Схема подключения термопары. Инструкция и способы подключения

Многие технологические процессы предполагают непрерывный контроль температуры в заданных точках. При этом предъявляются особые требования к датчикам. Они должны иметь минимальную погрешность, быть малоинерционными, не выходить из строя при существенных температурах и их перепадах. Все чаще в качестве такого датчика используют термопары. Они позволяют преобразовать тепловую энергию в электрическую.

За счет подключения термопары можно проводить измерения в достаточно широком диапазоне температур. Автоматика современных отопительных котлов как бытовых, так и промышленных вырабатывает управленческие сигналы именно на основании данных, получаемых от термопар. О принципе действия и вариантах подключения преобразователей речь и пойдет далее.

Устройство и принцип действия

Термопара имеет предельно простую конструкцию. Основа — две проволоки из разных металлов или сплавов, соединенные вместе. Их скручивают и потом проваривают или сразу сваривают встык. Это — горячий спай.

Вторые концы термопар остаются свободными. Их через компенсационные провода подключают к контактам измерительного оборудования или блоку управления отопительного оборудования. Эти точки соприкосновения становятся вторым спаем — холодным.

На схеме ниже можно видеть, что собой представляют горячий (красный цвет) и холодный (синий) спаи.

Термоэлектродам нужна защита от внешних неблагоприятных условий. Модуль подключения термопар закрывают герметичной капсулой с инертным газом. Альтернативой может стать керамический корпус в виде бус, как это показано ниже.

В основе принципа действия — термоэлектрический эффект. Как только цепь замыкается, в зонах спаев фиксируется термо-ЭСД. Если на каждую из проволок воздействует одинаковая температура, происходит взаимная компенсация ЭСД электродов. Электрический ток в подобной ситуации отсутствует.

Ситуация меняется, как только электроды попадают в зону нагрева. Так как разные металлы нагреваются с разной скоростью, неизбежно возникает разность потенциалов. В цепи создается электрический ток. Следует заметить, что постепенно нагреваются и точки холодного спая. И здесь фиксируется температура, пропорциональная значениям в зоне горячего спая.

Типы термопар, российская и зарубежная кодировка, температурные диапазоны

В России производство термопар регламентируется ГОСТ 6616-94. Производители из США ориентируются на требования ANSI (Американского национального института стандартов). Таблицы ниже позволяют сопоставить параметры датчиков, чтобы не сделать ошибку при покупке изделия для решения конкретной задачи.

Практика показывает, что наибольшей популярностью пользуются термопары следующих типов:

• E. Проводники изготовлены их хромеля и константана. К преимуществам модификации можно отнести минимальную погрешность и надежность в работе. Минус — точность измерений гарантирована только в диапазоне от 0 до +600 0С;
• J. Пару константану здесь составляет железо, очищенное от любых примесей. За счет этого допустимый диапазон измерений удалось увеличить до -100 0С — +1200 0С. Система работает с минимальной погрешностью;
• K. Этот тип термопар получил наибольшее распространение за счет максимального рабочего диапазона: от -200 0С до +1350 0С. Такое подключение термопары к контроллеру позволяет фиксировать даже малейшие изменения в состоянии внешней среды, но оно зависимо от состава атмосферы в рабочей зоне. Погрешность измерений будет расти по мере увеличения доли углекислого газа в воздухе.

Типы спаев

Для корректной работы в зависимости от схемы подключения используются разные способы соединения электродов. Спаи делятся на одно- и двухэлементные. При необходимости выполняется заземление на корпус колбы. Но есть модификации и без заземления.

На схеме ниже изображены наиболее востребованные типы спаев:

Здесь необходимо дать пояснения:

• И. Термопара имеет только один спай. Контакты с корпусом отсутствуют;
• Н. Спай один, есть контакт с колбой;
• ИИ. В одной колбе размещены сразу два спая. Они не соединяются между собой и изолированы от колбы;
• 2И. Два спая соединены между собой, но не касаются корпуса;
• ИН. В колбу помещены два спая. Заземлен только один из них;
• НН. Спаи не контактируют между собой, но соединены с корпусом.

Контакт с корпусом позволяет минимизировать момент инерции в процессе работы. Данные фиксируются быстрее, снижается погрешность измерений.

Многоточечные термопары

В трубопроводах, резервуарах большого объема может возникнуть потребность в одновременном измерении температуры сразу с нескольких точках. Например, нужно получать данные из ствола шахты или реактора.

Специально для этого производятся многоточечные термопары. По принципу действия и устройству они схожи со стандартными. Максимально данные можно собирать одновременно в шестидесяти точках. Все оборудование размещается в одной колбе и подключается к одному измерительному прибору.

Схемы подключения термопар

Отдельное внимание необходимо уделять компенсационным проводам. Чтобы сократить количество холодных спаев, их желательно изготавливать из того же материала, что и основные электроды. Такое подключение термопар позволяет повысить точность измерений. Все чаще на рынке можно видеть датчики, в которым компенсационные провода уже подключены к электродам.

Некоторые схемы предполагают использование термисторов для корректировки данных, минимизации погрешностей. Для соединения нужны стандартные провода с соблюдением полярности.

Следующий способ подключения термопары — «на разрыв». Измерительное устройство соединяется с цепью при помощи проводников и клемм, изготовленных из одного материала. Стандартно для этих целей используют медь. Это позволяет избежать образования дополнительного холодного спая. Он будет присутствовать в сети, но только в одном месте, там, где провод соединяется с электродом.

Ниже приведена схема подключения термопары к измерительной системе по такому принципу:

Вне зависимости от выбранного способа подключения провода следует выбирать минимальной длины, чтобы устранить возможные помехи и погрешности. От радиопомех помогут специальные экраны. Но токи наводки убрать очень сложно.

Часто подключение термопары предполагает вставку в цепь компенсирующего терморезистора. И он должен разделять холодный спай и контакты измерительного или управляющего блока. За счет этого устройства можно скорректировать внешние воздействия на холодный спай.

Есть и еще один момент. Не стоит сразу после сборки цепи начинать процесс измерения температуры. Для начала необходимо выполнить калибровку устройств, используя для этого специальные таблицы. И этот момент многие считают недостатком термопар.

Еще одна проблема заключается в том, что зачастую разность потенциалов измеряется в долях милливольтов. Но значительная часть потенциометров не рассчитана на такую точность. К тому же не всегда есть возможность установить измерительный прибор в непосредственной близости от термопары. Нивелировать проблему можно за счет подключения усилителей, но это приводит к удорожанию и усложнению всей системы.

Купить термопары, соответствующие российским стандартам, можно здесь. Доставка выполняется во все регионы страны.