Термопара. Виды, устройство, монтаж термопар.

1. Термопары

Термопара (ТП) - это термоэлектрическое устройство замкнутой цепи, чувствительное к температуре, которое состоит из двух проводников, выполненных из разнородных металлов, которые соединены на обоих концах. Электрический ток создается, когда температура на одном конце или спае, отличается от температуры на другом конце. Это явление носит название эффекта Зеебека, который является основой измерения температуры с помощью термопар.

Один конец называется горячим спаем, а другой конец называется холодным спаем. Измерительный элемент с горячим спаем помещается внутрь оболочки первичного преобразователя, и на него воздействует температура технологического процесса. Холодный спай или опорный спай - это точка подключения вне технологического процесса, где температура известна и где измеряется напряжение. (например, в измерительном преобразователе, на входной плате системы управления или в устройстве формирования сигналов.)

В соответствии с эффектом Зеебека, напряжение, измеряемое на холодном спае, пропорционально разнице температур горячего и холодного спаев. Это напряжение может называться напряжением Зеебека, термоэлектрическим напряжением или термоэлектрической э.д.с. По мере роста температуры горячего спая напряжение, наблюдаемое на холодном спае, также возрастает нелинейно в зависимости от роста температуры. Линейность кривой «температура-напряжение» зависит от сочетания металлов, образующих термопару.

2. Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

Рисунок 2a - Компенсация холодного спая

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.

СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.

3. Изготовление термопар

Процесс начинается с выбора высококачественной проволоки из материала, который требуется для термопары изготавливаемого типа. Проволоки соединяются различными способами, включая скручивание, сжатие, пайку, в т.ч. и высокотемпературную, а также различные виды сварки (например, сварка узким швом и сварка встык). Чтобы получить наилучшие рабочие характеристики горячий спай должен быть механически прочным, электрически непрерывным, не загрязнен никакими химическими примесями материалов, использующихся при сварке или пайке. При изготовлении высококачественных термопар большое внимание уделяется выбору марки проволоки и контролю процесса изготовления.

См. рисунок 3a.

Совет: Спай, полученный путем скручивания проволок, очень быстро теряет свои свойства, и использовать такой способ получения спая не рекомендуется.

Рисунок 3a - Способы изготовления горячего спая

 

3.1 Типы спаев

Спаи термопар изготавливаются в различных конфигурациях, каждая из которых имеет свои преимущества для применения в определенных системах. Спаи могут быть заземленными или незаземленными, а двухэлементные термопары могут быть изолированными или неизолированными. См. рисунок 3.1a.

Рисунок 3.1a - Конфигурации горячих спаев

Заземленные спаи термопар образуются, если спай термопары соединяется с оболочкой первичного преобразователя. Заземленные спаи обладают лучшей теплопроводностью, что, в свою очередь, повышает быстродействие. Однако заземление также делает цепи термопар более подверженными влиянию электрических шумов, которые могут искажать сигнал напряжения термопары, если контрольно-измерительный прибор не обеспечивает развязку. (Все высококачественные измерительные преобразователи и платы ввода/ вывода предусматривают электрическую развязку в стандартной комплектации). Заземленный спай также в большей степени подвержен загрязнению химическими примесями со временем.

Незаземленные спаи получаются тогда, когда элементы термопары не соединяются с оболочкой первичного преобразователя, а окружены изолирующим порошком. Незаземленные спаи имеют несколько меньшее быстродействие, чем заземленные спаи, но менее чувствительны к электрическим шумам.

Термопары с открытым спаем имеют горячий спай, выступающий из загерметизированного конца оболочки, обеспечивая высокое быстродействие. Герметизация препятствует попаданию влаги или других загрязнений внутрь оболочки. Обычно такие термопары применяются только в некоррозионных газах, например, в воздуховодах.

3.2 Термопары с двумя чувствительными элементами

Термопары с двумя чувствительными элементами бывают трех разных видов. См. рисунок 3.1a.

Изолированные конструкции имеют место в тех случаях, когда два независимых спая термопары размещаются в одной оболочке. Изолированные спаи могут давать неодинаковые показания температуры, но могут выявлять дрейф показаний вследствие загрязнения одного из элементов химическими примесями. Если один из спаев выходит из строя, это не обязательно влияет на второй спай.

Неизолированные конструкции имеют место, когда два спая термопары помещаются в одну оболочку и все четыре проволоки термопары физически соединяются. Неизолированные спаи дают одинаковые показания температуры для повышения достоверности измерения в данной точке. Однако если один из спаев выходит из строя, это вероятнее всего означает, оба спая отказали одновременно.

4. Типы термопар

Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения. См. рисунок 4a и таблицу 4b. Чем больше амплитуда напряжения на выходе, тем выше разрешение измерения, что повышает повторяемость и точность результатов. Существуют соотношения между разрешением измерения и диапазоном температур, которые делают отдельные типы термопар подходящими для определенных диапазонов и применений.

Рисунок 4a - Зависимости э.д.с. термопары от температуры для широко используемых типов термопар

Таблица 4b - Подробная таблица термопар

нсх	Термоэлектрод	Сочетание металлов	Максимальная температура применения		Возможный диапазон температур
			°C	°F
B	р N	платинородий платинородий	1825	3320	от 0 до 1820°С от 32 до 3308°F
Е	Р N	хромель константан	1220	2230	от-270 до 1 000°С от-454 до 1832Т
J	Р N	Железо Константан	1220	2230	от-200 до 1200°С от -328 до 2192Т
К	Р N	Хромель алюмель	1400	2550	от-270 до 1372°С от-454 ДО2501Т
N	Р N	Нихросил нисил	1340	2440	от -270 до 1300°С от-454 до 2372Т
R	Р N	платинородий платина	1770	3215	от-50 до 1768°С от -58 до 3214°F
S	Р N	платинородий платина	1770	3215	от-50 до 1768°С от -58 до 3214°F
Т	Р N	медь константан	1080	1980	от-270 до 400°С от-454 до 752°F

 

КАКОВЫ ДИАПАЗОНЫ ИЗМЕРЯЕМЫХ ТЕМПЕРАТУР ДЛЯ ТЕРМОПАР?

Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения. Чем больше амплитуда напряжения на выходе, тем выше разрешающая способность измерения, что повышает повторяемость и точность результатов. Существуют соотношения между разрешением измерения и диапазоном температур, которые делают отдельные типы термопар подходящими для определенных диапазонов и применений.

Есть типы термопар, которые способны измерять очень низкие температуры, до - 270°C (-464°F), и другие типы, способные измерять температуры до 1768°C (3214°F).

 

4.1 Термопары типа K, хромель - алюмель

• Хромель (Chromel®) - это сплав, состоящий на 90% из никеля и на 10% из хрома, а Алюмель (Alumel®) - это сплав, содержащий 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния.

• Термопары типа K - одни из самых распространенных термопар общего назначения, имеющие чувствительность приблизительно 41 мВ/ °C. 

• Термоэлектрод из сплава Chromel® имеет положительный потенциал относительно термоэлектрода из сплава Alumel®.

• Это недорогие термопары, их диапазон измеряемых температур составляет от -270°C до +1372°C (от -454°F до +2501°F) и характеристика относительно линейна.

• Содержание никеля делает сплав магнитным и, как и в случае других магнитных металлов, выходной сигнал термопары отклоняется, когда материал достигает своей температуры Кюри, которая составляет примерно 350°C (662°F) для термопар типа K. Температура Кюри - это температура, при которой магнитный материал претерпевает серьезное изменение своих магнитных свойств, что вызывает существенное смещение выходного сигнала.

• Такие термопары можно использовать в постоянно окислительных или нейтральных средах.

• В основном они используются при температурах выше 538°C (1000°F)

• Воздействие серы приводит к преждевременному отказу термопар.

• Эксплуатация при определенных низких концентрациях кислорода вызывает отклонение

в работе, которое называется преимущественным окислением хрома в положительном термоэлектроде, что приводит к состоянию, которое принято называть “зеленой гнилью” и которое вызывает большой отрицательный уход калибровки, наиболее серьезно проявляющийся в диапазоне 816 - 1038 °C (1500 - 1900°F). Это состояние можно предотвратить / уменьшить с помощью вентиляции или инертного уплотнения защитной трубки.

• Не рекомендуется подвергать термопару воздействию температур, циклически меняющихся так, что они становятся выше и ниже 1000 °C (1800 °F), потому что в этом случае выходной сигнал меняется из-за эффектов гистерезиса.

СОВЕТ: Исторически сложилось так, что термопары типа K предлагается использовать всегда, если только нет причин для применения других типов термопар.

4.2 Термопара типа J, железо - константан

• Диапазон измеряемых температур термопар типа J уже, чем у термопар типа К, от -200 до +1200 °C (от 346 до 2193 °F), но у них выше чувствительность, которая составляет порядка 50 мкВ/ °C.

• Они имеют очень близкую к линейной характеристику в диапазоне от 149 до 427 °C (от 300 до 800 °F), а при температуре ниже 0 °C (32 °F) становятся хрупкими

• При температуре Кюри железа, которая составляет 770 °C (1418 °F), происходит резкое и имеющее постоянный характер измерение выходной характеристики, которое определяет практически достижимый верхний предел температуры.

• Железо подвержено окислению при температурах выше 538 °C (1000 °F), что отрицательно влияет

на точность термопар. В таких условиях следует использовать только проволоку крупного диаметра.

• Термопары типа J подходят для применения в вакууме, в восстановительной или инертной среде.

 

• При использовании в окислительной среде срок службы термопар сокращается.

• Оголенные элементы не должны подвергаться воздействию сред, в которых присутствует сера, при температурах выше 538°C (1000°F)

4.3 Термопары типа E, хромель - константан)

• Хромель - это сплав, состоящий из 90% никеля и 10% хрома, и из него изготавливается положительный термоэлектрод

• Константан - это сплав, обычно состоящий из 55% меди и 45% никеля

• Термопары типа E имеют диапазон измеряемых температур от -270 до 1000°C (от -454°F до 1832°F)

• Это немагнитные термопары, и они имеют наибольшее изменение выходного напряжения в зависимости от температуры среди всех стандартных типов термопар (68 мкВ/ °C)

• Они также имеют большую тенденцию к дрейфу показаний по сравнению с другими типами.

• Такие термопары рекомендуется использовать в постоянно окислительных или инертных средах.

• Пределы их погрешностей при использовании при температурах ниже нуля не установлены.

4.4 Термопары типа T, медь - константан

• Термопары типа T имеют чувствительность 38 мкВ/

°C и диапазон измеряемых температур от -270°C до 400°C (от -454°F до 752°F)

• Их можно использовать в окислительных, восстановительных или инертных средах, а также в вакууме

• Они имеют высокую стойкость к коррозии во влажной среде.

• Такие термопары демонстрируют хорошую линейность характеристики и обычно используются при температурах от очень низких (криогенных) до средних.

4.5 Термопары типа N, нихросил - нисил

• Нихросил - это никелевый сплав, содержащий 14,4% хрома, 1,4% кремния и 0,1% магния, и являющийся положительным плечом в термопаре

• Нисил - это сплав никеля и 4,4% кремния

• Термопара типа N - это самая новая конструкция, одобренная международными стандартами, и ее применение во всем мире растет.

• Эти сплавы позволяют термопарам типа N достигать значительно более высокой термоэлектрической стабильности, чем у термопар из основных металлов типа E, J, K и T.

• Термопары типа N имеют чувствительность 39 мкВ/

°C и возможный диапазон температур от -270°C до 1300Т(от -454 °F до 2372 °F)

• Термопары типа N надежно эксплуатировались в течение продолжительного времени при температурах по крайней мере до 1200 °C (2192 °F)

• Некоторые исследования показали, что в окислительных средах термоэлектрическая стабильность термопар типа N примерно такая же, как у термопар из благородных металлов типа R и S при температурах примерно до 1200 °С (2192 °F)

• Термопары типа N не следует использовать в вакууме или восстановительных средах, или в средах которые меняются с восстановительных на окислительные.

4.6 Термопары типов R и S, платинородий-платина

• Термопары типа R (платина-13% родия / платина) и типа S (платина-10% родия / платина) имеют возможный температурный диапазон от -50 до 1768°C (от 58°F до 3214°F)

• Оба эти типа имеют чувствительность порядка 10 мкВ/ °C и таким образом не подходят для применения при низких температурах, где лучше использовать другие типы.

• Поскольку они изготавливаются из платинового сплава, они достаточно дорогие и обычно используются при очень высоких температурах, где другие термопары работают плохо.

• Благодаря высокой стабильности, термопары типа S используются для определения Международной температурной шкалы между точкой замерзания сурьмы (630,5°C / 1166,9°F) и точкой плавления золота (1064,43°C (1945,4°F))

• Для правильной установки требуется, чтобы термопара была защищена неметаллической защитной трубкой и керамическими изоляторами.

• Длительное воздействие высоких температур вызывает рост зерен металла и может привести

к механическому отказу и отрицательному уходу показаний из-за диффузии родия в термоэлектрод из чистой платины, а также из-за улетучивания родия.

• Вообще термопары типа R используются в промышленности, а термопары типа S в основном используются в лабораториях.

4.7 Термопары типа B, платинородий - платинородий

• Термопары типа B (платина-30% родия / платина-6% родия) имеют возможный диапазон температур примерно от 0 °C до 1820 °C (от 32 °F до 3308 °F).

• Термопары типа B обычно размещаются в чистом воздухе / окислительных средах, но не должны подвергаться воздействию восстановительных сред.

• Повышенное содержание родия в термопарах типа B помогает уменьшить рост зерна, позволяя несколько увеличить температурный диапазон по сравнению с термопарами типа R и S..

5. Стандарты на цвета проводников термопар

Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа

термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.

СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.

6. Удлинительные провода

Удлинительные провода используются либо для связи термопар с системой управления / контроля, либо для соединения их с удаленным измерительным преобразователем. Удлинительные провода термопар, за очень редким исключением, выполняются из того же металла, что и провода термопар. Если металлы не соответствуют друг другу, на каждом конце удлинительного провода создаются дополнительные холодные спаи, которые существенно влияют на измерение температуры. На рисунке 6a видно, что если медные провода используются для подключения термопары, создается «предварительный холодный спай», который может вызывать значительную погрешность, существенно варьирующуюся с изменением температуры окружающей среды вокруг спая 1. Измеряемое напряжение термопары с медными удлинительными проводами не равно измеряемому напряжению термопары с правильными удлинительными проводами. Фактически, если используются медные удлинительные провода, почти невозможно получить какую-либо температуру технологического процесса с приемлемой точностью по измеряемому напряжению.

Рисунок 6a - Несколько спаев, появляющихся при использовании разнородных удлинительных проводов

 

Таблица 5a - Международная кодировка цветов изоляции термопар

Тип термопары	Североамериканский стандарт ASTM Е230		Международный стандарт IEC 60584	Стандарт Великобритании BS 1843	Немецкий стандарт DIN 43710	Японский стандарт JIS С1610	Французский стандарт NFC 42-324
	Цвет проводов термопары	Цвет удлинительных проводов
В	не применяется не применяется не применяется	- Проводник: Красный + Проводник: Серый Оболочка: Серый	- Проводник: Белый + Проводник: Серый Оболочка: Серый	не применяется не применяется не применяется	- Проводник: Серый + Проводник: Красный Оболочка: Серый	- Проводник: Серый + Проводник: Красный Оболочка: Серый	не применяется не применяется не применяется
Е	- Проводник:Красный + Проводник: Пурпурный Оболочка: Коричневый	- Проводник: Красный + Проводник: Пурпурный Оболочка: Пурпурный	- Проводник: Белый + Проводник: Пурпурный Оболочка: Пурпурный	- Проводник: Синий + Проводник: Коричневый Оболочка: Коричневый	- Проводник: Чёрный + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Пурпурный	- Проводник: Пурпурный + Проводник: Желтый Оболочка: Пурпурный
J	- Проводник:Красный + Проводник: Белый Оболочка: Коричневый	- Проводник: Красный + Проводник: Белый Оболочка: Чёрный	- Проводник: Белый + Проводник: Чёрный Оболочка: Чёрный	- Проводник: Синий + Проводник: Желтый Оболочка: Чёрный	- Проводник: Синий + Проводник: Красный Оболочка: Синий	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Желтый	- Проводник: Чёрный + Проводник: Желтый Оболочка: Чёрный
К	- Проводник:Красный + Проводник: Желтый Оболочка: Коричневый	- Проводник: Красный + Проводник: Желтый Оболочка: Желтый	- Проводник: Белый + Проводник: Зеленый Оболочка: Зеленый	- Проводник: Синий + Проводник: Коричневый Оболочка: Красный	- Проводник: Зелёный + Проводник: Красный Оболочка: Зелёный	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Синий	- Проводник: Пурпурный + Проводник: Желтый Оболочка: Желтый
N	- Проводник:Красный + Проводник: Оранжевый Оболочка: Коричневый	- Проводник: Красный + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	- Проводник: Белый + Проводник: Розовый Оболочка: Розовый	- Проводник: Синий + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	не применяется не применяется не применяется	не применяется не применяется не применяется	не применяется не применяется не применяется
R	не применяется не применяется не применяется	- Проводник: Красный + Проводник: Чёрный Оболочка: Зелёный	- Проводник: Белый + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	- Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Зелёный	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Белый	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	- Проводник:Зелёный + Проводник: Желтый Оболочка: Зелёный
S	не применяется не применяется не применяется	- Проводник: Красный + Проводник: Чёрный Оболочка: Зелёный	- Проводник: Белый + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	- Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Зелёный	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Белый	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	- Проводник:Зелёный + Проводник: Желтый Оболочка: Зелёный
Т	- Проводник:Красный + Проводник:Синий Оболочка: Коричневый	- Проводник: Красный + Проводник: Синий Оболочка: Синий	- Проводник: Белый + Проводник: Коричневый Оболочка: Коричневый	- Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Синий	- Проводник: Коричневый + Проводник: Красный Оболочка: Коричневый	- Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Коричневый	- Проводник: Синий + Проводник: Желтый Оболочка: Синий

 

В некоторых случаях, когда экономические соображения могут не позволять использовать дорогостоящие удлинительные провода из редких металлов, таких как платиновые сплавы, используемые в термопарах типа R, S и B, можно использовать в узком диапазоне менее дорогие медные сплавы, которые имеют э.д.с., похожую на э.д.с. самой термопары. Такие выводы называются «компенсационными проводами» и они несколько снижают вышеуказанную погрешность.

Совет: Имеется множество факторов, отрицательно влияющих на измерения с помощью дистанционно смонтированных термопар, включая

- возможные погрешности, которые могут вноситься в измерение с помощью термопар из-за ЭМП и РЧП при применении удлинительных проводов или компенсационных проводов,

- стоимость специальных проводов,

- стоимость замены удлинительных проводов термопар на регулярной основе

- возможность ошибок при подключении проводов из-за несоблюдения цветовой кодировки.

Учитывая все это, настоятельно рекомендуется применять измерительные преобразователи, монтируемые непосредственно на первичный преобразователь, везде, где это возможно.

7. Способы монтажа

Так как термопары изготавливаются с использованием таких же размеров , что и ТС, описанные выше способы монтажа применимы и к термопарам. См. п. 3.2.3.3 выше в разделе, посвященном ТС.

8. Точность термопар

На точность термопар влияют несколько факторов, включая тип термопары, ее диапазон измеряемых температур, чистоту

материала, электрические шумы (ЭМП и РЧП), коррозию, ухудшение свойств спая и процесс изготовления. Термопары выпускаются со стандартным классом допуска или специальным классом допуска, которые называются классом 2 и классом 1, соответственно. Наиболее часто применяемым международным стандартом является IEC-60584-2. В США чаще всего применяется стандарт ASTM E230. Каждый стандарт устанавливает пределы допусков, которым должны соответствовать изделия. См. таблицу 8a и таблицу 8b.

Таблица 8a - Требования к допускам термопар для обеспечения соответствия стандарту IEC 60584-2

Типы		Класс точности 1	Класс точности 2	Класс точи ости 3 1)
Тип Т	Температурный диапазон	-40 °С до +125 °С	-40 °С до+133 °С	-67 °С до +40 °С
	Точность	±0.5° С	±1 °С	±1 °С
	Температурный диапазон	125 °С до 350 °С	133 °С до 350 °С	-200 °С до -67 °С
	Точность	±0.004 • | t |	±0.0075 • | t |	±0.015- | t |
Тип Е	Температурный диапазон	-40 °С до +375 °С	-40 °С до +333 °С	-167 °С до +40 °С
	Точность	±1.5 °С	±2.5 °С	±2.5 °С
	Температурный диапазон	375 °С до 800 °С	333 °С до 900 °С	-200 °С до-167 °С
	Точность	±0.004 • | t |	±0.0075 • | t |	±0.015- | t |
Тип J	Температурный диапазон	-40 °С до +375 °С	-40 °С до +333 °С	—
	Значение допуска	±1.5 °С	±2.5 °С	—
	Температурный диапазон	375 °С до 750 °С	333 °С до 750 °С	—
	Значение допуска	±0.004 • | t |	±0.0075 • | t |	—
Тип К, Тип N	Температурный диапазон	0°С до 1100 °С	-40 °С до +333 °С	-167 °С до +40 °С
	Точность	±1 °С	±2.5 °С	±2.5 °С
	Температурный диапазон	1100°С до 1600°С	333 °С до 1200 °С	-200 °С до-167 °С
	Точность	±[1 +0,003 (t-1100)] °с	±0.0075 • | t |	±0.015- | t |
Тип R, тип S	Температурный диапазон	0°С ДО 1100 °С	0 °С до +600 °С	—
	Точность	±1 °с	±1.5 °С	—
	Температурный диапазон	1100°С до 1600°С	600 °С до 1600 °С	—
	Точность	±[1 +0,003 (t-1100)] °с	±0.0025 • | t |	—
Тип В	Температурный диапазон	—	—	600 °С до 800 °С
	Точность	—	—	+4 °С
	Температурный диапазон	—	600 °С до 1700 °С	800 °С до 1700 °С
	Точность	—	±0.0025 • | t |	±0.005- | t |

1) Материалы термопар обычно поставляются таким образом, чтобы они отвечали производственным допускам, указанным в таблице для температур выше -40 °C. Однако эти материалы могут не укладываться в производственные допуски при низких температурах, указанных в колонке класса 3 для термопар типа T, E, K и N . Если требуется, чтобы термопары соответствовали предельным значениям класса 3, а также класса 1 или 2, заказчик должен указать это, поскольку в этом случае обычно требуется выбирать материалы

 

Допуски на значения э.д.с. в зависимости от температуры для термопар

ПРИМЕЧАНИЕ 1 - Допуски в этой таблице применяются к новым, практически однородным проводам термопар, обычно имеющим диаметр в диапазоне 0,25 - 3 мм и используемым при температуре, не превышающей рекомендуемые предельные значения таблицы 6 . Если изделия используются при более высоких температурах, эти допуски могут оказаться неприменимы.

ПРИМЕЧАНИЕ 2 - При данной температуре, указанной в градусах °C, точность, указанная в °F, в 1,8 раза больше, чем точность, указанная в °C. В тех случаях, когда точность указывается в процентах, значение в процентах применяется к измеряемой температуре, выражаемой в градусах Цельсия. Чтобы определить точность в градусах Фаренгейта, умножьте точность в градусах Цельсия на 9/5.

ПРИМЕЧАНИЕ 3 - Внимание: Пользователи должны иметь информацию об определенных характеристиках материалов термопар, включая то, что зависимость э.д.с. от температуры может меняться со временем; следовательно, результаты испытаний и эксплуатационные характеристики, полученные на момент изготовления, не обязательно могут оставаться постоянными в течение всего продолжительного периода эксплуатации. Точности, указанные в этой таблице, применимы только к новым проводам, поставленным пользователю, и не учитывают изменений характеристик в ходе эксплуатации. Величина такого изменения будет зависеть от таких факторов, как размер термоэлектрода, температура, время воздействия и окружающая среда. Кроме того, следует заметить, что ввиду возможных изменений однородности, попытка повторной калибровки бывших в эксплуатации термопар вероятнее всего даст неправильные результаты, и проводить ее не рекомендуется. Но может оказаться целесообразным сравнение бывшей в употреблении термопары на месте с новыми или гарантированно обладающими хорошими точностными характеристиками термопарами, чтобы убедиться в ее пригодности для дальнейшей эксплуатации в условиях, в которых проводилось сравнение.

Таблица 8a - Требования к допускам термопар для обеспечения соответствия стандарту ASTM E230-11

	Температурный диапазон		Точность- эталонный спай при 0 °С [ 32 °F ]
Тип термопары	°С	°F	Допустимое отклонение		Специальные допуски
			°С (в зависимости от того, что больше)	°F	°С (в зависимости от того, что больше)	°F
T J *Е К или N R или S В	от 0 до 370	от 32 до 700	±1,0 или ±0,75%	Примечание 2	±0,5 или ±0,4%	Примечание 2
	от 0 до 760	от 32 до 1400	±2,2 или ±0,75%		±1,1 или ±0,4%
	от 0 до 870	от 32 до 1600	±1,7 или ±0,5%		±0,01 °С или ±0.,4%
	От 0 до 1260	от 32 до 2300	±2,2 °С или ±0,75%		±1,1 Тили ±0,4%
	от 0 до 1480	от 32 до 2700	±1,5 °С или ±0,25%		±0,6 °С или ±0,1%
	от 870 до 1700	от 1600 до 3100	±0,5%		±0,25%
С	От 0 до 2315	от 32 до 4200	±4,4 или 1%	Примечание 2	Применимо примечание
ТA *EA КA	от -200 до 0	от -328 до 32	±1,0 или ±1.5%		В
	от -200 до 0	от -328 до 32	±1,7 или ±1%		В
	от -200 до 0	от -328 до 32	±2,2 или ±2%		В

* Указанные стандартные допуски не применимы к термопарам типа E с минеральной изоляцией, с металлической оболочкой (MIMS). Стандартные допуски для термопар MIMS типа E соответствуют большему из значений ±2,2 °C или ±0,75% в диапазоне от 0 до 870 °C и большему из значений ±2,2 °C или ±2% в диапазоне от -200 до 0 °C.

A Термопары и материалы термопар обычно поставляются таким образом, чтобы они соответствовали допустимым отклонениям, указанным в таблице для температур выше 0 °C. Однако эти же материалы могут не укладываться в допуски при температурах ниже 0 °C во второй части таблицы. Если требуется, чтобы материалы соответствовали допускам, указанным для температур ниже 0° C, покупатель должен указать это при оформлении заказа. Обычно в этом случае требуется подбор материалов.

B Специальные допуски для температур ниже 0 °C трудно подтвердить ввиду ограниченного объема имеющейся информации.

Тем не менее, при обсуждении поставки между покупателем и поставщиком рекомендуется руководствоваться следующими значениями для термопар типа E и T :

Тип E, от -200 до 0 °C, ±1,0 °C или ±0,5% (в зависимости от того, что больше)

Тип Т, от -200 до 0 °C, ±0,5 °C или ±0,8% (в зависимости от того, что больше)

Начальные значения допуска для термопар типа J при температурах ниже 0 °C и специальных допусков для термопар типа K при температурах ниже 0 °C не указаны из-за характеристик материалов. Данных по термопарам типа N при температурах ниже 0 °C в настоящее время нет.

Быстродействие измерения

Динамическое быстродействие первичного преобразователя может быть важно, если температура технологического процесса меняется быстро и в систему управления необходимо подавать быстро меняющиеся входные сигналы. Первичный преобразователь, установленный непосредственно в технологическую линию, будет иметь большее быстродействие, чем первичный преобразователь с защитной гильзой.

Важно отметить, что если никакой защитной гильзы не применяется, чувствительный элемент подвергается воздействию среды технологического процесса и его невозможно заменить, не прерывая потока, для чего часто требуется останавливать технологический процесс и опорожнять технологическую систему. Указания по проектированию на большинстве производств не позволяют использовать первичные преобразователи без защитных гильз. Такие установки гораздо менее безопасны с точки зрения возможной разгерметизации технологических установок, в них возможны более частые выходы из строя первичных преобразователей из-за воздействия неблагоприятных условий технологического процесса, и они часто требуют дорогостоящих остановок технологического процесса для замены отказавшего первичного преобразователя. Применение защитных гильз решает эту проблему.

Но если используется защитная гильза, очевидно, что время реакции увеличивается (быстродействие уменьшается) из-за возрастания тепловой массы узла. Ключом к оптимизации быстродействия является уменьшение массы при сохранении достаточной физической прочности, чтобы узел выдерживал давление технологического процесса и силы, создаваемые потоком среды. Защитные гильзы меньшего диаметра обеспечивают более высокое быстродействие, так как требуется нагревать и охлаждать меньшее количество материала. Также важно правильно установить первичный преобразователь, чтобы добиться высокого быстродействия. Первичный преобразователь должен быть достаточно длинным, чтобы его конец касался дна защитной гильзы для обеспечения хорошей теплопроводности. Диаметр первичного преобразователя также должен быть таким, чтобы он плотно входил в защитную гильзу и воздушный зазор между первичным преобразователем и защитной гильзой был минимален. Кроме того, быстродействие улучшается путем использования подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем. Характеристики измеряемой среды также влияют на быстродействие, особенно ее скорость потока и плотность. Быстро движущаяся среда передает тепло и меняющуюся температуру лучше, чем медленно движущаяся, а более плотные среды (жидкости) являются лучшими проводниками тепла, чем среды с малой плотностью (газы).

Сравнение быстродействия систем измерения температуры, использующих термопару без защитной гильзы или ТС без защитной гильзы в системе с текущей водой показало, что заземленный конец термопары имеет быстродействие примерно в 2 раза выше, чем подпружиненный датчик ТС. При измерениях в потоке воздуха ТС работает несколько быстрее, чем термопара.

Однако эти преимущества существенно нивелируются, если не исчезают полностью, когда первичный преобразователь устанавливается в защитную гильзу. Масса защитной гильзы настолько велика по сравнению с массой первичного преобразователя, что она очевидно оказывает доминирующее влияние на быстродействие системы.

При использовании первичного преобразователя диаметром 6 мм (1/4 дюйма) в системе измерения температуры воды, быстродействие термопары и ТС примерно одинаковое, а при использовании первичного преобразователя диаметром 3 мм, термопара несколько быстрее, чем ТС. При измерении температуры воздуха быстродействие термопар и ТС примерно одинаковое при использовании как 3-миллиметровых (1/8 дюйма), так и 6-миллиметровых первичных преобразователей.

Поскольку в очень малом количестве технологических процессов используются для измерения первичные преобразователи без защитных гильз, изначально присущее термопарам преимущество в быстродействии значительно нивелируется. Вдумчивый разработчик выбирает наилучший первичный преобразователь для данной системы, основываясь на множестве других факторов, и не руководствуется вводящими в заблуждение утверждениями, которые можно слышать так часто: «термопары всегда быстрее, чем ТС».

Многоточечные первичные преобразователи и первичные преобразователи для измерения температурного профиля

Многоточечные первичные преобразователи температуры для измерения температурного профиля измеряют температуры в различных точках вдоль линии. Они нашли широкое применение в химической и нефтехимической отраслях для снятия распределения температур в баках, реакторах, установках каталитического крекинга и дистилляционных установках или колоннах фракционирования. Многоточечные первичные преобразователи температуры для снятия распределения температуры обеспечивают экономичное, легко устанавливаемое и обслуживаемое решение сбора данных.

Эти первичные преобразователи для снятия распределения температуры способны обеспечивать измерение в нескольких точках, от 2 до 60, в одной защитной трубке с одной точкой ввода в установку. Первичными преобразователями могут быть либо датчики ТС, либо термопары, в зависимости от требований конкретной системы. Полные данные см. в листах технических данных поставщиков, а также см. главу 9, где приведены некоторые примеры применения таких первичных преобразователей.

Заключение

В этой главе мы подробно рассмотрели теорию, расчет, конструкцию, установку и эксплуатацию двух первичных преобразователей температуры, наиболее широко применяемых в промышленных технологических процессах - термопреобразователей сопротивления и термопар. Из сказанного выше о точности и эксплуатационных характеристиках каждого из типов первичных преобразователей можно сделать вывод, что существует множество факторов, влияющих на принятие решения, которые необходимо учитывать при выборе правильного первичного преобразователя для конкретной системы.

В некоторых системах с высокими температурами термопары являются единственным возможным решением, а в других системах могут работать любые первичные преобразователи. При принятии решения следует руководствоваться и другими соображениями, включая требуемую точность системы измерения, эксплуатационные характеристики при длительной эксплуатации и стоимость эксплуатации.