Содержание Введение…………………………………………………................................ 3 1 Способы работы и измерения 1.1Принцип работы термометров сопротивления………………………… 4 1.2 Виды термометров сопротивления……………………………………... 6 1.3 Типовые конструкции платиновых термосопротивлений……………. 9 1.4 Точность измерения……………………………………………………... 12 1.5 Помехозащищённость и контролируемость…………………………… 13 2 Заключение………………………………………………………………… 15 Введение Один из наиболее популярных в промышленности типов термометров — термометр сопротивления, представляющий собой первичный преобразователь, для получения точного значения температуры. Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности. 3 1 Способы работы и измерения 1.1 Принцип работы термометров сопротивления Термометр сопротивления представляет собой конструкцию, в которой проволока из платины или меди намотана на специальный диэлектрический каркас, размещенный внутри герметичного защитного корпуса, удобного по форме для монтажа. Работа термометра сопротивления основана на явлении изменения электрического сопротивления проводника в зависимости от его температуры (от температуры исследуемого термометром объекта). Зависимость сопротивления проволоки от температуры в общем виде выглядит так: 𝑅𝑡 = 𝑅0 ∗ (1 − 𝑎 ∗ 𝑡) , где 𝑅0 – сопротивление проволоки при 0°C, 𝑅𝑡 – сопротивление проволоки при t°C, а — температурный коэффициент сопротивления термочувствительного элемента. 4 В процессе изменения температуры, тепловые колебания кристаллической решетки металла изменяют свою амплитуду, соответственно изменяется и электрическое сопротивление датчика. Чем выше температура — тем сильнее колеблется кристаллическая решетка — тем выше оказывается текущее сопротивление. В приведенной выше таблице представлены типичные характеристики двух популярных термометров сопротивления. 5 1.2 Виды термометров сопротивления Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС): 1 Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. 2 Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д. 6 Платиновые измерители температуры Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения. В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С-1, эталонных – 0,03925°С-1. Диапазон измеряемой температуры: от196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температурасопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции. Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды. Никелевые термометры сопротивления Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С-1. Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от 60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное непредсказуемого гистерезиса. 7 изменение параметров ввиду Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев чувствительными их можно элементами, заменить которые приборами существенно с медными дешевле и технологичнее (проще в производстве). Медные датчики (ТСМ) ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С-1, диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ. Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ. 8 1.3 Типовые конструкции платиновых термосопротивлений Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже. Обозначения: А – Выводы термоэлектрического элемента; В – Защитный корпус; С – Спираль из платиновой проволоки; D – Мелкодисперсный наполнитель; E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ. Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al2O3). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь. На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов. 9 Исполнение Hollow Annulus. Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции. Обозначения: А – Выводы с ЧЭ; В – Изоляция выводов ЧЭ; С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель; D – Защитный корпус датчика; E – Проволока из платины; F – Металлическая трубка. ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al2O3) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют. Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ. 10 Пленочное исполнение (Thin film). Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие. Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети). Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим. Стеклянная изоляция спирали. В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры. 11 1.4 Точность измерения 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. Ниже представлен фрагмент градуировочной таблицы термометров. Класс точности Нормы допуска Диапазон измерения температуры Платиновые датчики Медные Проволочные Пленочные °C |t | AA ±0,10+0,0017 -50°C …250°C A ±0,15+0,002 B ±0,30+0,005 С ±0,60+0,01 -100°C …450°C -196°C …660°C -196°C …660°C -50°C …150°C -30°C …300°C -50°C …500°C -50°C …600°C Никелевые x x -50°C …120°C -50°C …200°C -180°C …200°C x Х -60°C …180°C (Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.) Погрешности термометров сопротивления и методы их компенсации. Термометрам сопротивления присущи следующие основные погрешности: 1) методическая температурная погрешность из-за нагрева током теплочувствительного элемента; 2) инструментальные температурные погрешности вследствие различного нагрева элементов прибора при изменении температуры окружающей среды; 3) погрешности от влияния внешних электрических и магнитных полей; 4) погрешности трения, шкаловые и др. Температурная погрешность от нагрева током теплочувствительного элемента всегда имеет место в термометре сопротивления. Вместе с тем для снижения этой погрешности имеет значение теплообмен между теплочувствительным элементом и испытуемой средой: чем интенсивнее этот теплообмен, тем меньше погрешность. 12 1.5 Помехозащищённость и контролируемость Термометры сопротивления изготавливаются из платиновой или медной проволоки, намотанной на специальный каркас и помещенной в защитный чехол. Выбор металла для изготовления термометров сопротивления обусловлен рядом требований: стабильностью градуировочной характеристики; воспроизводимостью, обеспечивающей взаимозаменяемость термометров; линейной функцией; высоким значением температурного коэффициента электрического сопротивления; большим удельным сопротивлением и невысокой стоимостью материала. Чехлы изготавливаются из нержавеющей стали, латуни, меди и алюминия. Чехлы должны иметь коррозионную устойчивость к средам в которых их применяют. Некоторые термометры имеют уплотнение, имеющее возможность поглощать вибрации. Удобство эксплуатации Рассмотрим пример При установки термометра сопротивления его вкручивают в трубу, в которой протекает жидкость с интересующей нас температурой (рис). Так как корпус прибора изготовлен из нержавеющей стали (возможны другие виды антикоррозионной защиты), то при его закручивании в трубу следует обмотать резьбу фунт лентой. Это делается не для того, чтобы исключить возможность протекания в резьбовом соединении, а не позволить «закуситься» нержавеющей стали в самый не подходящий момент. Значения температуры передаются через электричество. Необходимостью для этих датчиков будет наличие источника питания, и вычислительная техника, способная принять и обработать полученные величины с термометра сопротивления. Датчики термосопротивлений подключаются по нескольким схемотипам: двухпроводная, трехпроводная, четырехпроводная. Двухпроводная не является распространенной, так как сопротивление соединительных проводов дает значительные погрешности при измерении. Более популярны именно трехпроводные схемы, так как именно такая схема применяется для 13 подключения датчиков четырехпроводную к различному применяют для виду контроллеров. подключения Схему датчиков термосопротивлений к техническим и коммерческим устройствам, чтобы получать наиболее точные данные при потреблении энергоресурсов. Четырехпроводная схема позволяет обеспечить полную компенсацию сопротивления соединительных проводов и высочайшую точность в показаниях. 14 2 Заключение В данной работе освещено, что неоспоримым достоинством термометров сопротивления является их высокая точность измерений, благодаря возможности уменьшению влияния погрешностей. Однако такие недостатки как относительно малый диапазон измерений, дороговизна и необходимость наличия дополнительного источника питания ограничивают сферу применения данного прибора. 15
