Введение

Приборы Tермодат предназначены для измерения и регулирования температуры в различных технологических установках: термопечах, термопластавтоматах, литейных машинах и т.д. Как правило, приборы являются многоканальными, т.е. могут измерять и регулировать температуру в нескольких точках.

Каждый конкретный экземпляр прибора может быть настроен достаточно гибко, чтобы применять его для решения разных задач. Измерение входных сигналов, регулирование температуры и другие действия выполняются микропроцессором. Программа, которую исполняет процессор, имеет параметры, определяемые типом применяемых датчиков, типом выходов и т.д. Пользователь должен модифицировать эти параметры при подключении разных типов датчиков, при применении различных способов регулирования температуры или, например, при задании частоты сохранения данных в архиве.

Для начала работы с прибором совсем необязательно задавать все параметры, т.к. приборы сконфигурированы на предприятии и большинство параметров уже установлены в нужное состояние. Всегда имеется возможность быстро восстановить заводские настройки.

1. Подключение датчиков к входам приборов Термодат

Приборы Термодат оснащаются универсальными входами, к которым с одинаковым успехом для измерения температуры подключить термопару или термометр сопротивления. Для измерения других величин (давления, влажности и т.п.) можно подключать датчики, выдающие сигнал в виде напряжения (0 до 40 мВ) или тока (0 до 20 мА), пропорционального соответствующей измеряемой величине.

Приборы с универсальными входами имеют в идентификационной строке фрагмент УВ. Все универсальные входы могут использоваться независимо друг от друга, т.е. одновременно с одним прибором на разных каналах можно применять термопары, термометры сопротивления и другие датчики.

В некоторых моделях приборов Термодат входы не универсальны, а ориентированы только на термопары или только на термометры сопротивления.

1.1. Термопарные термопреобразователи

1.1.1. Принцип действия и область применения термопар

Термопарой называется датчик температуры, состоящий из двух соединенных между собой разнородных по материалу металлических проводников. Действие термопары основано на явлении Зеебека.

Е

а) б)

Рис.1.1 Термоэлектрический термометр с дифференциальной термопарой (а) и одинарной термопарой (б)

сли спаи проводников А и В находятся при разных температурах Т₁ и Т₂, то термоэдс Е возникающая в цепи термопары, однозначно определяется этими температурами и материалом проводников.

Зная эту зависимость и измерив термоэдс с помощью подходящего прибора, можно определить температуру Т₂ «горячего» спая при условии, что температура Т₁ «холодного» спая известна.

Термопара - это один из наиболее распространенных и удобных датчиков температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором она образует термоэлектрический термометр. Достоинствами термопары являются простота изготовления, высокая надежность и хорошая точность измерений, малые габариты, малая инерционность и отсутствие дополнительных источников питания. Термопара сама является источником эдс. Точность определения температуры у некоторых термопар достигает 0,01 К. Характеристики термопар наиболее подходят для измерения температур до 1000 °С. При температурах выше 1000 °С термопары более надежны, чем другие виды термометров, и только при температурах выше 1600 °С термопары уступают оптическим пирометрам.

Основным недостатком термопар следует признать малую величину термоэдс и нелинейную зависимость ее от разности температур ∆T = Т₂ - Т₁. Как правило, функциональная зависимость Е =f(Т₂) выражается в виде полиномов. Степень полинома изменяется в широких пределах (от трех до четырнадцати) в зависимости от типа термопары и диапазона температур. Подробные таблицы и значения полиномиальных коэффициентов можно найти в справочниках, например, в электронном приложении к данному изданию имеются файлы Excel – формата, содержащие таблицы термоэдс для основных видов термопар.

Линейная связь наблюдается только для небольших интервалов температур, ширина которых зависит от типа термопары. Как правило, этот интервал составляет несколько десятков градусов. В этом случае справедливо соотношение Е = α ∆T , где α - удельная термоэдс. Удельная термоэдс также зависит от материала термопарных проводов и диапазона температур и составляет обычно 20 - 60 мкВ/К. Точное измерение таких малых электрических сигналов представляет довольно сложную проблему.

Наряду с дифференциальной термопарой ВАВ, схематично изо­браженной на рис.1.1, (а), широкое применение получили термо­пары одинарные типа АВ рис. 1.1(б), у которых имеется только один спай, назы­ваемый рабочим. Особенностью такого датчика явля­ется то, что в измерительную цепь оказываются включенными после­довательно не одна, а три термоэдс. Дело в том, что все электроизме­рительные приборы имеют медные клеммы (разъемы), к которым под­соединяются медные или удлинительные компенсационные провода. Компенсационные провода как бы удлиняют термопару, выносят хо­лодный спай из зоны относительно высоких и переменных температур в зону с низкой температурой. В местах контактов компенсационных про­водов с медными клеммами (или медными проводами) образуются спаи дополнительных термопар, термоэдс которых складывается с термоэдс рабочей термопары. Результирующий сигнал, измеряемый милливольтметром, равен алгебраической сумме трех эдс и зависит не только от температуры T рабочего спая, но и от температуры Т_о, при которой находятся контакты. Как правило, эти контакты помещаются в термостат, поддерживающий температуру Т_о постоянной. Стандартным значением температуры Т_о считается 0°С. Табличные значения эдс термопар, которые приведены в справочни­ках, соответствуют именно этому условию.

Строго говоря, в случае с дифференциальной термопарой на клеммах прибора также образуются спаи дополнительных термопар, но эти термопары одинаковы по мате­риалу и включены навстречу друг другу. Их эдс взаимно компенси­руются, если температура клемм одинакова. В случае с одиночной термопарой такой компенсации нет, и необходимо принимать меры для термостатирования клемм и введения корректирующих попра­вок.

Ниже, в табл.1 приведен список некоторых рас­пространенных термопар с их характеристиками. Выбор той или иной термопары определяется обычно верхним пределом из­мерения температуры.

При измерении температур до 1000°С чаще всего применяется хромель-алюмелевая (ХА) термопара. Кроме того, эта термопара обладает высокой удельной термоэдс и с успехом может применяться в широком диапазоне темпе­ратур, включая минусовые.

При измерении высоких температур наилучшие результаты дает использование платино-платинородиевой (ПП) термопары. Она наиболее устойчива к действию аг­рессивных сред и наименее подвержена старению.

Наибольшую удельную термоэдс обеспе­чивает хромель-копелевая (ХК) термопара.

Медь-константановая термопара (особенно дифференциальная) широко ис­пользуется при измерениях низких температур. Достоинством термо­пары является простота изготовления. Дифференциальная медь-константановая термопара изготовляется так, чтобы свободные мед­ные концы термопары соединялись с медными же удлинительными проводами. В этом случае не требуется ни компенсационных проводов, ни стабилизации температуры свободных концов и обеспечиваются наилучшие условия для измерения малых разностей температур.