Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) являются вторыми по распространенности средствами измерения температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электрического сопротивления металла (по ГОСТ 6651 -94 используется медь, платина и никель) или полупроводника от температуры.

Достоинством металлических датчиков является высокая линейность и взаимозаменяемость, т. е. возможность замены вышедшего из строя датчика на аналогичный без повторной калибровки системы. Взаимозаменяемость достигается благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (разброс сопротивлений составляет от ± 0, 15 °С при температуре 0 °С для медных датчиков класса "А" до ± 0, 5 °С для датчиков класса "С" по ГОСТ 6651 -94).

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление R 100 при 100°С и отношение , Где R 0 - сопротивление при 0 °С. Медные датчики изготавливаются с W 100 = 1, 4260 и W 100 = 1, 4280, платиновые – с W 100 = 1, 3850 и W 100 = 1, 3910 , никелевые - с W 100 = 1, 6170.

Эти параметры, а также класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление R 0 указывается в форме "ТСМ 50" (Термопреобразователь Сопротивления Медный, 50 Ом), "ТСП 100" (Термопреобразователь Сопротивления Платиновый, 100 Ом) и т. п.

Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры (см. табл. 9. 1). Медные датчики используются для измерения температуры в диапазоне от -200 °С до +200 °С, платиновые - в диапазоне от -260 °С до +850 °С, никелевые - от -60 °С до +180 °С [ГОСТ]. Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность (неизменность показаний с течением времени), медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

Таблица 9. 1. Параметры термопреобразователей сопротивления

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление R 100 при 100°С и отношение Где R 0 - сопротивление при 0 °С. Медные датчики изготавливаются с W 100 = 1, 4260 и W 100 = 1, 4280, платиновые – с W 100 = 1, 3850 и W 100 = 1, 3910 , никелевые - с W 100 = 1, 6170.

Эти параметры, а также класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление R 0 указывается в форме "ТСМ 50" (Термопреобразователь Сопротивления Медный, 50 Ом), "ТСП 100" (Термопреобразователь Сопротивления Платиновый, 100 Ом) и т. п.

Зависимость сопротивления от температуры R(t) в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной: Где R 0 - сопротивление при температуре t = 0°С, - температурный коэффициент сопротивления. Из этого уравнения можно получить связь между и W 100:

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность, поэтому ГОСТ 6651 устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры. Это позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений.

После исключения систематической составляющей погрешности нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0°С и разбросом его температурного коэффициента сопротивления. Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С.

Источником погрешности измерений с помощью термопреобразователей сопротивления является также электротермический эффект, который проявляется при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20 мк. В. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение двух измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе.

Датчик температуры, основанный на зависимости сопротивления от температуры, состоит из термочувствительного элемента и защитной оболочки. Чувствительный элемент (сенсор) может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

При использовании крупных датчиков для измерения температуры тел с малой теплоемкостью появляется методическая погрешность, вызванная перераспределением количества теплоты между объектом измерений и датчиком (погрешность термического шунтирования). Для уменьшения этой погрешности следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для датчиков с малыми геометрическим размерами существенную роль играет величина измерительного тока Iex (здесь общепринятый символ "ex" происходит от "excitation" - "возбуждение"). Мощность Iex 2 R(t) , выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением R(t), преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика.

Для уменьшения эффекта саморазогрева следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

В отличие от металлических термопреобразователей, полупроводниковые терморезисторы, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Двухпроводная схема измерений (рис. 8. 2) использует косвенный метод измерений, при котором измеряется напряжение на сопротивлении Vx , вызванное протекающим калиброванным током возбуждения Iex. Реже задается калиброванное напряжение Vx и измеряется ток Iex.

Возможен также вариант, когда одновременно измеряются как ток, так и напряжение при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях величину сопротивления Rx рассчитывают по формуле Rx = Ux/Iex.

В связи с тем, что сопротивление металлических датчиков мало, большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов Rпр (рис. 9. 2 -а). Поэтому двухпроводная схема измерений используется, когда сопротивления Rпр малы, например, не превышают 0, 1% от сопротивления датчика R 0, т. е. для медного датчика ТСМ 50 с R 0 = 50 Ом сопротивление проводов должно быть не более 0, 05 Ом. При использовании проводов сечением 0, 35 кв. мм с погонным сопротивлением 0, 049 Ом/м длина пары проводников для этого случая не должна превышать 0, 5 м.

Четырехпроводная схема измерений Принцип действия четырехпроводной схемы (рис. 9. 2 -б) основан на измерении напряжения не на выводах источника тока, как на рис. 9. 2 -а), а на выводах непосредственно сопротивления Rx. При этом падение напряжения на сопротивлении проводов Rпр не влияет на результат измерения.

Методическая погрешность в рассматриваемой схеме отсутствует и относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока. Расстояние от модуля ввода до датчика при четырехпроводной схеме измерений ограничивается только уровнем помех, который растет пропорционально длине проводов.

Желание снизить стоимость кабеля в системах автоматизации при невысоких требований к точности привело к появлению трехпроводной схемы измерений. В модулях ввода используются три варианта трехпроводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля. С появлением интегральных АЦП с двумя встроенными цифроуправляемыми источниками тока появилась возможность реализовать трехпроводную схему измерений, показанную на рис. 8. 3 -а.

Терморезистор (термистор) - это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры. Изменение температуры терморезистора, а следовательно, его сопротивление может быть вызвано либо изменением температуры окружающей среды, либо нагревом терморезистора проходящим через него током, либо воздействием обоих этих факторов (терморезисторы с прямым подогревом).

Некоторые типы терморезисторов имеют специальную подогревающую обмотку, электрически не связанную с терморезистором, служащих для его подогрева (терморезисторы косвенного подогрева).

Основные характеристики терморезисторов: 1. Температурная зависимость сопротивления, показывающая, как изменяется сопротивление терморезистора в рабочем интервале температур

Для большинства терморезисторов эта зависимость определяется отношением: где RT 1, RT 2 - сопротивления терморезистора при абсолютных температурах Т 1 и Т 2 соответственно; В - постоянный коэффициент.

Основные параметры терморезисторов с отрицательным ТКС: • Габаритные размеры. • Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при определенной температуре окружающей среды в t, o. C, или T, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125 - 200 o. C, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25 o. C и величина Rt называется «холодным сопротивлением» .

Классификация и маркировка. Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых (ММТ и СТ 3), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ 1) и медно-кобальто-марганцевых (СТ 3) оксидных полупроводников.

По конструктивному оформлению терморезисторы можно разделить на следующие типы: - в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4, ММТ-4); - в виде дисков (СТ 1 -17, СТ 3 -17, СТ 5 -1); - в виде миниатюрных бусинок (СТ 1 -18, СТ 1 -19 и др. ); - в виде плоских прямоугольников (СТ 3 -23).

Особенностью бусинковых терморезисторов типов СТ 1 -18, СТ 3 -18 и СТ 3 -25 является то, что термочувствительный элемент для защиты от внешних воздействий покрыт тонким слоем стекла, а тонкие платиновые контакты приварены или припаяны (СТ 3 -25) к траверсам из толстой проволоки.

Терморезисторы типов СТ 1 -18 и СТ 3 -18 имеют бусинку диаметром 0, 5 мм (выводы диаметром до 0, 05 мм), терморезисторы типа СТ 3 -25 – 0, 3 и 0, 03 мм соответственно. Терморезисторы типов КМТ-14, СТ 1 -19 и СТ 3 -19 имеют герметичную конструкцию.

Термочувствительный элемент резистора КМТ-14 – бусинка диаметром не более 0, 5 мм, нанесенная на две параллельные платиновые проволоки, приваренные к платиновым выводам диаметром 0, 4 мм. Бусинка герметизирована в коническом конце стеклянной трубки, которая является корпусом терморезистора.

Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 предназначены для работы в закрытых сухих помещениях, ММТ- 4 и КМТ-4 герметизированы, работоспособны в условиях с повышенной влажностью и даже в жидкой среде. Также существуют измерительные терморезисторы, предназначенные для измерений в маломощных цепях сверхвысокочастотных колебаний.

Терморезисторы типа ТП (ТП 2/0, 5, ТП 2/2, ТП 6/2 – цифра в числителе – номинальное значение напряжения в В, знаменатель – рабочий ток в м. А) – для стабилизации напряжения в цепях постоянного или переменного тока с частотой до 150 к. Гц. По конструкции – круглые опрессованные стержни, заключенные в стеклянный баллон, воздух из которого откачан до давления 10 -5 мм рт. ст.

Терморезисторы ТКП, СТ 1 -21, СТ 3 -21 и СТ 3 -27 применяются в радиотехнических устройствах и схемах автоматики как регулируемые бесконтактные резисторы. Они имеют косвенный подогрев от специальной спирали, при изменении тока в которой происходит плавное изменение сопротивления терморезистора. Используются, когда необходимо отделить управляемую цепь от управляющей.

Рабочий элемент и подогреватель терморезисторов типа ТКП помещены в стеклянный баллон с нормальным октальным цоколем. Терморезисторы типов СТ 1 -21, СТ 3 -21 и СТ 3 -27 (более новые) имеют более совершенную конструкцию по сравнению с ТКП.