Конструкция термопарных датчиков температуры

В своей простейшей форме термопары – это не более чем пара проводов разнородных металлов сваренных вместе в одной точке. Однако, в промышленной практике, нам часто приходится применять термопары в корпусном исполнении, что обеспечивает их прочность и надежность. Например, большинство промышленных термопар защищены от механических повреждений гильзами из нержавеющей стали или керамики, и они часто оснащены формованными пластиковыми вилками для быстрого присоединения и отключения от измерительного прибора. На фотографии промышленной термопары типа K (20-ти дюймов в длину) видно, что термопара помещена в металлическую оболочку и видна также конструкция разъема для присоединения:

Оболочка из нержавеющей стали этой конкретной термопары показывает признаки изменения цвета из-за предыдущего использования в условиях высокой температуры. Обратите внимание на различные диаметры контактных штырей вилки разъема. Эта «поляризованная» конструкция делает невозможным соединение вилки с соответствующей розеткой в неправильной полярности. Миниатюрная версия этой же вилки (предназначенной для присоединения термопары к винтовым зажимам (винтовому терминалу)) расположена рядом с шариковой ручкой для сравнения размеров:

 

Некоторые промышленные термопары не имеют никакого разъема вообще, а заканчиваются просто парой неизолированных выводов. Следующая фотография показывает термопару типа J такой конструкции:

 

 

Если электронный преобразователь (например, трансмиттер температуры) расположен недалеко и достаточно длины проводов термопары, чтобы достичь контактов его терминала, то естественно, не требуются ни штыри, ни разъемы в цепи. Однако, если, расстояние между датчиком температуры и измерительным прибором слишком велико и длины собственных проводов термопары недостаточно, добавляется специальный терминальный блок – соединительная головка («голова» - по выражению техников), к которому с одной стороны подключают термопару, а с другой стороны пару удлинительных проводов, по которым милливольтовый сигнал термопары передается к измерительному прибору.

Следующая фотография показывает фрагмент такой термопарной «головы»:

Как показано на этой фотографии, винты клеммного блока нажимают непосредственно на твердый металл проводов термопары, создавая надежный электрический контакт между каждым выводом термопары и латунным клеммником. Так как термопара крепится непосредственно к «голове», проволока термопары обрезается внутри терминального блока на длину, необходимую для закрепления на латунном клеммнике.

Оба латунных терминальных блока монтируются на керамической основе. Назначение керамики - уравнять температуру между двумя латунными блоками при сохранении электрической изоляции. Эта сборка иногда называется изотермическим клеммником, потому, что позволяет поддерживать одинаковую температуру всех точек соединения. Резьбовая крышка на «голове» обеспечивает легкий доступ к точкам соединения, включая монтаж и техническое обслуживание, при одновременном обеспечении защиты соединений от воздействия погодных условий.

Провода термопар чаще всего изготавливаются в однопроволочном исполнении, а не в виде скрученного жгута. Общая ошибка техников – устанавливать на провода термопар путем обжатия оконцеватели:

 

Во-первых, невозможно обеспечить адекватное обжатие при применении оконцевателей для сплошной проволоки любого типа, включая проволоку термопар. Во-вторых, со временем соединение твердой проволоки с оконцевателем ослабнет. В результате появится дефект, определяемый как обрыв термопары. Это усугубляется еще и тем, что эта неисправность относится к классу «исчезающих», что весьма затрудняет её поиск. Оконцеватели правильно использовать в случаях, если в кабеле используется жила из нескольких скрученных вместе проволок, которую нужно присоединить под винт. Для присоединения термопары необходимо сделать кольцо из проволоки термопары и зажать его под винт.

Для использования термопар в различных технологических процессах необходимо выбрать конструкцию защиты наконечника. Для максимальной чувствительности и быстрого отклика «горячий» спай может быть незачехленным (голым). Это исполнение, однако, делает термопару механически более слабой. Защищенные типы являются типичными для промышленного применения. Они бывают в «заземленном» и «незаземленном» исполнении:

 

Термопары с заземленным «горячим» спаем более быстродействующие и более чувствительные, но измерительные контуры на их основе более уязвимы к паразитным наводкам. Поэтому в большинстве случаев в промышленности применяются изолированные (незаземленные) термопары.
На следующей фотографии приведена еще одна конструкция термопарного сенсора:

Модель Rosemount 183