Термометры сопротивления: виды, типы конструкции, классы допуска

Термопреобразователи сопротивления. Устройство, характеристики, виды и типы, схемы термопреобразователей сопротивления ТСП, ТСМ, ТСПУ, ТСМУ.

Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП) могут иметь следующие сопротивления при 0 °С: 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом, и поэтому имеют следующее обозначение номинальных статических характеристик 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и 500П. ТСП используются для измерения температуры в интервале (-260. 1100) °С и являются наиболее распространенным типом термопреобразователей сопротивления. При выборе ТСП следует использовать общий принцип — низкоомные ТС необходимо применять для измерения высоких температур, а высокоомные — для измерения низких температур.

Кроме того, при использовании высокоомных ТСП влияние изменения сопротивления внешней линии сказывается меньше, чем при использовании низкоомных. Недостатком платиновых ТС является нелинейность статической характеристики, особенно в области высоких и отрицательных температур, возможность загрязнения платины при высоких температурах, подверженность воздействию восстановительных и агрессивных газов. В интервале температур (0. 600) °С зависимость сопротивления от температуры описывается нелинейным выражением

Rt = R0(1 + At + Bt 2 )

Обычно в таблицах задаются значения Wt = Rt / R0 в зависимости от температуры. В этом случае номинальные статические характеристики преобразования рассчитываются по (2) и даны в табл. 2. предыдущей статьи.

Для изготовления платиновых термопреобразователей сопротивления используется проволока диаметром от 0,05 до 0,1 мм (для использования в температурном интервале до 750 °С) и диаметром (0,2. 0,5) мм для измерения температур до 1100 °С. Типовой конструкцией чувствительного элемента является конструкция, представленная на рис. 2.

Чувствительный элемент платинового термопреобразователя

Рис. 2. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя :

1 — платиновые спирали; 2 — керамический каркас; 3 – изоляционный порошок; 4— выводы; 5 — глазурь; 6 — металлическая оболочка

Чувствительный элемент состоит из соединенных последовательно двух платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 2. Каналы каркаса со спиралями заполняются порошком 3 (обычно это оксид магния), который служит изолятором и улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные выводные проводники. Торцы керамического каркаса герметизируются специальной глазурью 5. Каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 6, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропущены выводы. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух спиралей (двойные ТС). Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность чувствительного элемента, незначительное механическое напряжение платиновой проволоки, достаточную прочность и вибростойкость. Длина платиновых чувствительных элементов обычно равна 50. 100 мм при диаметре 3. 6 мм. Все свободное пространство заполнено изолирующим порошком. Предельные погрешности ТСП приведены в табл. 1. предыдущей статьи

Медные термопреобразователи сопротивления (ТСМ) применяются для длительного измерения температуры в интервале от -200 до 200 °С. К достоинствам меди как материала для чувствительных элементов следует отнести дешевизну, возможность получения в чистом виде, хорошую технологичность, линейность зависимости сопротивления Rt от температуры t. Статическая характеристика преобразования у ТСМ описывается уравнением

Rt = R0(1 + α * t), где α — температурный коэффициент, равный

0,00428 °С -1 , R0 — сопротивление ТСМ при 0 °С.

Линейность статической характеристики является достоинством меди, а ее недостатком — интенсивная окисляемость, что ограничивает диапазон применения ТСМ температурой 200 °С и требует покрытия изоляцией проволоки чувствительного элемента. Проволока может покрываться либо эмалью, либо кремнийорганической изоляцией. Чувствительный элемент медного термопреобразователя сопротивления состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на каркас (рис. 3, а).

Чувствительные элементы медных термопреобразователей

Рис. 3. Чувствительные элементы медных термопреобразователей :

а — с каркасной намоткой: 1 — намотка; 2 — каркас; 3 — слой лака; 4 — защитная оболочка; 5 — выводы; б — с бескаркасной намоткой: 1 — намотка; 2 — фторопластовая оболочка; 3 — защитная оболочка; 4 — изолирующий порошок; 5 — выводы

Намотка должна быть безындуктивной, т.е. индуктивное сопротивление чувствительного элемента (ЧЭ) термопреобразователя сопротивления должно быть минимальным. Это связано с тем, что ЧЭ содержит большое число витков медного провода и при обычной намотке будет иметь значительную индуктивность. Поскольку вторичные приборы для ТС (автоматические мосты) имеют измерительные схемы, питаемые электрическим переменным током, индуктивное сопротивление одного из плеч (в данном случае ЧЭ) будет влиять на режим уравновешивания. Для обеспечения безындуктивности обычно выполняется бифилярная намотка — намотка вдвое сложенным проводом. Поверхность намотки покрывается слоем лака. К концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1. 1,5 мм. ЧЭ помещается в металлическую защитную оболочку, засыпанную изолирующим порошком и герметизированную. Чувствительные элементы могут быть бескаркасными (рис. 3, б). Они изготавливаются из медной проволоки диаметром 0,08 мм безындуктивной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, а затем весь ЧЭ обернут фторопластовой пленкой. ЧЭ помещается в тонкостенную металлическую оболочку, которая засыпается изолирующим порошком и герметизируется.

Недостатком меди, как материала для термопреобразователя сопротивления, является также малое удельное сопротивление, так как для изготовления ЧЭ при этом требуется много проволоки, что увеличивает размеры ЧЭ и ухудшает динамические свойства ТС.

По ГОСТ Р50353-92 медные термопреобразователи сопротивления (сокращенное обозначение ТСМ) должны иметь номинальное сопротивление при 0 °С, равное 10, 50, 100 Ом, при этом номинальные (т.е. идеальные) статические характеристики преобразования (НСХ) условно обозначаются ЮМ, 50М, 100М (таким образом, в обозначении НСХ цифра — это сопротивление термопреобразователя сопротивления при 0 °С в омах, буква — обозначение материала — медь). Для всех разновидностей ТСМ аналитическое выражение НСХ одинаково:

причем коэффициент α = 0,00428 (1/°С) одинаков для всех ТСМ (по стандартам МЭК он может быть равным 0,00426 1/°С). Различие НСХ только в значении R0. Медные ТС обычно выпускаются с классами допуска В и С. Предельные значения отклонений приведены в табл. 1. предыдущей статьи

В общем виде чувствительность для термопреобразователя сопротивления определяется выражением

при Δt стремящемся к нулю

где d — символ производной.

По табл. 1 погрешность термопреобразователя сопротивления выражается в градусах (Δt). Она может быть выражена в единицах сопротивления ΔR, связанных с Δt (в градусах) через коэффициент преобразования:

Арматура ТС бывает двух исполнений: с головкой и без нее. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Внутреннее устройство ТС с головкой представлено на рис. 4.

Чувствительные элементы помещаются в защитную арматуру, подобную изображенной на рис. 4.

Устройство термопреобразователя сопротивления

Рис. 4. Устройство термопреобразователя сопротивления с головкой и без крепежных деталей :

1 — чувствительный элемент; 2 — защитная арматура; 3 — выводы; 4 — изоляция; 5 — герметик; 6 — головка; 7 — клеммная сборка; 8 — зажимы; 9 — жилы кабеля; 10 — кабель; 11 — гайка

Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком. В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии. На внешней стороне арматуры может располагаться подвижный или неподвижный штуцер. На контролируемом объекте закрепляется защитная гильза, внутри которой закрепляется арматура термопреобразователя сопротивления.

От чувствительного элемента к контактной головке могут подходить два, три или четыре выводных проводника. Это связано с различными схемами подключения ЧЭ к вторичным устройствам (двух-, трех- или четырехпроводные схемы). Часть применяемых схем выводов приведена на рис. 5.

Схема термопреобразователя сопротивления без головки и крепежных устройств с четырьмя выводами от ТС изображена на рис. 6. У таких ТС выводы от чувствительного элемента после пробки, герметизирующей свободный конец защитной арматуры, выпускаются в виде отдельных изолированных проводов большой протяженности. На рис. 6 изображен пример, когда от чувствительного элемента отходят четыре вывода.

схемы выводов от чувствительного элемента термопреобразователя

Рис 5. Применяемые схемы выводов от чувствительного элемента термопреобразователя :

а,6 — четырехпроводная; в, д — двухпроводная; г — трехпроводная (схемы б,д — двойной ТС)

Схема термопреобразователя сопротивления

Рис. 6. Схема термопреобразователя сопротивления без головки с четырьмя выводами :

а — внешний вид; б — схема видов

Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

Рис. 7. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

Проволочные термопреобразователи сопротивления имеют стабильную НСХ, однако обладают сравнительно большими размерами и достаточно большой тепловой инерцией. Этих недостатков лишены тонкопленочные ТС, которые работают в интервале (-50. 300) °С, классов А, В, С и имеют НСХ 50М(П), 100М(П), 500М(П), 1000М(П).

Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L , размещаемого в головке термопреобразователя сопротивления ТС (Pt100) представлена на рис. 7. Последний к преобразователю подключен по четырехпроводной схеме, возможны варианты двухпроводного и трехпроводного подключения. Сигнал от термопреобразователя сопротивления, усиленный в усилителе У, поступает на аналого- цифровой преобразователь АЦП, а затем на микропроцессор МП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В микропроцессоре производится усреднение измеряемого сигнала, линеаризация, пересчет в соответствии с заданным диапазоном и пр. По двухпроводной линии передается выходной сигнал 4. 20 мА и питание от внешнего источника. Диапазон измерения преобразователя составляет -200. 850 °С при погрешности ±0,1 % диапазона измерения. Фирма Siemens помимо этих преобразователей выпускает SITRANS ТЗК-РА, SITRANS ТК/ТК-Н, SITRANS TF. Первый тип преобразователей имеет цифровой интерфейс PROFIBUS-PA, два других при выходном сигнале 4. 20 мА работают с HART модемами, последний имеет, кроме того, встроенный цифровой индикатор.

Комплекты термопреобразователей. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются основными средствами измерения температур в системах контроля теплоснабжения, где малые разности температур (3. 4) °С должны измеряться с погрешность (1. 2) %. Обычно для учета теплоты подбирается комплект из двух платиновых термопреобразователей сопротивления (например, комплект КТПТР), обладающих близкими погрешностями одного знака, это позволяет обеспечить высокую точность измерения разности температур. В табл. 1 приведены пределы допускаемых погрешностей измерения разности температур комплектами платиновых термопреобразователей классов 1 и 2, которые образованы соответственно термопреобразователями классов А и В.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления обычно называются термисторами и используются для измерения температур в интервале (-100. 300) °С. Их достоинства — высокое значение ТКС (на порядок больше, чем у металлов), малая тепловая инерция и высокое номинальное сопротивление. Недостатками являются нелинейность номинальной статической характеристики, невзаимозаменяемость из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность статической характеристики. В связи с этими недостатками полупроводниковые термопреобразователи обычно используются в цепях температурной компенсации и сигнализации, где не предъявляются высокие требования к точности измерения температуры.

Таким образом, термопреобразователи сопротивления могут применяться для измерения температуры только в сочетании с другими средствами измерений. Так, измерительный комплект может состоять из ТС, вторичного прибора (например, РП160-12) и соединительной линии между ними. Погрешность измерения температуры в этом случае определяется погрешностью всех этих средств с учетом возможной методической погрешности.

Термометры сопротивления: виды, типы конструкции, классы допуска

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

Конструкция термистора

Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. Конструкция термистора

Обозначения:

А – Выводы измерителя.
В – Стеклянная пробка, закрывающая защитную гильзу.
С – Защитная гильза, наполненная гелием.
D – Электроизоляционная пленка, покрывающая внутреннюю часть гильзы.
E – Полупроводниковый чувствительный элемент (далее ЧЭ), в приведенном примере это германий, легированный сурьмой.

Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д.

Расшифровка аббревиатур

Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:

ТСМ это термометр сопротивления (ТС), в чувствительном элементе (ЧЭ) которого используется медная проволока (М).
ТСП, в применяется платиновый (проволока из платины) ЧЭ.
КТС б – обозначение комплекта из нескольких платиновых ТС., позволяющих провести многозонные измерения, как правило, монтаж таких устройств производится на вход и выход системы отопления, чтобы установить разность температур.
ТПТ – технический (Т) платиновый термометр (ПТ).
КТПТР – комплект из ТПТ приборов, буква «Р» в конце указывает, что может производиться не только измерение разницы температур между различными датчиками.
ТСПН – «Н» в конце ТСП, обозначает, что датчик низкотемпературный.
НСХ – под данным сокращением подразумевается «номинальная статическая характеристика», соответствующая стандартной функции «температура-сопротивление». Достаточно посмотреть таблицу НСХ для pt100 или любого другого датчика (например, pt1000, rtd, ntc и т.д.), чтобы иметь представление о его характеристиках.
ЭТС – эталонные приборы, служащие для калибровки датчиков.

Чем отличается термосопротивление от термопары?

Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.

Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.

Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.

Платиновые измерители температуры

Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.

В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С -1 , эталонных – 0,03925°С -1 . Диапазон измеряемой температуры: от-196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температура-сопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции.

Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.

Датчик термопреобразователь ТСП 5071

Датчик термопреобразователь ТСП 5071 производства Элемер

Никелевые термометры сопротивления

Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С -1 . Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.

Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).

Медные датчики (ТСМ)

ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С -1 , диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.

Внешний вид термопреобразователя ТСМ 1088 1

Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.

Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже.

Конструктивное исполнение «Strain free»

Обозначения:

А – Выводы термоэлектрического элемента.
В – Защитный корпус.
С – Спираль из платиновой проволоки.
D – Мелкодисперсный наполнитель.
E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ.

Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al₂O₃). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.

На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.

Исполнение Hollow Annulus.

Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.

Пример исполнения «Hollow Annulus»

Обозначения:

А – Выводы с ЧЭ.
В – Изоляция выводов ЧЭ.
С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель.
D – Защитный корпус датчика.
E – Проволока из платины.
F – Металлическая трубка.

ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al₂O₃) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.

Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.

Пленочное исполнение (Thin film).

Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.

Миниатюрный пленочный датчик

Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).

Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.

Стеклянная изоляция спирали.

В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.

Класс допуска

Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.

Таблица 1. Классы допуска.

Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.

Схемы включения ТСМ/ТСП

Существует три варианта подключения:

Схемы включения ТС

2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема. Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления
3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.

В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.

Пример подключения по мостовой схеме

Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха

Обратим внимание, что под r_л.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.

Обслуживание

Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.

Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:

Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
Помимо этого проверяется наличие пломб.
Проверяется заземление.

Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.

Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.

Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)

Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.

Градуировочная таблица для терморезистора pt100

Градуировочная таблица для терморезистора pt100 (фрагмент, без указания пределов градуировки измерений)

Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.

Тема: Термометры сопротивления

Термометры сопротивления

Термометры сопротивления (ТС) – это датчики температуры, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления от температуры. Как разобраться, какой ТС нужен вам? Сегодня рассмотрим основные характеристики наиболее часто используемых термосопротивлений.

1. НСХ – самая важная характеристика ТС!

НСХ (номинально-статическая характеристика) – это функция или таблица значений, которая определяет зависимость «сопротивление – температура».

По рисунку видно, что диапазон измерения температур зависит от НСХ.
О чем расскажет НСХ? [/COLOR]
• Номинал сопротивления R0 (50 Ом, 100 Ом, 500 Ом, 1000 Ом)
• Материал чувствительного элемента (медь, платина)
• Температурный коэффициент α,
где:
α=0,00428 ⁰С-1 – для 50М/100М
α=0,00391 ⁰С-1 – для 50П/100П
α=0,00385 ⁰С-1 – для Pt100/Pt500/Pt1000

2. Какое сопротивление выбрать: 50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом?

Главный принцип действия ТС – это изменение сопротивления от температуры.
Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого лучше использовать ТС с бОльшим сопротивлением, чем сопротивление линии связи. Поэтому, 1000 Ом – лучше всего.

НО! Многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.
Раньше стандартными были 50-омные датчики, так как для их производства расходовалось меньше материала, чем для 100-омных.

3. Что лучше: медь или платина?

От материала чувствительного элемента (ЧЭ) зависит диапазон измерения температур

Медные: -50…+180 ⁰С
Платиновые: -196…+500 ⁰С

4. Чем отличаются 100П и Pt100?

Существуют следующие технологии производства чувствительных элементов: намоточная/проволочная и тонкопленочная.

• 100П, применяемые российскими производителями, изготавливаются по проволочной технологии. Данные ТС работают в более широком диапазоне, но при этом сам сенсор достаточно громоздкий.
] • Рt100 имеют тонкопленочные чувствительные элементы. На керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. Эти чувствительные элементы имеют малые габариты, что позволяет использовать их в моделях с малым диаметром. Также технология производства позволяет делать 500- и 1000-омные сенсоры.

5. Что там по 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.
Существуют 4 класса допуска АА, А, В, С.

На графике представлены:
Класс допуска В – общепромышленное исполнение, и именно он является стандартом в ОВЕН.
Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.

6. Какой выходной сигнал лучше: сопротивление, ток или цифровой?

Кто-то может сказать, что это вкусовщина, но все сводится к надежности и к стоимости. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости:
• Токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление».
• Цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.

Что касается стоимости, то самый дешевый – «сопротивление», токовый – средний по цене и «цифра» – дорогой.
При этом если покупать комплект оборудования, то датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые ПЛК, так как нет необходимости в аналоговых входах.

Руководитель ячейки Датчики
Тел +7(495) 641-11-56 доб 1189
Skype: z.chernova_owen
email: z.chernova@owen.ru

Термометры сопротивления – принцип действия, виды и конструкции, особенности использования

Один из наиболее популярных в промышленности типов термометров — термометр сопротивления, представляющий собой первичный преобразователь, для получения точного значения температуры от которого необходим дополнительный, нормирующий преобразователь или промышленный ПЛК – программируемый логический контроллер.

Термометр сопротивления представляет собой конструкцию, в которой проволока из платины или меди намотана на специальный диэлектрический каркас, размещенный внутри герметичного защитного корпуса, удобного по форме для монтажа.

Термометр сопротивления

Работа термометра сопротивления основана на явлении изменения электрического сопротивления проводника в зависимости от его температуры (от температуры исследуемого термометром объекта). Зависимость сопротивления проволоки от температуры в общем виде выглядит так: Rt=R0(1+at), где R0 – сопротивление проволоки при 0°C, Rt – сопротивление проволоки при t°C, а — температурный коэффициент сопротивления термочувствительного элемента.

Градуировка платинового термометра

Градуировка медного термометра сопротивления

В процессе изменения температуры, тепловые колебания кристаллической решетки металла изменяют свою амплитуду, соответственно изменяется и электрическое сопротивление датчика. Чем выше температура — тем сильнее колеблется кристаллическая решетка — тем выше оказывается текущее сопротивление. В приведенной выше таблице представлены типичные характеристики двух популярных термометров сопротивления.

Устройство термометра сопротивления

Жаропрочный корпус датчика призван защитить его от механических повреждений в процессе измерения температуры того или иного объекта.

На рисунке: 1 – чувствительный элемент из платиновой или медной проволоки, в форме спирали, расположенный на керамическом стержне; 2 – пористый керамический цилиндр; 3 – керамический порошок; 4 – защитная наружная трубка из нержавеющей стали; 5 – токопередающие выводы; 6 – наружная защитная трубка из нержавеющей стали; 7 – головка термометра со съемной крышкой; 8 – клеммы для присоединения выводного провода; 9 – провод к фиксирующему прибору; 10 – втулка с резьбой для установки в трубопровод, имеющий патрубки с внутренней резьбой.

Если потребитель точно определился, для каких целей необходим термодатчик, и выбрал именно термометр сопротивления (термопреобразователь сопротивления), значит важнейшими критериями для решения предстоящей задачи явились: высокая точность (порядка 0,1°С), стабильность параметров, почти линейная зависимость сопротивления от температуры объекта, взаимозаменяемость термометров.

Виды и конструкции

Итак, в зависимости от того, из какого материала выполнен чувствительный элемент термометра сопротивления, эти приборы можно строго разделить на две группы: медные термопреобразователи и платиновые термопреобразователи. Датчики, всюду применяемые на территории России и ближайших ее соседей, маркируются следующим образом. Медные — 50М и 100М, платиновые – 50П, 100П, Pt100, Pt500, Pt1000.

Наиболее чувствительные термометры Pt1000 и Pt100 изготавливают путем напыления тончайшего слоя платины на керамическую основу-подложку. Технологически достигается напыление малого количества платины (около 1 мг) на чувствительный элемент, дающее элементу небольшой размер.

Свойства платины при этом сохраняются: линейная зависимость сопротивления от температуры, устойчивость к высоким температурам, термостабильность. По этой причине наиболее популярные платиновые преобразователи сопротивления — это именно Pt100 и Pt1000. Медные элементы 50М и 100М изготавливаются путем ручной намотки тонкой медной проволоки, а платиновые 50П и 100П — путем намотки проволоки платиновой.

Прежде чем монтировать термометр, необходимо убедиться, что его тип выбран правильно, что градуировочная характеристика соответствует поставленной задаче, что монтажная длина рабочего элемента подходит, и остальные особенности конструкции позволяют произвести установку на данное место, для данных внешних условий.

Датчик проверяют на отсутствие внешних повреждений, осматривают его корпус, проверяют целостность обмотки датчика, а также сопротивление изоляции.

Термометр сопротивления

Некоторые факторы могут негативно отразиться на точности измерений. Если датчик установлен в не то место, монтажная длина не соответствует рабочим условиям, плохое уплотнение, нарушение теплоизоляции трубопровода или иного оборудования — все это вызовет погрешность при измерении температуры.

Следует проверить все контакты, ведь если электрический контакт в соединениях прибора и датчика плохой, то это чревато погрешностью. Не попадает ли влага или конденсат на обмотку термометра, нет ли замыкания витков, правильно ли выполнена схема соединения (отсутствие компенсационного провода, отсутствие подгонки сопротивления линии), соответствует ли градуировка измерительного прибора градуировке датчика? Это важные моменты, на которые всегда стоит обращать пристальное внимание.

Вот типичные ошибки, которые могут возникнуть при монтаже термодатчика:

Если на трубопроводе отсутствует теплоизоляция, то это неизбежно приведет к потерям тепла, поэтому место для измерения температуры должно быть выбрано так, чтобы все внешние факторы были учтены заранее.

Малая или излишняя длина датчика может способствовать ошибке из-за неправильной установки датчика в рабочий поток исследуемой среды (датчик установлен не навстречу потоку и не по оси потока, как это должно быть по правилам).

Градуировка датчика не соответствует регламентированной схеме для монтажа на данном объекте.

Нарушение условия компенсации паразитного влияния изменяющейся температуры окружающей среды (не установлены компенсационные пробки и компенсационный провод, датчик подключен к прибору регистрации температуры по двухпроводной схеме).

Не учтен характер среды: повышенная вибрация, химически агрессивная среда, среда повышенной влажности или повышенного давления. Датчик должен соответствовать условиям среды, выдерживать их.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Термометры сопротивления

программа TCal-8-461

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. Российский (межгосударственный) стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009. 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 и второго разряда 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 несколько 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.

НСХ и перечень международных нормативов для термометров сопротивления см. по ссылке>>>

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”

Технология изготовления пленочного ЧЭ очень сложная. Подложка имеет толщину порядка 0,3-0,6 мм. Как правило, попытка просто напылять чистую платину на подложку не приводит к успеху, т.к свойства напыленной платиновой пленки не позволяют получить температурный коэффициент a = 0,00385, необходимый для выполнения требований стандарта МЭК 60751. Проблема также возникает при термоциклировании, когда может нарушаться адгезия пленки с подложкой. Поэтому первые пленочные термометры были пригодны только в очень узком температурном диапазоне. В результате научных исследований был подобран состав подложки, позволивший повысить ее температурный коэффициент расширения до значения, близкого к коэффициенту платины. Толщина пленки была уменьшена до нескольких сотен нанометров. Кроме того, были разработаны технологии преднамеренного легирования платины, что позволило обеспечить соответствие температурного коэффициента сопротивления стандарту МЭК 60751. 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.

Дополнительную информацию о конструкции и методах работы с платиновыми термометрами сопротивления публикуем в материалах семинара « Термометры сопротивления и комплекты термометров для измерения разности температур. Производство, стандартизация, поверка, эксплуатация»

Классы точности (допуска)

В стандарте МЭК 60751 (редакция 2008 г., а также новая редакция 2022 г) и в ГОСТ 6651-2009 (введен в России с 1 января 2011) были приняты значения предельных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление-температура, а также температурные диапазоны, для которых нормируется точность по стандарту. В классификацию допусков включены проволочные и пленочные термометры сопротивления. В стандарте МЭК 6651 нормируются отдельно допуски для чувтсвительных элементов (резисторов) и для термометров.

Классы допуска для платиновых термометров и чувствительных элементов по ГОСТ 6651-2009

Класс допуска	Допуск, °С	Диапазон измерений, °С
		Платиновый ТС, ЧЭ		Медный ТС, ЧЭ	Никелевый ТС, ЧЭ
		проволочный	пленочный	Медный ТС, ЧЭ	Никелевый ТС, ЧЭ
АА W 0.1 F 0.1	± (0,1+0,0017\|t\|)	От -50 до +250	От 0 до +150	–	–
А W 0.15 F 0.15	± (0,15+0,002\|t\|)	От -100 до +450	От -30 до +300	От -50 до +120	–
В W 0.3 F 0.3	± (0,3+0,005\|t\|)	От -196 до +660	От -50 до +500	От -50 до +200	–
С W 0.6 F 0.6	± (0,6+0,01\|t\|)	От -196 до +660	От -50 до +600	От -180 до +200	От -60 до +180

Классы допуска для чувствительных элементов (резисторов) платиновых термометров по МЭК 60751(22)

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Температура — один из основных физических параметров. Измерять и контролировать его важно как в бытовой жизни, так и на производстве. Для этого существует множество специальных устройств. Термометр сопротивления — один из самых распространенных приборов, активно применяющийся в науке и промышленности. Сегодня мы расскажем что такое термометр сопротивления, его преимущества и недостатки, а также разберемся в различных моделях.

Термометр сопротивления - датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Область применения

Термометр сопротивления — это устройство, предназначенное для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред. Также его используют и при измерении температуры сыпучих веществ.

Свое место термометр сопротивления нашел в газо- и нефтедобыче, металлургии, энергетике, сфере ЖКХ и многих других отраслях.

ВАЖНО! Термометры сопротивления можно использовать как в нейтральных средах, так и в агрессивных. Это способствует распространению прибора в химической промышленности.

Обратите внимание! Для измерения температур в промышленности также используют термопары, про них подробнее узнаете из нашей статьи про термопары.

Термометр сопротивления - датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Виды датчиков и их характеристики

Измерение температуры термометром сопротивления происходит с помощью одного или нескольких чувствительных элементов сопротивления и соединительных проводов, которые надежно спрятаны в защитном корпусе.

Классификация ТС происходит именно по типу чувствительного элемента.

Металлический термометр сопротивления по ГОСТ 6651-2009

Согласно ГОСТ 6651-2009 выделяют группу металлических термометров сопротивления, то есть ТС, чей чувствительный элемент — это небольшой резистор из металлической проволоки или пленки.