Схема термометра сопротивления

Приборы, работающие в комплекте с термометром сопротивления.

В практике технологических измерений температуры с использованием ТС широко применяют схемы компенсационные (потенциометрические) и мостовые уравновешенные (нулевой метод измерения) и мостовые неуравновешенные (метод отклонений), логометры и нормирующие преобразователи. Питание схем может быть как постоянным, так и переменным током.

Принципиальная компенсационная схема показана на рис. 5.9, а. В ней ТС (RT) включен в цепь источника питания последовательно с образцовым сопротивлением RH. Измерительный ток устанавливается с помощью реостата г, а измеряют напряжение поочередно на ТС и RH с помощью потенциометра. Так как токи, протекающие через ТС и RH равны, из значений напряжения на ТС и RH находят сопротивление ТС по зависимости

Термометр сопротивления должен иметь четыре электрических вывода: два для включения в цепь питания и два для подключения к потенциометру.

Рис. 5.9. Простейшие схемы измерения электрического сопротивления: а — компенсационная; б — уравновешенного моста; в — неуравновешенного моста

На рисунке 5.9, б показано измерение сопротивления уравновешенным мостом. В уравновешенном мосте RT ТС образует одно из четырех плеч моста. Два плеча моста R{ и R2 образованы постоянными известными сопротивлениями, третье плечо R3 — регулируемое сопротивление, изменением которого добиваются уравновешивания схемы по нуль-прибору в диагонали моста. Сопротивление Rr рассчитывают по соотношению

Неуравновешенные мостовые схемы используют для преобразования сопротивления термометра в напряжение. На рисунке 5.9, в показана схема неуравновешенного моста. В схемеRh R2 и R3 — постоянные резисторы плеч моста, RT — сопротивление термометра; mV — милливольтметр, включенный в диагональ моста. Ток в диагонали моста — функция R,.

Неуравновешенные мосты относительно редко используют для измерения температуры. Они сравнительно широко применяются в различных газоанализаторах, где в качестве чувствительного элемента используют нагреваемые током металлические резисторы.

Термоэлектрический термометр — это комплект, состоящий из первичного преобразователя (термопары), осуществляющего преобразование температуры в электрическое напряжение; линии связи и электроизмерительного прибора, снабженного градусной шкалой или градуировочным графиком.

Рис. 5.10. Схема термопары:

1 — горячий конец; А и В — термоэлсктроды; 2 несвободные концы (холодный конец); 3 — прибор

Принцип действия основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) термопары от температуры. Термопара (рис. 5.10) состоит из двух разнородных проводников термоэлектродов А и В, концы их сварены или спаяны и образуют рабочий конец 1 термопары, который также называют горячим. Он вводится в среду измеряемой температуры. К свободным концам проводников (холодным) 2и4 присоединяют провода от прибора 3 (милливольтметра или потенциометра), измеряющего термо-ЭДС, которая возникает за счет разности температур рабочего и свободного концов. Величина термо-ЭДС зависит от температур спаев материала проводника и не зависит от формы и размера их. Если поддерживать температуру свободных концов постоянной, равной t0, то термо-ЭДС термопары будет зависеть только от температуры t рабочего конца. С повышением температуры возрастает и термо-ЭДС термопары.

На рисунке 5.11 приведена схема термоэлектрического термометра с удлинительными проводами. На термоэлектроды 1 и 2 термопары надевают фарфоровую или кварцевую изоляционную трубку 4 так, чтобы рабочий горячий конец 3 и примыкающие к нему участки термоэлектродов остались открытыми. Их вводят в контакт с объек-

Рис. 5.11. Схема термоэлектрического термометра с удлинительными проводами: 1 и 2 — термоэлектроды; 3 — рабочий конец; 4 — изоляционная трубка;

  • 5 — защитный чехол; 6 — зажимы; 7 — головка; 8 — удлинительные провода; 9 — соединительные провода; 10 — вторичный прибор;
  • 11 —термостатирующее устройство; 12 и 13 — свободные концы термопары

том измерения. Термопара заключена в защитный чехол 5. К головке 7 с помощью двух зажимов 6 присоединяются удлинительные провода 8. К ним посредством соединительных проводов 9 подключен в точках 12 и 13, являющихся свободными концами термопары, вторичный прибор 10. Температура свободных концов в лабораторных условиях поддерживается О °С путем помещения их в термостатирующее устройство 11 — сосуд Дьюара, наполненный мелко истолченным льдом с водой.

Удлиняющие провода должны иметь одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра. С их помощью осуществляют наращивание термоэлектродов и создают возможность отнести свободные концы в более благоприятные условия.

В настоящее время нашли применения следующие термопары, приведенные в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Типы термоэлектрических преобразователей (термопар)

Подгруппа ТП

Условное обозначение НСХ

Диапазон длительного режима работы, град

Температура кратковременного режима работы, °С

Вольфрамрений —

А- 1

0-2 200

2 500

вольфрамрениевые

А — 2

0-1 800

ТВР

А — 3

0-1 800

Платинородий — платинородиевые ТПР

В

300-1 600

Платинородий —

0-1 300

1 600

платиновые

ТПП

0-1 300

1 600

Никель-хром— никельалюминиевые (хромель — алюминиевые*)

ТХА

К

От -200 до +1 000

Никель-хром— медышкелевые (хромель — констан- тановые*)

ТХК

Е

От -200 до +700

Хромель — копеле- вые* ТХК

От -300 до +600

Никель-хром- кремний — никель- кремниевые (никросил— нисиловые) ТНН

От -270 до +1 300

Медь — медьнике- левые (медь — кон- стантановые*) ТМК

Т

От -200 до +700

Железо — медь- никелевые (железо — константановые*) ТЖК

От-200 до +700

* Наименование, принятое в Российской Федерации.

Для каждого термопреобразователя с металлическими электродами устанавливают номинальные статические характеристики НСХ преобразования термопар, т.е. зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего конца при температуре свободных концов О °С.

Основными источниками погрешности термоэлектрических преобразователей являются: основная допускаемая погрешность термометров, определяемая классом точности прибора Дп; погрешность термопреобразователя Дтп; погрешность за счет отклонения температуры свободных концов от О °С Дсв; несоответствие характеристик удлинительных проводов характеристике термопреобразователя Дуд; погрешность градуировки термоэлектрических преобразователей ДР

Суммарная основная погрешность определяется по формуле

где Д; — дополнительные составляющие погрешности, которые должны быть рассчитаны в каждом конкретном случае применения термоэлектрических преобразователей.

Сумма квадратов этих составляющих не должна превышать суммы составляющих Дг и Дуд. Тогда

Окончательно для вычисления погрешности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем получается формула

Термосопротивления: Теория

Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).
По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.
В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

Что такое термометры сопротивления

(они же — термосопротивления или RTD)
Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.
Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».
Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.
Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.
Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику. Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

Основные характеристики термосопротивлений

Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

  1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
  2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
  3. Корпус датчика, тип и длина выводов

На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.
Номинальная статическая характеристика (НСХ)
НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.
Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.

Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт —ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.
Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).

Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).


В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).
Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.
Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2) при T > 0
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x (T-100) x T3) при T < 0
где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:
Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.
Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x T3 + D x T4 + E x T5 + F x T6)
где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).
Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.

То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.
Точность датчика
Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).
Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.
Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым.
Однако и здесь есть исключенияНапример, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:

Grade A ±(0.25 + 0.0042 |T|)
Grade B ±(0.13 + 0.0017 |T|)

Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.
Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.
О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.
На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).

Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K
К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.
Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

Структура термометров сопротивления

Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.
Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.
При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.

Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.
На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

  1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.
  2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.
  3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.
В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.
upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.
upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru

Справочник

Таблицы НСХ для рабочих термометров сопротивления

НСХ — номинальная статическая характеристика термометра сопротивления, которая представляет собой стандартную функцию сопротивление-температура R(t) . Для промышленных термометров функция установлена стандартами МЭК 60751 и ГОСТ 6651. Ввиду того, что таблицы функции объемные, мы предоставляем возможность посетителям сайта скачать их в формате pdf.

Скачать таблицы сопротивление-температура (НСХ) по ГОСТ 6651-2009>> (pdf)

Интерполяционные зависимости для рабочих термометров >>

Расчет температуры по показаниям термометра>>
Международные и национальные спецификации на термометры сопротивления

Организация, страна стандарт тип проволоки (альфа) Номинальное сопротивление при 0 °С
Платиновые термометры
Росстандарт (Россия) ГОСТ 6651-2009 0.00385
0.00391
100
100
International Electrotechnical
Commission (IEC)
IEC 60751 0.00385 100
British Standards Association (BS) BS 1904 0.00385 100
FachnormenausschuB
Elektrotchnek im Deutschen
NormenausschuB (DIN)

DIN 43760

DIN IEC751

0.00385 100
Japanese Standard Association (JIS) JIS C 1604 0.00392 100
МОЗМ (OIML) OIML R84 0.00385
0.00391
ASTM International ASTM E 1137 0.00385 100
American Scientific Apparatus Makers Association (SAMA) RC21-4 0.003923 98.129
US Department of Defense MIL-T-24388 0.00392 100
Медные термометры
Россия ГОСТ 6651-2009

0.00426 0.00428

100
МОЗМ (OIML) OIML R84 0.00428
0.00426
Minco (USA) стандарт Minco 0.00427
0.00427
9.035
100
Thermometrics Corporation (USA) отраслевой стандарт 0.00427
0.00427
0.00427
0.00421
0.00421
10
9.035
100 (25 °C)
100
1000
Никелевые термометры
Россия ГОСТ 6651-2009 0.00617 100
МОЗМ (OIML) OIML R84 0.00617
FachnormenausschuB
Elektrotchnek im Deutschen
NormenausschuB (DIN)
DIN 43760 0.00618 100
Minco (USA) Standard Minco nickel
(«Nickel A»)
0.00672 100
Никель-железные термометры
Minco (USA) стандарт Minco 0.00518
0.00527
0.00527
604
908.4
1816.81

Прямой и обратный расчет зависимости сопротивление-температура реализован в программе TermoLab

Выбор датчика температуры

Термометры сопротивления

Термометр сопротивления ТС это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Новый межгосударственный стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009, разработанный на основе российского стандарта ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). Ознакомиться со стандартом и скачать текст можно в разделе Российские стандарты. В стандарте приведены диапазоны, классы допуска ТС, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Эти данные приведены также на нашем сайте в разделе справочник. Главное преимущество термометров сопротивления – широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Изготавливаются также герметичные чувствительные элементы термометров сопротивления различных размеров, что позволяет их использовать в местах, где важно устанавливать миниатюрный датчик температуры. Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра. Важнейшей технологической проблемой для ТС проволочного типа является герметизация корпуса ЧЭ специальной глазурью, состав глазури должен быть подобран так, чтобы при колебаниях температуры в пределах рабочего диапазона не происходило разрушение герметизирующего слоя.
Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает допуск не лучше 0,1 °С (класс АА при 0 °С). Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную градуировку и определять характерную именно для них зависимость сопротивление-температура. Такая градуировка может повысить точность до нескольких сотых градуса. Следует отметить, что использование функции МТШ-90 (что возможно сейчас для многих цифровых термометров) может точнее описать индивидуальную зависимость ТС, использование квадратичного уравнения Каллендара Ван Дьюзена ограничивает точность аппроксимации до 0,01-0,03 °С в зависимости от диапазона температур.
Эталонные платиновые термометры (ПТС, ТСПН) первого разряда и термометры-рабочие эталоны по точности превосходят промышленные термометры сопротивления (расширенная неопределенность ПТС 1 разряда при 0 °С равна 0,002 °С), но они требуют очень осторожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых ударов. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабочих термометров сопротивления. Стандарт на образцовые ПТС первого и второго разряда: ГОСТ Р 51233-98 «Термометры сопротивления платиновые эталонные 1 и 2 разрядов. Общие технические требования» (см. раздел Российские стандарты). Подробная информация о свойствах эталонных платиновых термометров сопротивления и методах работы с ними приводится в разделе «Платиновый термометр сопротивления — основной интерполяционный прибор МТШ-90»
Для точного изменения криогенных температур с успехом применяются железо-родиевые термометры сопротивления. Их действие основано, на эффекте аномальной температурной зависимости сплава 0,5 ат.% железа к родию при низких температурах с положительным коэффициентом сопротивления. Опыт работы с термометрами показал, что их стабильность может достигать 0,15 мК/год при 20 К. Зависимость сопротивление — температура в диапазоне 0,5-27 К хорошо аппроксимируется полиномами не высоких степеней (8 -11 степень). Однако, сложности возникают при попытке аппроксимировать диапазоны, включающие 28 К, т.к. в этой точке «низкотемпературное» сопротивление, обусловленное примесями, уступает место «высокотемпературному» сопротивлению, обусловленному рассеянием на фононах.
Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов.

Металл Температурный коэффициент Рекомендуемый рабочий диапазон температур Описание Использование
Платина 0.00385, 0,00391 °C-1 – рабочие ТС
(ГОСТ 6651-2009, МЭК 60751)
0.003925 °C-1 – эталонные ТС
–196°C до 600°C Высокая точность и стабильность. Характеристика сопротивление-температура близка к линейной. Самый широкий диапазон температур. Высокое удельное сопротивление. Для изготовления ЧЭ требуется небольшое количество платины. Возможно изготовление ЧЭ методом напыления платины на подложку (пленочные ЧЭ). Очень широко используется в промышленности всех стран, существует стандарт МЭК 60751 на платиновые термометры сопротивления и ЧЭ. Последняя редакция включает требования к проволочным и пленочным ЧЭ.
Никель 0,00617 °C-1
(ГОСТ 6651-2009)
0.0067 °C –1 (DIN)
–60°C до 180°C Наиболее высокий температурный коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления. Однако, если превышена точка Кюри (352°C), может возникать непредсказуемый гистерезис характеристики. Используются значительно реже, чем платиновые термометры сопротивления. Никелевые термометры сопротивления устанавливались раньше на корабельных системах контроля в комплекте с самописцами.
Медь 0.00428 °C-1
(ГОСТ 6651-2009)
–50°C до 150°C Имеют наиболее линейную характеристику, но очень ограниченный диапазон температур. Очень низкое удельное сопротивление, что обуславливает необходимость использования проволоки значительной длины. Это привело к тому, что в американском стандарте, медные термометры имеют номинальное сопротивление 10 Ом. Используются в электрических генераторах, на электростанциях и в некоторых других отраслях промышленности

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов (ЧЭ)
1.Самая распространенная конструкция – так называемая «свободная от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса чувствительног элемента (ЧЭ). Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень распространена за рубежом. Приводим примерную схему данного типа ЧЭ.
ЧЭ представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укладываются в каналы трубки из оксида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким образом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помощью цемента, приготовленного на основе оксида алюминия, или специальной глазури.
2. Вторая конструкция – это новая разработка, которая используется в ЧЭ значительно реже из-за высокой стоимости. Так называемая полая конструкция «hollow annulus». Эта конструкция применяется на особо важных объектах, в атомной промышленности, т.к. обладает повышенной надежностью и стабильностью метрологических параметров.
Чувствительный элемент наматывается на поверхность полого металлического цилиндра, изолированную слоем оксида алюминия, образованным способом горячего распыления. Для изготовления цилиндра используется специальный металл, температурный коэффициент расширения которого очень близок к температурному коэффициенту платины. После специальных процедур отжига и обработки поверхности платины изолирующим слоем оксида алюминия ЧЭ вставляется в тонкую металлическую трубку, которая герметизируется с обоих концов. Коэффициент тепловой инерции такого элемента составляет около 350 мс, для погружаемого ЧЭ, до 11 с для ЧЭ, монтированного в корпус термометра. Недостатком данной конструкции, препятствующим ее широкому распространению в промышленности, является высокая стоимость ЧЭ.
3. Пленочные чувствительные элементы типа “thin-film”
Пленочный ЧЭ изготавливается нанесением тонкого слоя платины на керамическую подложку. Обычно слой имеет толщину порядка 10-8 см. Слой платины сверху покрывается эпоксидным или стеклянным изоляционным слоем. Технология изготовления освоена многими зарубежными фирмами, в настоящее время пленочный платиновый ЧЭ – это самый дешевый и самый широко продаваемый сенсор. Большим преимуществом является малый размер и масса ЧЭ, это позволяет устанавливать такие ЧЭ в миниатюрные корпуса и получать быструю скорость реагирования на изменение температуры объекта. Благодаря малым размерам, пленочные ЧЭ могут изготавливаться с повышенным номинальным сопротивлением. Уже разработаны и производятся ЧЭ с сопротивлением 1000 Ом. Это позволяет значительно снизить влияние сопротивления выводов при подключении по 2-х проводной схеме. По стабильности пленочные ЧЭ все еще уступают проволочным, но их технология постоянно совершенствуется, и в последнее время отчетливо наблюдается прогресс в повышении стабильности сопротивления ЧЭ и расширении температурного диапазона.
4. Платиновая спираль в стеклянной изоляции.
Некоторые фирмы выпускают ЧЭ из платиновой проволоки, покрытой стеклом. Это обычно довольно дорогие термометры сопротивления. Преимуществом является полная герметизация чувствительного элемента, стойкость к условиям повышенной влажности, недостатком – ограниченный диапазон рабочих температур.
Классы точности (допуска)
В стандартt МЭК 60751 ( введен в 2008 г) и в новом ГОСТ 6651-2009 (введен в России с 1 января 2011) были приняты новые значения предельных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление-температура. Также были изменены температурные диапазоны, для которых нормируется точность по стандарту. В классификацию допусков были включены пленочные термометры сопротивления.

Необходимо отметить, что производитель, согласно п. 5.7 ГОСТ 6651, имеет право расширить диапазон измерений и устанавить допуски вне диапазона измерений по своим ТУ. (п. 5.7 Допуски для платиновых ТС при температурах вне диапазона измерений, указанного в таблице 2, должны быть установлены техническими документами на ТС конкретного типа.) О верхнем диапазоне платиновых термометров см. статью Моисеевой Н. П. «Предельная температура для термометра сопротивления»

Самым распространенным в промышленности является класс В. Класс допуска является, прежде всего, показателем точности подгонки ЧЭ под номинальное сопротивление при изготовлении. Стабильность, сопротивление изоляции, нагрев измерительным током и другие параметры, влияющие на точность измерения температуры, могут быть идентичными у термометров разных классов допуска.
Стандарт МЭК и российский стандарт допускает задание производителем специальных допусков для платиновых термометров сопротивления, на основе допуска класса В. Эти допуски гарантируются заводом и составляют обычно 1/3 В или 1/6 В. Однако необходимо иметь ввиду, что эти допуски могут реально означать только приближение термометра к номинальному сопротивлению при 0 °С, при этом зависящая от температуры часть погрешности не изменяется и соответстует классу В.
Стабильность термометра сопротивления
Стабильность определяется как изменение сопротивления в какой-либо постоянной температурной точке (чаще всего 0 °С) за определенный период времени. Данные по стабильности не всегда приводятся в каталогах зарубежных фирм. В большинстве случаев они приводятся для проволочных платиновых ЧЭ при нормальных условиях применения, в пределах номинальных рабочих температур и уровня вибрации. Некоторые фирмы считают, что хорошим показателем является стабильность сопротивления 0,05 °С/год. Большинство фирм дает другую оценку — стабильность ТС по их мнению составляет не более 0,1 °С. Однако стабильность может сильно снизится при отклонении от нормальных условий, использовании ТС в среде, подверженной резким колебаниям температуры. Стандартные требования к стабильности ТС и ЧЭ меняются с совершенствованием конструкций и технологии изготовления термометров. После обсуждения в рабочей группе экспертов по температуре, в новый стандарт ГОСТ 6651-2009 (п.6.5) были включены следующие требования:
«…6.5 Стабильность чувствительных элементов и термометров сопротивления
6.5.1 После выдержки ЧЭ при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 1000 ч сопротивление ЧЭ при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса.
6.5.2 После выдержки термометра сопротивления при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 250 ч сопротивление ТС при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Сопротивление изоляции ТС должно соответствовать требованиям 6.3.
Примечания
1 Время проверки стабильности 250 ч устанавливают только для термометров сопротивления, ЧЭ которых предварительно были испытаны на стабильность в течение 1000 ч.
2 Для ТС, предназначенных для длительного использования без поверки, и для термометров сопротивления, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к стабильности должны быть повышены, время температурной выдержки при верхнем пределе рабочего диапазона температур увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»
Важнейшим показателем надежности конструкции является стабильность сопротивления в процессе термоциклирования. К сожалению, конкретные данные по термоциклированию не приводятся в описании типа и каталогах на импортные ЧЭ и ТС. Чаще всего технические характеристики декларируются соответствующими стандарту МЭК. В ГОСТ Р 8.625 (п.6.6) установлены следующие требования к стабильности ТС при циклическом изменении температуры:
«…6.6 Устойчивость термометров сопротивления к циклическому изменению температуры После 10 циклов изменения температуры термометра сопротивления от верхнего до нижнего предела рабочего диапазона сопротивление при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Примечание — Для термометров сопротивления, предназначенных для работы в условиях быстроменяющейся температуры и для термометров, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к устойчивости к температурным циклам должны быть повышены, число циклов увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»
Схемы подключения и измерительный ток
Существует большое количество измерительных мостов и потенциометров, работающих в комплекте с термометрами сопротивления. Причем отечественные приборы не уступают, а иногда превосходят по качеству импортные установки. Термометры сопротивления могут подключаться к измерительной установке по двух-, трех-, и четырех-проводной схемам. Причем для ТС классов АА и А двух-проводная схема не допустима, т.к. в данном случае, сопротивление подводящих проводов включается в полное измеренное сопротивление термометра и приводит к значительному снижению точности измерения, даже если номинальное сопротивление выводов приведено в документации и учитывается в расчетах.
Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.
Сопротивление изоляции
Корпус термометра сопротивления обычно заполняется неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния. Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как только небольшое количество влаги проникает в термометр, происходит эффект шунтирования чувствительного элемента термометра. Проверка сопротивления изоляции ТС – одно из важнейших испытаний при выпуске из производства. Проверка происходит путем измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами при испытательном напряжении 100 В при температуре 15-35 °С и от 10 до 50 В при повышенных температурах. При комнатной температуре сопротивление изоляции должно быть более 100 МОм.
Падение сопротивления изоляции – основная причина снижения точности термометра или даже выхода его из строя. Важное значение для предотвращения этого эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, особенно при работе термометра в условиях повышенной влажности.
Тепловая инерционность датчика
Скорость реакции ЧЭ на изменение температуры процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом. Для снижения инерции используются специальные способы точной подгонки размеров корпуса и ЧЭ, специальные изолирующие теплопроводящие материалы.
Примерное время термической реакции для платиновых термометров сопротивления различного диаметра

Описание ТС Время термической реакции (63% от полного изменения)
ЧЭ 0,3 – 3 с
Диаметр 3,5 мм 2 – 3 с
Диаметр 5,0 мм 4 – 5 с
Диаметр 6,0 мм 5 – 7 с
Диаметр 6,0 мм, монтированный в гильзу 15 – 20 с

Тепловой контакт с объектом
Необходимо всегда учитывать, что термометр фактически регистрирует температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру среды или объекта в которую он погружен. То, на сколько температура ЧЭ близка к измеряемой температуре объекта зависит от суммарного теплового сопротивления между ЧЭ и объектом. Монтаж термометра в измерительный канал осуществляется, как правило, с помощью прижимающей пружины, канал иногда заполняется теплопроводящим материалом. Если контакт с объектом нарушен, то это может привести к ложным значениям регистрируемой температуры. Для проверки теплового контакта разработаны специальные методики, наиболее распространенная из которых – исследование времени реагирования ТС на импульсный нагрев током.
Сборка термометра сопротивления
Предпочтительный способ для соединения выводов ЧЭ и внутренних проводов термометра – сварка. Это предотвращает загрязнение выводных проводников другими металлами, возникающее при пайке, что может привести к возникновению паразитной ТЭДС. Внутренние выводы изготавливают обычно из меди, никеля, константана, меди с никелевым покрытием, меди со стальным покрытием и других металлов и сплавов. Выводы изолируют трубками из оксида алюминия, стекловолоконными трубками или пластиковыми трубками, если позволяет рабочая температура ТС.
Примерная схема сборки ЧЭ, приведена на рисунке.
В данной конструкции материалом для внутренних выводов служит медь покрытая никелем (27%), путем холодного прессования (так называемый материал Kulgrid) или корозионностойкий высокотемпературный сплав (Oxalloy). Для внешних выводов используется изолированная тефлоном многожильная медь с никелевым покрытием.
Сборка ЧЭ с внутренними выводами помещается в цилиндрическую металлическую трубку-корпус термометра и засыпается мелкодисперсным гигроскопическим порошком из оксида алюминия или магния. Конец трубки, в месте выхода проводников герметизируется. Для надежной герметизации при высоких температурах используется специальная «крышка» с встроенным переходом металл-стекло или керамика-стекло. Выводы, предварительно вваренные в крышку свариваются с выводами термометра, крышка сваривается с корпусом. Такой способ обеспечивает полную герметизацию термометра и значительно повышает его долговечность и надежность.
Материалом корпуса ТС служит латунь (для низких и комнатных температур), сталь 314, сталь 316, инконель 600. Наилучшую коррозионную стойкость обеспечивает инконель 600.
Длина термометра сопротивления
Длина термометра сопротивления должна выбираться исходя из необходимой глубины погружения термометра. Глубина погружения термометра в объект измерения является важным фактором, влияющим на погрешность измерения температуры объекта, возникающую из-за тепловых потерь от ЧЭ в окружающую среду. В стандарте МЭК определен критерий достаточной глубины погружения: при погружении ниже этой глубины ТС должен менять показания не более допуска. Минимальная глубина погружения в высокой степени зависит от условий теплообмена, состава среды (жидкость, газ), скорости потока. Для предварительного выбора необходимой длины ТС предлагается следующая таблица, задающая коэффициент, на который необходимо умножить диаметр корпуса ТС, чтобы получить минимальную глубину погружения:

Среда Динамический поток Статические условия
жидкая 5-10 10-20
воздушная 10-20 20-40

К полученной глубине следует прибавить длину ЧЭ термометра, которая может составлять от 5 до 60 мм. Если диаметр трубы с теплоносителем, в которую должен быть вставлен ТС, меньше рассчитанной минимальной глубины погружения применяют установку ТС под углом к поверхности трубы, или в месте изгиба трубы.

Более подробно о глубине погружения термометра в термостат см. в разделе «Проблемы поверки» а также в статье «Влияние длины термометра на результат поверки в калибраторе»

Источники неопределенности измерения температуры на объекте
В новом стандарте ГОСТ 6651-2009 приведены правила отбраковки термометра сопротивления потребителем. В них установлено, что забраковать термометр можно только, если отклонение сопротивления термометра от НСХ лежит полностью вне диапазона, обусловленного расширенной неопределенностью измерения температуры в рабочих условиях. Поэтому становится очень актуальной проблема оценки неопределенности, возникающей при измерении температуры на объекте. Источники неопределенности измерения температуры промышленным термометром сопротивления можно разделить на источники, связанные с физическими условиями работы ТС и электрическим преобразованием сигнала.
— теплопроводящие свойства данной конструкции термометра и монтажных элементов;
— перенос тепла излучением в окружающую среду;
— теплоемкость датчика температуры;
— скорость изменения измеряемой температуры;
— утечки тока (качество заземления);
— электрические шумы;
— точность измерителя или преобразователя сигнала.

Поверка промышленных термометров сопротивления проводится по ГОСТ 8.461-2009 (см. раздел «Поверка термометров сопротивления»).

Неопределенность поверки термометров можно рассчитать, используя различные программные средства, например, программу расчета TCal-8-461, сертифицированную во ВНИИМ.

Расчет индивидуальной функции рабочих и образцовых термометров сопротивления рекомендуем проводить с использованием программы TermoLab . (cм. также раздел «Программы расчета»)
Вывод
По оценкам российских и зарубежных специалистов надежность современных датчиков температуры растет. Если стоит вопрос выбора контактного датчика повышенной надежности и стабильности для температур от 200 до 600 °С, то очень сложно найти что-то более подходящее, чем платиновый термометр сопротивления. Превалирующая часть выходов из строя современных термометров сопротивления уже связана с проблемами их крепления на объекте и проблемами во внешней измерительной цепи, а не с проблемой нестабильности ЧЭ.
Прочитайте на нашем сайте также о других типах датчиков температуры:
Термопары (термоэлектрические термометры)
Термисторы
Радиационные термометры (пирометры)
Волоконно-оптические датчики температуры
Кварцевые датчики температуры
Интегральные датчики температуры (IC temperature sensors)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *