Датчики температуры

4.1.1. Термомопреобразователи сопротивления

Термометром сопротивления (терморезистором) называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется с изменением температуры. Датчики температуры с терморезистором называются термометрами сопротивления, или термопреобразователями сопротивления (ТПС).

В качестве материала для термометра сопротивления пригодны только те, физические и химические свойства которых не изменяются с течением времени в измеряемом диапазоне температур. Сопротивление такого материала должно хорошо воспроизводиться и с изменением температуры монотонно повышаться. Кроме того, такие внешние воздействия, как давление, влажность, коррозия, деформация, не должны влиять на сопротивление термометра. Сопротивление металлов в общем случае повышается с температурой. Показателем изменения сопротивления от температуры служит температурный коэффициент сопротивления (ТКС):

,

где R₁₀₀ – сопротивление при t = 100 °С; R₀ – сопротивление при t = 0 °С; Δt^o = 100 °С, или характеристическое отношение сопротивлений:

.

По требованиям, предъявляемым к материалам, для термометров сопротивления более всего подходят платина (Pt), медь (Cu), никель (Ni), вольфрам (W).

Конструкции чувствительных элементов ТПС бывают очень разнообразны в зависимости от пределов преобразуемых температур, условий эксплуатации и т. д. Чувствительный элемент платинового ТПС (рис. 4.3, а) имеет вид спирали 1, помещенной в канавках двух- или четырехканального керамического каркаса 2 и уплотненной порошкообразной окисью алюминия 3. Окись алюминия является хорошим электрическим изолятором, обладает большой теплостойкостью и хорошей теплопроводностью. Крепление платиновой спирали к каркасу осуществляется с помощью глазури на основе окиси алюминия и кремния. Чувствительный элемент медного термопреобразователя сопротивления представляет собой бескаркасную обмотку 1 из медной изоляционной проволоки (рис. 4.3, б). Сверху обмотка покрывается фторопластовой пленкой 4. Для обеспечения необходимой механической прочности обмотка помещается в тонкостенную механическую гильзу 2, засыпается керамическим порошком 3 и герметизируется.

а)

б)

Рис. 4.3. Конструкции чувствительных элементов ТПС: а) – платинового;
б) – медного

Основные технические характеристики ТПС регламентируются ГОСТ 6651–94, в котором изменение сопротивления в функции температуры описывается номинальными статическими характеристиками (НСХ). При этом сопротивление ТПС определяется по формуле:

R_t = W_t ∙ R₀.

Аналитически каждая НСХ на определенных температурных отрезках может быть описана интерполяционным уравнением. Интерполяционные уравнения для ТПС приведены в приложении А (см. таблицу А.1). Вид интерполяционного уравнения и его коэффициенты зависят от материала ТПС и характеристического отношения сопротивлений W₁₀₀. На рис. 4.4 показан пример НСХ, построенной по табличным данным.

Рис. 4.4. НСХ платинового ТПС c R₀ = 100 Ом, W₁₀₀ = 1,385

В обозначении ТПС указываются тип используемого материала
(П – платина, М – медь, Н – никель) и номинальное сопротивление при 0 ºС. Стандартные платиновые термопреобразователи имеют обозначение ТСП, медные – ТСМ, а никелевые – ТСН. Номинальное сопротивление термопреобразователей находится в диапазоне единицы – сотни Ом.

Измерительный ток, вызывающий изменение сопротивления при 0 °С не более 0,1 % его номинального значения, в промышленных приборах, выбирается из ряда:

0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА.

По точности воспроизводимости своей градуировочной характеристики и по допускаемому отклонению сопротивления R₀ от номинального ТПС делятся на классы допуска А, В и С.

Конструктивно ТПС может иметь 2, 3 или 4 внешних вывода (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Разновидности конструктивного исполнения выводов ТПС:
а – двухпроводная схема; б – трехпроводная схема; в – четырехпроводная схема

4.1.2. Термисторы

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавливаются из окислов меди, кобальта, магния, марганца и т. д. Заготовка размельчается, размалывается и испекается в виде столбика, шайбы или шарика и заливается стеклом.

Термисторы отличаются от металлических термометров сопротивления гораздо меньшими габаритами и гораздо большими значениями ТКС. ТКС полупроводниковых терморезисторов, как правило, отрицателен.

Температурная зависимость сопротивления термометра описывается выражением:

,

где А – постоянная, зависящая от материала и технологии, а также от формы термистора; В – коэффициент температурной чувствительности, имеющий размерность температуры.

Номинальное сопротивление термисторов имеет очень широкий диапазон – (10²…10⁶) Ом.

Кроме нелинейности, недостатком термисторов являются плохая воспроизводимость характеристик, что практически исключает взаимозаменяемость без подгонки. Пределы измерения для обычных термисторов составляют ­–100…+450 ºС. Благодаря малым размерам чувствительного элемента обеспечиваются хорошие динамические свойства при измерениях температуры. Основные области применения – химия, биология, медицина, системы температурной сигнализации.

Рис. 4.6. Примеры характеристик термисторов

4.1.3. Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества было открыто Зеебеком в 1823 г. Если два разнородных проводника соединить между собой (рис. 4.7), и концы этих проводников будут находиться под разными температурами, то в такой цепи будет течь ток под действием ЭДС Е, которую называют термоЭДС:

.

ТермоЭДС изменяется с положительным температурным коэффициентом порядка единицы-десятки мкВ/ºС. Таким образом, термоэлектрические преобразователи (термопары, ТЭП) относятся к классу генераторных датчиков. Термопары используются для измерения температуры в широком диапазоне (в зависимости от материала проводников, от –270 до +2500 ºС). Материал электродов термопар стандартизирован, например:

тип ПП (S): платинородий ПР-10 – платина;

тип ХК (Е): хромель – константан;

тип ЖК (J): железо – константан.

Рис. 4.7. Возникновение термоЭДС

Проводник А положителен по отношению к проводнику В, если ток течет от проводника А к В в более холодном спае.

Величина термоЭДС зависит от конкретного материала термопары. Например, если Т₁ = 0 °С, а Т₂ = 1 °С, то для термопары медь – константан Е_АВ≈ 39 мкВ, а для термопары медь – платинородий
Е_АВ≈ 5 мкВ.

Измерения проводят амперметром, либо милливольтметром. Часто измерения проводят по схеме, показанной на рис. 4.8:

Рис. 4.8. Схема измерения термоЭДС

Традиционное конструктивное устройство промышленной термопары показано на рис. 4.9, а; внешний вид современного кабельного термопарного термопреобразователя – на рис. 4.9, б. На рис. 4.9, а термоэлектроды 1 изолированы друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним из своих концов они сварены, другим присоединены к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещены в защитный чехол 4. Чехол выполняется из жаропрочной ткани, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.

На рис. 4.9, б пара термоэлектродов 1 помещена внутрь гибкой металлической трубки 2 и изолирована уплотненным плавленым порошком – оксидом магния. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах кабельный термопреобразователь может быть помещен в защитный чехол 3 стандартной конструкции.

Номинальные статические (градуировочные) характеристики термопар всех типов приведены в ГОСТ 3044–94 и в приложении А (см. таблицу А.2). НСХ таблично описывает зависимость термоЭДС (мкВ) от измеряемой температуры (ºC) при условии, что опорный спай находится при температуре 0 ºС (рис. 4.10).

а)

б)

Рис. 4.9. Устройство промышленной термопары

Градуировочные характеристики термопар в широком диапазоне температур нелинейны. Аналитически каждая НСХ на определенных температурных отрезках описывается интерполяционным уравнением. Так же, как и для ТПС, для термопар имеются точностные классы допуска – классы 1, 2 и 3 (точность уменьшается с увеличением номера).

Рис. 4.10. Номинальная статическая характеристика термопары ТМК (M)

Например, интерполяционное уравнение для термопары типа ТМК (М) медь–копель при t ºС = (–200…100) ºС имеет вид:

, (4.1)

где a₀ = 0; a₁ = 4,26719754290 ∙ 10¹ мкВ/^оС; a₂ = 5,03608729939∙10^–2 мкВ/^оС²; a₃ = –4,60777599659 ∙ 10^–5 мкВ/^оС³.

В данном выражении величина термоЭДС Е представляется
в мкВ, а температура t – в ºС.