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 R_t – сопротивление термопреобразователя при температуре t, Ом;

R_о – сопротивление при температуре 0 ⁰С, Ом;

W_t – отношение сопротивлений при температурах t и 0 ⁰С.

Значения W_t 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 R_о, 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 W_t различных типов термопреобразователей приведены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4 - Интерполяционные уравнения для вычисления W_t

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;

R_T 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».