Подключение термопары: схема, полярность и провода

Термопару подключают к измерительному входу, который поддерживает соответствующий тип термопары. При соединении необходимо соблюдать полярность, а при удаленном подключении использовать подходящие удлинительные термоэлектродные или компенсационные провода согласно требованиям датчика, кабеля и прибора.

Универсальной схемы с одинаковыми номерами клемм для всех приборов нет. Расположение и назначение контактов, допустимые соединительные провода и настройки входа определяются конкретным оборудованием, поэтому перед монтажом необходимо проверить документацию термопары и принимающего устройства.

Схема подключения термопары

Базовую измерительную цепь можно представить так:

Измерительный спай → термоэлектроды (+/−) → соединительная линия → вход для термопары (+/−) → измерительный прибор.

Измерительный, или рабочий, спай находится в зоне, температуру которой необходимо определить. От него идут два термоэлектрода из разных материалов. Свободные концы термопары подключаются к измерительному входу непосредственно либо через подходящую соединительную линию.

Измерительный вход должен поддерживать используемый тип термопары. Прибор измеряет термо-ЭДС термопарной цепи и определяет температуру с учетом характеристики выбранного типа термопары и температуры опорного спая.

Если термопара расположена на расстоянии от прибора, соединительная линия должна соответствовать типу термопары и требованиям измерительного оборудования. Произвольная замена ее обычным кабелем может изменить термоэлектрические условия цепи и внести дополнительную погрешность.

Номера клемм в общей схеме указывать нельзя: их маркировка и расположение зависят от модели прибора. При монтаже используют схему из руководства по эксплуатации конкретного оборудования.

При подключении термопары необходимо соблюдать полярность и требования к соединительной линии.

Куда подключается термопара

Термопару можно подключить к:

• измерителю температуры;
• терморегулятору;
• универсальному измерительному входу, поддерживающему термопары;
• специализированному модулю ввода;
• ПЛК через модуль или вход, рассчитанный на термопары;
• преобразователю сигнала термопары.

Ключевое условие – совместимость входа с конкретным типом термопары. Наличие обычного аналогового входа само по себе не означает, что термопару можно подключить к нему непосредственно.

Термопара формирует термо-ЭДС, но для преобразования этого сигнала в температуру принимающее устройство должно учитывать характеристику соответствующего типа термопары и температуру опорного спая. Поэтому требуется специализированный или универсальный вход, в котором предусмотрена работа с термопарами.

Если у ПЛК или другого устройства такого входа нет, между термопарой и стандартным аналоговым входом используют подходящий преобразователь.

Полярность термопары при подключении

У термопары есть положительный и отрицательный термоэлектроды. Полярность необходимо сохранять по всей измерительной цепи:

ТП (+) → (+) входа

ТП (−) → (−) входа

Если между термопарой и прибором используется удлинительный или компенсационный провод, его также соединяют с соблюдением соответствующей полярности.

При переполюсовке меняется знак термо-ЭДС, поступающей на вход относительно правильного подключения. Поэтому прибор получает сигнал, не соответствующий ожидаемой зависимости температуры измерительного спая от температуры опорного спая. Показания становятся неверными, а при нагреве измерительного спая могут изменяться в противоположном ожидаемому направлении.

Определять полярность только по цвету изоляции нельзя. Цветовая маркировка зависит от типа кабеля, применяемого стандарта и производителя. Основными источниками должны быть маркировка конкретного изделия и его документация.

Каким проводом подключать термопару

Для подключения и удлинения термопарной цепи необходимо различать собственные термоэлектроды термопары, удлинительный термоэлектродный провод и компенсационный провод.

Собственные термоэлектроды образуют термопару и имеют термоэлектрические характеристики, соответствующие ее типу.

Удлинительный термоэлектродный провод предназначен для продолжения цепи определенного типа термопары и изготавливается из материалов с соответствующими термоэлектрическими характеристиками в установленном для него температурном диапазоне.

Компенсационный провод также предназначен для продолжения термопарной цепи, но его жилы могут быть изготовлены из материалов, отличающихся от материалов самой термопары. В установленном диапазоне температур они должны обеспечивать термоэлектрические характеристики, необходимые для работы с соответствующим типом термопары.

Поэтому удлинительный и компенсационный провода нельзя считать произвольно взаимозаменяемыми. Конкретный кабель выбирают по его назначению, типу термопары, допустимым температурным условиям и документации оборудования.

Обычный медный провод нельзя автоматически считать корректной заменой удлинительного или компенсационного кабеля. Введение других материалов создает новые переходы в термопарной цепи. Если места таких переходов находятся при разных температурах, возникающие на них термо-ЭДС могут внести дополнительную погрешность.

При выборе соединительной линии учитывают:

• тип термопары;
• назначение удлинительного или компенсационного кабеля;
• требования производителя датчика и измерительного прибора;
• допустимые температурные условия для выбранного кабеля;
• условия эксплуатации;
• требования к прокладке и защите от помех.

Цвет оболочки или изоляции может использоваться для идентификации только с учетом применяемого стандарта и документации кабеля. Универсального правила выбора соединительного провода исключительно по цвету нет.

Удлинение термопары

Если термопара находится далеко от измерительного прибора, линию продолжают подходящим для конкретной измерительной цепи удлинительным термоэлектродным или компенсационным кабелем.

Функционально:

Термопара → подходящий удлинительный/компенсационный кабель → измерительный прибор.

В местах соединения необходимо сохранять полярность. Кроме того, соединительный кабель должен быть предназначен для используемого типа термопары и применяться в допустимых для него температурных условиях.

Произвольное наращивание обычным кабелем может изменить термоэлектрические условия измерительной цепи и внести дополнительную погрешность. Поэтому пригодность провода определяется не только его электрической проводимостью.

Особенно важно учитывать температуру мест соединения разных материалов. Если соответствующие переходы находятся при неодинаковой температуре, их вклад в суммарную термо-ЭДС цепи может не компенсироваться и повлиять на результат измерения.

Допустимую длину линии, требования к ее сопротивлению, сечению, прокладке и защите от помех проверяют по документации конкретного измерительного прибора и кабеля. Универсальной максимальной длины линии для всех термопар и измерительных систем нет.

Для удаленного подключения используют подходящую соединительную линию с сохранением полярности.

Холодный спай и его компенсация

Термо-ЭДС термопары определяется разностью температур измерительного и опорного спаев. Чтобы по измеренной термо-ЭДС определить температуру в рабочей зоне, измерительной системе необходимо знать или учитывать температуру опорного спая.

В практической измерительной цепи под холодным, или опорным, спаем обычно понимают область перехода от термопарных или соответствующих соединительных проводников к материалам входных цепей измерительного прибора. Это не обязательно отдельный физически сформированный спай.

В современных измерительных приборах компенсация холодного спая часто выполняется автоматически: прибор измеряет температуру в области входных клемм или другой предусмотренной конструкцией точки и учитывает ее при расчете температуры.

Для подключения важно, чтобы фактическая схема соединения соответствовала тому способу компенсации, который предусмотрен производителем прибора. Если условия в области опорного спая не соответствуют расчетным или компенсация выполнена неправильно, возникает дополнительная погрешность.

Наличие, расположение и способ компенсации определяются конструкцией конкретного измерительного входа. Их необходимо проверять по документации прибора.

Подробнее физический принцип рассмотрен в материале «Термопара: что это, устройство, виды и принцип работы».

Подключение термопары к регулятору или измерителю

Практическая последовательность подключения выглядит так:

1. Проверить, поддерживает ли прибор используемый тип термопары.
2. Найти в документации клеммы соответствующего измерительного входа.
3. Определить полярность выводов термопары и входа.
4. При необходимости выбрать подходящую соединительную линию.
5. Выполнить соединение по схеме производителя.
6. Проверить правильность соединений.
7. Настроить измерительный вход на используемый тип термопары.
8. Подать питание и проверить показания.

Если прибор имеет несколько универсальных входов, необходимо проверить не только номера клемм, но и назначение выбранного входа и допустимую схему соединения.

Конкретные номера клемм приводить как универсальные нельзя. Даже у приборов одного производителя расположение контактов и схемы подключения могут различаться в зависимости от модели и исполнения.

Подключение термопары к ПЛК

Подключить термопару к ПЛК можно двумя основными способами.

Вариант 1. Через специализированный вход

Функциональная схема:

Термопара → модуль или вход для термопар → ПЛК.

Модуль должен поддерживать используемый тип термопары и необходимые функции измерительного канала, включая предусмотренный производителем способ компенсации холодного спая. Термопару подключают к его входу с соблюдением полярности и требований к соединительной линии.

Вариант 2. Через преобразователь

Если подходящего температурного входа нет, применяется схема:

Термопара → преобразователь → унифицированный аналоговый сигнал → аналоговый вход ПЛК.

Преобразователь принимает сигнал термопары и формирует токовый или другой унифицированный сигнал, совместимый с входом контроллера. При этом диапазон преобразования должен соответствовать настройкам принимающего канала ПЛК, чтобы полученный сигнал правильно преобразовывался в значение температуры.

Обычный аналоговый вход ПЛК нельзя считать входом для непосредственного подключения термопары только потому, что термопара формирует электрическое напряжение. Вход должен быть специально рассчитан на работу с термопарами либо сигнал должен предварительно преобразовываться.

Термопару подключают к специализированному входу либо через преобразователь сигнала.

Защита линии от помех

Термо-ЭДС термопары имеет небольшой уровень, поэтому наведенные электрические помехи в соединительной линии могут влиять на устойчивость и точность показаний.

Измерительную линию прокладывают с учетом требований производителя оборудования. При необходимости применяют предусмотренный для данной системы экранированный кабель. Термопарную линию без необходимости не прокладывают совместно с силовыми кабелями и другими цепями, способными создавать значительные электромагнитные помехи.

Если пересечения с силовыми линиями избежать нельзя, способ взаимного расположения и прокладки выбирают по требованиям проекта и документации оборудования.

Способ подключения экрана и его заземления нельзя задавать универсально. Неправильное подключение экрана также может ухудшить помехоустойчивость измерительной системы, поэтому решение должно соответствовать схеме конкретного оборудования.

Частые ошибки при подключении термопары

Если после проверки подключения показания остаются неправильными, необходимо отделить ошибки монтажа от неисправности самой термопары или измерительного входа. Подробная диагностика относится к отдельной теме.

Проверка после подключения

После включения необходимо проверить:

• прибор получает сигнал от измерительного входа и не показывает ошибку канала;
• в настройках выбран правильный тип термопары;
• показания соответствуют ожидаемой температуре с учетом условий измерения;
• при нагреве и охлаждении показания изменяются в ожидаемом направлении;
• показания достаточно стабильны для условий измерения;
• прибор не сообщает об обрыве или другой ошибке входа.

Если при нагреве измерительного спая показания изменяются в противоположном ожидаемому направлении, в первую очередь следует проверить полярность термопары и соединительной линии. Если присутствует постоянное или зависящее от условий смещение показаний, проверяют тип термопары в настройках, соединительную линию и условия компенсации холодного спая.

Такая проверка подтверждает базовую работоспособность измерительной цепи, но не заменяет метрологическую проверку всего измерительного канала.

Если есть подозрение на неисправность самой термопары, дальнейшую проверку следует выполнять отдельно. Этому посвящен материал «Проверка термопары мультиметром».

Часто задаваемые вопросы