Термометри опору: види, типи конструкції, класи допуску

• види термодатчиков
• розшифровка абревіатур
• Чим відрізняється термоопір від термопари?
• Платинові вимірювачі температури
• Нікелеві термометри опору
• Мідні датчики (ТСМ)
• Типові конструкції платинових термосопротивлений
• клас допуску
• Схеми включення ТСМ / ТСП
• обслуговування

Термометрія відноситься до найбільш простим і ефективним методам вимірювань. Вона заснована на тому, що фізичні властивості матеріалу змінюються в залежності від температури. Зокрема, вимірюючи опір металу, сплаву або напівпровідникового елемента, можна визначити його температуру з високим ступенем точності. Датчики такого типу називаються термоелектричними або термоопору. Пропонуємо розглянути різні види цих пристроїв, їх принцип роботи, конструкції і особливості.

види термодатчиков

Найбільш поширеними вважаються наступні типи термометрів опору (далі ТЗ):

1. Напівпровідникові датчики. Відмінні риси цих приладів полягає у високій точності і стабільної чутливості, а також в можливості вимірювання швидкоплинних процесів. Завдяки низькому вимірювального струму є можливість роботи зі наднизьких температур (до -270 ° С). Приклад конструкції напівпровідникового ТС.

   

позначення:

• А - Висновки вимірювача.
• В - Скляна пробка, що закриває захисну гільзу.
• З - Захисна гільза, наповнена гелієм.
• D - Електроізоляційна плівка, що покриває внутрішню частину гільзи.
• E - Напівпровідниковий чутливий елемент (далі ЧЕ), в наведеному прикладі це германій, легований сурмою.

2. Металеві датчики. У таких вимірників в якості ЧЕ виступає дротяний чи плівковий, поміщений в керамічний або металевий корпус. Метал, який використовується для виготовлення чутливого елемента, повинен бути технологічний і стійкий до окислення, а також мати достатній температурним коефіцієнтом. Таким критеріям практично ідеально відповідає платина. Там, де не настільки високі вимоги до вимірювань, може використовуватися нікель або мідь. Як приклад можна привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен і т.д.

розшифровка абревіатур

Щоб не виникало питань, що таке ТСМ, наведемо розшифровку цієї та інших абревіатур:

• ТСМ це термометр опору (ТС), в чутливому елементі (ЧЕ) якого використовується мідний дріт (М).
• МСП, в застосовується платиновий (дріт з платини) ЧЕ.
• КТС б - позначення комплекту з декількох платинових ТС., Що дозволяють провести багатозонні вимірювання, як правило, монтаж таких пристроїв проводиться на вхід і вихід системи опалення, щоб встановити різницю температур.
• ТПТ - технічний (Т) платиновий термометр (ПТ).
• КТПТР - комплект з ТПТ приладів, буква «Р» в кінці вказує, що може проводитися не тільки вимір різниці температур між різними датчиками.
• ТСПН - «Н» в кінці ТСП, позначає, що датчик низькотемпературний.
• НСХ - під цим скороченням мається на увазі «номінальна статична характеристика», відповідна стандартної функції «температура-опір». Досить подивитися таблицю НСХ для pt100 або будь-якого іншого датчика (наприклад, pt1000, rtd, ntc і т.д.), щоб мати уявлення про його характеристики.
• ЕТС - еталонні прилади, що служать для калібрування датчиків.

Чим відрізняється термоопір від термопари?

Схема термопари, її конструкція, а також принцип роботи суттєво відрізняється від термометра опору, розповімо про це простими словами. У пристрої pt100, а також інших датчиків, принцип дії заснований на сумісності між зміною температури металу і його опором.

Принцип термопари побудований на різних властивостях двох металів зібраних в єдину біметалічну конструкцію. Пристрій, підключення, призначення термопари, а також опис похибки цих приладів буде розглянуто в окремій статті.

Зараз досить розуміти, що термопара і ТСП, наприклад pt100, це абсолютно різні прилади, що відрізняються принципом роботи.

Платинові вимірювачі температури

З огляду на поширеність металевих датчиків, має сенс привести короткий опис цих пристроїв, щоб наочно показати порівняльні характеристики різних видів, особливості, а також описати сферу застосування.

Відповідно до норм ГОСТ 6651 2009 і МЕК 60751, у робочих приладів даного типу значення температурного коефіцієнта повинно бути 0, 00385 ° С ^-1, еталонних - 0, 03925 ° С ^-1. Діапазон вимірюваної температури: від-196, 0 ° С до 600, 0 ° С. До безперечних достоїнств слід віднести високий коефіцієнт точності, близьку до линів характеристику «Температура-опір», стабільні параметри. Недолік - наявність дорогоцінних металів збільшує вартість конструкції. Необхідно зауважити, що сучасні технології дозволяють мінімізувати вміст цього металу, що робить можливим зниження вартості продукції.

Основна область застосування - контроль температури різних технологічних процесів. Наприклад, такий прилад може бути встановлений в трубопроводі, в якому щільність робочого середовища сильно залежить від температури. В цьому випадку показання вихровий витратоміра коригуються інформацією про температуру робочого середовища.

Нікелеві термометри опору

Температурний коефіцієнт (далі ТК) у даного типу вимірювальних пристроїв найвищий - 0, 00617 ° С ^-1. Діапазон вимірюваних температур також істотно вже, ніж у платинових ЧЕ (від -60, 0 ° С до 180, 0 ° С). Основна перевага даних приладів - високий рівень вихідного сигналу. В процесі експлуатації слід враховувати особливість, пов'язану з наближенням температури нагріву до точки Кюрі (352, 0 ° С), що викликає істотну зміну параметрів через непередбачуваного гистерезиса.

Дані пристрої практично не використовуються, оскільки в більшості випадків їх можна замінити приладами з мідними чутливими елементами, які істотно дешевше і більш технологічні (простіше у виробництві).

Мідні датчики (ТСМ)

ТК мідних вимірювальних приладів - 0, 00428 ° С ^-1, діапазон вимірюваних температур трохи вужче, ніж у нікелевих аналогів (від -50, 0 ° С до 150 ° С). До безперечних переваг мідних вимірників слід віднести їх відносно невисоку вартість і найбільш близьку до лінійної характеристику «температура-опір». Але, вузький діапазон вимірюваних температур і низькі параметри питомої опору істотно обмежують сферу застосування термоперетворювачів ТСМ.

Але, тим не менше, мідні датчики рано списувати, є чимало прикладів вдалих реалізацій, наприклад, ТХА Метран 2700, який призначений як для різних видів промисловості, але також вдало використовується в ЖКГ.

З огляду на, що платинові терморезистори найбільш затребувані, розглянемо варіанти їх конструктивного виконання.

Типові конструкції платинових термосопротивлений

Найбільш поширеною одержало виконання ЧЕ в ПТС, зване «вільної від напруги спіраллю», у зарубіжних виробників воно проходить під терміном «Strain free». Спрощений варіант такої конструкції представлений нижче.

позначення:

• А - Висновки термоелектричного елемента.
• В - Захисний корпус.
• З - Спіраль з платинового дроту.
• D - Мелкодісперсний наповнювач.
• E - Глазур, герметизирующая ЧЕ.

Як видно з малюнка, чотири спіралі з платинового дроту, розміщують в спеціальних каналах, які потім заповнюються дрібнодисперсним наповнювачем. В ролі останнього виступає очищений від домішок оксид алюмінію (Al ₂ O _3). Наповнювач забезпечує ізоляцію між витками дроту, а також відіграє роль амортизатора при вібраціях або коли відбувається її розширення, внаслідок нагрівання. Для герметизації отворів в захисному корпусі застосовується спеціальна глазур.

На практиці зустрічається багато варіацій типового виконання, відмінності можуть бути в дизайні, герметизуючому матеріалі і розмірах основних компонентів.

Виконання Hollow Annulus.

Даний вид конструкції відносно новий, вона розроблялася для використання в атомній індустрії, а також на об'єктах особливої ​​важливості. В інших сферах датчики даного типу практично не застосовуються, основна причина цього висока вартість виробів. Відмінні риси висока надійність і стабільні характеристики. Наведемо приклад такої конструкції.

позначення:

• А - Висновки з ЧЕ.
• В - Ізоляція висновків ЧЕ.
• З - Ізолюючий дрібнодисперсний наповнювач.
• D - Захисний корпус датчика.
• E - Дріт з платини.
• F - Металева трубка.

ЧЕ даної конструкції є металеву трубку (порожній циліндр), покритий шаром ізоляції, зверху якої намотується платинова дріт. Як матеріал циліндра використовується сплав з температурним коефіцієнтом близьким до платині. Ізоляційне покриття (Al ₂ O ₃₎ наноситься гарячим напиленням. Зібраний ЧЕ поміщається з захисний корпус, після чого його герметизують.

Для даної конструкції характерна низька інерційність, вона може бути в діапазоні від 350, 0 мілісекунд до 11, 0 секунд, в залежності від того використовується занурюваної або вмонтований ЧЕ.

Плівкове виконання (Thin film).

Основна відмінність від попередніх видів полягає в тому, що платина тонким шаром (товщиною в кілька мікрон) напилюється на керамічне або пластикову основу. На напилення наноситься скляне, епоксидне або пластикове захисне покриття.

Це найбільш поширений тип конструкції, основні переваги якої полягають в невисокій вартості і невеликих габаритах. Крім цього плівкові датчики мають низьку інерційністю і відносно високим внутрішнім опором. Останнє практично повністю нівелює вплив опору висновків на показання приладу (таблиці термосопротивлений можна знайти в мережі).

Що стосується стабільності, то вона поступається дротовим датчикам, але слід враховувати, що плівкова технологія удосконалюється з року в рік, і прогрес досить відчутний.

Скляна ізоляція спіралі.

У деяких дорогих ТС платинову дріт покривають скляною ізоляцією. Таке виконання забезпечує повну герметизацію ЧЕ і збільшує вологостійкість, але звужує діапазон вимірюваної температури.

клас допуску

Згідно з діючими нормами допускається певне відхилення від лінійної характеристики «температура-опір». Нижче наведено таблицю відповідності класу точності.

Таблиця 1. Класи допуску.

Клас точності	норми допуску ° C | t |	Діапазон вимірювання температури
		платинові датчики		мідні	нікелеві
		дротові	плівкові
AA	± 0, 10 + 0, 0017	-50 ° C … 250 ° C	-50 ° C … 150 ° C	x	x
A	± 0, 15 + 0, 002	-100 ° C … 450 ° C	-30 ° C … 300 ° C	-50 ° C … 120 ° C	x
B	± 0, 30 + 0, 005	-196 ° C … 660 ° C	-50 ° C … 500 ° C	-50 ° C … 200 ° C	х
З	± 0, 60 + 0, 01	-196 ° C … 660 ° C	-50 ° C … 600 ° C	-180 ° C … 200 ° C	-60 ° C … 180 ° C

Наведена в таблиці похибка відповідає поточним нормам.

Схеми включення ТСМ / ТСП

Існує три варіанти підключення:

• 2-х дротове (див. А на рис. 7), цей найбільш простий спосіб використовується в тих випадках, коли точність результатів не критична. Додаткову похибка створює номінальний опір провідників, якими підключається датчик. Звернемо увагу, що для класів точності A і AA дана схема включення неприйнятна.

  

• 3-х дротове (В). Такий варіант має більш високою точністю, ніж 2-х дротова схема варіант підключення. Це відбувається за рахунок того, що з'являється можливість виміряти опір монтажних проводів, щоб врахувати їх вплив.
• 4-х дротове. Цей варіант дозволяє повністю виключити вплив опору монтажних проводів на результати вимірювань.

У вимірювальних приладах ТС, як правило, включений за мостовою схемою.

Звернемо увагу, що під r _к.с. в електричній схемі мається на увазі опір ліній зв'язку, тобто проводів, якими підключений датчик.

обслуговування

Інформація про ТО температурного датчика вказана в паспорті приладу або інструкції експлуатації, там же наводиться типові несправності та способи їх ремонту, рекомендована довжина кабелю для підключення, а також одного корисна інформація.

Термометри опору не вимагають спеціального ТО, в завдання обслуговуючого персоналу входить:

• Перевірка умов, в яких експлуатується датчик.
• Зовнішній огляд на предмет цілісності конструкції і кабельних з'єднань, перевірка ходу рухомого штуцера (якщо такий є).
• Крім цього перевіряється наявність пломб.
• Перевіряється заземлення.

Такий огляд повинен проводитися з періодичністю один раз на місяць або частіше.

Крім цього повинна проводитися перевірка приладів, з використанням еталонного датчика, наприклад, ЕТС 100.

Для градуювання датчиків використовуються спеціальні таблиці, в якості прикладу приведена одна з них для термосопротивления pt100. Саму методику калібрування ми наводити не будемо, її опис нескладно знайти в мережі.

Що стосується методики повірки еталонних платинових датчиків, то вона повинна проводитися на спеціальних реперних точках.