Термосопротивление принцип работы

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.

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.

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.

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.

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.

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

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Термосопротивление

В общепринятом смысле термосопротивление — это физическая величина, способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Однако чаще всего под этим термином подразумевают специальные приборы, способные этот параметр измерять — термометры сопротивления и терморезисторы.

Принцип работы термосопротивления

При нагреве проводника изменяется его сопротивление, а следовательно, и ток, проходящий через проводник. Интенсивность изменения зависит от нескольких факторов:

• температура и плотность окружающей среды;
• скорость жидкой или газообразной среды;
• размеры и материал самого проводника.

Если измерить зависимость сопротивления провода от этих неэлектрических величин, то на основе этой информации можно получать данные об изменении параметров окружающей среды. Собственно, в этом и заключается принцип, по которому работает термосопротивление.

Виды термосопротивлений

По материалу изготовления все термосопротивления можно разделить на следующие группы:

Проводниковое термосопротивление. Термопреобразователи сопротивления производятся в точном соответствии с ГОСТ 6651-2009. Как правило, они изготавливаются из чистых металлов: меди, никеля и платины. В основном представляют собой каркасную или безкаркасную катушку, выполненную из однородного проводника с контактными выводами. Характеризуются прямой зависимостью сопротивления от температуры, чем выше температура, тем выше сопротивление. Имеют большой температурный коэффициент измерения, точность, характеристику близкую к линейной.

Медь используется при измерениях от -50 до 150—180 градусов Цельсия в среде, свободной от посторонних примесей. Если температура будет выше, металл окислится, а это снижает точность.

Никель можно применять для измерений до 250—300 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что при температуре свыше 100 ºС зависимость сопротивления уже не является линейной. Она высчитывается по формулам, зависящим от марки никеля.

Платина — это самый распространенный материал для промышленных приборов. Этот металл может использоваться при температуре до 1000—1200 градусов Цельсия, хотя на практике платиновое термосопротивление применяется до 650 ºС. Дело в том, что при температуре свыше 500 градусов Цельсия удобнее использовать датчики термопары. Кстати, стоит оговориться, что этот металл нельзя применять в восстановительных средах (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. п.).

Полупроводниковое термосопротивление. Терморезистор (термистор), полупроводниковое сопротивление из разнородного сплава, может иметь прямую или обратную характеристику (PTC-термистор или NTС-термистор) зависимости сопротивления от температуры. Изготавливаются методом порошковой металлургии в виде дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок. Имеют большой температурный коэффициент сопротивления, нелинейную характеристику, способны работать при значительных механических нагрузках и в сложных условия эксплуатации.

NTC-термисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 (рис. 1-а) состоят из полупроводникового эмалированного стержня (1), контактных колпачков (2) и выводов (3).

NTC-термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1-б) выпускаются в герметичном металлическом корпусе (2), за счет чего могут использоваться даже во влажной среде. Герметизация осуществляется при помощи стекла (3) и олова (4), а сам полупроводниковый стержень (1) обернут фольгой (5).

Медно-кобальто-марганцевые терморезисторы вроде МКМТ-16 бусинкового типа (NTC-термисторы) (рис. 2) — это мини-измерители в стеклянном корпусе. В нем роль сопротивления играет шарик диаметром около 0,8 мм с платиновыми выводами диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм.

Все термопреобразователи сопротивления , предлагаемые нашей компанией, можно посмотреть в каталоге продукции.

Цены, наличие и другие данные, указанные на сайте, не являются публичной офертой. Для уточнения информации свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом

Термосопротивление

Датчики этого типа применяют для измерения температуры газа или жидкости. Использование таких изделий помогает получать данные оперативно, с высокой точностью. Серийное термосопротивление отличается доступной ценой, устойчивостью к различным внешним воздействиям. Кроме длительного сохранения функционального состояния, следует подчеркнуть простоту монтажа и технического обслуживания.

Принцип работы термосопротивления

Датчик подключают в цепь со стабилизированным источником питания и подходящим по классу точности прибором (вольтметром, амперметром). С помощью этой простой схемы будет определяться измеряемый параметр по регистрации соответствующих электрических величин. Принцип работы обусловлен зависимостью сопротивления проводника от температуры проводника при нагреве или охлаждении.

В металлах движению свободных электронов создают препятствия примеси. На прохождение заряженных частиц оказывает влияние состояние кристаллической решетки. По мере снижения температуры амплитуда колебаний молекул уменьшается. При достижении определенного уровня возникает сверхпроводимость, когда сопротивление становится пренебрежительно малой величиной. Нагрев провоцирует обратные реакции компонентов молекулярной решетки. Соответствующим образом ухудшается проводимость.

Виды термодатчиков

Выше представлены типичные реакции металла при увеличении/ уменьшении температуры. Чувствительный элемент создают с определенным электрическим сопротивлением по аналогии с методикой изготовления проволочного (пленочного резистора).

Для расширения температурного диапазона и улучшения сопротивляемости реакциям окисления применяют платину. Модификации из меди (никеля) стоят дешевле, но отличаются худшими рабочими характеристиками. Изделие помещают в корпус, выполняющий защитные функции. Специальным наполнителем обеспечивают фиксацию датчика и хорошую теплопередачу.

Также применяют полупроводниковые датчики, собранные по аналогичной схеме. В этом варианте электрическое сопротивление уменьшается при увеличении температуры. Как правило, используют герметичный корпус с наполнением инертным газом. Слоем изоляции предотвращают электрический контакт компонентов конструкции. Специальные выводы предназначены для подключения устройства к внешним линиям.

Любой вид измерителя (полупроводник или металлический аналог) оценивают по следующим параметрам:

• класс точности;
• температурный диапазон, в котором поддерживается допустимое отклонение по установленным нормативам;
• мощность потребления;
• размеры, масса;
• защищенность от электромагнитных колебаний и других внешних воздействий.

К сведению. Основные рабочие параметры определяет зависимость сопротивления от температуры. Существенное значение имеет выбор материала. Проводимость может уменьшаться или увеличиваться при нагреве.

Расшифровка аббревиатур

В следующем перечне приведены типичные обозначения термопар:

• название датчика, термометр сопротивления – ТС;
• дополнение М (П) обозначает материал рабочего элемента: медь (ТСМ), платина (ТСП), соответственно;
• буква К в начале – комплект для измерения показаний в нескольких рабочих зонах (КТС).

К сведению. Если в аббревиатуре присутствует символ Н, значит, датчик рассчитан на выполнение измерений в низкотемпературном диапазоне.

Чем отличается термосопротивление от термопары

Принцип действия ТС объясняется изменением проводимости контрольного участка цепи. Термопара, несмотря на схожее название, функционирует по-другому. Изделия этой категории создают из двух разных материалов. Соединение (рабочую спайку) помещают в зону измерений. Колебания температуры провоцируют изменение потенциалов на выходах. Эти показания фиксируют вольтметром или другим подходящим прибором.

К сведению. Приведенные сведения объясняют главные практические отличия датчиков разного рода. Термопара фактически является генератором ЭДС, поэтому дополнительный источник тока не нужен.

Термопарный преобразователь можно применить для измерения вакуума. Для этого обеспечивают контакт чувствительного участка с нитью лампы накаливания. Колбу соединяют трубкой с рабочей зоной. Изменение разряжения газа сопровождается увеличением (уменьшением) ЭДС. После калибровки шкалы достаточно точно можно определять значение контролируемого параметра.

Платиновые измерители температуры

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, достаточно часто производители применяют именно этот материал. Почему выбирают это решение, понятно из перечня следующих преимуществ:

• использование платины позволяет получить линейный график зависимости удельного сопротивления от температуры;
• температурный коэффициент серийных (эталонных) изделий составляет 0,00385 (0,003925) °C-1;
• рабочий диапазон в °C – от -196 до +600.

Упомянутый в списке температурный коэффициент (Тк) рассчитывают по формуле:

Тк = (Rи – Rб)/((Ти – Тб) * 1/Rб),

где:

• Rи (Rб) – измеренное (базовое) сопротивление;
• Ти (Тб) – соответствующие значения температуры.

Из выражения понятно, что уменьшение коэффициента сопровождается увеличением точности. Базовое электрическое сопротивление определяют при T=0°C.

Никелевые термометры сопротивления

Такие датчики способны выполнять свои функции в диапазоне от -60°C до +180°C при Тк = 0,00617 °C-1. Главный плюс – увеличенный сигнал (сопротивление) на выходе.

Важно! При работе с датчиками этой категории следует учесть относительную близость точки Кюри на температурном графике (+352°C). На этом уровне возникают существенные искажения рабочих параметров проводника.

Медные датчики (ТСМ)

Применение этого материала обеспечивает ценовую доступность датчиков. Для корректного анализа специалисты рекомендуют уточнять, как зависит сопротивление проводника от температуры. Электротехническая медь содержит менее 0,1% посторонних примесей, что позволяет поддерживать линейные характеристики во всем рабочем диапазоне.

Технические параметры серийных изделий:

• измерение температуры – от -50°C до +150°C;
• Тк = 0,00617 °C-1.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.

Типовые конструкции ТС

№	Наименование	Основные данные	Особенности
1	Strain-free	Основной элемент освобожден от нагрузок порошковой засыпкой из оксида алюминия	Разным цветом глазури, герметизирующей торцевую часть, обозначают соответствие определенному температурному диапазону
2	Hollow nnulus	Рабочий проводник наматывается на полый цилиндр	Материалы конструкции подбирают с учетом коэффициентов теплового расширения
3	Thin-film	Из металла формируют тонкий слой на изоляторе (керамической основе)	Эта модель отличается быстродействием, высокой чувствительностью
4	Проволока в стеклянной оболочке	В такой конструкции обеспечиваются идеальная герметизация проводника, надежная защита от внешних воздействий	Подобные решения используют для изготовления дорогих серий датчиков, которые рассчитаны на сложные условия эксплуатации

Класс допуска

Приведенные ниже данные соответствуют международным и российским стандартам. Допустимо использование уникальных температурных диапазонов, утвержденных в ТУ определенного предприятия производителя.

Допуски

Классификация по ГОСТ	Допустимое отклонение, °C	Нормированный температурный диапазон для разных видов ТС (минимум/ максимум в °C)
Платиновый проволочный (пленочный)	Медный	Никелевый
АА	±(0,1 + 0,0017)	-50/+250 (-50/+150)	—	—
А	±(0,15 + 0,002)	-100/+450(-30/+300)	-50/+120	—
В	±(0,3 + 0,005)	-196/+660 (-50/+500)	-50/+200	—
С	±(0,6 + 0,01)	-196/+660 (-50/+600)	-180/+200	-60/+180

Схемы включения ТСМ/ТСП

В простейшем варианте внешние цепи подключают двумя проводами. Такой вариант отличается простотой, однако не позволяет учесть реальное электрическое сопротивление в линиях. Для повышения точности используют 3-х или 4-х проводное подключение.

К сведению. При монтаже следует учитывать рекомендованную глубину погружения щупа.

Обслуживание

Подробные описания для режима эксплуатации приведены в официальных инструкциях производителя. В ходе обычной процедуры проверки уточняют:

• действительные условия (температуру, влажность и другие параметры);
• целостность конструкции, пломбировки;
• качество соединений рабочих цепей и контура заземления.

Почему ломаются датчики

Чтобы предотвратить повреждение ТС, нужно соблюдать установленный в техническом паспорте температурный режим. При повышенной влажности нарушение функциональности провоцируют процессы коррозии. Следует исключить вибрации, чрезмерные механические воздействия. Для улучшения помехозащищенности применяют экранировку.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

При сравнении с термопарой можно упомянуть следующие минусы ТС:

• высокую стоимость;
• обязательное использование внешнего источника стабилизированного электропитания;
• ограниченный рабочий диапазон.

Плюсы:

• линейный график измеряемых параметров;
• точность;
• корректная компенсация искажений от соединительных проводов.

Выбор подходящего датчика организуют на основе подготовленных критериев. Кроме базовых технических параметров, уточняют допустимые габариты, условия эксплуатации. Для продления срока службы необходимы регулярные проверки состояния термосопротивления и других компонентов измерительной схемы.

Видео

Термопреобразователь: принцип работы

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, предназначенны для подключения к измерительному прибору.

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.

Чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя выполнен из металлической проволоки бифилярной намотки или пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку в виде меандра. ЧЭ имеет выводы для крепления соединительных проводов и известную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Принцип работы такой термопары сопротивления (термометра сопротивления) основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента от температуры.Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления ТСП градуировки Pt100. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные термометры.

Главное преимущество термометров сопротивления – высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырехпроводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

Для измерения температуры различных типов рабочих сред – воды, газа, пара, химических соединений и сыпучих материалов используют термопреобразователь ТСП. Аналогом, производимым Производственной компанией “Тесей”, является термопреобразователи сопротивления типа ТСПТ и ТСПТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – Pt100, Pt500, Pt1000, 100П и 50П.

Выбор термопреобразователя ТСП зависит от рабочей среды – диапазон температур измеряемой среды должен соответствовать рабочему диапазону термопреобразователя. При выборе необходимо обратить внимание надлину погружной части термопреобразователя и длину соединительного кабеля. Глубина погружения будет зависеть от глубины активной части, которая определяется длиной чувствительного элемента.

Термопреобразователь сопротивления ТСМ. Термопреобразователь ТСМ выполнен в виде бескаркасной намотки чувствительного элемента из медного изолированного микропроводабифилярной намотки. Аналогом, производимым Производственной компанией “Тесей”, является термопреобразователи сопротивления типа ТСМТ и ТСМТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – 100М или 50М.

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь (подключение термопары):

• 2-проводная. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема термометра сопротивления используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса А и АА.
• 3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
• 4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

– для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
– для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Pt

П

М

Температурный коэффициент a, °С-1

0,00385

0,00391

0,00428

Номинальное сопротивление R , Ом

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

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.

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 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.

Стабильность метрологических характеристик термометра сопротивления

В ходе эксплуатации метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления неизбежно изменяются. Скорость изменения зависит от многих факторов таких как: температура эксплуатации, скорость и частота изменений температуры, наличие химически активных веществ в измеряемой среде и т.д. В связи с этим для датчиков ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex введены группы условий эксплуатации и в зависимости от этой группы нормированы допустимые значения дрейфа метрологических характеристик термометров сопротивления.

РМГ-74 «МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНЫХ И МЕЖКАЛИБРОВОЧНЫХ ИНТЕРВАЛОВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ» предписывает определять интервал между поверками (ИМП) как период времени/наработки СИ за который изменение метрологических характеристик не превышает модуля класса допуска СИ, уменьшенного на систематическую погрешность измерений в ходе испытаний СИ.

Для термопреобразователя сопротивления определяющим фактором дрейфа является наработка датчика при повышенной температуре. Влияние старения на дрейф ТС практически не упоминается в научных публикациях. При этом общеизвестно что величина и скорость дрейфа ТС зависит от величины измеряемой температуры. Известно, что медные термопреобразователи сопротивления менее стабильны чем платиновые. Доминирующей причиной дрейфа, в условиях эксплуатации, не относящихся к экстремальным, является изменение физических свойств металлов под воздействием температуры, величина изменений зависит от значения максимальной температуры эксплуатации и длительности воздействия.

Предлагается при нормировании интервалов между поверками учитывать условия эксплуатации, разделив их по диапазонам измеряемых температур. Для каждого из диапазонов указывать свой интервал между поверками от одного года до пяти лет. Предлагаемая градация интервалов представлена на рисунке 4.

Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры называются терморезисторы. Они имеют свойство значительного температурного коэффициента сопротивления, величина которого больше, чем у металлов во много раз. Они широко применяются в электротехнике.

Устройство и работа

Они имеют простую конструкцию, выпускаются разных размеров и формы.

В полупроводниках есть свободные носители заряда двух видов: электроны и дырки. При неизменной температуре эти носители произвольно образуются и исчезают. Среднее количество свободных носителей находится в динамическом равновесии, то есть неизменно.

При изменении температуры равновесие нарушается. Если температура повышается, то число носителей заряда также увеличивается, а при снижении температуры концентрация носителей уменьшается. На удельное сопротивление полупроводника оказывает влияние температура.

Если температура подходит к абсолютному нулю, то полупроводник имеет свойство диэлектрика. При сильном нагревании он идеально проводит ток. Основной особенностью терморезистора является то, что его сопротивление наиболее заметно зависит от температуры в обычном интервале температур (-50 +100 градусов).

Популярные терморезисторы производятся в виде стержня из полупроводника, который покрыт эмалью. К нему подведены электроды и колпачки для контакта. Такие резисторы применяются в сухих местах.

Некоторые терморезисторы располагают в металлическом герметичном корпусе. Поэтому они могут использоваться во влажных местах с агрессивной внешней средой.

Герметичность корпуса создается при помощи олова и стекла. Стержни из полупроводника обернуты металлизированной фольгой. Для подключения тока применяется проволока из никеля. Величина номинального сопротивления составляет 1-200 кОм, температура работы -100 +129 градусов.

Принцип действия терморезистора основан на свойстве изменения сопротивления от температуры. Для изготовления используются чистые металлы: медь и платина.

На электрических схемах терморезисторы обозначаются:

Основные параметры

• ТКС – термический коэффициент сопротивления, равен изменению сопротивления участка цепи при изменении температуры на 1 градус. Если ТКС положительный, то терморезисторы называют позисторами (РТС-термисторы). А если ТКС отрицательный, то термисторами (NТС-термисторы). У позисторов при повышении температуры повышается и сопротивление, а у термисторов все происходит наоборот.
• Номинальное сопротивление – это величина сопротивления при 0 градусах.
• Диапазон работы. Резисторы делят на низкотемпературные (менее 170К), среднетемпературные (от 170 до 510 К), высокотемпературные (более 570К).
• Мощность рассеяния. Это величина мощности, в пределах которой терморезистор во время работы обеспечивает сохранение заданных параметров по техническим условиям.

Виды и особенности терморезисторов

Все датчики температуры на производстве работают по принципу преобразования температуры в сигнал электрического тока, который можно передавать с большой скоростью на дальние расстояния. Любые величины можно преобразовать в электрические сигналы, переведя их в цифровой код. Они передаются с высокой точностью, и обрабатываются вычислительной техникой.

Металлические терморезисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к терморезисторам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен иметь высокий ТКС, а сопротивление должно зависеть от температуры по линейному графику в большом интервале температур.

Также проводник из металла должен обладать инертностью к агрессивным действиям внешней среды и качественно воспроизводить характеристики, что дает возможность менять датчики без особых настроек и измерительных приборов.

Для таких требований хорошо подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Терморезисторы на их основе называют платиновыми и медными. ТСП (платиновые) термосопротивления работают при температурах -260 — 1100 градусов. Если температура в пределах от 0 до 650 градусов, то такие датчики применяют в качестве образцов и эталонов, так как в этом интервале нестабильность составляет не более 0,001 градусов.

Из недостатков платиновых терморезисторов можно назвать нелинейность преобразования и высокую стоимость. Поэтому точные замеры параметров возможны только в рабочем диапазоне.

Практически широко применяются недорогие медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление и неустойчивость к повышенным температурам, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное использование, не более 180 градусов.

Для монтажа платиновых и медных датчиков применяют 2-проводную линию при расстоянии до прибора до 200 метров. Если удаление больше, то применяют трехжильный кабель, в котором третий проводник служит для компенсирования сопротивления проводов.

Из недостатков платиновых и медных терморезисторов можно отметить их малую скорость работы. Их тепловая инерция достигает нескольких минут. Существуют терморезисторы с малой инерционностью, время срабатывания которых не выше нескольких десятых секунды. Это достигается небольшими размерами датчиков. Такие термосопротивления производят из микропровода в стеклянной оболочке. Эти датчики имеют небольшую инерцию, герметичны и обладают высокой стабильностью. При небольших размерах они обладают сопротивлением в несколько кОм.

Полупроводниковые

Такие сопротивления имеют название термисторов. Если их сравнить с платиновыми и медными образцами, то они обладают повышенной чувствительностью и ТКС отрицательного значения. Это значит, что при возрастании температуры сопротивление резистора снижается. У термисторов ТКС намного больше, чем у платиновых и медных датчиков. При небольших размерах их сопротивление доходит до 1 мегома, что не позволяет оказывать влияние на измерение сопротивлению проводников.

Для осуществления замеров температуры большую популярность приобрели терморезисторы на полупроводниках КМТ, состоящих из оксидов кобальта и марганца, а также термосопротивления ММТ на основе оксидов меди и марганца. Зависимость сопротивления от температуры на графике имеет хорошую линейность в интервале температур -100 +200 градусов. Надежность терморезисторов на полупроводниках довольно высока, свойства имеют достаточную стабильность в течение длительного времени.

Основным их недостатком является такой факт, что при массовом изготовлении таких терморезисторов не получается обеспечить необходимую точность их характеристик. Поэтому один отдельно взятый резистор будет отличаться от другого образца, подобно транзисторам, которые из одной партии могут иметь различные коэффициенты усиления, трудно найти два одинаковых образца. Этот отрицательный момент создает необходимость дополнительной настройки аппаратуры при замене терморезистора.

Для подключения термисторов обычно применяют мостовую схему, в которой мост уравновешивается потенциометром. Во время изменения сопротивления резистора от действия температуры мост можно привести в равновесие путем регулировки потенциометра.

Такой метод ручной настройки используется в учебных лабораториях для демонстрации работы. Регулятор потенциометра оснащен шкалой, которая имеет градуировку в градусах. На практике в сложных схемах измерения эта регулировка происходит в автоматическом режиме.

Применение терморезисторов

В работе термодатчиков существует два режима действия. При первом режиме температура датчика определяется лишь температурой внешней среды. Протекающий по резистору ток маленький и не способен его нагреть.

При 2-м режиме термистор нагревается протекающим током, а его температура определяется условиями отдачи тепла, например, скоростью обдува, плотностью газа и т.д.

На схемах термисторы (NТС) и резисторы (РТС) имеют соответственно отрицательный и положительный коэффициенты сопротивления, и обозначаются следующим образом:

Датчики температуры

Принцип работы

Термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления)

Термометр сопротивления (Resistance Thermometer) — датчик для измерения температуры, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Термосопротивления могут быть металлические (платина, никель, медь) или полупроводниковые.

Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен — их сопротивление растёт с ростом температуры. Для полупроводников без примесей он отрицателен — их сопротивление с ростом температуры падает.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковые термосопротивления с большим температурным коэффициентом.

• PTC-термисторы (Positive Temperature Coefficient), обладают свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута заданная температура – широко используются для защиты двигателей
• NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient), обладают свойством резко уменьшать свое сопротивление при достижении заданной температуры

PT100, PT1000

Платиновые термометры сопротивления (Platinum Resistance Thermometers) обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения.

Кремниевые терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления, отличаются высокой линейностью характеристики, высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь

• 2-х проводная схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление присоединительных проводов суммируется с измеренным сопротивлением, что приводит к появлению дополнительной погрешности
• 3-х проводная схема обеспечивает значительно более точные измерения, т.к. появляется возможность измерить сопротивление подводящих проводов и вычесть его из суммарного измеренного сопротивления
• 4-х проводная схема — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов

Сравнение термометров сопротивления с термопарами

• выше точность и стабильность
• можно исключить влияние сопротивления присоединительных проводов на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений
• практически линейная характеристика
• не требуется компенсация холодного спая

• малый диапазон измерений
• не могут измерять высокую температуру.

Термопары

Термопара (Thermocouple) — это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения температуры называется — рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем. Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС), пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения, свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара. При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Типы термопар

• K: хромель-алюмель
• J: железо-константан
• S, R: платина-платина/родий и др.

Термопары отличаются диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерений.

Преимущества термопар

• Большой температурный диапазон измерения
• Измерение высоких температур.

Недостатки

• Невысокая точность
• Необходимость вносить поправку на температуру холодного конца.

Термостаты

Термостат (Thermostat) – это регулятор, который поддерживает постоянную температуру воздуха или жидкости в системах отопления, кондиционирования и охлаждения.

Как выбрать

Измеряемая среда

• Измеряемая среда (выхлопные газы, морская вода, бензин и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Скорость потока измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Первичный преобразователь

Чувствительный элемент (сенсор)

• Тип датчика:
  • термосопротивление (Pt, Ni.)
  • термопара
• Класс точности.

Способ монтажа защитной арматуры в резервуары и трубопроводы:

• фланцевый (размер)
• резьбовой (шаг)
• приварной
• асептическое (гигиеническое) присоединение.

Схема электрического подключения для терморезистора:

• 2-х проводная
• 3-х проводная
• 4-х проводная.

Защитная трубка (гильза)

• Материал
• Длина погружаемой части датчика
• Диаметр
• Гигиеническая конструкция.

Соединительные кабели:

• Длина
• Материал.

Соединительная головка:

• Степень защиты корпуса
• Материал (алюминий, нержавеющая сталь, пластик)
• Тип кабельного ввода
• Материал электрических контактов (позолоченные).

Преобразователь

• Тип преобразователя:
  • встраиваемый в соединительную головку (Head)
  • для монтажа на DIN-рейку
  • для полевой установки на кронштейне, с индикатором
• Тип подключаемого датчика:
  • термосопротивление
  • термопара
  • универсальный
• Количество подключаемых датчиков к одному преобразователю
• Вычисление (при подключении нескольких датчиков)
  • среднего значения
  • разности температур
• Схема электрического подключения:
  • 2-х проводная
  • 3-х проводная
  • 4-х проводная
• Точность измерения
• Повторяемость измерения
• Цикл измерения
• Единицы измерения
• Характеристика:
  • линейная
  • программируемая
• Смещение нулевой точки
• Контроль:
  • обрыва линии
  • короткого замыкания
• Питание
• Выходной сигнал:
  • токовый 4..20мА
    • гальваническая изоляция
    • сигнал ошибки
    • защита от обратной полярности
  • HART
  • PROFIBUS PA
  • Foundation Fieldbus.