Основные датчики температуры: термопары и PT100
В измерительной технике используются различные типы датчиков температуры, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и ограничения. В данной статье рассматриваются два крупных класса датчиков: термопары и резистивные температурные датчики PT100. Понимание принципов их работы, диапазонов измерений, особенностей сплавов и областей применения позволит правильно выбрать сенсор для конкретной задачи.
1. Термопары
Термопары – датчики температуры, основанные на эффекте термоэлектричества (эффекте Зеебека). При наличии разницы температур на стыке двух различных металлов возникает разность потенциалов, что позволяет проводить измерение температуры. Основное отличие различных типов термопар заключается в составе используемых сплавов, что влияет на их характеристики, температурный диапазон, чувствительность и устойчивость к воздействию окружающей среды.
1.1 Основные параметры, определяемые выбором сплавов
Состав металлов:
Каждый тип термопары использует свою уникальную комбинацию металлов или сплавов, что определяет возможности работы в конкретном температурном диапазоне и устойчивость датчика к окислению и воздействию агрессивных сред.Температурный диапазон:
Различные сплавы позволяют измерять температуру в широких пределах – от низкотемпературных значений (около –200 °C) до сверхвысоких (выше +1700 °C).Чувствительность:
Параметр, характеризующий величину генерируемой термоэлектродвижущей силы (ЭДС) на единицу разницы температур, играет ключевую роль при выборе датчика для обеспечения требуемой точности измерений.
1.2 Основные типы термопар и их особенности
Тип K (Хромель–Алюмель)
Состав: Сплавы хромеля (никель-хром) и алюмеля (никель-алюминий).
Диапазон температур: Приблизительно от –200 °C до +1250 °C.
Особенности:
Универсальность и широкий температурный диапазон.
Хорошая работа в окислительной среде.
Высокая чувствительность, хотя точность при измерениях низких температур может быть ограничена.
Тип J (Железо–Константан)
Состав: Железо и константан (сплав меди с ниобием и никелем).
Диапазон температур: От –40 °C до +750 °C.
Особенности:
Применим в умеренных температурных условиях.
Ограничен при высокотемпературных режимах из-за склонности железа к окислению.
Высокая начальная чувствительность, но сниженная долговечность при экстремальных температурах.
Тип T (Медный–Константан)
Состав: Медная нить и константановая нить.
Диапазон температур: От –200 °C до +350 °C.
Особенности:
Отличная точность и стабильность при низких температурах.
Идеален для криогенных и лабораторных измерений.
Не подходит для высоких температур.
Тип E (Хромель–Константан)
Состав: Хромель и константан.
Диапазон температур: Приблизительно от –200 °C до +900 °C.
Особенности:
Самый высокий коэффициент термоэлектродвижущей силы среди стандартных термопар.
Повышенная чувствительность позволяет точно измерять небольшие изменения температуры.
Применим как в низком, так и в среднем температурном диапазоне.
Тип N (Никель-хром-хром / Никель-силикон)
Состав: Никель-хром-хромовый сплав и никель-силиконовый сплав.
Диапазон температур: От –200 °C до примерно +1300 °C.
Особенности:
Создан как улучшенная версия типа K.
Обеспечивает лучшую стабильность и меньше подвержен деградации при длительной работе при высоких температурах.
Высокая устойчивость к окислению благодаря особому составу сплавов.
Платиновые термопары (Типы R, S и B)
Состав: Основаны на сплавах платиновых металлов (например, платина–родий).
Диапазон температур: Обычно от +600 °C до +1700 °C (и выше для некоторых конструкций).
Особенности:
Высокая точность и стабильность, что делает их пригодными для измерения сверхвысоких температур.
Отличная стойкость к агрессивным средам и окислению.
Высокая стоимость ограничивает применение в менее критичных областях.
1.3 Выбор термопары для конкретных применений
При выборе термопары следует учитывать следующие факторы:
Рабочий температурный диапазон:
Для высокотемпературных процессов оптимальны термопары типов K, N, R, S или B, а для низкотемпературных – лучше подойдут типы T или E.Окружающая среда:
Для агрессивных и окислительных условий предпочтительны типы K и N, тогда как тип J может быстро окисляться.Точность и стабильность измерений:
Если требуется минимальный разброс показаний (например, в лабораторных условиях), то лучше использовать термопары типа T или E.Экономическая составляющая:
При ограниченном бюджете нередко выбирают тип K, который обеспечивает достаточную точность и широкий диапазон температур по приемлемой цене.
2. Датчик PT100
PT100 – это тип резистивных температурных датчиков (RTD), где основой является платиновый проводник. Принцип работы PT100 существенно отличается от термопар и основывается на изменении электрического сопротивления платины при изменении температуры.
2.1 Принцип работы PT100
Изменение сопротивления:
При нагреве или охлаждении сопротивление платинового элемента изменяется почти линейно, что позволяет точно измерять температуру. Название «PT100» указывает на то, что при 0 °C сопротивление датчика составляет 100 Ом.Калибровка:
Стандартное значение сопротивления при 0 °C обеспечивает возможность калибровки и сравнения с другими датчиками, что является важным для точных измерений.
2.2 Диапазон температур и точность
Рабочий диапазон:
Обычно датчики PT100 используются для измерения температуры в диапазоне от –50 °C до +300 °C, хотя специальные конструкции могут работать и при более высоких температурах (до +850 °C). В отличие от термопар, которые охватывают более широкий температурный диапазон, PT100 оптимизированы для умеренных температур.Высокая точность:
Линейная зависимость сопротивления от температуры обеспечивает высокую точность и стабильность измерений, что делает PT100 предпочтительными в лабораторных исследованиях, калибровке и прецизионных измерительных системах.
2.3 Сравнение с термопарами
Принцип измерения:
Термопары измеряют температуру по принципу создания термоэлектродвижущей силы между разными металлами, тогда как PT100 базируется на изменении сопротивления платины.Диапазон температур:
Термопары могут работать в намного более широком температурном диапазоне, в то время как PT100 ограничены умеренными температурами.Точность и стабильность:
PT100, как правило, обеспечивают более высокую точность и стабильность при измерениях в пределах своего диапазона, что важно для критичных лабораторных и промышленных процессов.Скорость отклика:
Благодаря конструкции, PT100 могут иметь больший инерционный отклик, что делает термопары предпочтительными в динамичных условиях, где требуется быстрый отклик на изменения температуры.Конфигурация подключения:
PT100 могут быть реализованы в 2-, 3- или 4-проводных схемах. Использование 3- или 4-проводного подключения помогает минимизировать влияние сопротивления проводов, улучшая точность измерений.
3. Заключение
Подбор датчика температуры зависит от конкретных требований измерительного процесса. Термопары, благодаря разнообразию сплавов и широкому температурному диапазону, подходят для экстремальных температурных условий и агрессивных сред, однако могут уступать точности при измерениях в узком диапазоне. В свою очередь, датчик PT100, основанный на изменении сопротивления платины, обеспечивает высокую точность и стабильность при умеренных температурах, что делает его незаменимым в лабораторных и высокоточных промышленных системах.
Таким образом, выбор между термопарой и PT100 определяется:
требуемым температурным диапазоном,
условиями окружающей среды,
степенью точности измерений,
скоростью отклика датчика,
а также экономическими соображениями.
Понимание особенностей каждого типа позволяет оптимально интегрировать соответствующий сенсор в технологические и измерительные системы, обеспечивая надежность и точность контроля температуры.
