротивления с токовым выходом
4-20 мА, который может передаваться на большие расстояния — 1 км и
более. Однако точное расстояние зависит от многих факторов, таких как
сопротивление проводов, помехи сигнала, источник питания и сопротивление
нагрузки. Допустимая длина линии определяется из условия, что суммарное
сопротивление нагрузки (приёмника сигнала, кабельной линии,
дополнительных элементов) не должно превышать максимально допустимое для
данного источника. То есть чем меньше сопротивление, тем лучше.
Можно к любой термопаре или термосопротивлению подключить
нормирующий преобразователь, который предназначен для преобразования
значения температуры в унифицированный сигнал постоянного тока.
Конструктивно нормирующий преобразователь может быть в виде устройства
на Din-рейку, но чаще в виде круглой таблетки, которая монтируется в сам
датчик. Если приобретать новый датчик с выходом 4-20 мА, нормирующий
преобразователь будет вмонтирован в коммутационную головку. Датчики с
нормирующими преобразователями значительно дороже обычных.
Вроде простое устройство — датчик температуры, но сколько подводных
камней. Начали с основных определений и дошли до нормирующих
преобразователей. И это кратко прошлись только по распространенным
датчикам. Так же есть термопары N (нихросил-нисиловые), S
(платинородий-платиновые), E (хромель-константановые) и так далее. То же
самое с термометрами сопротивления ещё есть 100П, 500П и т.д. Как писал Пастернак: "Во всём мне хочется дойти До самой сути. В работе, в поисках пути, В сердечной смуте. До сущности протекших дней, До их причины, До оснований, до корней, До сердцевины."
Спасибо за внимание!