Как работает термометр сопротивления. Термопреобразователи сопротивления

На производственном участке ТЕХНО-АС активно применяется практика комплексной оценки качества, что практически исключает возможность выпуска неисправных приборов для измерения температуры. Именно благодаря этому, а также многообразию доступных моделей, компания Итера предпочитает продукцию данного производителя.

Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивления (также известные как терморезисторы, резистивные термопреобразователи или термометры сопротивления) занимают второе место по популярности среди средств измерения температуры, уступая только термопарам. Их работа основана на зависимости электрического сопротивления металла (в соответствии с ГОСТ 6651-2009, чаще всего используются медь, платина или никель) или полупроводников от температуры окружающей среды.

Основными преимуществами металлических датчиков являются высокая линейность их характеристик и возможность взаимозаменяемости. Это означает, что вышедший из строя датчик можно заменить на аналогичный без необходимости повторной юстировки системы. Взаимозаменяемость обеспечивается небольшим технологическим разбросом значений сопротивления датчиков (например, разброс температуры составляет ±0,15°С при температуре 0°С для медных датчиков класса допуска А и ±0,6°С для датчиков класса С по ГОСТ 6651-2009). При этом разброс сопротивлений значительно увеличивается с повышением температуры. Медные термопреобразователи обеспечивают измерение температуры в диапазоне от –180 до +200°C, платиновые – от –200 до +850°C, а никелевые – от –60 до +180°C.

Никелевые термопреобразователи обладают высокой чувствительностью, в то время как платиновые отличаются отличной стабильностью (то есть неизменностью показаний со временем), а медные могут похвастаться невысокой ценой и лучшей линейностью зависимости сопротивления от температуры.

Основные параметры, которые нормируются для металлических термопреобразователей, включают сопротивление R₁₀₀ при 100°C и температурный коэффициент термопреобразователя сопротивления, который определяется по формуле α=(R₁₀₀ – R₀₎ / R₀•100ºC, где R₀ – сопротивление при 0°C. Так, для медных датчиков температурный коэффициент составляет α=0,00428ºC^–1, для платиновых – α=0,00385ºC^–1 и α=0,00391ºC^–1, а для никелевых – α=0,00617ºC^–1. В маркировке, указываемой на корпусе термопреобразователя или приложенной бирке, в соответствии с требований ГОСТ 6651-2009 должны быть указаны следующие данные: модель датчика по номенклатуре производителя, количество чувствительных элементов (в случае, если их больше одного), класс допуска, схема подключения выводов, а также диапазон рабочих температур.

Зависимость электрического сопротивления от температуры R (t) можно приближенно считать линейной в узком температурном диапазоне (см. рисунок 1).

Однако в широком диапазоне температур линейная зависимость может привести к значительной погрешности (см. рисунок 1б), поэтому ГОСТ 6651 предписывает использовать табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры. Это позволяет устранить систематическую ошибку, вызванную нелинейностью в получаемых результатах измерений. Процесс исключения погрешности нелинейности, как правило, осуществляется в микроконтроллере модуля ввода.

После устранения систематической составляющей погрешности нелинейности остается случайная составляющая, которая обусловлена технологическим разбросом сопротивления при 0°C и изменением температурного коэффициента. Эта погрешность вносит основной вклад в итоговое значение температуры. Она нормируется для четырех классов допуска: АА, А, B и С.

Еще одним источником погрешности при измерениях с использованием термопреобразователей сопротивления является электро-термический эффект, который возникает, когда никелевые или медные датчики соединяются с медными проводами. Обычно это значение не превышает 20 мкВ. Чтобы уменьшить эту ошибку, применяют среднее значение двух измерений, выполненных при противоположных направлениях тока, или измеряют на переменном токе.

Двухпроводная схема измерений

Схема двухпроводных измерений (см. рисунок 2) использует косвенный метод определения температуры, при котором измеряется напряжение на сопротивлении V_x, вызванное протекающим калиброванным током возбуждения I_ex.

Реже применяют метод калибровки по напряжению, когда задается напряжение V_x, а измеряется ток I_ex. Также возможно одновременное измерение как тока, так и напряжения с использованием некалиброванных источников измерительных сигналов. В любом случае сопротивление R_x вычисляется по формуле

Из-за того, что сопротивление металлических датчиков обычно невелико, значительное влияние на погрешность измерений оказывают сопротивления проводов R_пр (см. рисунок 2a). Поэтому двухпроводная схема измерений используется только в тех случаях, когда сопротивления R_пр малы, например, если они не превышают 0,1% от сопротивления датчика R₀. Это так, например, для медного датчика ТСМ50 с R₀ = 50 Ом, тогда сопротивление проводов не должно превышать 0,05 Ом. При условии, что используются провода с сечением 0,35 мм² и погонным сопротивлением 0,049 Ом/м, длина пары проводников для этого случая не должна превышать 0,5 м.

Поскольку данная погрешность является систематической, из результатов измерений ее можно исключить несколькими способами. Если в процессе измерений известно заранее сопротивление проводов R_пр, то измеренное сопротивление необходимо уменьшить на R_пр. Для более точного исключения этой погрешности необходимо учитывать зависимость сопротивления от температуры, если известна температура провода.

Относительную погрешность измерения по двухпроводной схеме можно выразить через формулу (2), учитывая погрешность, связанную с нескомпенсированной составляющей сопротивления проводов ΔR_пр:

где ΔV_x – погрешность измерения напряжения; ΔI_e_x – погрешность задания тока. Здесь применено квадратичное суммирование погрешностей, так как все они являются случайными. В случае, когда сопротивление проводов не вычитается из результата измерений, то ΔR_пр = 2R_пр, и эта погрешность должна учитываться алгебраически.

Что это такое?

Термометры сопротивления – это устройства, предназначенные для определения температуры в диапазоне от -263 до +1000 градусов Цельсия. Они состоят из термочувствительного датчика, усилителя сигнала, а также регистрирующих и вспомогательных устройств с соединительными элементами. Эти устройства обладают рядом неоспоримых достоинств:

широкий диапазон температур (особенно у дорогих моделей);
высокая точность измерений;
стабильность в работе;
устойчивость к вибрациям;
компактные размеры;
возможность эксплуатации в агрессивных средах;
некоторые модели имеют приемлемую стоимость.

Однако, кроме того, у них есть и определенные недостатки:

высокая цена на точные устройства;
необходимость строго следовать инструкциям при подключении;
наличие источника питания;
невозможность самостоятельного ремонта.

Для правильного использования термометров требуется учитывать их преимущества и недостатки, а также понимать их устройство и принцип работы.

Принцип действия

Работа термометров основана на том, что некоторые металлы и полупроводники изменяют свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды. Для металлов, как правило, с увеличением температуры сопротивление возрастает, и их называют позисторами. Полупроводники, наоборот, демонстрируют снижение сопротивления при нагревании, поэтому их называют термисторами. Измерение проводимости чувствительного элемента и является основным принципом их работы. Разные материалы обладают различным температурным коэффициентом, что влияет на их реакцию на изменения температуры. Это свойство непосредственно сказывается на точности прибора. Существует несколько классов точности термодатчиков:

АА, точность – 0,1 градуса;
A – 0,15 градуса;
B – 0,3 градуса;
C – 0,6 градуса.

Самым точным является класс АА, однако он и самый дорогой из-за использования платины в конструкции. Не менее важным фактором при измерениях является соединение чувствительного элемента с измерительным устройством, как правило, для этого применяется мостовая схема. При подаче питания ток, приходящий от отрицательного полюса батареи, попадает на узловую точку A. Далее он делится на две равные части, поскольку сопротивление резисторов R1 и R2 одинаково. С токов из точек B и C через резисторы R3 и R4 он поступает в узел D, а затем на положительный полюс аккумулятора.

При равенстве сопротивлений всех резисторов ток через R5 не проходит, что можно подтвердить законами Кирхгофа. Если один из резисторов, скажем, R3, заменить на чувствительный элемент RTD, его значение сопротивления при комнатной температуре будет равно сопротивлению других резисторов. Изменение температуры приведет к изменению и его сопротивления, и мост окажется в состоянии неравновесия.

В данной ситуации через R5 начнёт проходить ток. Если R5 заменить на вольтметр, то по его показаниям мы можем судить о том, насколько изменилось сопротивление RTD. Это изменение позволит нам определить температуру. Данная схема широко используется из-за своей простоты и высоких показателей точности. Компоненты моста объединены в один корпус, наружу выводится лишь чувствительный элемент RTD.

Конструкция и типы термопреобразователей

Принципиальная структура и схема подключения термопреобразователя любого типа включают в себя несколько ключевых компонентов. Среди них обязательно присутствует термочувствительный датчик, который может состоять из одной или нескольких частей. Он соединён с наружными выводами при помощи проводов, которые проложены внутри защитного корпуса, что позволяет подключать его к устройству, фиксирующему изменения сопротивления.

В качестве сенсора выступает резистор, который может быть изготовлен с использованием специальной проволоки или металлической пленки. Изменение электрического сопротивления под воздействием температуры фиксируется омметром и отображается в виде температуры на дисплее или циферблате. В качестве устройства отображения могут также быть использованы реле или переключатели, которые активируют или деактивируют исполнительное оборудование при достижении заданных значений.

В зависимости от типа сенсора все термопреобразователи сопротивления, выпускаемые производителями, можно классифицировать на несколько разновидностей, которые будут рассмотрены далее.

С металлическим термопреобразователем

Конструктивно такие датчики представляют собой металлическую проволоку с диаметром не более 0,1 мм, помещенную в герметичный корпус. Эти устройства предназначены для контроля широкого диапазона температур, ширина измерительного спектра зависит от материала, использованного в сенсоре. Наиболее распространённые металлы для термочувствительных элементов – это медь, никель и платина.

Полупроводниковые термопреобразователи

Достоинствами этих устройств являются их способность фиксировать даже самые быстрые изменения температуры, а также высокая точность измерений, стабильность результатов и чувствительность. Сенсором здесь выступает полупроводник, помещенный в герметично запечатанный медный корпус. Это решение позволяет не использовать большие значения измерительных токов и дает возможность применять приборы в условиях очень низких температур.

Углеродные термометры сопротивления

Сенсорные элементы для таких устройств изготавливаются путем прессования мельчайших частиц углерода при высокой температуре и давлении, что обеспечивает умеренные затраты. Многие характеристики термопреобразователей этого типа схожи с параметрами описанной выше группы, но основным их недостатком является низкая стабильность получаемых результатов, что требует частого контроля и поверки.

Сверхпроводящие термометры

Этот тип приборов используется при сверхнизких температурах, в диапазоне от -265 °С до -272 °С, например, в процессе обработки сжиженных газов. При производстве термочувствительных датчиков для таких устройств к основным металлам добавляются специальные элементы, например, фосфористая бронза, что позволяет расширить область достижения сверхпроводящего состояния в условиях сильного охлаждения. Это обеспечивает высокую точность измерений.

Термопреобразователи с платиновым сенсором

Из-за превосходных электрофизических характеристик платины устройства с данным металлом обеспечивают наивысшую точность измерений, имеют отличную стабильность выходного сигнала и широкий диапазон рабочих температур. Поэтому такие приборы востребованы во многих производственных сферах и выделены в отдельную категорию.

Разные типы датчиков в платиновых термометрах

Термометры сопротивления с платиновыми чувствительными элементами являются наиболее широко применяемыми в промышленности, поэтому стоит подробнее рассмотреть, какие виды термочувствительных датчиков используются в таких устройствах.

Существует четыре наиболее распространённых типа:

В виде свободной от напряжения металлической спирали – это наиболее часто используемое решение в мировой практике, которое также предпочитают многие отечественные производители. Название элемента является достаточно условным, так как в зависимости от используемых металлов и размеров частей сенсоры разных приборов могут иметь разное внешнее оформление.

Сенсор, выполненный в виде полой конструкции – это относительно новое решение, применяемое преимущественно на ответственных производствах или в энергетическом секторе (например, на атомных станциях). Прибор, оснащённый таким датчиком, обеспечивает высокую точность измерения, гарантирует стабильность показаний и отличается высокой надёжностью. Однако стоимость таких устройств может быть выше из-за использования дорогостоящих материалов.

Сенсоры пленочного типа – данное решение подразумевает использование керамической пластины, на которую напыляется тонкий слой платины. Такой метод позволяет существенно экономить дорогостоящий металл, а приборы на базе таких сенсоров отличаются компактными размерами и небольшим весом. Главным недостатком является недостаточная стабильность результатов, но современные производители активно ищут и разрабатывают решения, способные минимизировать этот недостаток.

В виде платиновой проволоки, защищенной стеклянным покрытием – это наиболее функциональный на текущий момент вариант, так как стеклянная оболочка обеспечивает абсолютную герметичность сенсора и его защиту от воздействия влаги и агрессивных химических веществ. Однако температурный диапазон работы таких приборов строго ограничен (по причине физических свойств стекла), а стоимость решения является достаточно высокой.

Виды термометров по материалам

Любые устройства для измерения температуры различного рода поверхностей, жидкостей и газов, а также сыпучих материалов могут быть классифицированы по конструктивным и эксплуатационным особенностям в одну из семи групп. Зачастую они делятся на следующие категории:

Термоизмерители жидкостного типа

Жидкость, находящаяся в герметично запаянном корпусе, расширяется соответственно повышению температуры и сокращается при её понижении. Колба или мензурка изготавливается из прочного стекла, на внешней стороне которой наносится мерная шкала, отображающая уровень ртути, спирта или другой жидкости. Допустимая погрешность таких термометров не должна превышать 0,1°C.

Газовые термометры

Газовые термометры аналогичны жидкостным с точки зрения работы. Однако вместо жидкости они заполнены инертным газом. Это позволяет использовать их в случаях, когда возникает необходимость измерить более высокие температуры. Если верхний предел для жидкостных термометров составляет +600°C, то для газовых он может достигать +1000°C, что дает возможность контролировать температурные параметры раскаленных жидкостей.

Механические термометры

Данная категория термодатчиков применяется в автомобилях, специализированной технике и автоматизированных производственных системах. Они отличаются своей нечувствительностью к механическим вибрациям и ударам. Основным элементом устройства является металлическая спираль, которая при нагревании деформируется. Изменения температуры отображаются на стрелочных циферблатах.

Электрические термометры

Эти устройства работают по принципу изменения сопротивления, на которое реагирует проводник при изменении температуры. В качестве проводников используются медные или платиновые элементы. Также могут применяться и другие материалы. Диапазон их измерений зависит от типа используемого металла.

Термоэлектрические измерительные приборы

Реализуют свой принцип работы, основываясь на эффекте Зеебека. Их конструкция включает пару проводников. Эти устройства отличаются высокой точностью и могут обеспечить погрешность всего лишь в 0,01°C, поэтому они активно используются на производственных процессах с температурами свыше 1000°C.

Волоконно-оптические термодатчики

Оптоволоконные термометры обладают высокой чувствительностью к температуре. При нагревании волокно растягивается, а при охлаждении – сжимается, при этом измеряется степень преломления светового луча, проходящего через него. Точность измерений таких приборов составляет не более 0,01°C, а максимальная температура достигает +400°C.

Инфракрасные термометры

Эти приборы производят измерения бесконтактным способом, используя инфракрасный луч, генерируемый термометром, который направляется на исследуемую поверхность или субстанцию. Их точность достаточно высокая, а применяются они в основном для измерения высоких температур, включая открытое пламя.

Области применения термометров

Термоизмерительные приборы используются в:

различных технических устройствах;

на предприятиях нефтегазовой отрасли;

металлургических комбинатах;

машиностроительных заводах.

Кроме того, термометры применяются в медицине, фармацевтике, энергетике и пищевой промышленности.

Термоизмерители с жидкостными и газовыми наполнителями используются для визуального контроля функционального состояния оборудования, включая системы нагрева и охлаждения.

Термопара представляет собой устройство, предназначенное для измерения температуры на автоматизированных производственных процессах. Эти приборы также называют термоэлектрическими датчиками.

Пирометры находят применение на объектах термической энергетики, где ими обеспечивается противопожарная безопасность, а также устанавливаются охранные системы и сигнализация.

Биметаллические термодатчики используются в автомобилестроении, а также в системах отопления и нагрева.

Кремниевые термометры контролируют температуру внутри электронного оборудования.

Термоиндикаторные устройства следят за отклонениями от установленных температурных норм в холодильных установках, а также могут использоваться в качестве одноразовых температурных датчиков.

Схема подключений

Чтобы узнать значение сопротивления, его нужно измерить, что можно осуществить, включив его в измерительную цепь. Для этого используют три типа схем, которые отличаются по количеству проводов и достигнутой точности измерений:

2-проводная схема. Содержит наименьшее количество проводов, что делает её самым доступным и экономичным вариантом. Однако с её помощью не удастся достичь высокой точности измерений, так как к сопротивлению термометра добавляется сопротивление используемых проводов, что вносит погрешность, напрямую зависящую от длины проводов. В промышленности такая схема применяется редко и используется только для измерений, где не требуется высокая точность, а датчик находится близко к вторичному преобразователю. 2-проводная схема изображена на левом рисунке.

3-проводная схема. В отличие от предыдущего варианта, в данной схеме имеется дополнительный провод, соединенный накоротко с одним из двух других измерительных проводов. Его основная цель – возможность получить сопротивление подключенных проводов и вычесть это значение (то есть компенсировать) из показателя, полученного от датчика. Вторичное устройство, помимо основного измерения, дополнительно измеряет сопротивление между замкнутыми проводами, получая таким образом значение сопротивления проводов, соединяющих датчик с барьером или вторичным устройством. Ожидается, что в этом состоянии сопротивление будет равно нулю, однако на практике оно может достигать нескольких Ом из-за длины проводов. Это значение погрешности затем вычитается из измеренного показателя, что обеспечивает более точные результаты за счет компенсации сопротивления проводов. Эта схема применяется чаще всего, так как является компромиссом между необходимой точностью и приемлемой ценой. 3-проводная схема изображена в центральной части рисунка.

4-проводная схема. Принцип здесь аналогичен трехпроводной схеме, но в данном случае компенсация погрешности происходит для обоих измерительных проводов. В трехпроводной схеме сопротивление обоих измерительных проводов считается одинаковым, хотя оно может различаться. Поэтому добавление четвёртого проводника в 4-проводной схеме (который замыкается с одним из двух измерительных проводов) позволяет получить его отдельное значение сопротивления и почти полностью компенсировать всё сопротивление от проводов. Однако эта схема более затратная, так как требует наличия четвёртого проводника, поэтому её используют либо на предприятиях с достаточным финансированием, либо для измерений с высокой точностью. 4-проводную схему подключения видно на правом рисунке.

Обратите внимание! У датчика Pt1000 сопротивление при нуле градусов уже составляет 1000 Ом. Такие датчики можно встретить, например, на паровых трубах, где измеряемая температура равна 100-160 °C, что отвечает сопротивлению примерно 1400-1600 Ом. Сопротивление проводов, в зависимости от их длины, составляет примерно 3-4 Ом, что практически не влияет на погрешность, делая смысл использования трёх или четырёх проводной схемы подключения незначительным.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

Как и любой другой прибор, термометры сопротивления имеют свои плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Преимущества:

практически линейная характеристика;

достаточно высокая точность измерений (погрешность не превышает 1°С);

некоторые модели являются бюджетными и простыми в использовании;

возможность взаимозаменяемости устройств;

стабильная работа в различных условиях.

Недостатки:

малый диапазон температур, которые могут быть измерены;

относительно низкая предельная температура измерений;

необходимость использовать специальные схемы для подключения, что влечет за собой дополнительные расходы на внедрение.

Термометр сопротивления – это распространенный инструмент, используемый во многих отраслях промышленности. С его помощью удобно измерять невысокие температуры, не тревожась о точности получаемых данных. Хотя термометры и не отличаются выдающейся долговечностью, приемлемая стоимость и простота замены датчика компенсируют этот незначительный недостаток.

Типы термодатчиков: термисторы, термопары, термометры сопротивления, аналоговые и цифровые датчики.

Датчики уровня: типы, характеристики, рекомендации по выбору.

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы.

Что такое петля фаза-ноль простым языком — методы измерения.

Для чего нужен пирометр и как измерять температуру бесконтактным методом.