Холодный спай термопары: почему это действительно важно и как работает CJC

Если вы когда-либо сравнивали две термопары на одной и той же трубе и видели, что они расходятся на несколько градусов, то, вероятно, проблема не в наконечнике датчика. Чаще всего ответ находится на другом конце контура, в клеммной колодке, где провода термопары соединяются с прибором. Этой точкой соединения является холодный спай, и как только вы поймете, что он делает, измерения термопарой перестанут казаться догадками.

В этой статье рассказывается, что такое холодный спай, почему без него термопара не может определить абсолютную температуру, как работает компенсация холодного спая в современных приборах и какие привычки не позволяют эталонному спаю незаметно испортить ваши данные.

Как термопара создает напряжение

Термопара представляет собой две проволоки из разнородных металлов, соединенные на одном конце. Это соединение, измерительный или горячий спай, — это то, что вы размещаете в процессе. Когда два металла видят разницу температур между соединенным концом и свободными концами, эффект Зеебека генерирует небольшое напряжение, обычно десятки микровольт на градус Цельсия.

Деталь, которая бросается в глаза, заключается в следующем: напряжение не соответствует одной лишь температуре измерительного перехода. Это соответствует разнице между измерительным спаем и точкой, где заканчиваются провода. Термопара типа K вырабатывает примерно 41 микровольт на градус Цельсия, поэтому сдвиг на клеммах на 5 °C проявляется как сдвиг показаний на 5 °C, даже если процесс никогда не двигался.

Что такое холодный спай?

Холодный спай, также называемый эталонным спаем, образуется там, где термопара или ее удлинительные провода подключаются к считывающему устройству: клеммной колодке преобразователя, входу контроллера, регистратору данных или датчику температуры.

Две вещи в этом отношении обычно понимаются неправильно:

• Это не просто комнатная температура. Это фактическая температура этих клемм в данный момент, независимо от наличия сквозняков, нагрева корпуса и нагрузки на кабель.
• Это не всегда одно удобное место. Каждое промежуточное соединение, выполненное неправильным проводом, создает дополнительный переход, и каждое из них вносит свое собственное напряжение.

Если медные винты или дорожки печатной платы касаются проводов термопары, эти точки контакта становятся частью термоэлектрической цепи. Сохранение изотермической области клемм, то есть все соединения имеют одинаковую температуру, является физической основой хорошей конструкции холодного спая.

От ледяных ванн до электронной компенсации

На протяжении большей части прошлого столетия контрольный спай находился при известной температуре 0 °C в колбе с тающим льдом. Затем измеренное напряжение можно было напрямую сравнить с опубликованными таблицами, построенными на основе этого эталона. Это было точно, и эта идея до сих пор лежит в основе стандартных таблиц термопар, используемых сегодня, но вряд ли она практична на нефтехимическом предприятии или рядом с печью для термообработки.

Современные инструменты решают проблему электронным способом. Вместо того, чтобы доводить температуру холодного спая до 0 °C, они измеряют его фактическую температуру и добавляют напряжение, которое термопара произвела бы, если бы ее опорное значение было равно 0 °C. Эта добавленная величина и есть компенсационное напряжение холодного спая.

Как работает компенсация холодного спая

Внутри передатчика, контроллера или карты сбора данных процесс разбивается на три этапа.

1. Измерьте температуру терминала. Небольшой термометр сопротивления, термистор или кремниевый датчик размещается рядом с клеммной колодкой настолько близко к реальному соединению, насколько это позволяет компоновка.
2. Преобразуйте эту температуру в эквивалентную ЭДС термопары. Используя стандартные таблицы для используемого типа термопары, прибор рассчитывает напряжение, которое возникло бы, если бы измерительный спай имел такую ​​же температуру на клемме, в то время как опорное значение оставалось на уровне 0 °C.
3. Добавить и линеаризовать. Компенсационное напряжение добавляется к измеренному сигналу, а общая сумма преобразуется с помощью полиномов или справочных таблиц в окончательное значение температуры.

Поскольку поправка зависит от типа термопары, компенсация действительна только в том случае, если вход прибора, датчик и удлинительная проводка совпадают. Датчик типа K, питающий преобразователь, сконфигурированный для типа J, дает систематическое смещение, которое не может быть устранено никакой повторной калибровкой. Программная компенсация в системе сбора данных следует той же логике, но эталонный датчик часто располагается дальше от терминалов, и на этом расстоянии точность легче всего теряется.

Распространенные ошибки холодного спая

Большинство проблем с холодным спаем, о которых мы слышим, делятся на несколько закономерностей. В таблице ниже показано, что обычно идет не так, и что можно исправить.

Удлинительный и компенсационный провод заслуживает отдельного упоминания, поскольку именно эту часть петли чаще всего заменяют тем, что было в кладовой. Медный кабель подходит для передачи сигнала 4–20 мА, но он не может передавать сигнал термопары без создания нового соединения на каждом конце. Компенсационный провод изготовлен из сплавов, соответствующих типу термопары, и его температурный диапазон должен охватывать самую горячую точку, через которую он проходит, включая любой участок, проходящий через горячий резервуар или корпус печи.

Компенсационный провод для термопар в оплетке из высокотемпературной нержавеющей стали из стекловолокна Для петель термопар этот компенсационный провод в оплетке из нержавеющей стали с изоляцией из стекловолокна рассчитан на диапазон температур от -50 до 1600°C и поддерживает запросы цен или PDF-файлов. Посмотреть продукт →

Оборудование, которое обеспечит холодный спай за вас

Где эффективно живет холодный спай, зависит от того, где вы решите оцифровать сигнал. Три схемы охватывают большинство промышленных установок:

• Прямое подключение к контроллеру или плате ввода с опорным датчиком внутри прибора.
• Монтируемый на голове или полевой передатчик на датчике, выполняющий локальную компенсацию и отправляющий сигнал 4–20 мА или цифровой сигнал в диспетчерскую.
• Передатчик, монтируемый на рейку в шкафу, для датчиков, до которых трудно добраться.

Перемещение передатчика к датчику часто является самым большим доступным улучшением. Термопара и ее удлинительный провод становятся короче, промежуточные переходы исчезают, и сигнал проходит большую часть расстояния в виде устойчивой токовой петли, а не ЭДС уровня микровольт. Наши встроенные преобразователи температуры созданы именно для такой схемы: опорный спай располагается внутри корпуса, а не на дальнем конце длинного кабеля.

Встроенный датчик температуры с двухпроводным выходом 4–20 мА SBWR/SBWZ Модули SBWR/SBWZ устанавливаются в соединительные коробки термопар или термометров сопротивления, сокращая проводку датчика и выдавая линейный выходной сигнал 4–20 мА для измерения и управления. Посмотреть продукт →

Если вы сравниваете аналоговые и интеллектуальные передатчики, наше руководство по как работают датчики температуры Более подробно рассматриваются классы точности, дрейф и критерии выбора.

Практические навыки для надежного холодного спая

Во время установки

• Держите каждое клеммное соединение одной термопары внутри одной изотермической зоны, а не разделяйте его на два блока.
• Не устанавливайте клеммные колодки или преобразователи непосредственно над контакторами, приводами или источниками питания.
• Используйте провод, предназначенный для термопар, соблюдайте его температурный класс и проверяйте полярность перед затягиванием.
• Защищайте клеммы от прямого потока воздуха и солнечного света, особенно в наружных шкафах.

В эксплуатации

• Проверьте контур на соответствие известному эталону, например сухоблочному калибратору или моделируемому милливольтовому входу.
• Проверьте клеммы на предмет окисления и повторно затяните их после первых термических циклов новой установки.
• Записывайте температуру в шкафу вместе с показаниями процесса; Сезонный дрейф в стабильном процессе обычно указывает на корпус, а не на датчик.

Что касается управления, контроллер со звуковым управлением опорным спаем берет на себя эту работу с рук оператора. Наши компактные цифровые ПИД-регуляторы температуры напрямую принимают входные сигналы термопар и управляют внутренним холодным спаем, что упрощает сборку и обслуживание небольших блоков, инкубаторов и печей.

Компактный цифровой ПИД-регулятор температуры xmtg1001 с внутренним управлением холодным спаем Для небольших блоков, инкубаторов или печей этот контроллер размером 48×48 мм принимает входы термопар и внутренне управляет эталонным спаем с помощью релейного выхода. Посмотреть продукт →

Рассматривая цикл как единую систему

Поведение холодного спая — это одна часть цикла измерения, а остальная часть цикла заслуживает такого же внимания. Тип датчика, материал оболочки, защитная трубка, метод монтажа и трасса кабеля — все это взаимосвязано, и идеально компенсированный преобразователь не может спасти термопару, установленную там, где она не выживет. На нефтехимических предприятиях водонепроницаемая, износостойкая термопара в сочетании с компенсационным проводом правильного номинала обычно имеет большее значение, чем небольшая разница в точности каталога. В высокотемпературных процессах платина-родиевые и вольфрам-рениевые датчики обеспечивают надежность измерительного спая там, где недрагоценные металлы не выдерживают никакой нагрузки. Вы можете увидеть, как эти комбинации сочетаются в наших страницы отраслевых приложений .

Ничто из этого не должно быть сложным. Примите тот факт, что термопара сообщает о разнице, а не об абсолютном значении, обеспечьте опорному спаю стабильное и изотермическое положение, используйте провод, соответствующий датчику, и позвольте хорошо подобранному преобразователю или контроллеру выполнять арифметические операции. Сделайте эти четыре вещи, и холодный спай перестанет быть скрытым источником ошибок и станет тем, чем он должен быть: тихой, понятной частью измерительного цикла.