Датчик температуры для ПИД-регулятора: чем термопара K отличается от Pt100 и NTC и как выбрать

Датчик температуры выбирают по двум вещам: что умеет вход регулятора и в каких условиях датчик работает. Термопара K, термистор NTC и платиновый Pt100 дают регулятору три разных сигнала, и подключить датчик не к тому входу значит получить неверные показания. Ниже выбор по условиям, расчёт ошибки линии для Pt100, NTC и термопары, место установки, порядок проверки показаний и связка с твердотельным реле. Таблицу свойств и типичные ошибки подключения не пересказываем, они есть на странице категории.

Товар из статьи

Термопара тип K M6, датчик для измерения температуры, длина 1 метр

Три датчика, три типа входа

• Термопара K: сигнал это напряжение, в среднем 41 мкВ на градус, диапазон в ПИД регуляторах до 400 °C. Нужен вход под термопару K, регулятор сам компенсирует температуру своих клемм.
• NTC 10K: сигнал это сопротивление, 10 кОм при 25 °C, диапазон термореле от -50 до 110 или 120 °C. Нужен вход термореле под NTC того же номинала.
• Pt100: сигнал это сопротивление, 100 Ом при 0 °C и 138,5 Ом при 100 °C, то есть 0,385 Ом на градус. Нужен вход для термосопротивления или универсальный вход регулятора.

Сравнительная таблица этих датчиков с плюсами и минусами лежит в разделе «Типы датчиков температуры» страницы категории, ссылка в следующем разделе.

Что выбрать по условиям

Выбор по условиям собран в таблице. Регуляторы и датчики по этим условиям подобраны в разделе терморегуляторы и датчики температуры в каталоге.

Какой датчик к какому регулятору

Регулятор выбирают по входу, а датчик по условиям из таблицы выше. Вход регулятора определяет, какой датчик к нему подключают:

Термопару K подключают только ко входу для термопары K или к универсальному входу, настроенному на тип K. Датчик NTC работает с регулятором, рассчитанным на NTC того же номинала: с датчиком другого номинала термореле покажет неверную температуру.

Расчёт ошибки линии

Длинная линия добавляет ошибку по-разному для каждого типа датчика, и её можно посчитать заранее.

Pt100: сопротивление проводов

У Pt100 сопротивление растёт на 0,385 Ом на градус, поэтому при двухпроводном подключении сопротивление проводов добавляется к сопротивлению датчика, и регулятор принимает его за нагрев. Ошибка в градусах равна сопротивлению проводов, делённому на 0,385:

Два провода: сопротивление проводов суммируется с собственным сопротивлением датчика. Три провода: сопротивление подводящих проводов измеряют отдельно и учитывают, поэтому ошибка линии убирается. Сравните: ПИД регулятор с точностью 2 °C от этой линии получил бы ещё 2,6 °C при сопротивлении проводов 1 Ом.

NTC 10K: килоомы на фоне долей ома

У NTC сопротивление измеряется килоомами, а чувствительность считают по формуле с коэффициентом B = 3435 К: наклон равен B x R / T². При 25 °C это 3435 x 10 000 / 298,15² = 386 Ом на градус, при 100 °C (0,99 кОм) 3435 x 990 / 373,15² = 24,4 Ом на градус. Поэтому провод с сопротивлением 1 Ом даёт ошибку 1 / 386 = 0,003 °C при 25 °C и 1 / 24,4 = 0,04 °C при 100 °C. Удлинитель из медного провода на показания не влияет.

Термопара K: милливольты и помехи

Термопара выдаёт напряжение, а не сопротивление, в среднем 41 мкВ на градус, поэтому ошибка линии у неё другая: сигнал в милливольтах легко ловит помехи. Каждые 41 мкВ наводки дают 1 °C ошибки: наводка 100 мкВ от силового кабеля даёт 100 / 41 = 2,4 °C. Поэтому провода термопары прокладывают отдельно от силовых кабелей, двигателей и частотного преобразователя, а удлиняют только компенсационным проводом типа K: в месте соединения с медным проводом образуется новый спай, и показания уходят.

Где ставить датчик

Регулятор показывает температуру спая термопары, поэтому датчик ставят в то место, температуру которого нужно держать: в блок, плиту, корпус двигателя или шпинделя, в масло. У стенки нагревателя спай покажет температуру стенки, а не детали. Тепловой контакт даёт резьбовой наконечник с шестигранником под ключ: его вкручивают в резьбовое отверстие детали, и датчик получает тепло прямо от металла. Для отверстия M6 подходит термопара K с резьбой M6 длиной 1 метр, для отверстия M8 термопара K с резьбой M8 длиной 2 метра.

Провода у термопары идут в металлической оплётке, которая защищает их от механических повреждений, на концах стоят вилочные наконечники для клемм регулятора. Линию прокладывают отдельно от силовых кабелей шпинделя и двигателей.

Как проверить показания

Порядок проверки от простого к сложному:

1. Нагрейте датчик. Если показания уменьшаются, перепутана полярность термопары: поменяйте провода местами на клеммах.
2. Определите минус без маркировки: отрицательный проводник термопары K из алюмеля притягивается магнитом.
3. Сверьте тип датчика со входом. Если регулятор показывает неверные значения, датчик не того типа: термопару K нельзя подключать к термореле на NTC, у них разные входы.
4. Проверьте удлинение. Если показания «уходят» после соединения проводов, в месте соединения стоит медный провод и образовался новый спай: замените его компенсационным проводом типа K.
5. Проверьте трассу. Если показания скачут при включении двигателя или частотного преобразователя, провода термопары лежат в одном жгуте с силовыми кабелями: разведите их.

Термосопротивление и резистивный термометр: это одно и то же

Термосопротивление, резистивный термометр и термометр сопротивления в разговоре называют датчик, у которого от температуры меняется сопротивление. Металлический вариант это платиновый Pt100 с сопротивлением 100 Ом при 0 °C, технические требования к платиновым термопреобразователям сопротивления задаёт стандарт ГОСТ 6651-2009, он соответствует международному стандарту МЭК 60751:2008. Полупроводниковый вариант это термистор NTC, сопротивление которого падает с ростом температуры. Регулятору для обоих нужен вход, который измеряет сопротивление, а не напряжение термопары.

Связка с твердотельным реле

ПИД регулятор с выходом SSR, например REX-C100 V-DA, не греет нагреватель сам, он подаёт управляющий сигнал на вход твердотельные реле для нагревателей. Подбор и схема подключения реле разобраны в статье как подобрать и подключить твердотельное реле, настройка ПИД в инструкции к REX-C100. Датчик при этом остаётся тем же: термопара K на входе регулятора.

Частые вопросы

Pt100 или термопара: что выбрать?

Термопара K работает до 400 °C в ПИД регуляторах и крепится резьбовым наконечником в деталь. Pt100 даёт линейную зависимость и высокую точность, но требует входа для термосопротивления и трёх проводов: при двух проводах сопротивление линии 1 Ом даёт 2,6 °C ошибки.

Термопара подключение: как подключить к регулятору?

К входу для термопары K с соблюдением полярности, по схеме на корпусе регулятора. Если при нагреве показания уменьшаются, провода меняют местами.

Термопара компенсационный провод: зачем он нужен?

Термопару удлиняют только компенсационным проводом типа K. В месте соединения с медным проводом образуется новый спай, и показания уходят.

Какой датчик температуры нужен для терморегулятора?

Тот, который рассчитан на вход регулятора: NTC 10K для термореле с диапазоном до 110-120 °C, термопара K для ПИД регуляторов до 400 °C.