|
Сравнение характеристик РДТ и термопар
Резистивные датчики температуры (РДТ) и термопары имеют собственное место в измерениях температур в промышленности. Знание их достоинств и недостатков поможет правильно выбрать датчик для конкретного применения.
Приблизительно 50 –60% всех измерений температуры в промышленности выполняются термопарами, 30 –40%— РДТ, а остальные измерения — другими датчиками, например, термисторами или оптическими пирометрами. В большинстве приложений лучшим выбором оказывается РДТ, поэтому их доля на рынке постоянно увеличивается.
В последние годы появилось множество других температурных датчиков, включая интеллектуальные датчики, например, волоконно-оптические. Интеллектуальные датчики, несомненно, займут свое место на рынке, но термопары и РДТ, как ожидается, не сдадут своих лидирующих позиций в промышленных процессах и останутся таковыми в обозримом б дущем.
За последние три десятилетия произошел большой прогресс в разработке и оснащении новой аппаратурой технологических процессов. Это касается появления интеллектуальных температурных датчиков, цифровой обработки аналоговых сигналов датчиков, обеспечения цифрового отображения показаний и компьютерного управления. Несмотря на все это, первичными элементами для измерения температур, как в самых обычных, так и в интеллектуальных температурных датчиках, по большей части, все еще остаются термопары или РДТ. Эти датчики используются более столетия, но за это время практически не изменились и все еще остаются лучшими инструментальными средствами для проведения температурных измерений в промышленности.
В принципе, можно использовать РДТ для измерений высоких температур (примерно до 1000 °C), но практически оказывается трудно обеспечить точность измерения, если температура превышает 400 °C. Точно так же термопары могут использоваться для измерения температур вплоть до 3000 °C, но получить достоверные данные при температурах выше 1000 °C крайне трудно. К счастью, в наиболее распространенных промышленных процессах температура редко превышает 200 или 400 °C, а здесь РДТ и термопары работают достаточно хорошо. Проблема измерения высоких температур заключается в ограниченных свойствах материалов, использующихся при производстве датчиков. Большинство материалов ухудшает свои свойства или даже изменяет их при воздействии высокой температуры. Например, изоляция датчиков обычно не может выдерживать температуры близкие к 1000 °C в течение любого существенного промежутка времени.
Уровень выходного сигнала и линейности
На рис.1 приведены уровни выходных сигналов типичного РДТ и термопары в зависимости от температуры. Как видно, термопары работают в большем температурном диапазоне, чем РДТ, а РДТ имеют больший относительный уровень выходного сигнала по сравнению с термопарами. Кроме того, РДТ более линеен, чем термопара.
Сравнение выходного сигнала РДТ с прямой линией в температурном диапазоне 0 –400 °C показано на рис.2. Этот график дополняется рис.3, на котором отображена разность между прямой линией и характеристической кривой РДТ. Наблюдается разница почти в 6 °C в центре температурного диапазона. Для сравнения на рис.4 показано типовое различие между характеристическими кривыми трех типов термопар и прямой в температурном диапазоне 0 –1000 °C.
 
Как видно, термопары K-типа наиболее линейны из всех трех типов в данном температурном диапазоне. Это обстоятельство является одной из причин, по которой они используются в промышленности более широко, чем термопары типов J и E. На рис.5 показан уровень выходного сигнала термопар K-, J-и E-типов как функция температуры.
РДТ может быть выполнен из платины, меди, никеля или из других металлов, которые имеют большой температурный коэффициент сопротивления. Никель имеет лучшую чувствительность, но он менее линеен. Медь имеет хорошую линейность, но работает в ограниченном температурном диапазоне. Сегодня почти все промышленные РДТ изготавливаются из платинового провода, но сорок лет назад из-за высокой стоимости платины предпочтение отдавалось меди и никелю. Дело в том, что стоимость самого датчика составляет малую часть от полной стоимости канала измерения температуры в промышленной системе, поэтому стоимость провода больше не является определяющим фактором при производстве промышленных РДТ. По этой причине в прошлом термопары использовались гораздо чаще, но сегодня различие в стоимости датчиков не существенно при построении системы управления промышленным объектом.
Саморазогрев РДТ
Как известно, РДТ — активный датчик. Чтобы измерить его сопротивление, необходимо пропустить через него маленький электрический ток (обычно не более 1 мА). Ток заставляет платиновый элемент РДТ нагреваться выше температуры среды, в которую он помещен. Величина нагрева пропорциональна квадрату протекающего тока (P=I2R) и коэффициенту теплопередачи между чувствительным элементом РДТ и средой. Если РДТ находится в среде с плохой теплопередачей, например, в воздухе, он нагреется больше, чем если бы он находился в жидкости.
Выделение тепла на чувствительном элементе — одна из основных причин возникновения погрешности при проведении измерения температуры с помощью РДТ. Эти ошибки, называемые ошибками саморазогрева, свойственны абсолютно всем РДТ. Из-за саморазогрева РДТ не всегда будет лучшим датчиком при проведении измерений в средах с плохой теплопередачей типа газообразных носителей. В этих случаях лучше использовать термопары, при условии, что другие параметры процесса позволяют использовать их. Обычно ошибка саморазогрева РДТ составляет менее одной десятой градуса в жидкости, но она может превышать градус или даже больше в воздухе или газовых средах.
Неоднородность термопар
Во время эксплуатации у термопары могут появиться посторонние соединения по длине проводов в результате феномена холодного соединения металлов или температурной разницы между температурой самой термопары, непосредственно использующейся для измерения, и температурой подводящих проводов. Неоднородность проявляется как появление дополнительного температурного градиента, что приводит к возникновению ошибочного напряжения, положительного или отрицательного по отношению к действительному уровню, в зависимости от градиента температуры и местоположения неоднородности. В результате термопара может показать температуру, не соответствующую реальности, иногда даже противоположного знака, чем действительная.
Вибраации
Промышленный РДТ обычно сделан из тонкого платинового провода, намотанного вокруг оправки. Типичные габариты этой оправки: длина — 2 –4 см, диаметр — несколько миллиметров. Провода удлинения приварены непосредственно к платиновому проводу.
Вибрация, механический или тепловой удар могут повредить сварной шов, что иногда приводит к отказу РДТ. Поврежденное сварное соединение может также вызвать непериодические сбои в показаниях РДТ. То есть некоторое время датчик показывает положенные значения, затем его показания вдруг сдвигаются в одно или другое направление, а позже становятся снова нормальными. Это происходит в том случае, когда в сваренном шве образуются трещины и возникает спорадический контакт с чувствительным элементом.
К выходу из стоя могут также привести механические напряжения, которые платиновый провод испытывает при его намотке на оправку. На практике, после намотки РДТ для уменьшения механических напряжений его полезно отжечь, а уже потом откалибровать. Из-за плохой виброустойчивости РДТ, в тех случаях, когда по условиям техпроцесса датчик должен подвергаться вибрациям, механическим или тепловым ударам, лучше использовать термопары.
Помехоустойчивость
РДТ имеют лучшую помехоустойчивость по сравнению с термопарами, так как они имеют больший относительный уровень выходного сигнала, чем термопары, и их выходной сигал может быть легче усилен. В шумовой обстановке термопары могут работать подобно антенне, и их выходной сигнал может потонуть в наведенных шумах. Фильтрация помогает до тех пор, пока требования к времени отклика не превысят критические.
Время отклика
О термопарах часто думают, что у них время отклика лучше, чем у РДТ, но это не всегда так. Вообще, термопара в свободном пространстве может иметь более быстрое время отклика, чем РДТ. Но когда датчики используются в изолирующем термокорпусе, время отклика в большой степени зависит от воздушного промежутка между чувствительным элементом датчика и стенкой корпуса. В этом случае нет никаких причин полагать, что термопары быстрее, чем РДТ. Практический опыт показал, что корпусированные термопары зачастую медленнее, чем такие же РДТ.
Точность
Как известно, РДТ более точны, чем термопары. Но точно откалиброванная термопара может быть столь же точна, как и РДТ. Однако РДТ держит свою калибровку лучше и дольше, чем термопара. Кроме того, РДТ может быть дален из технологического процесса и повторно откалиброван, в то время как калибровка термопары обычно не может быть произведена после ее использования. Это происходит из-за того, что в процессе эксплуатации у термопары могут появиться неоднородности в проводах. Кроме того, если термопара была удалена из технологического процесса и повторно откалибрована, то любая неоднородность в проводах термопары может оказать существенное влияние на точность термопары.
Заключение
Итак, приведем сравнение важных рабочих характеристик РДТ итермопары. Каждая галочка показывает, какой датчик имеет лучшие характеристики в обозначенном параметре.
| Характеристика |
РДТ |
Термопара |
| Точность |
Ц |
|
| Высокие температуры |
|
Ц |
| Линейность |
Ц |
|
| Измерение в воздухе (газе) |
|
Ц |
| Устойчивость к шумам |
Ц |
|
| Устойчивость к вибрациям и ударам |
|
Ц |
Алексей Чистяков
|
