на чем основан принцип действия термометров сопротивления

Термометр сопротивления, принцип действия

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 (рис. 1) или пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку в виде меандра (рис. 2). ЧЭ имеет выводы для крепления соединительных проводов и известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Схема термометра сопротивления представлена на рисунках 1 и 2.

Принцип работы 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.

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.

Схемы соединений и цветовая идентификация внутренних соединительных проводов термопреобразователей соротивления (подключение термопары)

Таблица 1. Схема соединения термопреобразователя сопротивления (схема термометра сопротивления и его соединений)

двухпроводная

трехпроводная

четырехпроводная

Один
ЧЭ

Два
ЧЭ

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

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 2. Номинальное сопротивление R0

Температурный коэффициент a, °С-1

0,00385

0,00391

0,00428

Номинальное сопротивление R0, 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 (см. ТС № 4 на рис. 3).

Рисунок 3. Иллюстрация к критерию приемки и отбраковки термометров сопротивления.

Из четырех термометров, данные по которым представлены на рис. 3, только термосопротивление № 1 может быть принят изготовителем и только термосопротивление № 4 может быть забракован заказчиком.

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.

Таблица 3. Бюджет неопределенности измерений

Обозначение

Тип и вид распределения неопределенности

Вклад в суммарную неопределённость

Случайные эффекты при измерении

тип А, нормальное распределение

Предел допускаемой основной погрешности регистрирующего прибора

тип В, равномерное симметричное распределение

Разрешающая способность прибора

тип В, равномерное асимметричное распределение

Расширенная неопределенность класса допуска ТС

тип В, нормальное распределение

Расширенная неопределенность класса допуска ТП

тип B, равномерное симметричноераспределение

Погрешность компенсации температуры опорных спаев

тип В, равномерное симметричноераспределение

тип В, равномерное симметричноераспределение

Нестабильность ТП и ТС за межповерочный интервал (МПИ)

тип В, равномерное симметричноераспределение

Нестабильность измеряемой температуры

тип В, равномерное асимметричное распределение

Тепловой контакт со средой

тип В, равномерное симметричноераспределение

Расширенная неопределенность измерения температуры, °C

Расширенная неопределенность измерения uТ, при измерении термометрами сопротивления, определяется по формуле:

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 рисунке 4.

Рисунок 4. Интервалы между поверками ТС

Кроме того, обращаем внимание на необходимость корреляции показателей надежности, устанавливаемых для датчика температуры с назначенным ИМП. Соответствие метрологических характеристик датчика температуры в течение ИМП присвоенному классу допуска при первичной поверке является принято считать одним из видов отказа. Однако, как отмечалось выше, ДТ в реальных условиях эксплуатации изменяет свои характеристики, а величина дрейфа нормируется в соответствии с РМГ-74. В связи с этим считаем целесообразным указывать в описании типа СИ и сопроводительной технической документации величину допустимого дрейфа датчика температуры за ИМП. Такой подход избавит потребителя от заблуждения о соответствии метрологических характеристик присвоенному классу допуска в течение всего ИМП и позволит рассчитать более реальный бюджет неопределенности измерений на объекте. Указание величины дрейфа за ИМП, отражает реальную картину и переводит её в разряд параметров, относящихся к видам отказа. В любом случае, наиболее корректным представляется назначение в качестве основного параметра надежности – вероятности безотказной работы датчика за ИМП. В этом случае логичным представляется и назначение срока гарантии равным ИМП.

Предельно допустимый дрейф метрологических характеристиктермопреобразователей сопротивления за интервал между поверками (ИМП) не превышает значений, приведенных в таблице 4.
Таблица 4. Дрейф метрологических характеристик термометра сопротивления

Класс допуска

Температура применения, ° С

Группа условий эксплуатации

Дрейф за ИМП, °С

Источник

Термометр сопротивления-полное описание, принцип действия

Методы термометрии основаны на измерении различных физических величин, которые имеют сильную зависимость от температуры. К одним из них относится изменение электрического сопротивления в материалах.
Это один из самых эффективных и простых методов измерения, который позволяет получить точность измерения вплоть до десятитысячных значений градуса. В качестве рабочего вещества используются чистые металлы, сопротивление которых изменяется пропорционально изменению температуры.

Принцип действия

Термометр сопротивления относится к вторичным датчикам температуры и требует проведения тщательной калибровки.

Для этого используют несколько реперных точек, температура которых известна и имеет высокую точность. Это могут быть, например, температура замерзания или кипения воды, жидкого азота, гелия или водорода, а также точки начала фазовых переходов в чистых металлах.

В каждой реперной точке измеряют сопротивление, а затем по полученным данным строят временную зависимость от сопротивления.

Термометр при этом должен приобрести температуру измеряемой среды, о чём свидетельствует достижение постоянного значения измеряемой величины.

Скорость выхода на линейную зависимость определяется временем релаксации датчика. Чем быстрее он реагирует на изменения внешней среды, тем он качественнее и в зависимости от предъявляемых требований может быть применён для конкретных условий измерений.

Данные для каждой реперной точки после выхода на линейную зависимость усредняются, а затем строится градуировочная кривая, которая и является основной характеристикой конкретного термометра, а также его способности измерять температуру.

Места с линейной зависимостью относятся к рабочим зонам термометра, а остальные зоны оказываются непригодными для измерений, так как несут большую погрешность из-за нелинейности.

Обычно рабочая зона термометров сопротивления оказывается достаточно узкой, при сравнении с другими типами датчиков. Это существенно сужает область применения таких термометров.

На качество измерения оказывают влияние не только примеси в материалах, но и дефекты. За счёт создания неоднородной структуры изменяется сопротивление, а также скорость выхода на стационарное значение для конкретной температуры.

Поэтому при изготовлении термометров важным параметром является создание высокочистых материалов или соединений.

Чтобы правильно измерять температуру необходимо обеспечивать надёжный тепловой контакт с объектом. Размеры датчика сопротивления должны быть минимально необходимыми, так как массивность повысит время измерений и не позволит зафиксировать быстроизменяющиеся процессы.

Виды термометров сопротивления

Металлический.

Полупроводниковый.

Угольный.

Имеет характеристики, сходные с полупроводниковым типом термометров сопротивления. Их получают путём спекания мелких частиц угля при высоких давлениях промышленным способом. Это делает их наиболее доступными и дешевыми, так как технология изготовления достаточно проста. Однако они обладают низкой стабильностью. Поэтому для проведения точных измерений температуры ихнужно калибровать либо проводить плановые проверки стабильности. Другой проблемой является установление температурного равновесия в самом термометре.

Сверхпроводящий.

Заключение

Термометры сопротивления являются весьма надёжными датчиками температуры, которые по своим характеристикам и различным конструктивным исполнениям существенно превосходят другие их типы.

Поэтому их подобрать под конкретные условия измерений достаточно просто. Однако они требуют тщательной калибровки, без которых их использование становится невозможным.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник

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):

Обозначения:

Расшифровка аббревиатур

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

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.

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 производства Элемер

Никелевые термометры сопротивления

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)

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:

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:

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:

В измерительных приборах ТС, как правило, включен 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:

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.

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

Источник