Термопреобразователи сопротивления
Термопреобразователи сопротивления являются широко распространенными датчиками температуры, используемыми в диапазоне от -260 до 1100°С.
Принцип действия их основан на способности материалов (металлов и полупроводников) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Для изготовления термопреобразователи сопротивления используются в соответствии с ГОСТ 6651-94 чистые медь, платина и никель. Эти металлы имеют стабильные и воспроизводимые характеристики преобразования (градуировочные характеристики).
Номинальные статические характеристики преобразования датчиков рассчитываются по формуле
(2.3)
где Rt – сопротивление термопреобразователя при температуре t, Ом;
Rо – сопротивление при температуре 0 0С, Ом;
Wt – отношение сопротивлений при температурах t и 0 0С.
Значения Wt приведены в таблицах ГОСТ 6651-94. Кроме того их можно рассчитать по приведенным в ГОСТе интерполяционным уравнениям.
Термопреобразователи сопротивления выпускаются с классами допуска А,В и С. Под классом допуска понимается обобщенная характеристика термопреобразователя, определяющая допускаемые отклонения сопротивления Rо, значения W100 (отношения сопротивлений при температурах 100 0С и 0 0С) и погрешности измерения температуры Δt. Класс допуска определяется чистотой материала (платины, меди, никеля) качеством изготовления термопреобразователя.
В таблице 2.3 приведены предусмотренные ГОСТом номинальные значения сопротивлений датчиков R0, отношений сопротивлений W100 и условные обозначения номинальных статических характеристик, а также пределы измерения и классы допуска.
Таблица 2.3 - Термопреобразователи сопротивления
Тип термопреобразователя сопротивления ТС (классы допуска) | Номинальное значение сопротивления R0, Ом | Условные обозначения номинальной статической характеристики преобразования НСХ, отношение W100 | Пределы измерения, 0С | |
в СНГ | международное | |||
Платиновые, ТСП (А,В,С) | W100=1,3850 | W100=1,3910 Pt´ 1 Pt´ 10 Pt´ 50 Pt´ 100 Pt´ 500 | -260 …+1100 | |
1П 10П 50П 100П 500П | Pt 1 Pt 10 Pt 50 Pt 100 Pt 500 | |||
Медные, ТСМ (А,В,С) | W100=1,4260 | W100=1,4280 | -200… +200 | |
10М 50М 100М | Cu 10 Cu 50 Cu 100 | Cu´ 10 Cu´ 50 Cu´ 100 | ||
Никелевые, ТСН (С) | W100=1,6170 | -60… +180 | ||
100Н | Ni 100 |
У медных термопреобразователей с W100=1,4260 с ростом температуры сопротивление увеличивается по линейной зависимости. Для других типов преобразователей сопротивление имеет сложную нелинейную зависимость от температуры. Интерполяционные уравнения для вычисления Wt различных типов термопреобразователей приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 - Интерполяционные уравнения для вычисления Wt
Тип ТС, W100 | Интервал температур, 0С | Интерполяционное уравнение | Значение коэффициентов |
1. ТСП, W100=1,3910 | -200…0 0…600 600…1100 | Wt=1+At+Bt2 Wt=1+At+Bt2 | 0С-1 0С-2 0С-4 0С-2 |
2. ТСП, W100=1,3850 | -200…0 0…850 | Wt=1+At+Bt2+C(t-100)t3 Wt=1+At+Bt2 | 0С-1 0С-2 0С-4 |
3. ТСМ, W100=1,4280 | -200…-185 -185…-100 -100…-10 -10…+200 | Wt=1+A(t-13,7) Wt=1+αt+Bt(t-10)+Ct3 Wt=1+αt+Bt(t-10) Wt=1+αt | 0С-1 0С-1 0С-2 0С-3 |
Продолжение таблицы 2.4 | |||
4. ТСМ, W100=1,4260 | -50…+200 | Wt=1+αt | 0С-1 |
5. ТСН, W100=1,6170 | -60…+100 100…180 | Wt=1+At+Bt2 Wt=1+At+Bt2+C(t-100)t2 | 0С-1 0С-2 0С-3 |
Устройство проволочных термопреобразователей сопротивления представлено на рисунке 2.2. Чувствительный элемент датчика представляет проволоку 1 диаметром 0,07 или 0,1 мм, намотанную на каркас 2 из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы 3 к зажимам 4 головки 5. К этим зажимам присоединяются провода, идущие к измерительному прибору. Чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 6.
Рисунок 2.2 – Конструкция проволочного преобразователя
Выводы изолированы керамическими бусами 7. Вся конструкция помещена в защитный чехол 8. Для установки на объекте контроля датчик снабжен штуцером 9. В некоторых датчиках чувствительные элементы выполняются бескаркасными, в виде компактно уложенного мотка проволоки.
Относительно новой технологией изготовления датчиков является пленочная технология, при которой чувствительный элемент выполняется в виде тончайшей пленки металла (платины). Датчик имеет игольчатую конструкцию с диаметром чехла до 2 мм, удобную для измерения температуры внутри продукта.
Кроме металлов для изготовления термопреобразователей сопротивления применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (сопротивление резко уменьшается с ростом температуры) и очень большим удельным сопротивлением. Это дозволяет изготовлять очень малые по размерам датчики, обладающие высокой чувствительностью. Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (терморезистора) от температуры может быть описана выражением:
(2.2)
где Т - измеряемая температура, К;
Т0 - начальная температура, К ( Т0 = 293 К);
В - коэффициент, зависящий от материала полупроводника, К;
RT и R0 – сопротивления датчика при температурах Т и Т0, 0м.
Значительным недостатком терморезисторов является то, что они не отвечают требованию воспроизводимости. Технология получения полупроводниковых материалов не позволяет изготовлять датчики с идентичными параметрами, поэтому все они имеют индивидуальные характеристики преобразования, а разброс этих характеристик выражается различием сопротивления R0 отдельных датчиков более чем в 1000 раз. Необходимость индивидуальной градуировки существенно ограничивает возможности широкого использования терморезисторов для измерения температуры. Основной областью применения терморезисторов являются системы температурной сигнализации, а для измерения температуры используются в основном проволочные термопреобразователи сопротивления (медные и платиновые).
Измерительный комплект с техническим термометром сопротивления состоит из самого термометра, соединительных проводов, источника питания и электроизмерительного прибора (вторичного прибора), фиксирующего изменение сопротивления. В качестве вторичного прибора применяют цифровые измерительные приборы, например, серии ТРМ, а также аналоговые электромеханические приборы: мосты, логометры, приборы серии «Диск».