| Параметр | Термопары | Термосопротивления |
|---|---|---|
| Принцип действия | Термоэлектрический эффект Зеебека | Зависимость сопротивления от температуры |
| Выходной сигнал | ТермоЭДС, милливольты | Электрическое сопротивление, Ом |
| Диапазон температур | От -200°C до +1700°C в зависимости от типа | От -200°C до +850°C |
| Точность измерений | Классы допуска 1, 2 | Классы допуска AA, A, B, C |
| Время отклика | От 0,1 до 5 секунд | От 1 до 30 секунд |
| Стабильность | Требуют ежегодной поверки | Межповерочный интервал 1-3 года |
| Линейность НСХ | Нелинейная зависимость | Близкая к линейной |
| Стоимость | Низкая для неблагородных, высокая для благородных | Средняя для платиновых |
| Тип термопары | Материалы электродов | Диапазон температур | Класс допуска |
|---|---|---|---|
| ХА (K) | Хромель-алюмель | От -200 до +1350°C | 1, 2 |
| ХК (L) | Хромель-копель | От -200 до +600°C | 1, 2 |
| НН (N) | Нихросил-нисил | От -200 до +1300°C | 1, 2 |
| ЖК (J) | Железо-константан | От -40 до +750°C | 1, 2 |
| МК (T) | Медь-константан | От -200 до +400°C | 1, 2 |
| ПП (S, R) | Платинородий-платина | От 0 до +1600°C | 1, 2 |
| ПР (B) | Платинородий-платинородий | От +600 до +1700°C | 2 |
| Тип датчика | Материал | Номинальное R₀, Ом | ТКС, °C⁻¹ | Диапазон, °C | Класс допуска |
|---|---|---|---|---|---|
| Pt100 | Платина | 100 | 0,00385 | От -200 до +850 | AA, A, B, C |
| Pt500 | Платина | 500 | 0,00385 | От -200 до +850 | A, B, C |
| Pt1000 | Платина | 1000 | 0,00385 | От -200 до +850 | A, B, C |
| Cu50 | Медь | 50 | 0,00426 | От -180 до +200 | B, C |
| Cu100 | Медь | 100 | 0,00426 | От -180 до +200 | B, C |
| Ni100 | Никель | 100 | 0,00617 | От -60 до +180 | C |
Принцип действия термоэлектрических преобразователей
Термоэлектрический преобразователь представляет собой измерительную цепь, состоящую из двух разнородных проводников, соединенных на концах. Физический принцип основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, открытом в 1821 году. При различии температур между рабочим спаем, погруженным в измеряемую среду, и свободными концами, поддерживаемыми при опорной температуре, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила.
Величина термоЭДС пропорциональна разности температур и определяется свойствами материалов термоэлектродов. Согласно ГОСТ Р 8.585-2001, номинальные статические характеристики преобразования установлены для одиннадцати типов термопар, включая как распространенные сплавы неблагородных металлов, так и прецизионные комбинации на основе платины и родия.
Основные преимущества термопар:
- Широкий температурный диапазон от криогенных до высокотемпературных процессов
- Быстродействие благодаря малой тепловой инерции
- Возможность точечных измерений с помощью микротермопар диаметром менее одного миллиметра
- Отсутствие необходимости во внешнем источнике питания
- Стойкость к механическим воздействиям и вибрации
Конструкция термометров сопротивления
Термопреобразователь сопротивления функционирует на основе явления температурной зависимости электрического сопротивления металлических проводников. Чувствительный элемент изготавливается из чистых металлов с высокой стабильностью характеристик, прежде всего платины, меди и никеля. Платиновые термосопротивления являются эталонными средствами измерения в диапазоне от минус 196 до плюс 660 градусов Цельсия.
ГОСТ 6651-2009 устанавливает требования к термосопротивлениям с номинальным сопротивлением при нуле градусов 50, 100, 500 и 1000 Ом. Наибольшее распространение получили датчики Pt100 с температурным коэффициентом сопротивления 0,00385 градуса Цельсия в минус первой степени, соответствующие международному стандарту МЭК 60751.
Чувствительные элементы изготавливаются двумя основными способами:
- Проволочные - платиновая проволока диаметром от 20 до 50 микрометров намотана на керамический каркас и помещена в защитную капсулу, обеспечивают максимальную стабильность характеристик
- Пленочные - тонкий слой платины напылен на керамическую подложку методом вакуумного напыления, обладают меньшими габаритами и стоимостью при сохранении основных метрологических характеристик
Номинальные статические характеристики преобразования
Номинальная статическая характеристика преобразования представляет собой градуировочную зависимость выходного сигнала датчика от температуры, установленную национальным стандартом. Для термопар НСХ выражается в милливольтах термоЭДС при опорной температуре свободных концов ноль градусов Цельсия. Стандарт ГОСТ Р 8.585-2001 гармонизирован с Международной температурной шкалой МТШ-90 и содержит полиномиальные функции для расчета термоЭДС.
Наиболее распространенная термопара типа ХА развивает при температуре 1000 градусов Цельсия термоЭДС порядка 41 милливольт. Термопара ХК обладает повышенной чувствительностью около 70 микровольт на градус в диапазоне до 600 градусов. Благородные термопары типа ПП обеспечивают стабильность не хуже 0,1 градуса на протяжении тысячи часов работы при номинальной температуре.
Для термосопротивлений НСХ определяет зависимость сопротивления в Омах от температуры. Платиновый Pt100 имеет сопротивление 100 Ом при нуле градусов и приблизительно 138,5 Ом при 100 градусах. Зависимость описывается полиномом Каллендара-Ван Дюзена с коэффициентами, обеспечивающими погрешность аппроксимации не более одной единицы младшего разряда.
НСХ термопар соответствуют стандарту МЭК 60584. Термосопротивления гармонизированы с МЭК 60751, что обеспечивает взаимозаменяемость датчиков различных производителей и метрологическую прослеживаемость к национальным эталонам единиц температуры.
Классы допуска и метрологические характеристики
Термопары выпускаются с классами допуска 1 и 2 согласно ГОСТ Р 8.585-2001. Для термопары типа ХА класса 1 допускаемое отклонение составляет плюс-минус 1,5 градуса Цельсия или 0,004 от измеряемой температуры в зависимости от того, какое значение больше, в диапазоне от минус 40 до плюс 1000 градусов. Класс 2 имеет увеличенные допуски плюс-минус 2,5 градуса или 0,0075 от температуры.
Термосопротивления классифицируются по классам допуска AA, A, B и C согласно ГОСТ 6651-2009. Наиболее точный класс AA обеспечивает погрешность плюс-минус 0,1 плюс 0,0017 от абсолютной температуры в Кельвинах. Класс A допускает отклонение плюс-минус 0,15 плюс 0,002 от абсолютной температуры. Класс B с удвоенными допусками широко применяется в технологических измерениях.
Стабильность характеристик проверяется периодической поверкой. Межповерочный интервал для платиновых термосопротивлений составляет от одного до трех лет в зависимости от условий эксплуатации. Термопары из неблагородных металлов при работе на номинальной температуре требуют поверки ежегодно, так как подвержены дрейфу характеристик вследствие окисления и диффузионных процессов в термоэлектродах.
Первичная поверка проводится изготовителем в аккредитованной метрологической службе. Периодическая поверка осуществляется по методикам ГОСТ 8.461-2009 для термосопротивлений с применением образцовых термометров класса точности не ниже 0,01. Допускается проведение поверки на рабочем месте с использованием полевых калибраторов температуры.
Применение в нефтегазовой промышленности
В технологических процессах нефтепереработки датчики температуры обеспечивают контроль параметров в ректификационных колоннах, реакторах каталитического крекинга и риформинга, печах нагрева сырья. Термопары типа ХА применяются для измерения температуры в диапазоне от 400 до 1100 градусов в высокотемпературных аппаратах. Термосопротивления Pt100 используются в узлах учета нефти и газа, где требуется точность класса А для коммерческих измерений.
На объектах добычи нефти термосопротивления контролируют температуру пластовой жидкости в скважинах и на замерных установках. Многоточечные термопары с длиной погружной части до 10 метров применяются для определения профиля температуры в резервуарах хранения нефтепродуктов объемом до 50 тысяч кубических метров.
В компрессорных станциях магистральных газопроводов термосопротивления измеряют температуру природного газа на входе и выходе центробежных нагнетателей с производительностью до 25 миллионов кубических метров в сутки. Датчики работают при давлении до 10 МПа и требуют защиты корпуса со степенью IP66 для эксплуатации в условиях открытых площадок.
Датчики температуры интегрируются в распределенные системы управления через нормирующие преобразователи с выходным сигналом 4-20 мА или интерфейсом HART. Современные интеллектуальные датчики с протоколами Foundation Fieldbus или Profibus PA обеспечивают цифровую передачу данных и диагностику состояния непосредственно в цеховых сетях автоматизации согласно требованиям МЭК 61511.
Взрывозащита датчиков температуры
Наиболее распространенный вид взрывозащиты датчиков температуры - искробезопасная электрическая цепь с маркировкой Ex ia. Датчики с маркировкой 0Ex ia IIC T6 Ga X могут устанавливаться в зоне 0, где взрывоопасная атмосфера присутствует постоянно или длительное время. Температурный класс Т6 обеспечивает максимальную температуру поверхности не выше 85 градусов Цельсия, что безопасно для газов с температурой самовоспламенения выше этого значения.
Согласно ГОСТ IEC 60079-14-2013, подбор оборудования для взрывоопасных зон включает определение уровня взрывозащиты Ga, Gb или Gc, подгруппы IIA, IIB или IIC в зависимости от категории взрывоопасной смеси газов или паров, и температурного класса от Т1 до Т6. Датчики температуры должны соответствовать требованиям зоны установки и параметрам присутствующих горючих веществ.
Взрывозащита вида d - взрывонепроницаемая оболочка применяется для термосопротивлений с головками преобразователей. Оболочка выдерживает внутренний взрыв без разрушения и предотвращает передачу воспламенения во внешнюю атмосферу. Датчики с взрывозащитой Ex d IIC T6 Gb пригодны для установки в зоне 1, где взрывоопасная атмосфера может возникать периодически при нормальной работе.
Кабели для подключения датчиков в искробезопасных цепях должны иметь синюю маркировку. Параметры искрозащиты проверяются расчетом согласно ГОСТ 31610.25-2022, учитывающим индуктивность и емкость линии связи. Барьеры искрозащиты устанавливаются в безопасной зоне и ограничивают энергию, поступающую во взрывоопасную зону, до уровня, неспособного вызвать воспламенение.
Часто задаваемые вопросы
Выбор определяется температурным диапазоном, требуемой точностью и условиями эксплуатации. Для температур выше 500 градусов Цельсия рекомендуются термопары типа ХА или НН. В диапазоне от минус 200 до плюс 500 градусов предпочтительны термосопротивления Pt100, обеспечивающие точность класса А и не требующие компенсационных проводов. При необходимости быстрого отклика выбирают малоинерционные термопары с диаметром защитной арматуры до 3 миллиметров.
Двухпроводная схема подходит для коротких линий связи до 30 метров, где погрешность от сопротивления проводов не превышает допустимых значений. Трехпроводная схема применяется наиболее часто и компенсирует влияние сопротивления одного провода. Четырехпроводная схема обеспечивает максимальную точность измерений, полностью исключая влияние сопротивления линии связи, и используется для эталонных термометров и измерений класса AA.
Межповерочный интервал устанавливается в описании типа средства измерений. Для платиновых термосопротивлений класса А составляет от одного до трех лет. Термопары из неблагородных металлов, работающие на температурах выше 600 градусов, требуют ежегодной поверки. Датчики в составе узлов учета коммерческого назначения поверяются ежегодно согласно требованиям методик поверки. Первичная поверка проводится изготовителем до ввода в эксплуатацию.
Для кислых сред с содержанием сероводорода применяются стали марок 10Х17Н13М2Т или 08Х18Н10Т, стойкие к сульфидному растрескиванию под напряжением согласно требованиям NACE MR0175. В окислительных средах используется жаропрочная сталь 10Х23Н18. При контакте с органическими кислотами рекомендуется применение титанового сплава ВТ1-0 или тантала. Керамические защитные чехлы из корунда применяются при температурах выше 1200 градусов в неагрессивных атмосферах печей.
Термопара измеряет разность температур между рабочим и свободными концами. При изменении температуры свободных концов показания прибора становятся неточными. Компенсация холодного спая осуществляется либо термостатированием опорного спая при нуле градусов Цельсия, либо автоматическим измерением температуры клеммной головки датчика встроенным термосопротивлением и программной коррекцией показаний. Современные измерительные приборы выполняют компенсацию автоматически с погрешностью не более 0,5 градуса.
