Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Одним из самых простых способов измерения и регистрации температуры является термопара. Термопары надежно работают в большинстве сред, выдерживая перепады температур, вибрацию и даже ионизирующее излучение. Однако они чувствительны к воздействию электромагнитных полей, поэтому в таких местах их следует использовать с осторожностью или не использовать вовсе.
В этой статье рассматриваются проблемы использования термопар в электромагнитных средах и даются рекомендации по применению альтернативных типов температурных приборов. В отдельных разделах рассматриваются:
Термопары используют эффект Зеебека, открытый Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году. Это явление, при котором электрический ток течет в цепи из разнородных металлов, когда два их стыка имеют разную температуру.
Металлы, используемые в термопаре, должны обладать термоэлектрическими свойствами. Это когда электроны способны диффундировать через материал. При более высоких температурах электроны приобретают кинетическую энергию, становятся более подвижными и увеличивают степень своего перемещения, что приводит к изменению электрического потенциала. Многие сплавы на основе никеля обладают такими характеристиками и используются в большинстве распространенных термопарных проводов. Например, в термопаре типа K используются соединения хромеля и алюмеля, оба из которых содержат значительную долю никеля. Другие комбинации материалов, используемые в термопарах, основаны на платине-родии и вольфраме-рениуме, которые также обладают термоэлектрическими свойствами.
Ток и напряжение пропорциональны разнице температур между двумя спаями, хотя эта зависимость не совсем линейна. Фактические напряжения очень малы. В термопаре типа K (широко используемой благодаря широкому температурному диапазону и низкой стоимости) изменение составляет 41 мВ на градус Цельсия. Другие типы термопар производят изменения аналогичной величины. Поэтому сигналы термопар необходимо усиливать для использования в измерительных системах. При этом неизбежно усиливается любое дополнительное напряжение в сигналах, вызванное внешними причинами.
Высокое напряжение характерно для многих ситуаций, когда требуется измерение температуры, а электромагнитные поля неизбежны. Индукционный нагрев используется в промышленности, и для обеспечения стабильности процессов необходимо измерять температуру. Линии электропередач несут высокое напряжение. Трансформаторы испытывают большие нагрузки и могут сильно нагреваться. Даже свечи зажигания, используемые в двигателях внутреннего сгорания (не только в автомобильных двигателях, но и в больших генераторных установках), генерируют переходные электромагнитные сигналы.
Электромагнитные поля влияют на показания термопары двумя способами:
Кроме того, напряжение синфазного тока относительно заземления добавит напряжение к сигналу термопары. Эти проблемы могут возникнуть в среде постоянного тока, но более серьезны в присутствии переменного.
Закон Фарадея описывает явление, при котором перемещение электрического проводника через магнитное поле приводит к возникновению электрического потенциала. Тот же эффект может создавать напряжение в проводах термопары, особенно если провода выровнены перпендикулярно изменяющемуся полю. Учитывая, что эффект Зеебека создает очень маленькое напряжение, даже небольшое поле может изменить показания температуры.
При воздействии на проводник переменного электромагнитного поля возникают вихревые потоки, приводящие к нагреву. Так, при электропроводности никеля переменное магнитное поле, которое может возникнуть вокруг большого двигателя или генератора, будет нагревать сам прибор для измерения температуры. Это приведет к тому, что сигнал не будет точно отражать измеряемую температуру.
Когда термопара используется вместе с электрическим оборудованием или как его часть, она часто подключается к источнику питания. При наличии электрического напряжения разница между заземлением и заземлением оборудования может повлиять на напряжение сигнала термопары. Решением в таких случаях является обеспечение гальванической развязки системы измерения температуры или, в качестве альтернативы, поиск других методов измерения температуры.
Две технологии, которые следует изучить, — это термопреобразователи сопротивления типа Pt100 (RTD) и обнаружение инфракрасного излучения (IR).
ТДС (принцип измерения которых заключается в изменении сопротивления платиновой проволоки) известны высокой точностью и хорошей устойчивостью к электромагнитным полям. Однако они, как правило, хрупкие и не всегда подходят для промышленных условий.
Измерение ИК-излучения имеет то преимущество, что оно бесконтактное и может проводиться на расстоянии нескольких футов и более, в зависимости от размера излучателя. При этом используется закон Планка, который описывает, что тело излучает энергию пропорционально своей температуре. Одна из проблем, которую необходимо решить, заключается в том, что разные поверхности при одинаковой температуре будут излучать с разной скоростью. При измерении температуры с помощью любого ИК-детектора необходимо учитывать разницу в излучательной способности.
Термопары измеряют температуру в микровольтах на градус Цельсия. Эти сигналы нуждаются в усилении, что делает их подверженными ошибкам измерения при использовании в электромагнитных средах. Напряжение может создаваться я в проводах термопары, индукционный нагрев может повысить температуру термопары, а проблемы с заземлением могут увеличить измеряемое напряжение.
Хотя можно использовать различные фильтры и различные методы экранирования, другой подход заключается в изменении технологии измерения. Как ТДС, так и ИК-излучатели обладают хорошей устойчивостью к электромагнитным полям, хотя ТДС часто считаются слишком хрупкими для промышленных условий. ИК-датчики/передатчики обеспечивают бесконтактное измерение с различными вариантами выходных сигналов и поставляются в прочных защитных корпусах.
