Основні датчики температури: термопари та PT100

У вимірювальній техніці використовуються різні типи датчиків температури, кожен з яких має свої особливості, переваги та обмеження. У цій статті розглядаються два основних класи датчиків: термопари та резистивні температурні датчики PT100. Розуміння принципів їх роботи, діапазонів вимірювань, особливостей сплавів та сфер застосування дозволяє правильно обрати сенсор для конкретного завдання.

1. Термопари

Термопари – датчики температури, що базуються на ефекті термоелектроруху (ефекті Зеєбека). За наявності різниці температур на з'єднанні двох різних металів виникає різниця потенціалів, що дозволяє проводити вимірювання температури. Основна відмінність різних типів термопар полягає у складі використовуваних сплавів, що впливає на їх характеристики, температурний діапазон, чутливість та стійкість до впливу навколишнього середовища.

1.1 Основні параметри, що визначаються вибором сплавів

• Склад металів:
  Кожен тип термопари використовує свою унікальну комбінацію металів або сплавів, що визначає можливості роботи у конкретному температурному діапазоні та стійкість датчика до окислення й впливу агресивних середовищ.

• Температурний діапазон:
  Різні сплави дозволяють вимірювати температуру у широких межах – від низькотемпературних значень (близько –200 °C) до надвисоких (вище +1700 °C).

• Чутливість:
  Параметр, що характеризує величину генерованої термоелектродвижучої сили (ЕДС) на одиницю різниці температур, відіграє ключову роль при виборі датчика для забезпечення необхідної точності вимірювань.

1.2 Основні типи термопар та їх особливості

Тип K (Хромель–Алюмель)

• Склад: Сплави хромеля (нікель-хром) та алюмеля (нікель-алюміній).

• Діапазон температур: Приблизно від –200 °C до +1250 °C.

• Особливості:

  • Універсальність та широкий температурний діапазон.

  • Добра робота в окислювальному середовищі.

  • Висока чутливість, хоча точність при вимірюваннях низьких температур може бути обмеженою.

Тип J (Залізо–Константан)

• Склад: Залізо та константан (сплав міді з ніобієм і нікелем).

• Діапазон температур: Від –40 °C до +750 °C.

• Особливості:

  • Застосовується у помірних температурних умовах.

  • Обмежений при високотемпературних режимах через схильність заліза до окислення.

  • Висока початкова чутливість, але знижена довговічність при екстремальних температурах.

Тип T (Мідний–Константан)

• Склад: Мідна нитка та константанова нитка.

• Діапазон температур: Від –200 °C до +350 °C.

• Особливості:

  • Відмінна точність і стабільність при низьких температурах.

  • Ідеальний для кріогенних і лабораторних вимірювань.

  • Не підходить для високих температур.

Тип E (Хромель–Константан)

• Склад: Хромель і константан.

• Діапазон температур: Приблизно від –200 °C до +900 °C.

• Особливості:

  • Найвищий коефіцієнт термоелектродвижучої сили серед стандартних термопар.

  • Підвищена чутливість дозволяє точно вимірювати невеликі зміни температури.

  • Застосовується як у низькому, так і в середньому температурному діапазоні.

Тип N (Нікель-хром-хром / Нікель-силікон)

• Склад: Нікель-хром-хромовий сплав та нікель-силіконовий сплав.

• Діапазон температур: Від –200 °C до приблизно +1300 °C.

• Особливості:

  • Створений як покращена версія типу K.

  • Забезпечує кращу стабільність і меншу схильність до деградації при тривалій роботі при високих температурах.

  • Висока стійкість до окислення завдяки особливому складу сплавів.

Платинові термопари (Типи R, S та B)

• Склад: Базуються на сплавах платинових металів (наприклад, платина–родій).

• Діапазон температур: Зазвичай від +600 °C до +1700 °C (а інколи й вище для деяких конструкцій).

• Особливості:

  • Висока точність і стабільність, що робить їх придатними для вимірювання надвисоких температур.

  • Відмінна стійкість до агресивних середовищ і окислення.

  • Висока вартість обмежує застосування в менш критичних сферах.

1.3 Вибір термопари для конкретних застосувань

При виборі термопари слід враховувати наступні фактори:

• Робочий температурний діапазон:
  Для високотемпературних процесів оптимальними є термопари типів K, N, R, S або B, а для низькотемпературних – краще підійдуть типи T або E.

• Навколишнє середовище:
  Для агресивних і окислювальних умов переважно обирають типи K та N, тоді як тип J може швидко окислюватися.

• Точність і стабільність вимірювань:
  Якщо потрібен мінімальний розкид показників (наприклад, у лабораторних умовах), краще використовувати термопари типу T або E.

• Економічна складова:
  При обмеженому бюджеті часто обирають тип K, який забезпечує достатню точність і широкий температурний діапазон за прийнятною ціною.

2. Датчик PT100

PT100 – це тип резистивних температурних датчиків (RTD), де основою є платиновий провідник. Принцип роботи PT100 суттєво відрізняється від термопар і ґрунтується на зміні електричного опору платини при зміні температури.

2.1 Принцип роботи PT100

• Зміна опору:
  При нагріванні або охолодженні опір платинового елементу змінюється майже лінійно, що дозволяє точно вимірювати температуру. Назва «PT100» вказує на те, що при 0 °C опір датчика становить 100 Ом.

• Калібрування:
  Стандартне значення опору при 0 °C забезпечує можливість калібрування та порівняння з іншими датчиками, що є важливим для точних вимірювань.

2.2 Діапазон температур і точність

• Робочий діапазон:
  Зазвичай датчики PT100 використовуються для вимірювання температури в діапазоні від –50 °C до +300 °C, хоча спеціальні конструкції можуть працювати і при вищих температурах (до +850 °C). На відміну від термопар, які охоплюють значно ширший температурний діапазон, PT100 оптимізовані для помірних температур.

• Висока точність:
  Лінійна залежність опору від температури забезпечує високу точність і стабільність вимірювань, що робить PT100 переважними у лабораторних дослідженнях, калібруванні та прецизійних вимірювальних системах.

2.3 Порівняння з термопарами

• Принцип вимірювання:
  Термопари вимірюють температуру за принципом створення термоелектродвижучої сили між різними металами, тоді як PT100 базуються на зміні опору платини.

• Діапазон температур:
  Термопари можуть працювати у значно ширшому температурному діапазоні, у той час як PT100 обмежені помірними температурами.

• Точність і стабільність:
  PT100, як правило, забезпечують вищу точність і стабільність при вимірюваннях у межах свого діапазону, що важливо для критичних лабораторних та промислових процесів.

• Швидкість відгуку:
  Завдяки конструкції, PT100 можуть мати більший інерційний відгук, що робить термопари більш придатними у динамічних умовах, де потрібен швидкий відгук на зміну температури.

• Конфігурація підключення:
  PT100 можуть реалізовуватися у 2-, 3- або 4-провідних схемах. Використання 3- або 4-провідного підключення допомагає мінімізувати вплив опору проводів, підвищуючи точність вимірювань.

3. Висновок

Вибір датчика температури залежить від конкретних вимог вимірювального процесу. Термопари, завдяки різноманіттю сплавів та широкому температурному діапазону, підходять для екстремальних температурних умов та агресивних середовищ, проте можуть поступатися в точності при вимірюваннях у вузькому діапазоні. У свою чергу, датчик PT100, заснований на зміні опору платини, забезпечує високу точність і стабільність при помірних температурах, що робить його незамінним у лабораторних і високоточних промислових системах.

Таким чином, вибір між термопарою та PT100 визначається:

• необхідним температурним діапазоном,

• умовами навколишнього середовища,

• ступенем точності вимірювань,

• швидкістю відгуку датчика,

• а також економічними міркуваннями.

Розуміння особливостей кожного типу дозволяє оптимально інтегрувати відповідний сенсор у технологічні та вимірювальні системи, забезпечуючи надійність і точність контролю температури.