6.2 Термометры сопротивления

Приборы и преобразователи на основе металлических ТС ис­пользуют зависимость электрического сопротивления металлов RT от температуры Т. У чистых металлов эта зависимость практически линейна и количественно выражается следующим образом [4] :

где R₀ − сопротивление при температуре 0, град. С;

α − температур­ный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивлении α, 1/град. С, опре­деляется по формуле

где ∆R/R − относительное изменение сопротивления датчика при изменении температуры ∆₀.

Этот коэффициент можно задать иначе, %/ °С:

α=(∆R·100/R)/(∆θ).

Значения температурного коэффициента сопротивления у со­временных ТС лежат в диапазоне 0,003...0,006 1/°С, что соответ­ствует приращению сопротивления примерно на 0,3... 0,6 % от ис­ходного (номинального) значения (при 0 °С) при увеличении тем­пературы на 1 °С.

Наиболее часто используемые материалы: медь (для диапазона температур -50... +200 °С) и платина (для диапазона -250...+1000 °С) (рисунок 17). Номинальные значения сопротивления ТС определяют­ся конструкцией и материалом датчика, конкретной градуиров­кой и лежат в диапазоне 10... 1 000 Ом (при 0 °С или при комнат­ной температуре).

Медные ТС выпускаются с различными номинальными значе­ниями сопротивления: 25... 1000 Ом. Например, на рисунке 17, а показана характеристика медного ТС с номинальным (при 0 град. С) сопротивлением R₀ ~ 53 Ом.

а – медных; б – платиновых.

Рисунок 17 − Характеристики медных и платиновых

термосопротив­лений

Платиновые ТС довольно широко распространены в различных технических измерениях. Они изготовляются из чистой платины (99,99 %). Чаще всего используются ТС с номинальным сопротивлением 100 Ом (100Pt) при 0 °С, хотя существуют ТС и с другими значениями номинального сопротивления: 25, 500, 1 000 Ом. Номинальные значения токов, протекающих по ТС, обычно таковы: 1 мА и 0,1 мА. Температурный коэффициент сопротивления а платиновых (100Pt) ТС имеет два значения: по европейской версии α_е = 0,00 385 1/ °С и по американской вер­ сии α_a = 0,00392 1/°С(рисунок 17,б).

Конструктивно ТС состоят из собственно чувствительного элемента, защитного кожуха (чехла) и элементов крепления. Чувствительный элемент представляет собой намотку из тонкой изолированной проволоки (диаметром доли миллиметра) на диэлек­трическом каркасе (стержне), выполненном из слюды, керамики или стекла. Существуют также ТС фольгового (тонкопленочного − Thin Film Detector − TFD) исполнения, обеспечивающего ми­нимальную тепловую инерционность датчика. Фольговые (плено­чные) ТС имеют в 5 −10 раз меньшее значение времени реакции (отклика), чем проволочные ТС, что чрезвычайно важно при ра­боте с миниатюрными объектами в динамических измерениях при быстроменяющихся температурах.

Термометры сопротивления выпускают с неподвижными и пе­редвижными штуцерами (рисунок 18). Для первых глубина погружения термометра определяется длиной монтажной части l. Для вторых глу­бина погружения может быть установлена любой в пределах общей длины термометра L. Минимальная глубина погружения термометров сопротивления (ТС) всех типов 150 мм. При выборе глубины погру­жения ТС необходимо учитывать длину чувствительного элемента, которая для платинового термометра составляет 30 - 120 мм, а для медного - 60 мм. Применять платиновые термометры сопротивления при наличии вибрации не разрешается.

В таблице 6 приведен перечень современных термометров сопро­тивления и их характеристики.

1 − чувствительный элемент, 2 − защитная арматура ( стальная труб-

ка), 3 − штуцер, 4 − колпачок, 5 − головка

Рисунок 18 − Конструкция термометров сопротивления

Таблица 6 − Характеристики современных термометров сопротивления

Тип и исполнение датчиков	Класс допуска по ГОСТ 6651	Диапазоны измеряемых температур, 0С	НСХ по ГОСТ 6651	Схема соединений по ГОСТ 6651	Длина монтажной части L, мм	Материал защитной арматуры
ТСП-0193	А	-50...+500	50П, 100П	3, 4	320, 500, 800, 1000, 1250, 1600, 2000	12Х18Н10Т
ТСП-0193	В	-200...+500	50П, 100П	2, 3, 4	320, 500, 800	12Х18Н10Т
ТСП-1393-03*	В	-50...+400	1Pt100	2х2	320, 500, 800, 1000, 1250**, 1600**, 2000** для100П)**	12Х18Н10Т
ТСМ-0193	В	-50...+150	50М, 100М	2, 3, 4	320, 500, 800, 1000, 1250, 1600, 2000	12Х18Н10Т
ТСМ-0193	С	-50...+180	50М, 100М	2, 3, 4	320, 500, 800, 1000, 1250, 1600, 2000	12Х18Н10Т

Примеры применения термометров сопротивления.

В доменном производстве для измерения: 1) температуры доменного газа (ТСП−1187), 2) температуры воды до и после холодильника (ТСП−4054), 3) температуры воздуха до и после охлаждения лещади печи (ТСПМ−0987) .

При производстве металлизованных окатышей в шахтных печах для измерения: I) температуры охлаждающего газа (ТСМ−5071),

2) температура окатышей при выгрузке (ТСМ−5071), 3) температуры газов (ТСП−1287).

При производстве стали в мартеновских печах для измерения:

1) температуры мазута (ТСП−1187), 2) температуры кислорода (ТСП−1187) .

При производстве стали в конвертерах для измерения температуры воды после охлаждения фурмы (ТСМ−5071) .

При производстве стали в электропечах для измерения температу­ры охлаждающей воды на отдельных водоохлаждаемых элементах печи (ТСП−0879).

При разливке стали на МНР С для измерения температуры охлаж­дающей воды на кристаллизатор (ТСМ−5071) .

Как правило, ТС включаются в мостовые схемы [4]. Различают урав­новешенные и неуравновешенные мостовые схемы. Уравновешен­ный мост имеет один или несколько резисторов, сопротивление которых может целенаправленно изменяться (вручную или авто­матически) с тем, чтобы добиться равновесия. Равновесие моста характеризуется отсутствием разности потенциалов (тока) в из­мерительной диагонали моста (в цепи чувствительного нулевого индикатора И), что означает равенство произведений сопротив­лений R\,R2, R3 Rx резисторов R₁, R₂, R₃, R_x противоположных плеч моста (рисунок 19, а):

Зная значения сопротивлений R₁, R₂, R₃, можно определить значение неизвестного сопротивления:

а) б)

а − принцип действия моста; б − двухпроводная схема подключения Рисунок 19 − Включение термосопротивлений в мостовую схему

Если в качестве R_x выступает ТС с сопротивлением R_T (рисунок 19, б), то можно, зная характеристику ТС, оценить значение темпе­ратуры 0, которая действует на датчик. В случае неуравновешенно­го моста значение R_T сопротивления ТС (следовательно, темпера­туры 0) определяется по значению разности потенциалов измерительной диагонали моста. Уравновешенные мосты обладают более высокой точностью по сравнению с неуравновешенными.

Главная проблема при работе с датчиками ТС: влияние на ре­зультат измерения сопротивления проводников линии связи r_л.с.. Не всегда мостовая схема может быть расположена в непосред­ственной близости от объекта, на котором установлен датчик, поэтому в общем случае может потребоваться многометровая ли­ния связи. В зависимости от специфики конкретных задач измере­ний применяются двух-, трех- или четырехпроводное подключе­ние ТС к измерителю.

Преимущество двухпроводной схемы в том, что для подключе­ния ТС требуются всего два проводника линии связи (что особен­но важно в тех случаях, когда линия связи большой длины). Одна­ко при двухпроводной линии связи (см. рисунке 19, б) сопротивле­ние r_л.с. с соединительных проводников (и его изменения при есте­ственных колебаниях температуры окружающей среды) прямо входит в результат измерения. Поскольку длина линии связи мо­жет быть значительной (десятки метров), то и погрешность может оказаться большой.

Существуют различные способы компенсации этой погрешно­сти. Один из них − это использование трехпроводной схемы подключения ТС (рисунок 20, а).

В этом случае при равновесии мостовой схемы выполняется соотношение

Если в схеме моста R₁ = R₂ и сопротивления r_л.с. с соединитель­ных проводников одинаковы (это естественное предположение), то результат измерения будет определяться только температурой ТС и не будет зависеть от значения сопротивлений r_л.с.. Отметим, что сопротивление проводника r_л.с. в цепи индикатора И не имеет значения, так как в случае равновесия моста в этой цепи тока нет.

б)

а)

Рисунок 20 − Трехпроводное и четырехпроводное включения

термо­сопротивлений

а − трехпроводное; б − четырехпроводное включение.

Применяется также и четырехпроводное включение (рисунок 20, б). Правда, это уже не мостовая схема. В основе такого измерителя источник известного постоянного тока I₀, который протекает че­рез сопротивление ТС R_T. При этом сопротивления соединительных проводников r_л.с.и их изменения практически не влияют на 'значение тока I₀ и, следовательно, на результат измерения. Вольт­метром V (с большим входным сопротивлением) измеряется па­дение напряжения собственно на сопротивлении ТС R_T.

Одним из проявлений методической погрешности является воз­можное искажение результата вследствие нагрева ТС протекаю­щим по нему током.

В комплекте с термометрами сопротивления обычно применяют неуравновешенные, уравновешенные мосты (рисунок 21) и логометры. Автоматический электронный уравновешанный мост типа КМС предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с термометром сопротивления, подключенным с помощью трехпроводной схемы [3].

Если температура термометра Rt не изменяется, то мостовая измерительная схема находится в равновесии, то есть разность потенциалов между точками А и С равна нулю. При этом сигнал на электронный усилитель не поступает, а стрелка прибора показывает измеряемое значение температуры.

При изменении температуры изменяется сопротивление термистора Rt. При этом в диагонали моста между точками А и С появляется напряжение переменного тока, которое подается на вход электронного усилителя и далее на реверсивный двигатель РД. РД перемещает движок реохорда Rp и стрелку на шкале прибора до тех пор, пока измерительный мост вновь не придет в состояние равновесия.

.

Рисунок 21 − Схема автоматического электронного уравновешенного

моста типа КСМ-4

ЭУ − электронный усилитель; РД −реверсивный двигатель; R_р − реохорд, R_р=210 Ом; R_s~ балластный резистор; R −сопротивление термометра; R_y − подгоночные сопротивления.

Термисторы

Термин термистор образовался в результате соединения двух слов: тепловой и резистор. Все термисторы делятся на две категории: с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) и положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления. Обычные металлоксидные термисторы обладают ОТК. Это значит, что при увеличении температуры их сопротивление падает [5].

Основные преимущества: малые габаритные размеры и масса (следовательно, малая тепло емкость и тепловая инерционность), простота конструкции (сле­довательно, хорошие надежность и механическая прочность, а также низкая цена). Основные недостатки этих преобразователей: сравнительно узкий диапазон измеряемых температур (типично -50...+150°С), значительная нелинейность преобразования (со­противление термисторов с ростом температуры уменьшается при­мерно по экспоненциальному закону), плохая повторяемость ха­рактеристики преобразования от экземпляра к экземпляру (что означает необходимость индивидуальной градуировки и затруд­няет замену датчиков даже одного типа), значительная временная нестабильность характеристики, особенно при длительной работе на высоких температурах.

В зависимости от способа изготовления все термисторы с ОТК делятся на три основные группы.

Первая группа – это термисторы бусинкового типа. Бусинки могут быть с защитным слоем из эпоксидной смолы или размещены в металлическом корпусе. Выводы всех термисторов данного типа изготавливаются из платинового сплава, запеченного в керамику.

Другой тип термисторов – это чип-термисторы с поверхностными контактами для крепления проводников. Обычно чипы изготавливаются методом пленочного литья, с последующей трафаретной печатью, напылением, покраской или вакуумной металлизацией поверхностных электродов.

Термисторы третьей группы состоят из слоя полупроводникового материала, нанесенную на соответствующую подложку из стекла, алюминия, кремния и т.д. такие термисторы , в основном, используются в интегрированных датчиках и ИК теплового излучения [5].

Среди всех термисторов наихудшей стабильностью обладают чипы без покрытия. Термисторы с эпоксидным покрытием демонстрируют среднюю стабильность. Термисторы бусинкового типа могут работать при высоких температурах (до 550 град.С). Они являются самыми быстродействующими, однако их стоимость намного выше, чем у чип-термисторов