Практические рекомендации по измерению температуры

В процессе промышленного нагрева, мониторинг температуры зачастую играет ключевую роль по ряду причин. Это измерение является основным фактором, который напрямую влияет на качество и надежность производимых товаров, эффективность производственного процесса и, что наиболее важно, на безопасность. Точный мониторинг обеспечивает обработку материалов внутри строго определенных температурных пределов, что помогает избегать производственных браков и гарантирует сохранение качества конечного продукта.


Практические рекомендации по измерению температуры от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Для измерения температуры используется широкий спектр датчиков, каждый из которых фиксирует температурные изменения, зафиксировав определенные физические переходы. Вот шесть наиболее распространенных типов датчиков, с которыми вероятнее всего столкнется инженер:

  • Термопары
  • Термометры сопротивления
  • Инфракрасные измерители температуры
  • Биметаллические датчики
  • Термометры с жидкостным расширением
  • Датчики на основе изменения состояния материала

Основные инструменты

В промышленном секторе термопары, термометры на основе сопротивления и инфракрасные датчики температуры выделяются как наиболее широко применяемые устройства для измерения температуры. Существует распространенная путаница относительно механизма их работы и правильных методик их использования.

Термопары: основы и применение

Давайте подробнее остановимся на термопарах, которые можно считать одними из наиболее распространенных, но в то же время и наименее понятных датчиков температуры из представленного ассортимента. Термопара представляет собой устройство, созданное из двух различных металлов, соединенных вместе на одном конце, в то время как другой конец остается открытым. Разность потенциалов на открытом конце (V1 на схеме) зависит от температуры на соединенном конце (T1). С увеличением температуры соединенного конца увеличивается и ЭДС.

Термопары часто помещают в защитные оболочки из металла или керамики, которые защищают их от внешнего воздействия различных сред. Кроме того, существуют модели с металлическими оболочками, которые могут быть покрыты различными материалами, включая политетрафторэтилен, что обеспечивает их надежную работу даже в агрессивных условиях.


Особенности конструкции термопары

Электродвижущая сила (ЭДС) на открытом конце термопары зависит не только от температуры на соединенном конце, где производится измерение (T1), но также и от температуры на открытом конце (T2, как показано на рисунке). Чтобы ЭДС точно отражала изменения в T1, необходимо поддерживать T2 на постоянной стандартной температуре. Общепринятым стандартом является поддержание T2 на уровне 0 °C, что является базовым предположением для большинства справочных таблиц и графиков. Различие между реальной температурой в точке T2 и 0 °C обычно компенсируется автоматически в промышленных устройствах с помощью электронной коррекции, известной как коррекция холодного спая или CJ.


Особенности конструкции датчика термопары

Температурные изменения в проводе между измерительным и отображающим устройствами не влияют на показания ЭДС, при условии, что провод сделан из того же термопарного сплава или его термоэлектрического эквивалента. Например, если термопара используется для измерения температуры внутри печи, а устройство отображения расположено на расстоянии, провода могут проходить мимо другого источника тепла без влияния на показания, до тех пор пока температура окружающей среды не станет настолько высокой, что сплав термопары начнет плавиться или его термоэлектрические свойства изменятся необратимо.

Важно понимать, что состав материала в точке соединения (спая) не оказывает влияния на работоспособность термопары, если температура в этой точке (T1) остается постоянной на протяжении всего соединения и если материал является проводником электричества (см. рисунок 1b). Также, вставка в цепь материалов, не являющихся частью термопары, не влияет на показания, при условии что температуры на обоих концах этого дополнительного материала одинаковы (см. рисунок 1с).

Это свойство термопары использовать различные металлы в цепи позволяет применять специализированные устройства, такие как переключатели для термопар. Для обеспечения правильной работы этих переключателей, они должны быть изготовлены из материалов с подходящими электрическими свойствами, например, из золоченой или серебренной меди, чтобы гарантировать хороший контакт с соединительными элементами из стали.

Принцип работы термопары также подчиняется закону о последовательности термопар, согласно которому изменение ЭДС в цепи, состоящей из двух последовательно соединенных термопар, зависит от разности температур на их горячих и холодных концах. Например, если у первой термопары горячий конец при температуре T1, а холодный – при T2, а у второй – горячий конец при T2 и холодный при T3, то сумма ЭДС обеих термопар (V1+V2) будет равна ЭДС, которую давала бы одна термопара, работающая между T1 и T3. Этот закон позволяет использовать термопары при различных температурах открытого конца, расширяя их применение.

Термометры сопротивления (RTD) 

Стандартный термометр сопротивления (Resistance Temperature Detector, RTD) обычно собирается из мельчайшей платиновой проволоки, тщательно намотанной на подложку и защищенной слоем изоляционного материала. В качестве подложки и изоляционного покрытия часто выступают материалы, такие как стекло или керамика, обеспечивающие надежную защиту и стабильность работы датчика. Отношение изменения сопротивления к изменению температуры для такого термометра обычно выражается через температурный коэффициент сопротивления, известный как альфа (α), отображаемый на графике зависимости сопротивления от температуры.


Термометры сопротивления график зависимости сопротивления и температуры

Стандартное значение температурного коэффициента для большинства RTD составляет 0,00385 Ом/Ом/°C, что предполагает измерение сопротивления в Омах и температуру в градусах Цельсия. Этот коэффициент соответствует так называемой европейской кривой зависимости, получившей свое название благодаря историческому распространению таких датчиков в Европе. Встречается и другой стандарт с коэффициентом 0,00392, отражающий немного иной состав платины и приводящий к формированию американской кривой.

Для определения конкретного значения α в случаях, когда оно не указано для RTD, обычно исходят из стандарта в 0,00385. Однако проверка этого предположения рекомендуется, особенно при работе с высокими температурами, для обеспечения точности измерений.

Термисторы: характеристики и использование

Термисторы, отличающиеся от других температурных датчиков своей отрицательной и значительно нелинейной зависимостью сопротивления от температуры, ставят перед инженерами задачу разработки специализированных схем для их интеграции. Несмотря на эти сложности, существуют методы для упрощения использования термисторов, включая применение их в согласованных парах для взаимной компенсации нелинейности. Более того, многие производители предлагают измерительные приборы и контрольные устройства с встроенными функциями коррекции, что позволяет упростить работу с термисторами.

Обычно, при выборе термистора, его обозначают по сопротивлению при стандартной температуре в 25 °C. Наиболее часто встречаемое номинальное значение сопротивления составляет 2252 Ом, хотя также распространены термисторы с номиналами в 5000 и 10000 Ом. Если спецификации устройства не уточняют иное, можно предположить, что оно рассчитано на использование термистора с сопротивлением 2252 Ом.


Инфракрасные датчики: принципы работы и особенности

Инфракрасные термометры основаны на измерении уровня излучения, испускаемого поверхностями. Все материалы излучают электромагнитную энергию в той или иной степени, независимо от их температуры, причём значительная часть этой энергии находится в инфракрасном спектре. Интенсивность и средняя частота инфракрасного излучения возрастают с увеличением температуры объекта.

Эффективность излучения различных материалов сильно варьируется и характеризуется коэффициентом излучения, который может быть представлен диапазоном значений от 0 до 1 (или от 0% до 100%). Например, большинство органических материалов и кожа обладают высоким коэффициентом излучения, приблизительно 0,95, в то время как полированные металлы при комнатной температуре излучают намного менее эффективно, с коэффициентом около 20% или даже меньше.

Для достижения точности измерений, инфракрасный термометр должен учитывать излучательную способность измеряемого объекта. Эту информацию часто можно найти в справочных таблицах, хотя они не всегда могут учесть влияние местных условий, таких как окисление или шероховатость поверхности. В некоторых случаях для получения точных показаний, когда излучательная способность неизвестна, поверхность объекта может быть покрыта материалом с известным коэффициентом излучения, например, малярным скотчем или специальной краской с коэффициентом 0,95.

Важно учитывать, что часть энергии, регистрируемой датчиком, может не излучаться самим объектом, а отражаться от других источников или материалов. Эффективность излучения связана с энергией, испускаемой самим объектом, тогда как отраженная энергия указывает на энергию, пришедшую от других источников. Хорошие излучатели обычно плохо отражают энергию, упрощая задачу измерения температуры для инфракрасных датчиков. В контексте измерения температуры поверхностей с низким коэффициентом излучения важно быть внимательными к потенциально вводящим в заблуждение отраженным сигналам от других источников тепла.

Рекомендации по выбору температурных датчиков 

При выборе температурного датчика важно учитывать различия в их характеристиках и предназначении. Вот краткое руководство по основным типам датчиков:

  • Термометры сопротивления (RTD) отличаются высокой стабильностью по сравнению с термопарами, но имеют более узкий температурный диапазон, обычно от -250 до 850 °C. Их высокая стабильность делает их идеальным выбором для приложений, требующих точного и постоянного мониторинга температуры.
  • Термопары подходят для очень широкого диапазона температур, от -270 до 2300 °C, что делает их универсальным инструментом для многих промышленных приложений. Они не страдают от проблемы самонагрева, характерной для резистивных датчиков, благодаря своей способности работать при минимальном или нулевом потреблении тока.
  • Термисторы предлагают высокую точность измерений в ограниченном диапазоне температур, обычно от -40 до 150 °C. Они идеально подходят для приложений, где требуется высокая точность, но диапазон измерений относительно невелик.

И RTD, и термисторы, будучи резистивными устройствами, могут вносить погрешности в измерения из-за самонагрева, особенно в условиях плохой теплопроводности окружающей среды. Это следует учитывать при их использовании в спокойных жидкостях или газах.

  • Инфракрасные датчики подходят для измерения температур до 3000 °C, что значительно расширяет их применение по сравнению с контактными датчиками. Они особенно полезны в ситуациях, когда прямой контакт с измеряемой поверхностью нежелателен или невозможен, например, при работе с хрупкими, влажными или химически активными материалами, а также для измерения температуры больших или труднодоступных поверхностей.

Выбор подходящего датчика зависит от конкретных требований к измерению, включая диапазон температур, необходимую точность, возможность контакта с измеряемым объектом и специфические условия применения.


Возврат к списку


Задать вопрос