Содержание Введение ....................................................................................................................... 3 1. Термометры сопротивления ................................................................................ 4 1.1 Понятие, достоинства и недостатки ................................................................. 4 1.2 Особенности и принцип действия .................................................................... 5 2. Применение термометров сопротивления ......................................................... 7 2.1 Датчики температуры TR10-B .......................................................................... 7 2.2 Термопреобразователь сопротивления MBT 3560 ......................................... 9 2.3 ТСПУ Метран-276-02-60-0 ............................................................................. 10 Заключение ................................................................................................................ 13 Список используемой литературы .......................................................................... 14 2 Введение Температура — одна из наиболее часто измеряемых физических величин. Задачи измерения и контроля температуры встречаются практически во всех областях человеческой деятельности. Системы контроля температуры используются для поддержания микроклимата и в различной бытовой технике, где базовым требованием является их доступность. Прецизионное термостатирование в сельском хозяйстве необходимо для выращивания тепличных сельскохозяйственных культур. В химической промышленности и в металлургии часто требуется контроль температуры высоко агрессивных сред в диапазонах в несколько тысяч градусов. На производстве нарушения технологического процесса, связанные с выходом контролируемой температуры за допустимые пределы, могут привести к выпуску партии бракованного товара. В медицине ошибка в измерении температуры может стоить здоровья пациента и даже человеческой жизни. От качества контроля температуры в атомной промышленности, в частности при отливке корпусов реакторов, зависит жизнь всего населения нашей планеты. Очевидно, что столь разнообразные требования, как по диапазону и точности, так и по типу исполнения и надежности измерительных систем, породили за многие годы большое разнообразие методов и средств, используемых для измерения и контроля температуры. Ключевым элементом любой системы измерения и контроля температуры является первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент). От его точности и других основных параметров во многом зависят показатели всей системы в целом. Существуют различные типы датчиков температуры, наибольшее распространение среди них получили термопары, полупроводниковые термисторы и термометры сопротивления. 3 1. Термометры сопротивления 1.1 Понятие, достоинства и недостатки Для определения температуры различных веществ широко применяются термометры сопротивления. Термометры сопротивления – это устройства для определения температуры в диапазоне от -263 до +1000 градусов Цельсия (рисунок 1). Они состоят из датчика, усилителя сигнала, регистрирующего и вспомогательных устройств, а также их соединителей. Эти устройства обладают неоспоримыми достоинствами: широкий диапазон измерения температуры (у дорогих моделей); высокая точность; стабильность работы; стойкость в вибрации; компактные размеры; возможность работать в агрессивных средах; некоторые модели имеют небольшую стоимость. Рисунок 1 – Термометры сопротивления Но вместе с тем им присущи и некоторые недостатки: высокая стоимость точных устройств; необходимость соблюдать четкие требования при подключении; наличие источника питания; невозможность ремонта самостоятельно. Для грамотного применения таких термометров нужно использовать их преимущества и учитывать недостатки, а также знать устройство и принцип действия. 4 1.2 Особенности и принцип действия Работа термометров основана на том, что некоторые металлы и полупроводники меняют свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды (рисунок 2). При этом у металлов при увеличении температуры сопротивление возрастает, их называют позисторами. У полупроводников оно падает, поэтому их название – термисторы. Измерение проводимости чувствительного элемента и является принципом действия. При этом различные материалы обладают разным температурным коэффициентом. Это значит, что одни реагируют на изменения больше, другие меньше. Этот параметр влияет на точность прибора. Всего существует несколько классов точности измерителей: АА, допуск точности – 0,1 градуса; A – 0,15; B – 0,3; C – 0,6. Рисунок 2 – Работа термометров Самый точный – АА, но он и самый дорогой, так как содержит платину. Немаловажную роль при измерении имеет соединение чувствительного элемента с измерителем. Обычно используется мостовая схема (рисунок 3). При подключении питания ток, идущий от отрицательного полюса батареи, попадает на узловую точку А.Далее он разделяется на 2 равные части, поскольку сопротивление резисторов R1 и R2 одинаково. Из точек B и С через резисторы R3 и R4 он попадает в узел D и затем на плюс аккумулятора. Рисунок 3 – Мостовая схема 5 Если сопротивление всех резисторов одинаковое, то через резистор R5 ток не проходит. Это можно доказать законами Киргофа. Заменим один из резисторов, например, R3, на чувствительный элемент RTD. При комнатной температуре его сопротивление идентично другим резисторам. При изменении температуры оно меняется, и мост выходит из равновесия (рисунок 4). Рисунок 4 – Измерение температуры В этом случае через R5 начинает проходить ток. Если мы поменяем его на вольтметр, тогда по его показаниям можно судить, насколько изменилось сопротивление RTD (рисунок 5). По этому изменению можно определить значение температуры. Данная схема широко применяется, поскольку она проста в реализации и обеспечивает хорошую точность. Компоненты моста скрыты в одном корпусе, а наружу выходит только чувствительный элемент RTD. Рисунок 5 - Показания Несмотря на схожесть термометров сопротивления и термопар, у них разные принципы действия (рисунок 6). В термопарах используются 2 проволоки из разных металлов, соединенные между собой. При изменении температуры в месте контакта образуется разность потенциалов и возникает термо-ЭДС (электродвижущая сила). Далее она фиксируется вольтметром и 6 переводится в значение температуры. Таким образом, для использования термопары не нужен источник питания, и она проще в применении. Рисунок 6 – Принцип действия термометров сопротивления и термопар 2. Применение термометров сопротивления Термометры сопротивления можно использовать практически повсеместно. Основные области применения: в промышленности – для определения нагрева печей; в трубопроводах – для веществ, состояние которых зависит от температуры; в медицине; в бытовых и других помещениях; в жилищно-коммунальном хозяйстве. Основное различие между термометрами – устройство датчика. Они сделаны из разных материалов, отличаются толщиной чувствительного элемента и имеют различную стоимость. 2.1 Датчики температуры TR10-B Датчики температуры TR10-B (далее по тексту – датчики, рисунок 7) предназначены для измерений температуры жидких, газообразных и сыпучих сред, не разрушающих их защитную арматуру, а также поверхностей твердых тел. Стоимость датчика: 7000 рублей. Рисунок 7 - Датчики температуры TR10-B 7 Принцип действия датчиков температуры основан на преобразовании измерительным преобразователем сигнала от первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока в диапазоне от 4 до 20 мА с наложенным на него частотно-модулированным сигналом стандарта HART. Датчики температуры TR10-B состоят из термопреобразователя сопротивления TR10-B (далее - ТС), соединенного с преобразователем вторичным T32.1S (далее - ИП). ТС выполнен в виде измерительной вставки с одним ЧЭ, имеющим номинальную статистическую характеристику преобразования (НСХ) типа «Pt100» по ГОСТ 6651-2009 (МЭК 60751). Схема соединения внутренних проводов с чувствительным элементом (далее - ЧЭ) - 3-х проводная. Преобразователи вторичные T32.1S конструктивно выполнены в корпусе с расположенными на нем клеммами для подачи напряжения питания, подключения входного и выходного сигналов. Преобразователи выполнены на основе микропроцессора и обеспечивают аналого-цифровое преобразование сигнала от первичного преобразователя, обработку результатов измерений и их передачу по интерфейсу HART и/или по стандартному выходному сигналу постоянного тока в диапазоне от 4 до 20 мА. Программное обеспечение (ПО) датчиков состоит из двух частей: из встроенного и автономного ПО. Метрологически значимым является только встроенное ПО, загружаемое в ИП на предприятии-изготовителе во время производственного цикла. Метрологические характеристики датчиков нормированы с учетом влияния на них встроенного ПО. Метрологические и основные технические характеристики датчиков температуры TR10-B приведены в таблицах 1,2. Таблица 1 - Метрологические характеристики Наименование характеристики Диапазон измерений температуры, °С Тип НСХ ТС по ГОСТ 6651-2009 (МЭК 60751) Класс допуска ТС по ГОСТ 6651-2009 Пределы допускаемого отклонения сопротивления ТС от НСХ в температурном эквиваленте (допуск) по ГОСТ 6651-2009, °С Пределы допускаемой абсолютной погрешности ИП при нормальных условиях, °С Нормальные условия измерений: - температура окружающей среды, °С Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности ИП, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальных условий, °С, на каждые 10 °С 8 Значение от -40 до +80 Pt100 A ±(0,15+0,002|t|), где t измеряемая температура ±0,1 от +20 до +26 ±(0,06 °C + 0,00015-|t|), где t измеряемая температура Пределы допускаемой погрешности датчика при конкретной температуре определяются как арифметическая сумма модулей пределов допускаемого отклонения сопротивления ТС от НСХ и основной допускаемой абсолютной погрешности ИП. Таблица 2 - Основные технические характеристики Наименование характеристики Выходной сигнал, мА Длина погружаемой части, мм Диаметр погружаемой части, мм Габаритные размеры ИП (диаметр х высота), мм, не более Масса, кг, не более Средняя наработка на отказ, ч, не менее Средний срок службы, лет, не менее Напряжение питания постоянного тока, В Рабочие условия эксплуатации: Значение от 4 до 20 от 50 до 5000 от 3 до 12 94x112,5 4 75 000 12 от 10,5 до 30 от -40 до +85 - температура окружающей среды, °С 95 (без конденсации) - относительная влажность воздуха, %, не более 2.2 Термопреобразователь сопротивления MBT 3560 Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом MBT 3560R применяются для измерения температуры в различных отраслях промышленности, где требуется нормированный токовый выходной сигнал (рисунок 8). Гильзы для монтажа заказываются отдельно. Стоимость: 15000 рублей. Основные преимущества: диапазон измерений: от 0 до+100, от 0 до +200, от -50 до +150, от 50 до +200; выходной сигнал: 4-20 мА; длина погружной части: 50–250 мм; погрешность измерения температуры:± 0,5 % диапазона измерений; материалы, контактирующие со средой: нержавеющая сталь AISI 316. Рисунок 8 - Danfoss 084Z4038 9 Материал гильзы - нержавеющая сталь AISI 316 Ti. Диаметр гильзы, мм:8,0. Настройка преобразователя: 0 - 200 °C. Выходной сигнал: 4 - 20 мА. Длина погружной части гильзы, мм: 200. Технологическое присоединение: внешняя резьба G 1/4 A. Электрическое присоединение: DIN 43650/Pg 9. Чувствительный элемент: Pt1000. Термоэлемент: незаменяемый. Диапазон измерения чувствительного элемента: -50 - 200 °C. Преобразователь сигнала: встроенный Класс допуска: < ± 1% FS. Максиамльная температура окружающей среды: 85 °C. Напряжение питания постоянного тока, В: 10,00 - 32,00. Комплектность: термопреобразователь; упаковочная коробка; паспорт; инструкция. Код спецификации: MBT 3560-0001-0200-10-120. Гарантийные обязательства: гарантийный срок эксплуатации и хранения составляет - 12 месяцев с даты продажи, указанной в транспортных документах, или 18 месяцев с даты производства.Срок службы MBT 3560 при соблюдении рабочих диапазонов согласно паспорту/инструкции по эксплуатации и проведении необходимых сервисных работ – 10 лет с даты продажи, указанной в транспортных документа. Назначение изделия: термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом типа MBT, модификации MBT 3560 (далее - MBT 3560) применяется для измерения температуры в различных отраслях промышленности, где требуется нормированный выходной сигнал. Длина наружней части, мм: 33. 2.3 ТСПУ Метран-276-02-60-0 Аналоговые преобразователи температуры с унифицированным выходным сигналом. ТСПУ Метран-276 (рисунок 9, таблица 3): Выходной сигнал 4-20мА; Первичные преобразователи: ТС(Pt100) с возможностью измерения температуры до 500°С; Жаропрочные и коррозионностойкие защитные арматуры; Взрывозащищенные исполнения Exd или Exi; ТУ 4211-003-12980824-2001. Стоимость: 7000 рублей. 10 Рисунок 9 - ТСПУ Метран-276 Таблица 3 – Технические характеристики Код исполнения защитной арматуры: 02 Исполнение по взрывозащите: Общепромышленное Номинальная статическая характеристика (НСХ): Pt100 Длина монтажной части: 60 мм Погрешность: 0,5% Материал защитной арматуры: Сталь 12Х18Н10Т Диапазон измерений °С: (-50...50)°С Выходной сигнал: (4-20)мА Тип монтажного комплекта: Без КМЧ Температурный класс: - Климатическое исполнение ТСПУ Метран-274: Т3 (-10..+70)°C Госповерка: ГП Степень защиты от пыли и IP65 11 влаги: Термопреобразователи ТСПУ Метран-276-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категорий IIА, IIВ и IIС, групп Т1Т6 по ГОСТ Р 51330.11-99. Предназначены для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. 12 Заключение Один из способов повышения точности измерений с использованием ТС — их градуировка для получения индивидуальных коэффициентов зависимости величины сопротивления от температуры. Полученные коэффициенты можно, например, хранить в памяти цифровой измерительной системы и вносить в результат измерений соответствующую поправку. Однако этот метод может быть приемлем в мелкосерийном и практически не реализуем при массовом производстве в связи с высокой трудоемкостью самой процедуры градуировки. В данном случае более эффективным решением может быть использование прецизионных термометров сопротивления. Однако сам факт использования прецизионных ТС не может гарантировать высокую точность системы в целом. При этом большую роль играет адекватность выбранной схемы включения ТС решаемой задаче. Кроме того, необходимо учитывать влияние таких факторов, как длина и качество соединительных проводов и разъемов, обеспечение электромагнитной совместимости за счет эффективного экранирования, фильтрации, грамотной компоновки элементов и разводки печатной платы. Существует и весьма специфический, но ощутимый источник ошибок, такой как эффект влияния температуры кристалла на результаты преобразования АЦП, воздействие которого может быть учтено за счет введения в состав системы дополнительного датчика для измерения температуры кристалла. Как показывает практика, только подобный, комплексный подход, учитывающий разнообразные аспекты проектирования, позволяет создавать сбалансированные по точности и стоимости системы, имеющие конкурентные преимущества на рынке современной электронной техники. Список датчиков далеко не полный, конечно, есть и другие достойные модели. Главное при выборе производителя – убедиться, что изделия сертифицированы по ГОСТ 6651-2009 или по МЭК 60751. 13 Список используемой литературы 1. ГОСТ Р 8.625-2006 «Термометры сопротивления из платины,меди и никеля». М.: Стандартинформ, 2006. 2. ГОСТ 6651-2009 «Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний». Проект стандарта. Информационный портал www.temperatures.ru (дата обращения 17.05.2024). 3. Андрусевич Анатолий, Губа Александр Термометры сопротивления: от теории к практике // Компоненты и Технологии. 2021. №7 (120). 4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 2011. 5. Промышленная электроника. Руководство разработчика. 2010. Вып. 1. Maxim Integrated Products. www.symmetron.ru (дата обращения 17.05.2024). 6. Интернет-ресурс. URL: ТСПУ метран-276-02 - купить в интернетмагазине Мегавольт: отзывы, характеристики, фото (mv29.ru) (дата обращения 17.05.2024). 7. Интернет-ресурс. URL: MBT 3560R — термопреобразователи сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА Ридан | Данфосс Россия | Ридан - новое имя Danfoss в России (ridan.ru) (дата обращения 17.05.2024). 8. Интернет-ресурс. URL: Danfoss Датчик температуры MBT 3560(пр. класс 0423604502) 084Z4038 купить за 16473.17 с доставкой по России | Ридан новое имя Danfoss в России (ridan.ru) (дата обращения 17.05.2024). 9. Интернет-ресурс. URL: 91748-24: TR10-B Датчики температуры Производители, поставщики и поверители (all-pribors.ru) (дата обращения 17.05.2024). 10. Интернет-ресурс. URL: ТСПУ Метран-276-02-60-0,5-H10-(50...50)°С-(4-20)мА-Т3-ГП (systempribor.ru) (дата обращения 17.05.2024). 14
