Измерение температуры на производстве: преобразователи (датчики) температуры, их характеристики и выбор

Настоящей статьей мы открываем цикл публикаций, посвященных средствам промышленной автоматизации. Тема, конечно, далеко не нова, зайдя в любой цех любого производственного предприятия мы столкнемся с разнообразной кучей «шкафчиков», на которых мигают разноцветные «лампочки», дофига всевозможных «кнопочек», дисплеев, переключателей и т.д. Из « шкафчиков» длинными цепями тянутся разного диаметра и цвета провода, иногда они аккуратно вложены в металлические короба, или вообще спрятаны от любопытных глаз присутствующих, а иногда валяются прямо на полу, похожие на порцию только что приготовленных спагетти аль - денте каким-то шефом в ресторане около озера Комо, через которые уже далеко не однократно спотыкался технолог. Бывает разное. Но тем не менее, все эти провода выполняют свою основную функцию – передачу энергии от одной точки к другой, или, если по простому – соединяют разные части, блоки, механизмы и т.д. в единую систему.

Так вот, некоторые из этих проводов, которые обычно называются сигнальными, служат для подключения датчиков. Что такое датчики? Объясняю – это элементы технических систем, которые предназначены для измерения, контроля, сигнализации, регулировки, управления какими либо приборами или процессами. В системах автоматизации нашего времени есть огромное количество всяких датчиков. И каждый из них выполняет свою функцию. Некоторые из этих функций лежат прямо на поверхности – из названия датчика, например – преобразователь давления (датчик давления, здесь по разному их называют, но сумма от этого не меняется) – измеряет давление, преобразователь уровня – хм, измеряет уровень, датчик температуры – и снова очень просто, измеряет температуру. А некоторые датчики в названии не несут никакой полезной информации, и без пузыря очередного обращения к чату GPT будет сложно разобраться, что к чему - индуктивные, емкостные, фотодатчики, ультразвуковые, тензодатчики, энкодеры, инклинометры, можно еще достаточно долго перечислять.

Мы сегодня остановимся на датчиках температуры. Вообще возьмем даже немного шире, поговорим об измерениях температуры на производстве. Пойду поменяю название статьи. Такое бывает, хочешь сделать одно, а в процессе какие-то внешние или внутренние факторы заставляют ввести коррективы. Кстати, в автоматизации это очень распространенное явление. Заказчики, если не каждый, то через одного так точно считают, что будет очень уместным ввести изменения в проект, когда он уже готов. Специалисты DDBI всегда с пониманием относятся к этому, поэтому еще на стадии утверждения ТЗ много времени тратят на обсуждение разных, казалось бы мелочей, которые потом будут играть значительную роль. Это была минутка рекламы, могу себе позволить, потому что все равно это читать никто не будет, а ключевые слова для поисковиков сами себя не поставят. А еще я дальше по тексту буду рандомно вставлять рекламные тэги, не обращайте внимания.

Измерение температуры – база в системах автоматизации, фундамент. Измеряют температуру продукта, среды, какого-то сырья, из которого что-то производят, некоего ингредиента, температуру воздуха и т.д. Как же это происходит. Рассмотрим самые распространенные варианты:

1. Контактный способ измерения температуры.

1.1. Манометрический термометр.

Внешне похож на манометр (рис.1). И принцип действия схож, основанный на измерении давления жидкости или газа в замкнутом пространстве, которое изменяется при колебании температуры. Эта штука монтируется прямо на место измерения и оттуда уже никуда не девается. Узнать какая температура среды очень просто – на какую цифру показывает стрелка – такова и температура. Есть варианты заполненные глицерином – антивибрационные. Есть разные по диаметру – чтобы лучше видеть, разной резьбы – М20х1,5, G1/2, а также разного подключения – аксиальные и радиальные (штуцер снизу термометра, или сзади (видимо не литературное слово, но ворд не подчеркнул, поэтому будем юзать). Основные преимущества данного метода – простота. Как простота установки, так и простота эксплуатации. Поставил и забыл. Недостатки – чтобы узнать температуру – нужно близко подойти, даже если там циферблат размером с футбольный мяч, уже не говоря о достаточно небольшом диаметре. А подойти на производстве можно далеко не везде. Плюс их необходимо частенько протирать тряпкой. Ну и надо понимать – что это расходный материал. Ремонту они почти не подлежат, да и по цене это нецелесообразно.

Рис. 1

1.2. Переносные измерители температуры.

Предназначены для измерения температуры различных сред. С помощью внешних термопреобразователей можно осуществлять оперативный контроль температуры. Суть в чем. Это такое устройство, похожее на обычный мультиметр (рис.2),

Рис. 2

 

к которому подключают всевозможные щупы (рис.3). То есть подошел куда тебе нужно, вставил щуп, или прислонил его к чему-то и на экране показывает температуру. Конечно, щуп нужно подбирать помимо того, что как по его выполнению, так и по температуре, но об этом подробно поговорим в следующем варианте. Преимущества – всегда в кармане КИПовца, можешь мерить температуру всего, до чего дотянешься. Не боится морозов, так как в кармане КИПовца нет морозов. Недостатки – опять-таки не всюду дотянешься, чтобы померить. Это способ точечного измерения. Померил, пошел выпил кофе, потом через некоторое время снова померил, но если нужно мерить, например, в течение часа – то это не об этом устройстве. Да и время от времени необходимо менять батарейку.

Рис. 3

1.3. Система – датчик + устройство (контроллер).

Вот здесь остановимся более подробно, потому что такая система встречается больше всего на сегодняшнем производстве.

 

Во-первых датчик. Могут быть разного исполнения и разного принципа действия. Давайте рассмотрим варианты по принципу действия. Основных их 2 – термопары и термометры сопротивления.

Термометры сопротивления (ТО)

Термометры сопротивления (ТО) – принцип действия их основывается на изменении сопротивления в зависимости от температуры. Эта зависимость называется Номинальной статической характеристикой . Или НСХ. Запомните эти три буквы, это важно. В природе термометры сопротивления бывают платиновые и медные. Возможно, есть еще какие-то, но я не встречал. В чем разница? Вы скажете, ну и ежу понятно, платиновые дорогие, медные не столь дорогие. Хотя, какой-то Николай из села Малие ….ани с этим бы конечно поспорил. Да это так, но не совсем. Там платины как кот наплакал. Да и меди тоже. А основное различие в температурном диапазоне. Медные термометры сопротивления измеряют температуру в диапазоне –50…. +150 градусов по Цельсию. А платиновые –50…. +500 градусов С. Теперь, у медных ТС есть две основные НСХ – 50М и 100М, разница в том, что при 0 градусах сопротивление 50М – 50 Ом, 100М – 100 Ом, а диапазон измеряемых температур у них одинаков. А у платиновых различают НСХ – 100П, Pt100 и Pt1000. У 100ок по аналогии с медными сопротивлением при 0 градусов С – 100 Ом, а у Pt1000 – 1000 Ом. Чем они отличаются? Ну 100П – это советский стандарт. Кстати как и медные оба 50М и 100М (советское качество). Pt100 – это мировой стандарт, самые надежные, самые распространенные, самые совместимые со многими приборами и контроллерами. Pt1000 – говорят что они лучше работают, когда есть большая длина провода между датчиком и прибором/контроллером, а еще типа они более точны, но в варианте 2-х проводной схемы соединения и более чувствительны. Но это все фигня. Если вы на заводе найдете датчик Pt1000 и решите, что в нем больше платины чем у Pt100 – ничего подобного. Кстати, относительно схемы соединения немного поговорим и об этом. Сразу смотрим на картинку – Рис. 4

Рис. 4

Что здесь мы видим. 2-проводная – ну все понятно, проволока с 2-мя концами, где-то посередине чувствительный элемент. 3-проводная – здесь фишка в том, что дополнительный провод компенсирует влияние сопротивления выводов на измерение температуры. И, скажу вам по секрету – именно такой вариант является неким стандартом. 4-проводная – то же, что и 3, но здесь уже есть возможность подключить 1 датчик к двум приборам одновременно. 2х2 – схема с двумя чувствительными элементами. Вот если необходимо подключать к двум устройствам – то лучше покупать такой вариант. Если с одним чувствительным элементом что-нибудь произойдет – есть надежда, что другой еще поработает.

Ну и осталось несколько слов сказать о классе допуска термометров сопротивления. Просто вставлю табличку – рис. 5

Рис. 5

 

Как видите – разные границы отклонения от НСХ. Так вот почти 99.9% всех датчиков, с которыми я сталкивался, были с классом точности В. Но если вам нужна высокая точность и вам производитель говорит, что он может сделать датчик с классом А – не вижу никаких препятствий.

Ну что ж, о термометрах сопротивления вроде бы все сказал, по крайней мере о вещах, невидимых глазу. О вариантах их выполнения, поговорим после того, как немного разберемся с термопарами. Погнали.

Термопары

Термопары – чувствительный элемент термоэлектрического преобразователя в виде двух изолированных проводников из разнородных материалов, соединенных на одном конце, принцип действия которого основывается на использовании термоэлектрического эффекта для измерения температуры. Вот, скопировал с Википедии. И здесь можно начать умничать, что в основе термопар лежит эффект Зеебека, мы в универе говорили эффект Заебаки, лол. И что он заключается в том, что при появлении разности температур между местом контакта двух разнородных проводников (рабочим спаем) и свободными концами (холодным спаем) появляется температурная ЭДС. Величина этой ЭДС зависит от значения разности температур. А теперь по простому. Есть спай 2-х проволок (сразу фиксируем тот факт, что схема соединения термопар – 2-проводная), и при изменении температуры – меняется ЭДС между этим спаем и свободными концами проволоки. Есть несколько основных видов термопар:

• Хромель – алюмель;
• Хромель – копель;
• Платина – платинородий;
• Нихросил – нисил;
• Железо – константан.

На самом деле их больше, но это уже для гурманов. В чем у них разница? Я думаю вы уже догадались – в измеряемом диапазоне температур – это главное. Ну а еще в допустимых отклонениях и, конечно, в их цене. Попробуем объединить все в одну табличку:

НСХ	Класс допуска	Диапазон измерения	Границы допустимых отклонений ТЭРС от НСХ
К(ХА)	2	-40… +333 °С включ . свыше 333… 1300 °С	±2,5 °С ± 0,0075 t °С
L (ХК)	2	-40… +360 °С включ . более 360… 600 °С	±2,5 °С ± (0,700+0,005 t) °С
J (ЖК)	1	-40...375 375...600 (750)	± 1,5 (для -40...375) ± 0,004|T|* (для 375...600 (750))
N (НН)	1	-40...375 375...1000	± 1,5 (для -40...375) ± 0,004|T|* (для 375...1000)
S (ПП)	2	0...600 0...1600	± 1,5 (для 0...600) ± 0,0025|T|* (для 600...1600)

 

Немного подытожим. В таблице указаны максимальные диапазоны измерений. По факту же, сейчас ХА производятся до 900 – 1000 С, ХК – до 600 С, ЖК – до 600 С, НН – до 1000 С, ПП – 1250 С.

Выполнение (форм-фактор). Как вы, вероятно, догадались, все те вещи, о которых мы говорили выше относительно термометров сопротивления и термопар – были невидимы для глаза. Как же эти датчики выглядят снаружи, в чем их отличия, плюсы и минусы – рассказываем дальше. Будем отталкиваться от вариантов, доступных к заказу в нашей организации. В принципе, большого отличия между разными производителями по выполнению преобразователей нет. В основном только в названии. Основание – это металлическая трубка (преимущественно из нержавеющей стали) диаметра 6\8\10 мм, разной длины. Именно в эту трубку и монтируется чувствительный элемент ТС или термопар, а все остальное пространство заполняется песком. То есть внутри металлической трубки, на самом конце находится чувствительный элемент. В случае термометров сопротивления – та же частица меди или платины, а в случае термопар – рабочий спай. И от того элемента и аж до самого конца трубки выходят провода. И все это засыпается песком. Зафиксировали. Теперь, как мы уже не раз делали в этой статье, выделим основные 2 группы датчиков по выполнению:

1. Преобразователи температуры с коммутационной головкой.

2. Преобразователи температуры с кабельным выводом.

Рис. 6 – Преобразователи температуры с коммутационной головкой.

Рис.7 - Преобразователи температуры с кабельным выводом.

 

Зачем это сделано? Все для удобства. В чем фича. Если вы сразу знаете необходимую длину кабеля от места, где будет встроен датчик до места, где будет находиться устройство или контроллер, к которому будет подключаться этот датчик – вы сразу можете заказывать датчик с кабелем. Потому что производитель ставит кабель, который 100% подходит к этому датчику, обычно он экранирован, в металлической обмотке, выдерживает заявленные температуры и т.д. Но, как вы уже поняли – его нельзя будет отсоединить от датчика. И это не очень, ведь бывают моменты, когда хочется отсоединить кабель от датчика, а не доставать сам датчик с технологической линии. Поэтому все же более универсальным решением является датчик с коммутационной головкой. Отдельно датчик – отдельно кабель к нему. На коммутационной головке есть крышка, которая поступательными вращательными движениями против часовой стрелки очень легко откручивается. Там есть клеммы, к которым крепится кабель. Нужно – присоединили, захотели – отсоединили. А еще длину кабеля можно подбирать, какую вам заблагорассудится. Допустим сегодня датчик стоит на одном месте, завтра нужно его поставить на другое – не проблема, поехали на рынок, купили кабель нужного сечения и нужного количества жил и вперед. Но это только для термометров сопротивления! С термопарами так не работает. Для них есть правило – если это термопара Хромель -Алюмель – то и кабель должен быть Хромель -Алюмель и так же Хромель-Копель и т.д. Это важно!

Далее, независимо от того, это термопреобразователь с коммутационной головкой или с кабельным выводом – у него может быть штуцер на трубке, а может не быть. То есть, если вы хотите просто куда-то затолкнуть датчик, вам не нужно чтобы там было жесткое крепление, там ничего не будет утекать, протекать – то штуцер не нужен. А если все же нужно, чтобы датчик четко сидел на своем месте, не ерзал, то штуцер нужен. Чаще встречается штуцер М20х1,5. Есть варианты с дюймовой резьбой G1/2, G1/4 и так далее. Работает это следующим образом. Например, есть трубопровод, пусть будет с молоком. Мы на молокозаводе. Все из нержавейки, стоят баки блестящие такие, в которых пастеризуется молоко. А чтобы молоко добралось до тех баков, оно проходит по трубам, где проходит механическую фильтрацию и т.д. Следует измерять температуру молока на этом этапе. Берется датчик со штуцером с резьбой М20х1,5 (на Рис 6, 7 виден), обычно погружаемая часть также из нержавеющей стали. Погружаемая часть – это все, что находится ниже штуцера, все что выше – будет снаружи. На трубопровод вваривается бобышка (рис. 8), на которой также нарезана резьба М20х1,5. И затем датчик вкручивается в бобышку.

Рис. 8

 

И все, датчик плотно сидит, ничего не протекает, все отлично. Кхм, хотя с молоком немного не угадал я, что выбрал этот пример, ведь это пищевая промышленность и вот такие места, где есть такие закоулки, где может быть застой продукта – их не должно быть. Поэтому в нашем варианте кроме бобышки рекомендуется ставить еще и защитную гильзу (Рис. 9).

Рис. 9

 

Вот такая гильза вкручивается в бобышку , а датчик уже вкручивается в такую гильзу. Во-первых, мы минимизируем количество мест, где может происходить застой продукта, во-вторых, можно доставать датчик без разгерметизации системы, что очень удобно, например, для замены датчика. Такие гильзы используются также в агрессивных средах.

Теперь, еще пару слов об исполнении, штуцер может быть в некоторых случаях подпружинен. Иногда может быть подвижным, иногда неподвижным. Всё зависит от задачи и от удобства эксплуатации. Отдельно выделю 2 исполнения датчиков, 1 – для измерения температуры воздуха (Рис. 10), 2 – накладного исполнения (Рис. 11), например там, где нет возможности поместить датчик в среду, можно его приложить к месту, где нужно измерить температуру. Как подорожник.

Рис. 10

Рис. 11

 

Каждый из датчиков, рассмотренных в данной главе, сам по себе не работает. Он подключается либо к какому-либо устройству, либо к контроллеру. В этой статье мы их рассматривать не будем, потому что она и так получилась больше, чем планировалось, а если мы еще пойдем по устройствам – это будет целая книга. О них поговорим в одной из следующих статей. Просто брошу сюда картинку, как они обычно выглядят (Рис. 12)

Рис.12

 

2. Бесконтактный способ измерения температуры.

Да, речь будет именно о пирометрах. Пирометр – устройство для бесконтактного (дистанционного) измерения температуры объекта.

По исполнению пирометры бывают: непереносимые (стационарные) и переносные. Стационарные четко устанавливаются в одном месте и непрерывно измеряют температуру. Я с такими сталкивался на производстве полупроводников. Там химическая реакция происходила в реакторе при температуре 2000С, и чтобы измерять температуру на кремниевых прутках в реакторе были предусмотрены смотровые окошки, на которые и направлялись пирометры. Сигнал по оптоволоконному кабелю попадал сразу на аналогово-оптический преобразователь и уже оттуда на контроллер. Выглядят такие пирометры примерно как на Рис. 13

Рис. 13

 

Переносные имеют небольшие размеры, а также специальную форму удобную для эксплуатации. Большинство из вас их могли видеть в Эпицентрах во время пика Covid19, когда на входе делали вид, что всем мерили температуру. На всякий случай тоже оставлю фото (Рис. 14)

Рис.14

 

Чтобы узнать, как они работают, давайте сконцентрируем внимание на Рис. 15.

Рис.15

1– кнопка вкл / выкл , 2 – инфракрасный датчик, 3 – электронный преобразователь, 4 – измерительное устройство, 5 – корпус, 6 – тепловое излучение, 7 – объект измерения, 8 – система линз, 9 – дисплей.

 

При наведении на объект измерения 7 и нажатии кнопки включения/выключения 1 прибор включается, инфракрасное тепловое излучение 6 от объекта измерения 7 фокусируется оптической системой линз 8 и передается на инфракрасный датчик 2 (ИК диод). Последний преобразует полученное излучение в электрический сигнал, пропорциональный его мощности (а следовательно, и температуре объекта). Электрический сигнал от датчика 2 преобразуется в электронным преобразователем 3 и поступает на измерительное устройство 4, где обрабатывается, конвертируется в значение температуры (в градусах) и выводится на цифровой дисплей 9.

Давайте рассмотрим характеристики пирометров, на которые нужно обращать внимание:

• Показатель визирования – от этого параметра напрямую зависит точность измерения, это соотношение, связывающее между собой расстояние S, с которого производится измерение, и диаметр D области измерения в виде цепи (пятна) Рис. 16.

Рис.16

 

Этот параметр можно интерпретировать следующим образом:

1) расстояние измерения всегда в S раз больше диаметра D области измерения;

2) с расстояния S можно измерить температуру области диаметром D;

3) для диаметра пятна D расстояние визирования не должно превышать S, где S – больше (значение) и т.п.

С помощью рисунка 16 можно определить, что оптическое разрешение изображенного на нем пирометра: S:D=30:1, т.е.

1) расстояние S всегда в 30 раз больше диаметра D;

2) с расстояния 30 см (м, мм, …) можно измерить температуру области диаметром 1 см (м, мм, …);

3) для диаметра пятна 1 см (м, мм, …) расстояние визирования не должно превышать 30 см (м, мм, …).

Таким образом, можно выделить 3 случая использования ИК пирометров (см. рис. 17): правильный, нежелательный (или критический) и неправильный. В первом случае область визирования значительно меньше общих размеров объекта (рис. 17а). Во втором случае (рис. 17б) «круг» измерения полностью охватывает часть объекта, не выходя за его пределы. Последний случай (рис. 17в) – неправильный – является примером того, как нельзя использовать бесконтактные датчики температуры из-за неточных или некорректных получаемых показаний.

Рис.17

• Показатель черноты. Сразу приходит в голову какой-то черный юмор, но нет. Различные объекты (или одни и те же объекты, но в разных условиях) имеют разную способность излучать и поглощать энергию посредством электромагнитных волн. Это означает, что для точного измерения температуры конкретного объекта необходимо точное значение его показателя черноты. То есть, соотношение излучаемой энергии и поглощаемой энергии, которое может принимать значения от 0,01 до 0,99. Этот параметр очень важен, поскольку именно неправильно подобранный коэффициент излучения чаще всего является основным источником погрешности и неточных или некорректных данных.

По этому показателю пирометрические датчики делятся на две большие группы: с фиксированным значением (как правило, 0,95) и регулируемые. Представители последней группы, безусловно, более универсальны и пригодны для измерения температуры любых материалов и объектов в соответствии с температурным диапазоном устройства.

Если вы знаете, температуру какого именно объекта хотите измерять, но не знаете коэффициент излучения этого материала – обращайтесь в DDBI и наши специалисты с радостью Вам в этом помогут.

• Ошибка измерения. Этот параметр прямо указывает на точность получаемых данных без учета дополнительных факторов, то есть учитываются только технические особенности устройства без внешнего воздействия. Неправильно подобранный коэффициент излучения или слишком большое расстояние измерения, когда в область визирования попадают другие объекты, могут увеличить погрешность (или уменьшить точность). Обычно нормальный показатель колеблется в диапазоне от 2 до 0,5%.
• Температурный диапазон. Ограничивается минимальным и максимальным значениями, доступными для измерения конкретным устройством. Одним из главных преимуществ пирометров, основанного на принципе их работы, является возможность измерения минусовых, высоких и сверхвысоких температур (до 3000-4000°C).
• Лазерный целеуказатель. Для более точной ориентировки, наведения на объект и обозначения области измерения современные пирометры оснащены лазером. То есть бывают варианты с ним или без него. Советую брать с ним, потому что без него это вообще какая-то фигня.
• Быстродействие (показатель инерции, инерционность, время отклика). Инфракрасные термометры, как и контактные датчики температуры, характеризуются временем реакции или срабатывания. Она определяется временным промежутком с момента изменения мощности теплового излучения на входе в объектив пирометра (и, соответственно, температуры) до момента формирования выходного сигнала с отклонением не более 2% значения на дисплей.
• Сигнализация достижения настроенных минимума/максимума. В современных ИК датчиках температуры предусмотрена сигнализация (визуальная и/или звуковая) о достижениях и превышении установленных верхних и нижних границ или уставок (границ, значений).

Главные преимущества использования пирометров:

• контроль температуры на расстоянии (дальнем и близком);
• очень широкий температурный диапазон измерений (включая минусовые, высокие и сверхвысокие температуры);
• высокая точность (для такого класса измерителей);
• очень короткое время реакции (инерционность – 1 с и менее);
• возможность проводить измерения без вмешательства в конструкцию или устройство объекта и/или ход технологического процесса;
• портативность, компактность и небольшой вес;
• измерение температуры в труднодоступных и опасных для жизни и здоровья местах;
• надежность;
• измерение температуры чувствительных поверхностей, быстротечных и динамических процессов.

 

Ну вот как-то так. Если быстро и не слишком вдаваясь в подробности. Наверное, где-то здесь нужно будет указать названия датчиков, которые мы продаем, опять же для поисковых систем. Мой коллега, наверное, этим займется )), а то я и так уж долго тяну с выпуском этой статьи, все дедлайны сгорели.

Напоследок давайте все же научимся правильно подбирать датчики температуры для вашего производства, или под вашу задачу. Опять же очень быстро. Если вам нужно постоянно, или в течение какого-то времени измерять температуру на объекте, до которого у вас есть возможность дотянуться и установить там датчик – однозначно система датчик/прибор. Это надежная система, испытанная годами. Более того, кроме простой индикации температуры большинство устройств могут еще и ее регулировать. Но об этом в следующей статье. Устройство можете установить где вам удобно, хоть на стене, хоть в шкаф, хоть на дверцу шкафа. Такая система достаточно бюджетна, проста в установке, настройке и в эксплуатации. Если вы хотите сэкономить – можете поставить просто манометрический термометр, если вам это будет удобно. Об их минусах писал выше. Если нужно измерять температуру выше 1000 градусов – смотрите в сторону пирометров, если есть возможность им измерять. Ну ок , на 1000 и 1100 еще можно поставить термопару, но если больше – точно пирометр. И помните, чтобы что-нибудь измерить – нужно начать измерять и все измеряется. Ну вы поняли, «сегодняшний день в завтрашний день не все могут смотреть…». А если у вас возникнут какие-то затруднения – обращайтесь к специалистам DDBI, мы в этом океане плаваем достаточно давно и с легкостью решим все ваши задачи. Адиос Амигос .