Термометры сопротивления: от теории к практике

Введение

Температура — одна из наиболее часто измеряемых физических величин. Задачи измерения и контроля температуры встречаются практически во всех областях человеческой деятельности. Системы контроля температуры используются для поддержания микроклимата и в различной бытовой технике, где базовым требованием является их доступность. Прецизионное термостатирование в сельском хозяйстве необходимо для выращивания тепличных сельскохозяйственных культур. В химической промышленности и в металлургии часто требуется контроль температуры высоко агрессивных сред в диапазонах в несколько тысяч градусов. На производстве нарушения технологического процесса, связанные с выходом контролируемой температуры за допустимые пределы, могут привести к выпуску партии бракованного товара. В медицине ошибка в измерении температуры может стоить здоровья пациента и даже человеческой жизни. От качества контроля температуры в атомной промышленности, в частности при отливке корпусов реакторов, зависит жизнь всего населения нашей планеты.

Очевидно, что столь разнообразные требования, как по диапазону и точности, так и по типу исполнения и надежности измерительных систем, породили за многие годы большое разнообразие методов и средств, используемых для измерения и контроля температуры.

Ключевым элементом любой системы измерения и контроля температуры является первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент). От его точности и других основных параметров во многом зависят показатели всей системы в целом. Существуют различные типы датчиков температуры, наибольшее распространение среди них получили термопары, полупроводниковые термисторы и термометры сопротивления [5].

 

Термометры сопротивления

Термометр сопротивления (ТС) состоит из одного или нескольких термочувствительных элементов и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, а также внешних клемм и выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору. Чувствительный элемент (ЧЭ) термометра сопротивления представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки, с выводами для крепления соединительных проводов, имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры [1].

На практике под термином «термометр сопротивления» понимают как герметичный датчик в металлическом или керамическом корпусе с внешним разъемом для подключения к измерительным приборам, так и сам чувствительный элемент, который может быть изготовлен в корпусе с проволочными выводами или в SMD-конструктиве для поверхностного монтажа.

Основные преимущества ТС по сравнению с другими типами датчиков температуры — это их высокая точность, широкий диапазон рабочих температур, малые размеры, устойчивость к вибрациям, линейность номинальной статической характеристики и относительно высокое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Основными материалами для изготовления ЧЭ ТС являются платина, медь, никель и их сплавы. На практике чаще применяются платиновые термометры сопротивления (ПТС) с различной чистотой платины, которые обладают наивысшей стабильностью характеристик, устойчивостью к воздействию агрессивных сред и широким диапазоном рабочих температур (табл. 1).

Таблица 1.

Сравнительные характеристики распространенных типов датчиков температуры

Тип датчика температуры	Основные преимущества	Основные недостатки	Основные области применения
Термометры сопротивления	Высокая линейность номинальной статической характеристики Широкий диапазон рабочих температур Высокая стабильность основных параметров Устойчивость к воздействию агрессивных сред (ПТС) Относительно невысокая стоимость	Необходимость во внешней схеме для возбуждения	Широко используются как в относительно недорогих, так и в прецизионных системах измерения и контроля температуры
Полупровод- никовые термисторы	Дешевизна и доступность Высокий температурный коэффициент сопротивления	Необходимость во внешней схеме для возбуждения Высокая нелинейность номинальной статической характеристики Низкая стабильность основных параметров	Предназначены для применения в недорогих устройствах с низкими требованиями к точности измерений, в простых системах одно- и двухпорогового контроля температуры или для организации контроля температуры во второстепенных узлах сложной радиоэлектронной аппаратуры
Термопары	Самый широкий диапазон рабочих температур Высокая повторяемость характеристик Высокое быстродействие	Необходимость компенсации опорного спая Низкое выходное напряжение Необходимость использования крупногабаритных конструкций для компенсации опорного спая для достижения высокой точности измерений	Широко используются в бюджетных устройствах с «электронной» компенсацией опорного спая с невысокой точностью измерений Используются в сверхпрецизионных измерительных системах 0,01…0,25 °С с компенсацией опорного спая с помощью сосуда Дьюара или специализированных термостатов

По конструкции чувствительного элемента различают пленочные и проволочные термометры сопротивления. Как правило, медные и никелевые ТС изготавливают из проволоки (рис. 1), а платиновые могут быть как проволочными, так и пленочными.

Рис. 1. Проволочная конструкция термометра сопротивления

Последние имеют меньшую чувствительность к вибрациям, однако предназначены для функционирования в более узком температурном диапазоне (рис. 2). По предназначению различают рабочие и эталонные термометры сопротивления, параметры обеих групп ТС регламентированы соответствующими стандартами.

Рис. 2. Пленочный термометр сопротивления

 

Локальные и международные стандарты на ТС

Существует множество стандартов на рабочие индустриальные ТС, которые имеют локальный или межгосударственный статус. Среди наиболее распространенных — «европейский» МЭК 60751 (DIN/IEC EN 60 751) и «североамериканский» ASTM 1137. Многие другие, такие как DIN 43760, BS 1904 (1984) и SAMA RC-4 (1966), несмотря на периодическое их упоминание в литературе, считаются устаревшими. Стандарт МЭК 60751 — один из наиболее распространенных и регламентирует характеристики ПТС c номинальным сопротивлением 100 Ом при температуре 0 °С и температурным коэффициентом сопротивления α = 0,00385 °C^–1 [2]. Стандарт ASTM E1137/E1137M-08 охватывает требования к ПТС для промышленных областей применения с коэффициентом α = 0,00385 °C^–1 в диапазоне температур от 0 до +100 °С и номинальным сопротивлением 100 Ом при температуре 0 °С [3].

В России до 01.01.2011 действовал стандарт ГОСТ Р 8.625-2006 «Термометры сопротивления из платины, меди и никеля», который соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008) в части определения зависимости величины сопротивления от температуры и допусков на платиновые ЧЭ и ТС с температурным коэффициентом сопротивления α = 0,00385 °C^–1.

Стандарт устанавливает общие технические требования и методы испытаний для технических термометров сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены из платины, меди и никеля. Эти ТС предназначены для измерения температуры от –200 до +850 °C или в части данного диапазона [1]. С 2011 года в России появился новый, межгосударственный стандарт ГОСТ 6651-2009 «Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний», который создан на основе ГОСТ Р 8.625-2006. К сожалению, на момент сдачи материала в редакцию текст нового стандарта все еще не был доступен. Тем не менее, проект данного стандарта имеется в Интернете и не содержит существенных различий по сравнению с ГОСТ Р 8.625-2006 [4]. Поэтому далее в статье за основу выбраны основные положения стандарта ГОСТ Р 8.625-2006.

Отличие стандартов в разных регионах мира привело к расхождениям в некоторых базовых параметрах ТС у производителей. Например, в различных стандартах используются разные значения ТКС: α = 0,003923 °C^–1 (SAMA), α = 0,00385 °C^–1 (DIN/IEC EN 60 751), α = 0,003902 °C^–1 (US IS), α = 0,003916 °C^–1 (JIS) и т.  д. Поэтому во избежание ошибок в расчетах при проектировании важно учитывать положения того стандарта, относительно которого нормировались характеристики выбранного термометра сопротивления.

 

Основные параметры ТС

Основные параметры, определяющие области применения и схемы включения термометров сопротивления, — это температурный коэффициент термометра сопротивления, номинальное сопротивление, диапазон измеряемых температур и номинальная статическая характеристика ТС.

Температурный коэффициент термометра сопротивления

Температурный коэффициент термометра сопротивления характеризует изменение величины сопротивления от температуры:

α = (R₁₀₀–R₀)/(R₁₀₀×100),

где R₁₀₀, R₀ — значения сопротивления ТС из номинальной статической характеристики (НСХ) при 100 и 0 °С соответственно, округленные до пятого знака после запятой. Как было отмечено ранее, в разных стандартах установлено различное значение ТКС. Для повышения совместимости в ГОСТ Р 8.625-2006 рассматриваются два значения: α = 0,00391 °С^–1 и α = 0,00385 °С^–1 (соответствует МЭК 60751).

Номинальное сопротивление ТС

Номинальное сопротивление ТС представляет собой нормированное изготовителем сопротивление при 0 °С, округленное до целых единиц, выбираемое из ряда: 10; 50; 100; 500; 1000 Ом [1]. Существуют ТС и с другими значениями номинального сопротивления, однако в настоящее время наибольшее распространение получили ПТС с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0 °C. Вместе с тем имеет место тенденция к использованию ТС с величиной номинального сопротивления до 1 кОм и даже 10 кОм. Измерительные системы, в которых используются ТС с высоким значением номинального сопротивления, обладают дополнительными преимуществами, важным из которых является снижение влияния длины соединительных проводов ТС на точность измерений.

Максимальный диапазон измерений ТС

Максимальный диапазон измерений ТС зависит не только от свойств материала, из которого изготовлен чувствительный элемент, но и от конструктивных особенностей, таких как способ и материал изоляции, соединительных элементов и др. Несмотря на то, что действие отечественного стандарта распространяется на диапазон от –200 до +850 °C [1], существуют термометры сопротивления с предельными рабочими температурами, выходящими за его рамки. Для большинства индустриальных рабочих ТС диапазон измерений составляет от –196 до +660 °С (платина), от –50 до +200 °С (медь) и от –60 до +180 °С (никель).

В таблице 2 представлены классы допуска термометров сопротивления, соответствующие ГОСТ Р 8.625-2006 [1].

Таблица 2. Классы допуска и диапазоны измерений для термометров сопротивления и чувствительных элементов

Класс допуска	Допуск, °С	Диапазон измерений, °С
		Платиновый ТС, ЧЭ		Медный ТС, ЧЭ	Никелевый ТС, ЧЭ
		проволочный	пленочный
AA W 0. 1 F 0.1	±(0,1+0,0017 |t|*)	–50…+250	–50…+250	–	–
A W 0.15 F 0.15	±(0,15+0,002 |t|)	–100…+450	–50…+450	–50…+120	–
B W 0.3 F 0.3	±(0,3+0,005 |t|)	–196…+660	–50…+600	–50…+200	–
C W 0.6 F 0.6	±(0,6+0,01 |t|)	–196…+660	–50…+600	–180…+200	–60…+180

Примечание. * |t| — абсолютное значение температуры, °С, без учета знака.

На практике иногда используют ТС, нормированные по двум дополнительным классам точности, их обычно называют “1/10 DIN” и “1/3 DIN”, что означает, соответственно, 1/10 (±0,03 °C) и 1/3 (±0,1 °C) от класса B при 0 °C.

Номинальная статическая характеристика

Номинальная статическая характеристика (НСХ) представляет собой зависимость сопротивления ТС от температуры.

Для ПТС эта зависимость имеет вид (уравнение Каллендара ван Дьюзена):

• в диапазоне от –200 до 0 °С:

  R_t = R₀[1+A×t+B×t²+С(t–100)t³];

• в диапазоне от 0 до +850 °С:

  R_t = R₀(1+A×t+B×t²),

  где R_t — сопротивление ТС, Ом, при температуре t °С; R₀ — сопротивление ТС, Ом, при температуре 0 °С; A, B и C — коэффициенты, полученные опытным путем.

Значения коэффициентов A, B и С отличны при разных температурных коэффициентах сопротивления:

• α = 0,00385 °С^–1:
  А = 3,9083×10^–3 °С^–1,
  В = –5,775×10^–7 °С^–2 ,
  С = –4,183×10^–12 °С^–4;
• α = 0,00391 °С^–1:
  А = 3,969×10^–3 °С^–1,
  В = –5,841×10^–7 °С^–2,
  С = –4,33×10^–12 °С^–4.

Для медных и никелевых термометров сопротивления существуют похожие расчетные зависимости, которые можно найти в справочной литературе [1].

Номинальная статическая характеристика для термометра сопротивления может быть представлена в виде таблицы, в которой указаны значения температуры и соответствующие им величины сопротивления  ТС, либо в графической форме. На рис. 3 приведена зависимость величины сопротивления платинового термометра Pt100 (НСХ) от температуры, построенная по уравнению Каллендара ван Дьюзена. Синей линией обозначена зависимость, полученная с использованием коэффициентов A, B и C. Красная линия — характеристика, полученная в результате линейной аппроксимации при B = C = 0 [6].

Рис. 3. Зависимость сопротивления ПТС (Pt100) от температуры

Величину погрешности, возникающей при линейной аппроксимации характеристики ТС (B = C = 0), можно оценить на основе графика, приведенного на рис. 4.

Рис. 4. Погрешность линейной аппроксимации характеристики ПТС (Pt100)

Информация на рис. 4 помогает принять верное решение о целесообразности прецизионной линеаризации характеристики ПТС, которая может потребовать использования дополнительных компонентов, вычислительных ресурсов системного процессора или ограничиться линейной аппроксимацией.

 

Схемы включения термометров сопротивления

Простейшей схемой включения термометра сопротивления является делитель напряжения (рис. 5). Здесь ТС R_t — его плечо, а источник с напряжением U_пит обеспечивает протекание электрического тока в цепи делителя. Падение напряжения на ТС U_t зависит от величины его сопротивления, а следовательно, от температуры окружающей среды t_окр.

Рис. 5. Схема измерения температуры с использованием ТС на базе делителя напряжения

Точность измерений в схеме (рис. 5) будет зависеть от точности и стабильности характеристик ТС R_t, опорного резистора R_оп и источника напряжения U_пит. Для того чтобы снизить погрешность измерений, следует использовать прецизионный высокостабильный резистор R_оп и стабилизированный источник опорного напряжения.

Другим негативным фактором является эффект самонагрева термометра сопротивления: протекание в электрической цепи относительно высокого тока (единицы-десятки миллиампер) может привести к дополнительным тепловыделениям на ТС, его нагреву и, как следствие, к резкому снижению точности измерений.

В качестве примера оценим отклонение температуры в результате самонагрева для высокостабильного прецизионного платинового термометра сопротивления R_t серии PTS 0603 (Vishay) с номинальным сопротивлением R₀ = 100 Ом [7]. Выберем, для наглядности, опорный резистор с номиналом R_оп = 1000 Ом. Пусть величина на выходе стабилизированного источника напряжения составляет V_DD = +5 В. Суммарное сопротивление цепочки делителя напряжения: R_общ = R₀+R_оп = 100+1000 = 1100 Ом. Тогда величина тока, протекающего через делитель, будет равна: I_DD = V_DD/R_общ = 5/1100 = 0,0045 А. Мощность, рассеиваемая на ПТС, приближенно составит: P = I_DD²×R₀ = 0,0021 Вт (2,1 мВт). Согласно технической документации на ПТС серии PTS 0603, величина его самонагрева составляет 0,9 К/мВт при отсутствии принудительной вентиляции. Таким образом, повышение температуры данного ПТС в нашем примере может достичь величины T_нагр = 0,9×2,1 = 1,9 K.  Очевидно, что для задач измерения температуры с точностью порядка десятых долей градуса это более чем допустимая погрешность!

Величина измерительного тока должна быть такой, чтобы самонагрев не приводил к выходу параметров ТС за пределы допуска. Повышение его сопротивления, обусловленное самонагревом, не должно превышать 20% допуска. Цепи постоянного тока для ТС с номинальным сопротивлением 100 Ом рекомендуется возбуждать измерительным током 1 мА или менее [1]. Для того чтобы минимизировать влияние этого эффекта, необходимо выбирать опорный резистор с высоким значением номинального сопротивления и/или источник с меньшей величиной напряжения питания. Несмотря на то, что это приведет к падению чувствительности схемы, применение ТС с относительно высоким ТКС и современной элементной базы для нормирования сигналов позволяет скомпенсировать этот недостаток.

На рис. 6 приведен пример практической реализации схемы на основе делителя напряжения с использованием стабилизированного источника опорного напряжения.

Рис. 6. Простейшая схема подключения термометра сопротивления Pt100

Источник опорного напряжения MAX6126A41 с прецизионным резистором R1 обеспечивает возбуждение ТС током около 200 мкА при 0 °С [9]. Коэффициент усиления операционного усилителя с нулевым дрейфом MAX9617 задается прецизионным делителем MAX5491WA30000 и равен К_у = 31 [10, 11]. Напряжение на выходе схемы составляет 616 мВ при температуре 0 °С. Изменение напряжения на выходе равно 2,37 мВ/°С. В качестве Pt100 можно использовать прецизионные платиновые термометры сопротивления серий PTS и PTL [7, 8], а в качестве высокостабильного резистора R1, здесь и в других схемотехнических решениях в этой статье, могут быть применены резисторы серий PHR0805 или P0805 производства Vishay [12, 13].

Основные недостатки схемы включения (рис. 6) — высокая зависимость тока возбуждения от температуры, что вызывает дополнительную нелинейность, увеличивающую погрешность измерений и сложность организации удаленного подключения ТС, так как сопротивление соединительных проводов в двухпроводной схеме будет оказывать заметное влияние на результаты измерений. Учитывая относительно невысокие номиналы используемых ТС, очевидно, что даже паразитные сопротивления в сотни мОм вызовут недопустимые погрешности в измерениях температуры. Согласно ГОСТ Р 8.625-2006, использование двухпроводной схемы не допускается для ТС классов АА и А (табл. 2).

Несмотря на имеющиеся недостатки, схема может быть использована для организации простых систем измерения температуры, преимущества которых — в низкой себестоимости реализации, малых габаритных размерах и главное — в небольшой удаленности термометра сопротивления от схемы нормирования сигналов.

В случае удаленного подключения ТС длина соединительных проводов будет оказывать влияние на точность измерений, так как измерительный ток будет вызывать дополнительное падение напряжения, прямо пропорциональное, по закону Ома, величине сопротивления. Поскольку сопротивление проводников зависит от их протяженности, то увеличение расстояния до датчика потребует использования более дорогих соединительных проводников или корректировки подхода к построению измерительной системы.

При необходимости подключения удаленно расположенного термометра сопротивления целесообразней использовать 4-проводную «кельвиновскую» схему, в которой измерительный ток протекает через одну пару, а сами измерения производятся с помощью второй пары соединительных проводов. Для достижения высокой точности измерений необходимо использовать усилители с высоким входным сопротивлением и низкой величиной входного тока.

Указанный принцип реализован в примере на рис. 7. Платиновый термометр сопротивления Pt100 включен по 4-проводной схеме. Повышение линейности достигается возбуждением ТС стабилизированным источником тока (198 мкА), схема которого реализована на источнике опорного напряжения MAX6126A25 и резисторе R2. Операционный усилитель MAX9617 устраняет влияние собственного тока потребления источника опорного напряжения. Инструментальный усилитель MAX4208 имеет входной ток 1 пА и коэффициент подавления синфазной помехи 135 дБ [14]. Резистор R1 предназначен для смещения уровня сигнала относительно общей шины для более эффективного подавления мощных синфазных помех. Коэффициент усиления инструментального усилителя MAX4208, равный К_у = 31, задается с помощью прецизионного делителя MAX5491WA30000. Несколько нестандартный способ задания коэффициента усиления инструментального усилителя обусловлен уникальностью его архитектуры [10]. Напряжение на выходе схемы составит 15,5 мВ при температуре –250 °С, 615 мВ при 0 °С и +2,4 В при 850 °С.

Рис. 7. Схема подключения удаленного термометра сопротивления Pt100 с использованием источника тока

Использование современных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с дифференциальным подключением источника входного сигнала и источника опорного напряжения позволяет не только получить на выходе цифровой сигнал, готовый для ввода в микроконтроллер, но и упростить подключение термометров сопротивления. На рис. 8 представлена схема прецизионного измерителя температуры на основе АЦП.

Рис. 8. Прецизионный измеритель температуры

Применение малошумящего 24-разрядного сигма-дельта АЦП MAX11201B позволяет подключить термометр сопротивления без необходимости использования прецизионных источников тока или напряжения, ограничившись применением недорогого малошумящего стабилизатора с малым падением напряжения (LDO) MAX8510 [15, 16]. Падение напряжения на прецизионном резисторе R5 обеспечивает опорное напряжение на АЦП. Поскольку измерительный ток, протекающий через резистор R5, возбуждает и термометр сопротивления, то любые флуктуации величины тока будут полностью скомпенсированы. Резисторы R1 и R6 обеспечивают нормальную работу встроенных в АЦП буферных усилителей. Они ограничивают абсолютную величину входного и опорного напряжений относительно «земли» в пределах от +150 мВ до (AVdd–150) мВ.

Для того чтобы сократить количество соединительных проводов для подключения термосопротивления до трех, в схему можно ввести прецизионное токовое зеркало на операционном усилителе MAX9617 и транзисторе MMBTA14 (рис. 9). Согласованная пара резисторов PRAHR182I2-750RFW обеспечит равенство токов I1 и I2 с точностью 0,05%, тем самым компенсируя падение напряжения на соединительных проводах [17]. Последние обязательно должны быть однотипными, одинаковой длины и сечения. В настоящее время производятся различные специализированные экранированные кабели, предназначенные для подключения термометров сопротивления по 2-, 3- и 4-проводным схемам.

Рис. 9. Прецизионный измеритель температуры с 3-проводным подключением термометра сопротивления

Для индустриальных применений более предпочтителен биполярный составной транзистор MMBTA14 по сравнению с полевым, особенно при работе в условиях высоких температур. У транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) ток утечки затвора удваивается с увеличением температуры на каждые 8 °С и может достигать несколько десятков нА. Таким образом, ошибка токового зеркала, вызванная управляющим током биполярного транзистора, может быть меньше, чем полевого транзистора с изолированным затвором.

 

Заключение

Один из способов повышения точности измерений с использованием ТС — их градуировка для получения индивидуальных коэффициентов зависимости величины сопротивления от температуры. Полученные коэффициенты можно, например, хранить в памяти цифровой измерительной системы и вносить в результат измерений соответствующую поправку. Однако этот метод может быть приемлем в мелкосерийном и практически не реализуем при массовом производстве в связи с высокой трудоемкостью самой процедуры градуировки. В данном случае более эффективным решением может быть использование прецизионных термометров сопротивления.

Однако сам факт использования прецизионных ТС не может гарантировать высокую точность системы в целом. При этом большую роль играет адекватность выбранной схемы включения ТС решаемой задаче. Кроме того, необходимо учитывать влияние таких факторов, как длина и качество соединительных проводов и разъемов, обеспечение электромагнитной совместимости за счет эффективного экранирования, фильтрации, грамотной компоновки элементов и разводки печатной платы. Существует и весьма специфический, но ощутимый источник ошибок, такой как эффект влияния температуры кристалла на результаты преобразования АЦП, воздействие которого может быть учтено за счет введения в состав системы дополнительного датчика для измерения температуры кристалла.

Как показывает практика, только подобный, комплексный подход, учитывающий разнообразные аспекты проектирования, позволяет создавать сбалансированные по точности и стоимости системы, имеющие конкурентные преимущества на рынке современной электронной техники.

Литература

1. ГОСТ Р 8.625-2006 «Термометры сопротивления из платины, меди и никеля». М.: Стандартинформ, 2006.
2. IEC EN 60 751. Industrial Platinum Resistance Thermometers and Platinum temperature sensors. Edition 2.0. International Electrotechnical Commission.
3. ASTM E1137/E1137M-08. Standard Specification for Industrial Platinum Resistance Thermometers.
4. ГОСТ 6651-2009 «Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний». Проект стандарта. Информационный портал http://www.temperatures.ru
5. Промышленная электроника. Руководство разработчика. 2010. Вып. 1. Maxim Integrated Products.
6. Thermal Management Handbook. Maxim Integrated Products.
7. Platinum SMD Flat Chip Temperature Sensor. PTS Series. Technical Datasheet, Rev. 11.03.2011.
8. Leaded Platinum Temperature Sensor. PTL Series. Technical Datasheet, Rev. 11.03.2011.
9. MAX6126: Ultra High Precision, Ultra Low Noise, Series Voltage Reference. Technical Datasheet, Rev.5, 12.2010.
10. MAX9617: Single/Dual SC70, Zero-Drift, High-Efficiency, 1.5MHz Op Amps with RRIO. Technical Datasheet, Rev.4, 02.2011.
11. MAX5491: Precision-Matched Resistor-Divider in SOT23. Technical Datasheet, Rev.3, 12.2004.
12. PHR Series. ESCC 4001/023 Qualified High Precision (5 ppm, 0.01%), Thin Film Chip Resistors. Technical Datasheet, Rev. 29.11.2010.
13. P Series. High Precision Wraparound — Wide Ohmic Value Range Thin Film Chip Resistors. Technical Datasheet, Rev. 14.02.2011.
14. MAX4208: Ultra-Low Offset/Drift, Precision Instrumentation Amplifiers with REF Buffer. Technical Datasheet, Rev.1, 04.2009.
15. MAX11201:24-bit, Single-Channel, Ultra-Low-Power, Delta Sigma ADC with 2-Wire Serial Interface. Technical Datasheet, Rev.0, 06.2010
16. MAX8510: Ultra-Low-Noise, High PSRR, Low-Dropout, 120 mA Linear Regulators. Technical Datasheet, Rev.3, 05.2006.
17. PRAHR PRA HR (CNW HR) Series. ESA Qualified High Precision Thin Film Chip Resistor Arrays. Technical Datasheet, Rev. 04.10.2010.

1. Принцип работы термопреобразователя сопротивления

Работы 4,5

Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры

Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Металлические термометры сопротивления платиновые (ТСП) градуировки гр. 20 используются при длительных измерениях в пределах от 0 до 650 °С, а термометры градуировок гр. 21 и гр. 22 — с другими номинальными сопротивлениями при температуре — от —200 до +500 °С. Термометры сопротивления медные (ТСМ) изготав­ливаются градуировок гр. 23 и гр. 24 для измерения температур от —50 до + 180°С [1].

Величину , характеризующую изменение электросопротивления металлов при изменении температуры, называют температурным коэф­фициентом сопротивления. Если R_t электрическое сопротивление при некоторой температуре t, a R_о электрическое сопротивление при 0°С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле

Для изготовления термометров сопротивления используются металлы: Pt, Cu, Ni, Fe.

Медь (Cu). К достоинствам меди следует отнести дешевизну, лег­кость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий темпе­ратурный коэффициент  и линейную зависимость сопротивления от темпе­ратуры.

Недостатки: малое удельное сопротивление (р = 0,017 ом·мм²/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100° С.

Никель и железо (Ni и Fe). Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом  и относи­тельно большим удельным сопротивлением.

Однако этим металлам присущи и недостатки. Никель и железо трудно получить в чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых термометров сопротивления. Зависимости сопротивления железа и, особенно, никеля от температуры выра­жаются кривыми, которые не могут быть представлены в виде простых эмпирических формул. Никель и, особенно, железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изго­товления термометров сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавли­ваются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распростра­нение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), использумые для измерения температур в пределах от —90 до +180 °С. Используемые материалы: оксиды Ti, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ge.

2. Устройство платиновых и медных термопреобразователей сопротивления. Диапазон измеряемых температур для каждого типа термопреобразователя сопротивления

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) выпускаются серийно для температур от –200 до +650⁰С соответственно градуировки согласно ГОСТ 6651-94:

 50П — электрическое сопротивление от 40 до 90 Ом.

 100П (Pt 100)- электрическое сопротивление от 80 до 180 Ом.

Медные термометры сопротивления (ТСМ) выпускаются серийно для контроля температур от –50⁰С до +180⁰С, соответственно градуировки:

 50М — электрическое сопротивление от 40 до 150 Ом.

 100М — электрическое сопротивление от 80 до 300 Ом.

В

Рис. 1. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления:

1-слюдяная пластина с зубчатыми краями;

2-платиновая проволока; 3-серебряные выводы;

4-слюдяные накладки; 5-серебряная лента

стандартном платиновом термометре сопротивления (рис.1) платиновая проволока диамет­ром 0,07 мм и длиной около 2 м бифилярно намотана на слюдяную пластинку с зубчатыми краями и с обеих сторон прикрыта двумя слю­дяными прямоугольными накладками для обес­печения ее изоляции и придания механической прочности. Все три слюдяные пластинки скреп­лены в пакет серебряной лентой. К концам пла­тиновой проволоки припаяны выводы из серебря­ных проволочек диаметром 1 мм, изолированных фарфоровыми бусами. Элемент сопротивления помещен в алюминиевую защитную трубку, сво­бодное сечение которой заполнено по всей длине чувствительной части термометра алюминиевым вкладышем. Собранный элемент термометра со­противления помещается еще в одну наружную защитную

трубку с заваренным дном, имеющую штуцерную гайку и алюминиевую головку [1].

Стандартный медный термометр сопротивления (рис.2) отечественного производства выполнен из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, многослойно намотанной на цилиндрический пластмассовый стержень. Проволока покрыта сверху слоем лака. К концам медной проволоки припаяны выводы также из медной проволоки диаметром 1,0—1,5 мм. Собранный термометр сопротивления помещен в защитную стальную трубку.

Чувствительный элемент всех медных термометров сопротивления представляет собой бескаркасную безындукционную намотку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. С целью обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую гильзу, засыпается керамическим порошком и герметизируется.

Что такое термометр сопротивления? Принцип работы и объяснение

Термометр сопротивления работает по принципу положительного температурного коэффициента. Этот принцип гласит, что «электрическое сопротивление металлов прямо пропорционально температуре, т. е. электрическое сопротивление металлов увеличивается с повышением температуры. Следовательно, температуру провода из любого известного материала можно измерить, если измерить его электрическое сопротивление.

Конструкция термометра сопротивления

Чувствительный элемент изготовлен из метала с высоким положительным температурным коэффициентом. Изменение сопротивления, вызванное изменением температуры, определяется мостом Уитстона. Материалы подобраны таким образом, чтобы значения сопротивлений R ₁ , R ₂ , R ₃ и R ₄ , в четырех плечах моста оставались постоянными при нормальной температуре. В этом состоянии гальванометр показывает нулевое значение. См. рис. 1 (а). Гальванометр имеет стрелку, расположенную в плоскости круговой шкалы, которая непосредственно откалибрована по температуре.

(a)

(b)

Рис. 1: Использование моста Wheatstone

, когда текущий теч через гальванометр, затем в соответствии с нормальным принципом Weatstone Bridge

,

,

.

\[\frac{{{\text{R}}_{\text{1}}}}{{{\text{R}}_{\text{3}}}}~=\frac{{{ \text{R}}_{\text{4}}}}{{{\text{R}}_{\text{2}}}}\]

Теперь четвертая рука имеет сопротивление R ₄ , заменяется чувствительным элементом РДТ, т.е. датчиком Пусть R _t — сопротивление измерительного провода. Из-за изменения температуры изменяется сопротивление R _t и мост Уитстона становится неуравновешенным.

\[\frac{{{\text{R}}_{\text{1}}}}{{{\text{R}}_{\text{3}}}}~=\frac{{ {\text{R}}_{\text{t}}}}{{{\text{R}}_{\text{2}}}}\]

Это заставит указатель перемещаться по кругу шкала гальванометра, откалиброванная по температуре. положение указателя указывает на значение измеренной температуры. См. рис. 1 (б).

Материалы для термометров сопротивления

• Основные характеристики материала RTD
• Изменение сопротивления материала должно быть достаточно большим для единичного изменения температуры.
• Высокое удельное сопротивление, поэтому для изготовления RTD можно использовать минимальный объем материала.
• Сопротивление материала должно иметь постоянную и стабильную зависимость от температуры.

Материалы, используемые для термометра сопротивления с рабочим диапазоном температур (C)

Platinum: — 260 ° C до 110 ° C

Медь: 70 ° C до 120 ° C

Никель: — 200 ° C до 200 ° C

Tungsten: — 200 ° C

от °C до 1000°C

Преимущества термометра сопротивления

1. Широкий рабочий диапазон от – 200°C до 1000°C.
2. Простота установки и замены.
3. Лучше всего подходит для дистанционной индикации.
4. Повышенная чувствительность.
5. Чрезвычайно точное определение, измерение и отображение измеренной температуры.
6. Стабильность работы в течение длительного периода времени.
7. Зависимость линейного сопротивления от температуры.

Недостатки термометра сопротивления

1. Высокая стоимость.
2. Требуется мостовая схема с блоком питания.
3. Возможность самонагрева.
4. Для измерения высоких температур требуется колба большого размера.
5. Иногда балансировка моста занимает больше времени.

Применение термометра сопротивления

1. Измерение температуры в нагревательных печах, сушильных печах, сосудах под давлением, ваннах и т. д.
2. Измерение температуры холодильных установок, котлов, электрогенераторов и т. д.
3. Для измерения теплового излучения.
4. Предприятия пищевой промышленности.
5. Измерение температуры выхлопных газов.
6. Нефтехимическая промышленность.
7. Системы охлаждения и кондиционирования воздуха.
8. Обрабатывающие производства.

Примечание:

• Если R ₀ = сопротивление RTD, измеренное при температуре T ₀ (т. е. температура 0°C)

R _T = Сопротивление RTD, измеренное при температуре T, когда он вступает в контакт с горячей поверхностью или средой, и

α _o = Температурный коэффициент материала, затем

Сопротивление “R _T ” измерено при температуре «T» в °C, можно рассчитать по формуле:

\[{{\text{R}}_{\text{T}}}~={{\text{R}}_{\text{ 0}}}\left[ 1+{{\alpha } _{\text{o}}}\left( \text{T}-{{\text{T}}_{\text{0}}} \ справа) \справа]\]

• Неизвестная температура «T» рассчитывается по,

\[\text{T}~=\left( \frac{{{\text{R}}_{\text{T}}}-{{\text{R}}_{\text{0} }}}{{{\text{R}}_{\text{100}}}-{{\text{R}}_{\text{0}}}} \right)\times 100\]

где,

R ₁₀₀ = сопротивление провода при температуре 100°C

R ₀ = сопротивление провода при температуре 0°C

R _t = сопротивление провода при температуре T°C

= сопротивление провода при температуре T°C

= сопротивление провода при температуре T°C

= сопротивление провода при температуре 0°C Принцип работы термометра | Преимущества и ограничения

Сопротивление проводника изменяется при изменении его температуры. Это свойство используется для измерения температуры. Принцип работы термометра сопротивления — это прибор, используемый для измерения электрического сопротивления с точки зрения температуры, то есть он использует изменение электрического сопротивления проводника для определения температуры.

Основой принципа действия термометра сопротивления является его чувствительный элемент. Характеристики чувствительного элемента определяют чувствительность и диапазон рабочих температур прибора.

(Существует три распространенных типа используемых термочувствительных резистивных элементов: сопротивление проволочной обмотки, термистор и сопротивление полупроводника с положительным температурным коэффициентом.)

Чувствительный элемент может быть выполнен из любого материала, который демонстрирует относительно большое изменение сопротивления при изменении температуры . Кроме того, используемый материал должен быть стабильным по своим характеристикам, т. е. ни его сопротивление, ни его температурный коэффициент сопротивления не должны претерпевать необратимых изменений с использованием или возрастом.

Для поддержания калибровки принципа работы термометра сопротивления необходимо учитывать его стабильность. Необходимость стабильности часто ограничивает диапазон температур, в котором может использоваться чувствительный элемент.

Еще одной желательной характеристикой чувствительного элемента является линейное изменение сопротивления при изменении температуры.

Скорость, с которой резистивный элемент реагирует на изменения температуры, важна, когда измеряемая температура подвергается быстрым изменениям. Чем меньше данный чувствительный элемент, тем меньше тепла требуется для повышения его температуры и тем быстрее его отклик.

Платина, никель и медь являются металлами, наиболее часто используемыми для измерения температуры. Удельное сопротивление платины имеет тенденцию увеличиваться медленнее при более высоких температурах, чем у других металлов, поэтому это обычно используемый материал для термометров сопротивления. Диапазон температур, в котором платина стабильна, составляет – 260 – 1100°С.

На рис. 13.11(а) показан промышленный платиновый термометр сопротивления. Изменения сопротивления, вызванные изменениями температуры, обнаруживаются с помощью моста Уитстона, как показано на рис. 13.11 (б). Следовательно, чувствительный к температуре элемент, который может быть никелевым, медным или платиновым, содержащийся в колбе или резервуаре, вместе с уравновешивающим мостом образуют основные компоненты системы измерения температуры, основанной на этом принципе.

Чувствительный элемент R _s выполнен из материала с высоким температурным коэффициентом, а R ₁ , R ₂ и R ₅  сопротивлений, практически постоянных при нормальных изменениях температуры.

Когда через гальванометр не протекает ток, нормальный принцип моста Уитстона утверждает, что отношение сопротивлений равно ₃ , Р ₄ .

Таким образом,

Теперь сопротивление R _s изменяется, баланс не поддерживается, и гальванометр показывает отклонение, которое можно откалибровать для получения подходящей температурной шкалы.

Преимущества термометра сопротивления:

Измерение температуры методом электрического сопротивления имеет следующие преимущества и характеристики.

1. Измерение очень точное.
2. Широкие возможности выбора измерительного оборудования.
3. Также можно управлять индикаторами, регистраторами или контроллерами.
4. К одному показывающему/регистрирующему прибору можно подключить более одного элемента сопротивления.
5. Термочувствительный резистивный элемент легко устанавливается и заменяется.
6. Точность измерительной цепи можно легко проверить, заменив резистивный элемент стандартным резистором.
7. Резистивные элементы можно использовать для измерения перепада температур.
8. Термометры сопротивления имеют широкий рабочий диапазон без потери точности и могут использоваться в диапазонах температур (от -200°C до + 650°C).
9. Они лучше всего подходят для дистанционной индикации.