Волковой М.С. Метрология

221

3.3.3. Промышленные датчики температуры

Промышленные термопары

Термопары промышленного типа выпускаются в РФ в соответствии с ГОСТ 6616, градуировочные таблицы термопар даны в ГОСТ 3044, а также в стандарте СТ СЭВ 1059. Типы промышленных термопар, их обозначения и основные параметры приведены в табл. 3.5 [6].

								Таблица 3.5
Материал			Тип термопары		Пределы измерения, С			ТермоЭДС, мВ,
термоэлектродов			СТСЭВ	ГОСТ	длительно		кратко-	при температуре
						временно		холодного спая
								0 С, горячего
								спая 100 С
Железо-медно-			1	–	–200…+400		–	5,3
никелевый
Хромель-копель			–	ТХК	–50…+600		800	6,9
Хромель-медно-			Е	–	–100…+700		900	–
никелевый
Хромель-алюмель			К	ТХА	–200…+1000		1300	4,1
Платинородий (10	%)	–	S	ТПП	0…+1300		1600	0,64
платина
Платинородий (30	%)	–	В	ТПР	+300…+1600		1800	0,4
платинородий (6 %)
Вольфраморений (5 %) –			–	ТВР	0…+2200		2500	1,3
вольфраморений (20 %)
Для измерения температур ниже –50 С могут							найти	применение

специальные термопары, например медь-константан (до –270 С), медькопель (до –200 С) и др. Для измерения температур выше 2 500 С изготовляются термопары на основе карбидов металлов – титана, циркония, ниобия, галия, гафния (теоретически до 3 000–3 500 С) и углеродистых и графитовых волокон.

Конструкция платинородий-платиновой термопары, предназначенной для измерения температуры воздуха и инертных газов, приведена на рис. 3.66,а. Рабочий спай термопары открыт. Термоэлектроды представляют собой проволоку диаметром 0,3 или 0,5 мм и изолированы друг от друга керамическим изолятором. Керамические трубки служат защитной арматурой. Термопары выполняются длиной L = 40–1000 мм, выводы имеют длину l = 20 или 50 мм. Внешний диаметр d составляет до 4 мм.

222

а

б

Рис. 3.66. Конструкции термопар

Конструкция термопары промышленного типа приведена на рис. 3.66,б. Это термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, размещенных в составной защитной трубе с подвижным фланцем 5 для ее крепления. Термоэлектроды электрически изолированы бусами 4. Защитная труба состоит из рабочего 3 и нерабочего 6 участков. Передвижной фланец крепится к трубе винтом. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Головка термопары имеет литой корпус 7 с крышкой 11, закрепленной винтами 10. В головке закреплены фарфоровые колодки 8 с плавающими зажимами 12, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений. Термоэлектроды крепятся к зажимам винтами 13, внешние соединительные провода – винтами 14. Соединительные провода проходят через штуцер 9 с асбестовым уплотнителем.

Постоянная времени различных типов промышленных термопар составляет от 5 до 180 с.

223

Промышленные терморезисторы

Промышленные терморезисторы выпускаются в РФ двух типов – платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Основные характеристики приведены в табл. 3.6 Типы термометров, отмеченные скобками, применять не рекомендуется.

				Таблица 3.6
	Тип	Номинальное	Обозначение	Диапазон температур,
	термо-	сопротивле-	градуировочной	С
	метра	ние при 0 С	характеристики
		1	1П	–50…+1100
		5	5П	–100..+1100
	ТСП	10	10П	–200…+1000
		(46)	(Гр 21)	–260…+1000
		100	100П	–260…+1000
		500	500П	–260…+300
		50	50П	–260…+1000
		50	50М	–50…+200
	ТСМ	(53)	(Гр 23)	–50…+180
		100	100М	–200…+200
		10	10М	–50…+200

Терморезисторы выпускаются нескольких классов точности. Для существующих классов точности допустимые отклонения сопротивления R0 при температуре 0 С приведены в табл. 3.7.

		Таблица 3.7
Тип	Класс
термометра	точности	R / R0, %
	I	0,05
ТСП	II	0,1
	III	0,2
	IV	0,4
	V	0,8
	I	–
ТСМ	II	0,1
	III	0,2
	IV	0,5
	V	1,0

224

Градуировочные характеристики термометров в сокращенном объеме приведены в табл. 3.8. Численные значения сопротивлений для кратных градуировок получаются соответственно умножением или делением на 10.

Таблица 3.8

Обозначение				Сопротивление термометра, Ом при температуре, С
градуировки		–260		–200		–150		–100		–50			–20	0		20		40
100 П		0,406		17,307		38,799	59,621		79,983			92,032		100,00		107,919		115,791
50 П		0,203		8,654		19,399	29,810		39,991			46,016		50,000		53,959		57,895
100 М				12,160		34,180	56,610		78,480		91,420			100,000		108,563		117,124
50	М								39,240			45,710		50,000		54,281		58,562
Гр 23									41,71			48,48		53,000		57,52		62,03
Гр 21				7,98		17,85	27,44		36,80			42,34		46,000		49,64		53,26
		60		80		100		150		200			300		400		500		600
100 П		123,613	131,388		139,113			158,221		177,033			213,779		249,358		283,760		316,960
50 П		61,806		65,694		69,556		79,110		88,516			106,889		124,679		141,880		158,480
100 М		125,684	134,242		142,800			164,192		185,583			–		–		–		–
50 М		62,842		67,121		71,400		82,096		92,791			–		–		–		–
Гр 23		66,55		71,06		75,58		86,87		–			–		–		–		–
Гр 21		56,86		60,43		63,99		72,78		81,43			98,34		–		–		–
		700		750		800		850		900			950		1000		1050		1100
100 П		348,931	364,470		379,719			394,672		409,333			423699		437,776		451,555		465,052
50 П		174,465	182,235		189,859			197,336		204,666			211,849		218,888		225,777		432,526
100 М		–		–		–		–		–			–		–		–		–
50 М		–		–		–		–		–			–		–		–		–
Гр 23		–		–		–		–		–			–		–		–		–
Гр 21		–		–		–		–		–			–		–		–		–

Термометры могут выпускаться одинарные и двойные – по числу терморезисторов в одной зоне. Если терморезисторы расположены в разных зонах, то термометр называется многозонным. По числу выводных проводников термометры выпускаются с двумя, тремя и четырьмя выводами для включения их в измерительную цепь двух-, трех-, четырехпроводной линией соответственно. Под действием тока, протекающего по терморезистору и вызывающему его нагрев, сопротивление терморезистора не должно меняться на величину, большую 0,1 % его номинального значения при 0 С; ток при этом выбирается из ряда 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0 мА.

Конструкция промышленного терморезистора типа ТСП, предназначенного для измерения температуры газообразных или жидких химически нагреваемых и агрессивных сред в диапазоне температур от –50 до +250 С, приведена на рис. 3.67. Чувствительный элемент 1 платинового термометра представляет собой керамический каркас, в каналы которого помещена спираль из платиновой проволоки. Концы спирали приварены к

225

выводам, через которые чувствительный элемент соединен с трехжильным кабелем. Каналы каркаса заполнены керамическим порошком, торцы герметизируются глазурью. Защитная арматура 2 термометра представляет собой сварную конструкцию из стальной трубы и штуцера. Место соединения чувствительного элемента с кабелем закрывается колпаком 4, ввинчиваемым в верхнюю часть штуцера 3, и заливается компаундом.

Рис. 3.67. Конструкция промышленного платинового терморезистора типа ТСП

Постоянная времени промышленных термометров составляет 10–60 с. Исключение составляют термометры, предназначенные для измерения температуры газа. Для них показатель тепловой инерционности определяется как постоянная времени при погружении термометра в поток воздуха, имеющего постоянную скорость 0,5 м/с.

3.3.4. Промышленные термопреобразователи

Промышленная группа «Метран» выпускает термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом типа ТХАУ Метран-271, ТСМУ Метран-274, ТСПУ Метран-276 [23]. Указанные преобразователи предназначены для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Это дает возможность построения автоматических информационных систем и систем управления технологическими процессами без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Электронный преобразователь встраивается в головку датчика. Напряжение питания от 18 до 42 В постоянного тока, выходной сигнал 0–5 мА, 4–20 мА, потребляемая мощность 0,9 Вт. Предел допускаемой основной погрешности % составляет 0,25; 0,5; 1,0, зависимость выходного сигнала от температуры линейная. Сопротивление нагрузки для выходного тока 0–5 мА – 1000 Ом, для выходного тока 4–20 мА – 500 Ом. Рассмотрим некоторые серийные преобразователи температуры на примере продукции группы «Метран».

Рис. 3.68. Внешний вид ИПТ

226

Интеллектуальные преобразователи температуры (ИПТ) Метран-281, Метран-286

Интеллектуальные преобразователи температуры (ИПТ) Метран-280, Метран-281, Метран-286, приведенные на рис. 3.68, предназначены для точных измерений температуры нейтральных, а также агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является корро- зийно-стойким. Сигнал первичного преобразователя температуры преобразуется в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4–20 мА с наложенным на него цифровым сигналом HART версии 5 с физическим интерфейсом Bell-202 с помощью электронного модуля, встроенного в корпус первичного преобразователя.

Для передачи сигнала на расстояние используются двухпроводные токовые линии. Коммуникационный протокол HART обеспечивает двусторонний обмен информацией между Метран-281 (Метран-286) и управляющими устройствами: ручным портативным HART-коммуникатором (Метран-650), компьютером, оснащенным HART-модемом (Метран-681) и программой H-Master; любым средством управления HART полевыми устройствами, например коммуникатором НС275.

Управление ИПТ осуществляется дистанционно, при этом обеспечивается настройка датчика:

–выбор его основных параметров;

–перестройка диапазонов измерений;

–запрос информации о самом ИПТ (типе, модели, серийном номере, макс. и мин. диапазонах измерений, фактическом диапазоне измерений).

В Метране-280 реализовано три единицы измерения температуры:

–градусы Цельсия, С;

–градусы Кельвина, К;

–градусы Фаренгейта, F.

Пределы допускаемой основной погрешности:

– Метран-281:

аналогового сигнала 0,75–2,5 С, цифрового сигнала 0,5–2 С;

– Метран-286:

аналогового сигнала 0,3–0,7 С, цифрового сигнала 0,25 С. Нормальные статические характеристики:

– Метран-281 – К;

227

– Метран-286 – 100 П.

+

Rн

Метран-281

1

+

БП

220 В, 50 Гц

–

–

Метран-286

2

Коммуникатор

Метран-650

Рис. 3.69. Схема внешних соединений ИПТ

Напряжение питания от 18 до 42 В постоянного тока, потребляемая мощность 0,5–0,9 Вт.

На рис. 3.69 представлена схема внешних соединений ИПТ.

Управляющие устройства ИПТ

Коммуникатор Метран-650 – портативное устройство, предназначенное для считывания информации, удаленной настройки и конфигурирования ИПТ, поддерживающий HART-протокол. Структурная схема коммуникатора приведена на рис. 3.70.

	Входной		Клавиатура		Индикатор
	буфер

HART-

сигнал HART- Микропроцессор модем

		Стабилизаторы
Выходной
		напряжения
буфер

Штеккер

питания Зарядное Автономный устройство источник питания

Рис. 3.70. Структурная схема коммуникатора Метран-650

Основной частью коммуникатора является микропроцессор, который обрабатывает принятую от интеллектуальных датчиков информацию,

228

управляет режимами работы всех остальных составных частей, следит за состоянием автономного источника питания.

3.3.5. Измерительные цепи термопар с ненормированным выходным сигналом

Для измерения термоЭДС термопар применяются милливольтметры непосредственного измерения, электронные потенциометры компенсационного метода измерения и электронные аналоговые или цифровые преобразователи термоЭДС в нормированный сигнал ГСП или цифровой код.

Милливольтметр регулирующий

Схема прибора состоит из измерительной и регулирующей частей. На рис. 3.71,а представлена измерительная часть схемы регулирующего милливольтметра.

Термопара ТП установлена на объекте, милливольтметр – в операторной. Последовательно с рамкой подвижной части милливольтметра Rp включен термистор Rптр, зашунтированный манганиновым резистором Rш с целью выравнивания чувствительности к температуре термистора и чувствительности к температуре медной рамки прибора. При этом входное сопротивление измерительной части будет постоянным при изменении температуры окружающей среды.

На стрелке милливольтметра закрепляется легкий алюминиевый флажок 1. Для регулирования температуры объекта в прибор ставится ручка установки температуры (РУТ), на которой закрепляются с некоторым зазором катушки 1 и 2. Ось РУТ совпадает с осью стрелки. При совпадении угла поворота стрелки и РУТ алюминиевый флажок войдет в зазор между катушками.

Для компенсации погрешности термоЭДС термопары от температуры свободных концов, не равной нулю, в схему включен мост R1R2R3Rтс с делителем R4R5,R6,R7, на котором формируется U. Неравновесие моста определяется медным резистором, измеряющим температуру в помещении t2. При положительной t2 поправка U суммируется с ЭДС термопары,

т.е. UmV = T + U. При отрицательной t2 поправка вычитается UmV = T –

– U. При температуре t2 = 0 мост уравновешен.

Катушки 1, 2 включены в регулирующую часть схемы милливольтметра (рис. 3.71,б). На транзисторе Т1 собрана схема генератора с положительной обратной связью. При включении питания и несовпадении стрелки с РУТ генератор возбуждается на частоте нескольких МГц. Напряжение генератора через паразитную емкость С2 поступает на базу транзистора Т2, на котором собран резистивный усилитель. На резисторе R3

			229
формируется падение напряжения, его открывает транзистор Т3, на кото-
ром собрана схема усилителя мощности. Реле Р срабатывает, замыкая цепь
питания регулируемого объекта (РО). При этом температура РО увеличи-
вается, растет термоЭДС, растет угол отклонения стрелки mV. При совпа-
дении стрелки с углом установки РУТ алюминиевый флажок войдет в за-
зор между катушками 1 и 2, индуктивная связь между ними резко умень
шится, генерация сорвется, транзисторы Т2					и Т3 закроются, реле Р разомк-
нет цепь питания РО. Далее РО будет охлаждаться, термоЭДС уменьшит-
ся, уменьшится угол отклонения стрелки, алюминиевый флажок выйдет из
зазора между катушками 1		и 2, генератор возбудится, реле Р сработает.
			1
Rптр						РУТ
Rш		Rр		1	2
ТП			R4		R1	R2
						UПст
			R5	RТС		R3
			R6
U
			R7
			а
						+ИП
				R3		T3
R1
				R4
		C1
2	1
			C2			Р
R2		T1		T2
			б
Рис. 3.71. Схема милливольтметра: а – измерительная часть; б – регулирующая часть

230

Таким образом, будет осуществляться двухпозиционное релейное регулирование температуры РО.

Электронный потенциометр

Автоматический компенсатор ПС-01

EТП E(t)

U

Rр

Рис. 3.72. Структурная схема электронного потенциометра

Структурная схема потенциометра ПС-01, показанная на рис. 3.72, реализует следящую измерительную систему, где случайная величина есть изменение температуры на объекте. Элемент сравнения следящей системы реализован измерительным мостом и термопарой, ЭДС которой уравновешивается неуравновешенным мостом. Преобразователь напряжения (ПН) преобразует медленно меняющееся знакопеременное напряжение с выхода элемента сравнения в переменное напряжение управления РД. На обмотку возбуждения РД подведено переменное напряжение через конденсатор С. РД вращается только при появлении напряжения на обмотке управления. Если фазы напряжений совпадают, то РД вращается по часовой стрелке, если нет – против. Питание измерительного моста осуществляется от стабилизированного источника питания (ИПС). При измерении на выходе элемента сравнения U ≠ 0 и РД через механическую связь перемещает движок реохорда измерительного моста до момента, когда Етп = Uк. Показания температуры считываются по шкале реохорда. Настройка измерительного моста выполняется с помощью резистора Rш для шунтирования реохорда (Rш = 90 Ом), резисторов R2, R4 для сдвига шкалы вправо или влево, резистора R3 для растяжения и сжатия шкалы.

Для компенсации погрешности от изменения температуры свободного спая термопары введен термистор Rt. Здесь трехпроводной линии связи не требуется, т.к. Rt располагается у клемм подключения дополнительных электродов термопары к прибору (холодный спай термопары).

Для формирования источника тока по отношению к термистору необходимо выбирать R1 >> Rt. По методу контурных токов запишем