Temperatūros jutiklių konstrukcija, ypatybės ir pritaikymas

Temperatūros jutiklių konstrukcija, ypatybės ir pritaikymas

 

Technologiniuose procesuose pagrinde naudojami elektriniai temperatūros matavimo metodai ir priemonės. Temperatūros jutiklį sudaro sensorius, generuojantis elektrinį signalą (įtampą arba varžą) proporcingą temperatūrai, apsauginis korpusas su tvirtinimo elementais, elektrinio prijungimo dalis ir pagal reikalą signalo keitiklis į standartinį srovės arba įtampos signalą.

 

Varžiniai sensoriai

 

Visiems metalams charakteringa teigiamas temperatūrinis varžos koeficientas, bet sensorių gamybai naudojama tik keletas iš jų. Tai platina, nikelis, varis. Stabiliausi parametrai ir plačiausias temperatūrų diapazonas yra platininių sensorių. Gaminami Pt10, Pt50, Pt100, Pt500 ir Pt1000 graduočių sensoriai. Graduotė nurodo sensoriaus varžą prie 0°C. Pagal tikslumą pramoninės paskirties jutikliams naudojami 3 klasių sensoriai – B (±0,3°C), A (±0,15°C) ir B/3 (±0,1°C). Pagal konstrukciją sensoriai yra planariniai (iki 500...600 °C) ir vieliniai (iki 850°C). Pastarieji atsparesni vibracijoms. Kadangi platina nepadengiama izoliaciniu lako sluoksniu, sensoriai montuojami į matavimo insertą lankstų kabelinį arba vamzdelinį insertą su mineraline izoliacija.

 

Termoporiniai sensoriai

 

Sensorių sudaro dviejų skirtingų metalų suvirinti laidininkai. Elektrovaros jėgos dydis tarp šaltų galų proporcingas temperatūrų skirtumui tarp suvirinimo taško ir prijungimo išvadų. Matavimo temperatūrų diapazonas priklauso nuo termoporos tipo: K tipo (chromelis-aliumelis) iki 1350°C;  S tipo (platina-rodis) iki 1600°C; L tipo ( chromelis-kopelis) iki 800°C. Termoporinių sensorių tikslumas mažesnis, jų prijungimui reikia naudoti specialius kompensacinius laidus ir stabilizuoti arba kompensuoti šaltų galų temperatūrą, bet jie atsparūs vibracijoms, jų trumpas reakcijos laikas. Termoporinių matavimo insertų konstrukcija analogiška jutiklių su varžiniais sensoriais. Žemų temperatūrų diapazonams laidininkai izoliuojami specialiu laku arba plastmase. Darbui aukštose temperatūrose izoliacijai naudojama keramika, magnio oksidas.

 

Puslaidininkiniai sensoriai

 

Šių sensorių gamybai pagrinde naudojamas silicis. Jų matavimo diapazonas siauresnis (iki 125...150 °C), mažesnis tikslumas, didesnis parametrų išsibarstymas, ne tiesinė charakteristika, bet nedidelė kaina. Dėl to naudojami nereikalaujantiems aukšto tikslumo ir patikimumo matavimams. Šių sensorių graduočių (varžos priklausomybė nuo temperatūros) įvairovė didelė ir nėra standartizuota.

 

Konstrukcija

 

Jutiklių konstrukcijų įvairovė didelė. Gausiausią grupę sudaro jutikliai su prijungimo galva. Korpusas, kuriame montuojamas matavimo insertas, temperatūrų diapazonui iki 1200°C, gaminamas iš nerūdijančio plieno (304), atsparaus cheminių medžiagų (316L) poveikiui arba bei aukštai temperatūrai (Kantalas F). Aukštesnėms temperatūroms naudojama specialios keramikos vamzdeliai : C610 iki 1300°C; C799 iki 1800°.

Prijungimo galvoje galima montuoti signalo keitiklį, maitinamą iš srovės kilpos (įtampa 9...30 VDC). Jo išėjime turime srovės 4...20 mA. Galimas variantas su įtampos 0...10 V signalu išėjime (maitinimas 18...30 VDC), bet prijungimas atliekamas trimis laidais. Šaltų galų temperatūrinė kompensacija termoporiniams sensoriams atliekama signalo keitiklyje. Jutikliui su signalo keitikliu 4...20 mA prijungti prie matavimo prietaiso pakanka dvilaidės linijos, o jos ilgis – iki 800...1000 metrų. Ilgoms prijungimo linijoms reikia naudoti kabelius su didesnio skerspjūvio laidininkais. Nenaudojant signalo keitiklio jutikliai su termoporiniu sensoriumi prie matavimo prietaiso prijungiami specialiu kompensaciniu kabeliu. Signalo keitiklio maksimali leistina darbo aplinkos temperatūra 80°C. Jos užtikrinimui numatomas prijungimo galvos atitolinimas 150 mm nuo proceso prijungimo. Jutiklių apsaugai nuo agresyvios aplinkos (rūgštys, šarmai) ir mechaninių pažeidimų (hidrodinaminės apkrovos, aukšti proceso slėgiai) naudojamos apsauginės termokišenės (apsauginės gilzės). Jutikliuose gali būti montuojami vienas arba du sensoriai. Specialios paskirties jutikliuose (termopakabose) jų gali būti dešimt ir daugiau.

 

Elektriniai prijungimai

 

Jutikliai su varžos sensoriais (RTD) prijungiami dviejų, trijų arba keturių laidų kabeliu. Dvilaidis prijungimas naudojamas kai atstumai tarp jutiklio ir prietaiso ne didesni kaip 2 metrai ir nereikalingas aukštas matavimo  tikslumas, o matavimo prietaise yra parinktis nustatyti matavimo laidų varžą. Dažniausiai ji taikoma jutikliams Pt500 ir Pt1000 ir be matavimo linijos varžos kompensavimo, nes laidų varža sudarys mažą matavimo paklaidą. Ilgesniems prijungimo kabelio ilgiams (15...30 metrų) naudojama trijų laidų prijungimo schema. Maksimali galima matavimo linijos varža (5...15 Ohm) nurodoma matavimo prietaiso dokumentuose ir prietaiso skalėje. Jungiamųjų laidų varža turi būti ne didesnė pusei nurodytos vertės. Tik tokiu atveju bus kompensuota matavimo linijos įtaka matavimo rezultatams. Ilgesniems atstumams, kaip jau minėta, reikia naudoti signalo keitiklį prijungimo galvoje arba sumontuota arti sensoriaus montavimo vietos su 4...20 mA srovės signalu. Tiksliems matavimams naudojama keturlaidė prijungimo schema: Dviem laidais prijungiamas jutiklio maitinimas, o kitais dviem laidais matuojamas signalas tiesiogiai tarp sensoriaus išvadų.

Jutikliams su termoporiniais sensoriais (TC) prijungimas atliekamas specialiu kompensaciniu kabeliu, prailginančiu termoporą iki matavimo prietaiso. Nerekomenduojama tokį prijungimą atlikti ilgu kabeliu su mažu gyslų skerspjūviu, nes atsiras papildoma paklaida dėl termoporos įtampos signalo kritimo jungiamuose laiduose. Ilgesniems prijungimo atstumams montuojame signalo keitiklį jutiklio prijungimo galvoje su srovės 4...20 mA signalu išėjime. Jutiklių prijungimo laidai neklojami kartu su jėgos kabeliais, o esant aukštam elektromagnetinių trikdžių lygiui būtina naudoti ekranuotus kabelius.

 

Montavimas matavimo taške

 

Mechaninis jutiklio tvirtinimas atliekamas srieginiu sujungimu, kompresine mova arba apspaudžiančiu laikikliu. Jutiklio sensoriaus zona turi būti maksimalios proceso temperatūros zonoje. Ortakiuose ir vamzdynuose tai yra kanalo centre ir 3...5 kanalo skersmenų atstumu nuo alkūnių bei lenkimų.

Kad sumažinti jutiklio hidrodinamines apkrovas rekomenduojama jutiklius montuoti alkūnėse nukreipiant jutiklio matavimo dalies galą į atitekantį srautą, o jei nėra galimybės - kampu į atitekantį srautą. Katilų pakurose termojutikliai montuojami virš degimo zonos su maksimalia proceso temperatūra.

 

 

 

---

 

R.Ambrulevičius

rimvydas@auregis.lt

+370 686 54049