Технический бюллетень TNP035 17.06.2019 г. Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений в линиях измерения температуры.

Одним из важнейших параметров, необходимых для оценки состояния технической системы или протекающего технологического процесса, является температура. Важность и необходимость получения объективной информации о тепловом состоянии многократно возрастает в условиях воздействия мощных импульсных перенапряжений.
В настоящее время из всего многообразия датчиков температуры в промышленности наиболее широко применяются датчики с чувствительными элементами в виде термопар и терморезисторов (представленных проволочными терморезисторами и полупроводниковыми термисторами) (см. рис.1).

Рисунок 1. Конструктивное исполнение.

а) проволочного терморезистора, б) термистора, в) термопары

Подключение датчика температуры к измерительному устройству в зависимости от требований к точности измерений, связанной с влиянием сопротивления подводящих проводов, выполняется по двух-, трех- или четырехпроводной схеме (см. рис.2).

Рисунок 2. Схемы подключения: двух- (а), трех- (б) и четырехпроводная (в).

В двухпроводной схеме влияние сопротивления подводящих проводов не устраняется, поэтому напряжение измеряется не только на чувствительном элементе, но и на соединительных проводах. Влияние сопротивления соединительных проводов в трехпроводной схеме устраняется путем компенсации напряжения, возникающего на соединительных проводах.

Применение трех- и четырехпроводной схемы подключения датчика температуры позволяет компенсировать влияние проводов на точность измерения.
В четырехпроводной схеме питание к датчику подводится с помощью одних проводов, а измерение разности потенциалов с помощью других.

Линия измерения температуры представляет собой информационную (телекоммуникационную по ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010) линию, особенностью которой является односторонняя передача информации о параметре - от датчика к измерительному устройству.

Основными источниками воздействий, которые представляют угрозу для всех информационных систем, являются грозовые разряды и коммутационные процессы в системах электропитания, а также сопутствующие им электромагнитные поля.

Ожидаемые токи в информационной линии при различных ударах молнии грозовых разрядов определены ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 (Приложение Е, таблица Е.3) и могут достигать 2 кА (форма 10/350 мкс) при прямом ударе молнии и 10 кА (форма 8/20 мкс) за счет воздействия электро-магнитного импульса грозового разряда. 

В результате воздействия импульсных перенапряжений возможен выход из строя элементов цепи измерения температуры.

Вероятная причина выхода из строя элементов приведена в таблице 1.

Таблица 1. Воздействие импульсных перенапряжений на элементы линии измерения температуры.

Наиболее подвержено влиянию импульсных перенапряжений измерительное устройство, выполненное на базе интегральных микросхем. Источник тока, хотя и обладает большей стойкостью к действию импульсных перенапряжений, тем не менее, также требует дополнительной защиты.

Защита информационной линии должна осуществляться в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010, СО 153-34.21.122-2003, ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 путём исключения возможности прямых воздействий грозового разряда, экранирования и организации оптимальной прокладки кабеля, а также применением дополнительных устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для защиты наиболее чувствительных элементов.

Основные типы, параметры и общие требования по применению УЗИП, предназначенных для защиты информационных систем, определяются в ГОСТ IEC 61643-21-2014, ГОСТ Р 51317.4.5-99. Выбор конкретной реализации УЗИП для защищаемого оборудования осуществляется путем решения инженерной задачи с использованием исходных данных о воздействующем перенапряжении, рабочих характеристиках цепи и требуемом уровне защиты.

Защита линий измерения температуры может быть обеспечена применением УЗИП серий К2Р НТР, К2Р НТЕ и К2Р НБС

При выборе УЗИП необходимо особо обратить внимание на то, что линия измерения температуры с применением термопары, не допускает внесения каких-либо дополнительных элементов, приводящих к затуханию информационного сигнала. Для защиты таких линий, в которых недопустимо внесение дополнительных сопротивлений, применяется К2Р НБС 2/30 (код по каталогу Р400 034) (см. рис.3).

УЗИП К2Р НБС 2/30 может применяться в качестве защиты откалиброванных модулей аналогового ввода для подключения термопар и в случае применения двухпроводной схемы подключения термодатчиков.

Рисунок 3. Конструктивное исполнение и схема УЗИП К2Р НБС 2/30

При различных схемах подключения датчика температуры УЗИП К2Р НБС 2/30 следует устанавливать в соответствии со схемами, приведенной ниже (см. рис.4 и рис.5).

Рисунок 4. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП К2Р НБС 2/30 при двухпроводной схеме подключения датчика температуры

Рисунок 5. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП К2Р НБС 2/30 при трехпроводной (а) и четырехпроводной (б) схеме подключения датчика температуры. 

При трех- и четырехпроводной схемах подключения датчика температуры в качестве УЗИП может быть применено устройство К2Р НТЕ 2/24/3 (код по каталогу Р400 044), оснащенное индуктивностью в качестве согласующего элемента, или К2Р НТР 2/24 (код по каталогу Р400 029), имеющее в качестве согласующего элемента резистор (см. рис. 6). Выбор того или иного устройства определяется допущениями к вносимому сопротивлению или индуктивности.

Рисунок 6. Конструктивное исполнение и схема УЗИП а) К2Р НТР 2/24, б) К2Р НТЕ 2/24/3.

УЗИП К2Р НТР 2/24 или К2Р НТЕ 2/24/3 могут применяться в качестве защиты при трех- или четырехпроводной схеме подключения термодатчика.

Схемы подключения УЗИП приведены на рисунке ниже (см. рис.7).

Рисунок 7. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП К2Р НТР 2/24 или К2Р НТЕ 2/24/3 при трехпроводной (а) и четырехпроводной (б) схеме подключения датчика температуры.

В случае, когда места для размещения недостаточно и на первый план выходят требования к габаритам УЗИП, лучшим решением по защите является применение новой, перспективной серии «Рубеж», обладающей меньшими размерами.

Следует обратить внимание, устройства защиты серии «Рубеж» характеризуются меньшими величинами допустимых импульсных и разрядных токов по сравнению с сериями К2Р НТР и К2Р НТЕ, что необходимо учитывать при разработке защиты.

Для защиты линий, в которых недопустимо внесение дополнительных сопротивлений (линий измерения температуры с применением термопары), применяется УЗИП серии «Рубеж» РСТ 2БС 24/90/2 Р (код по каталогу 402 516) (см. рис.8).

Рисунок 8. Конструктивное исполнение и схема УЗИП серии «Рубеж» РСТ 2БС 24/90/2 Р.

Первая ступень защиты данного УЗИП выполнена на газонаполненных разрядниках, вторая на TVS-диодах. Согласующий элемент между ступенями, в целях исключения затухания рабочего сигнала, отсутствует. Конструкция корпуса позволяет крепить УЗИП на DIN-рейку 35 мм.

При двухпроводной схеме подключения датчика температуры и с учетом того, что измерительное устройство наиболее подвержено влиянию импульсных перенапряжений, УЗИП следует устанавливать в соответствии со схемой (см. рис.9).

Рисунок 9. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП серии «Рубеж»

РСТ 2БС 24/90/2 Р при двухпроводной схеме подключения датчика температуры.

При трех- и четырехпроводной схемах подключения датчика температуры выполняется компенсация влияния проводников и включенных в измерительную цепь элементов на точность измерения.  Поэтому допускается применение УЗИП, имеющие в своем составе согласующие элементы, обеспечивающие надежную координацию срабатывания ступеней защиты.

В качестве УЗИП может быть применено устройство серии «Рубеж» РСТ 2/24/3 (код по каталогу 402503), оснащенное индуктивностью в качестве согласующего элемента, или серии «Рубеж» РСТ 4П 24/90/0,5 Р (код по каталогу 402517), имеющее в качестве согласующего элемента резистор (см. рис.10). Схемы подключения УЗИП приведены ниже (см. рис.11 и рис.12)

Рисунок 10. Конструктивное исполнение и схема УЗИП серии «Рубеж»

РСТ 4П 24/90/0,5 Р и РСТ 2/24/3.

Рисунок 11. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП серии «Рубеж»

РСТ 2БС 24/90/2 Р или РСТ 4П 24/90/0,5 Р при трехпроводной (а) и четырехпроводной (б) схеме подключения датчика температуры.

Выбор того или иного устройства определяется допущениями к вносимому сопротивлению или индуктивности.

Рисунок 12. Защита линии измерения температуры с применением УЗИП серии «Рубеж»

РСТ 2/24/3 при трехпроводной и четырехпроводной схеме подключения датчика температуры.

Проводники подключения датчика температуры присоединяются к УЗИП со стороны маркировки “Линия”. Защищаемая нагрузка подключается к УЗИП со стороны маркировки “Защищено”.

Размещать УЗИП следует как можно ближе к защищаемому оборудованию, на расстоянии не более 10 метров. Сопротивление заземления в точке подключения УЗИП должно быть минимальным, а проводник заземления должен быть наименьшей длинны.

УЗИП серии «Рубеж» предназначены для эксплуатации в макроклиматических районах с умеренным и холодным климатом и условиями эксплуатации с расширенным диапазоном температур от -60°С до +80°С.

Более полную информацию по вопросам защиты от импульсных перенапряжений линий измерения температуры можно получить в группе технической поддержки АО «Хакель» по телефонам 8-800-333-28-29 (многоканальный) и +7 (812)244-59-15, а также по электронной почте info@hakel.ru.