Термометры сопротивления: особенности, принцип действия и применение

Для определения температуры различных веществ широко применяются термометры сопротивления. В статье мы рассмотрим принципы действия платинового и других приборов, определим их достоинства, недостатки и области применения, а также рассмотрим самые популярные на сегодняшний день модели.

Термометры сопротивления – это устройства для определения температуры в диапазоне от -263 до +1000 градусов Цельсия. Они состоят из датчика, усилителя сигнала, регистрирующего и вспомогательных устройств, а также их соединителей. Эти устройства обладают неоспоримыми достоинствами:

• широкий диапазон измерения температуры (у дорогих моделей);
• высокая точность;
• стабильность работы;
• стойкость в вибрации;
• компактные размеры;
• возможность работать в агрессивных средах;
• некоторые модели имеют небольшую стоимость.

Но вместе с тем им присущи и некоторые недостатки:

• высокая стоимость точных устройств;
• необходимость соблюдать четкие требования при подключении;
• наличие источника питания;
• невозможность ремонта самостоятельно.

Работа термометров основана на том, что некоторые металлы и полупроводники меняют свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды. При этом у металлов при увеличении температуры сопротивление возрастает, их называют позисторами. У полупроводников оно падает, поэтому их название – термисторы. Измерение проводимости чувствительного элемента и является принципом действия. При этом различные материалы обладают разным температурным коэффициентом. Это значит, что одни реагируют на изменения больше, другие меньше. Этот параметр влияет на точность прибора. Всего существует несколько классов точности измерителей:

• АА, допуск точности – 0,1 градуса;
• A – 0,15;
• B – 0,3;
• C – 0,6.

Самый точный – АА. Но он и самый дорогой, так как содержит платину. Немаловажную роль при измерении имеет соединение чувствительного элемента с измерителем. Обычно используется мостовая схема. При подключении питания ток, идущий от отрицательного полюса батареи, попадает на узловую точку А. Далее он разделяется на 2 равные части, поскольку сопротивление резисторов R1 и R2 одинаково. Из точек B и С через резисторы R3 и R4 он попадает в узел D и затем на плюс аккумулятора.

Если сопротивление всех резисторов одинаковое, то через резистор R5 ток не проходит. Это можно доказать законами Киргофа. Заменим один из резисторов, например, R3, на чувствительный элемент RTD. При комнатной температуре его сопротивление идентично другим резисторам. При изменении температуры оно меняется, и мост выходит из равновесия.

В этом случае через R5 начинает проходить ток. Если мы поменяем его на вольтметр, тогда по его показаниям можно судить, насколько изменилось сопротивление RTD. По этому изменению можно определить значение температуры. Данная схема широко применяется, поскольку она проста в реализации и обеспечивает хорошую точность. Компоненты моста скрыты в одном корпусе, а наружу выходит только чувствительный элемент RTD.

Несмотря на схожесть термометров сопротивления и термопар, у них разные принципы действия. В термопарах используются 2 проволоки из разных металлов, соединенные между собой. При изменении температуры в месте контакта образуется разность потенциалов и возникает термо-ЭДС (электродвижущая сила). Далее она фиксируется вольтметром и переводится в значение температуры. Таким образом, для использования термопары не нужен источник питания, и она проще в применении. Но возникает резонный вопрос, а что точнее? Производитель аппаратуры «Тесей» провел и опубликовал исследования на этот счет.

Термометры сопротивления можно использовать практически повсеместно. Основные области применения:

• в промышленности – для определения нагрева печей;
• в трубопроводах – для веществ, состояние которых зависит от температуры;
• в медицине;
• в бытовых и других помещениях;
• в жилищно-коммунальном хозяйстве;
• везде, где нужно знать температуру.

Основное различие между термометрами – устройство датчика. Они сделаны из разных материалов, отличаются толщиной чувствительного элемента и имеют различную стоимость.

Они бывают платиновые, никелевые и медные. Рассмотрим подробнее элементы их этих металлов.

• Платина. Самый дорогой материал, из нее изготавливаются самые точные лабораторные и эталонные приборы. Достоинства – очень высокая точность и широкий диапазон измерений, стабильность работы, практически линейная зависимость электропроводности от температуры (номинальная статическая характеристика, НСХ). Недостаток – высокая стоимость, хотя сейчас развитие технологий уменьшает количество платины, а значит, и цену. Все плюсы при этом сохраняются. Приборы с датчиком из платины обозначаются как ТСП (Термометр Сопротивления с платиновым датчиком).

• Никель. Наиболее сильно реагирует на изменение температуры, что упрощает регистрацию сигнала. По сравнению с платиной, диапазон измерений уже – от -60 до +180 градусов. Прибор абсолютно недееспособен при 350 градусах и выше. Несмотря на преимущества, в большинстве случаев никель можно заменить на медь.

• Медь. Диапазон температур – от -50 до +150. Достоинства – простота использования, низкая цена и почти линейная зависимость «температура-сопротивление». Но область применения таких датчиков ограничена диапазоном. Их обозначение – ТСМ (М – медь).

Также существуют различные конструкции чувствительного элемента.

• Проволочный. Чувствительный элемент – проволока, намотанная на каркас из металла, керамики, кварца, слюды или пластмассы. Во избежание потерь на индукцию намотка бифилярная (это когда провод складывается вдвое и только затем наматывается). Между витками есть мелкодисперсный наполнитель из Al2O3, который нужен для дополнительной изоляции витков и амортизации при колебаниях. Катушка заключена в металлический корпус и загерметизирована.

• Пленочный. В этом типе датчика активный металл напыляется тонким слоем на основание из керамики или пластмассы. Далее на него наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое покрытие. Оно защищает элемент от внешних воздействий. Преимущества такого исполнения – небольшие габариты, умеренная стоимость, низкая инертность и высокое внутреннее сопротивление. Последнее нужно для того, чтобы сопротивлением соединительных проводов можно было пренебречь. А еще они лучше переносят вибрацию. Недостаток – стабильность измерений меньше, чем в проволочных. Но такие термопреобразователи постоянно совершенствуются, и вскоре этот недостаток полностью исчезнет.

Обычно они изготавливаются из германия и кремния. В качестве легирующей добавки выступает сурьма. Также есть кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ) приборы, работающие в пределах от -90 до +180 градусов. Благодаря большому внутреннему сопротивлению датчика проводимостью соединителей можно пренебречь. Чувствительный элемент расположен в защитном корпусе.

Преимущества – высокое быстродействие, возможность работы в сверхнизких температурах – от -270 градусов по Цельсию. Точность и стабильность измерений большие. Недостатки – нелинейная характеристика НСХ и невоспроизводимость градуировочной характеристики.

Благодаря нелинейной зависимости «температура-сопротивление» такие устройства скачкообразно меняют проводимость при определенной температуре. Это называется релейным эффектом и позволяет использовать данные приборы в системах сигнализации. Датчики по-разному крепятся на поверхность. Варианты креплений делятся на:

• ввинчивающиеся;
• поверхностные;
• вставные;
• с присоединительными проводами;
• с байонетными соединениями (это осевое перемещение и поворот, как в боксах для дисков).

Расшифровка обозначений термометров сопротивления не составит труда. Обычно латиницей или кириллицей указывается его тип, далее цифрами – сопротивление в Ом при температуре 0 градусов Цельсия. Например, Pt100 – термометр платиновый, сопротивление термопреобразователя – 100 Ом при 0 градусов. Также есть несколько общепринятых сокращений:

• ТПТ – технический платиновый термометр;
• ТСПН – термометр, предназначенный для регистрации низких температур;
• ЭТС – эталонные термометры сопротивления, которые используются для калибровки других датчиков.

Она выполняется тремя способами.

• На шкалу наносятся значения температуры, которые соответствуют величине сопротивления датчика. Это более наглядный способ. Нелинейность зависимости можно компенсировать с помощью неравномерной разметки шкалы. Недостаток – погрешность равна цене деления шкалы.
• Фиксируется действительное значение сопротивления, которое затем по специальным таблицам переводится в температуру. Более трудоемкий способ индикации, но более точный. Если нужного значения нет в таблице, результат измерения интерполируется, получается точное значение температуры. Нелинейность характеристик измерителя не оказывает влияния на результат. Интерполяция – метод нахождения промежуточных значений величины по готовому дискретному набору ее значений. Не представляет большой сложности и выполняется по формулам.
• Фиксирование с помощью вычислительной техники. Совмещает все достоинства предыдущих способов. Результат выводится на дисплее.

Для хороших результатов нужно не только выбрать датчик, но и правильно его подключить. Для этого есть 3 способа, все хорошо подходят для мостовой схемы питания.

Используется только для грубых измерений, поскольку на точность влияет сопротивление проводов. Диапазон длины этих проводов задается в паспорте устройства, нарушать его нельзя. Это ограничивает сферу применения такого способа подключения. Не подходит для устройств с классом точности АА и А.

В ней, помимо сопротивления чувствительного элемента, отдельно измеряется проводимость одного из монтажных кабелей, что позволяет вычесть эту величину из расчета. Предполагается, что сопротивления проводов равны между собой. При этом ток через сигнальный провод не течет, на него поступает только напряжение с датчика. Соответственно, изменение проводимости чувствительного элемента влияет на напряжение в сигнальном проводе, которое и регистрируется вольтметром.

Электрическое сопротивление кабелей питания может различаться между собой. Достоинство этой схемы в том, что она позволяет учитывать проводимость сразу 2-х кабелей питания датчика. Принципиально не отличается от трехпроводной. Применяется для очень точных измерений в лабораторных условиях и эталонных установках. Последние 2 схемы допускают использование прибора в любых условиях. У них нет ограничений по длине проводов, что благотворно сказывается на общей компоновке систем измерения.

Термометр сопротивления – это сложное и дорогое устройство. Поэтому не рекомендуется брать изделия неизвестных производителей, лучше довериться продукции проверенных фирм. Тем более что сбой при измерении может нанести значительный ущерб. Среди достойных моделей от известных производителей можно выделить следующие:

• JUMO

• ДТС ОВЕН

• Элемер

• РТ1000, РТ500

• ТСП 100 П, ТСП pt100, ТПС 50 П;

• ТСМ 296, ТСМ 045, ТСМ 1088;

• ТС 125;

• ТХА Метран 2700.

О том, как правильно пользоваться термометром сопротивления, смотрите в следующем видео.