Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. На рис. 2.22 показана конструкция чувствительного элемента платинового и медного термометров сопротивления. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 2.22, а) представляет собой платиновую спираль 1 из тонкой проволоки, помещенную в капиллярные каналы керамического каркаса 4. К двум верхним концам этих спиралей припаяны выводы 2, к которым привариваются удлиняющие проводники. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь или термоцемент 3.

Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления (рис. 2.22, б) представляет собой многослойную безындукционную обмотку 5 из медной изолированной проволоки (диаметром0,08 мм), намотанную на цилиндрический каркас из пластмассы и герметизированную с помощью фторопластовой пленки 6 (или слоя лака). К концам обмотки припаяны медные выводы 7. Собранный чувствительный элемент помещается в металлическую гильзу 8, засыпается керамическим порошком и герметизируется.

Длина чувствительного элемента у платиновых термометров сопротивления составляет 30 – 120 мм, у медных– 60 мм.

R_т = R₀(1 + ∝Ѳ),

где R₀ – сопротивление при температуре 0 °С;

∝ – температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления ∝, 1/°С, определяется по формуле

∝ = (∆R/R)/∆Ѳ.

где ∆R/R – относительное изменение сопротивления датчика при изменении температуры ∆Ѳ.

Значения температурного коэффициента сопротивления α у ТС лежат в диапазоне 0,003...0,006 1/°С, что соответствует приращению сопротивления 0,3...0,6 % при изменении температуры на 1 ^оС.

Наибольшее распространение получили термопреобразователи с чувствительными элементами из платины (для диапазона температур от – 260 до +1100 °С), меди (от – 200 до +200°С) и никеля (от – 60 до + 180 °С).

Согласно ГОСТ 6651-94 ТС выпускаются со следующими номинальными значениями сопротивления R₀ (при 0°С): платиновые – 1; 10; 50; 100; 500 Ом; медные – 10; 50 и 100 Ом; никелевые – 100 Ом. Для промышленных измерений наиболее часто используются преобразователи с R₀ = 100 Ом.

Номинальные статические характеристики термопреобразователей сопротивления имеют вид:

R_т= W_t∙R₀,

где R_т– сопротивление термопреобразователя при температуре t, Ом;

R₀– сопротивление термопреобразователя при температуре 0 ^оС, Ом;

W_t – отношение сопротивления при температуре t к сопротивлению при 0 ^оС.

Значения W₁₀₀ (при 100 ^оС) платиновых термопреобразователей равны 1,3550 или 1,3910; для медных преобразователей значения W₁₀₀ составляют 1,4260 и 1,4280.

Существуют также фольговые (тонкопленочные) ТС, обладающие минимальной тепловой инерционностью (в 5...10 раз меньше, чем у проволочных ТС).

Рис. 2.3. Включение ТС в мостовую схему:

а – принцип действия моста; б – двухпроводная схема подключения

Как правило, ТС включаются в одно из плеч моста, что позволяет устранить начальное значение сигнала (рис. 2.3, а). На одну из диагоналей моста подается напряжение питания E₀, с другой диагонали снимается выходной сигнал, пропорциональный изменению сопротивления R_х. Равновесие моста характеризуется отсутствием разности потенциалов в измерительной диагонали моста (отсутствием тока в цепи нулевого индикатора И). Условие равновесия моста – равенство произведений сопротивлений резисторов противоположных плеч моста:

R_xR₂ = R₁R₃.

Зная значения сопротивлений R₁, R₂, R₃ можно определить значение неизвестного сопротивления:

R_x = R₁R₃/R₂.

Если в роли R_x выступает ТС с сопротивлением R_т (рис. 2.3, б), то можно, зная характеристику ТС, оценить значение температуры, которая действует на датчик.

Мостовая схема позволяет устранить начальное значение сопротивления ТС и добиться максимальной точности преобразования изменения сопротивления ТС в электрический сигнал. Сравним

Различают уравновешенные и неуравновешенные мостовые схемы. Уравновешенный мост имеет один или несколько резисторов, сопротивление которых может целенаправленно изменяться (вручную или автоматически), чтобы добиться равновесия. Уравновешенные мосты обладают более высокой точностью, чем неуравновешенные.

Неуравновешенный мост используется для преобразования изменения сопротивления R_тв напряжение. При настройке системы производят первоначальное уравновешивание моста, например путем изменения R3, что компенсирует разбаланс, вызванный сопротивлением проводов линии связи r_л.с.

Главная проблема при работе с ТС – влияние на результат измерения сопротивления проводников линии связи r_л.с. Не всегда мостовая схема может быть расположена в непосредственной близости от датчика, поэтому в общем случае может потребоваться многометровая линия связи. В зависимости от конкретных задач применяются двухпроводное, трехпроводное или четырехпроводное подключение ТС к измерителю.

Преимущество двухпроводной схемы в том, что для подключения ТС требуются всего два проводника. Однако при двухпроводной линии (см. рис. 8.3, б) сопротивление r_л.с соединительных проводников (и его изменения при естественных колебаниях температуры окружающей среды) прямо входит в результат измерения. Вследствие этого, двухпроводная схема применима при длине линии не более нескольких метров.

Существуют различные способы компенсации этой погрешности. Один из них – использование трехпроводной схемы подключения ТС (рис. 8.4, а). Здесь сопротивления проводов r_л.с оказываются включенными в соседние плечи моста:

Рис. 8.4. Схемы включения ТС: а – трехпроводная; б – четырехпроводная

В этом случае при равновесии мостовой схемы выполняется соотношение

(R_т + r_л.с) R₂ = R₁(R₃ + r_л.с).

При R₁ = R₂ и R_т = R3 мост сбалансирован и результат измерения будет определяться только температурой ТС и не будет зависеть от значения сопротивлений r_л.с. Отметим, что сопротивление проводника r_л.с в цепи индикатора И значения не имеет, так как в случае равновесия моста в этой цепи тока нет.

Применяются также четырехпроводное включение (рис. 8.4, б). Правда, это уже не мостовая схема. В основе такого измерителя источник известного постоянного тока I₀, который протекает через сопротивление ТС R_т. При этом сопротивления соединительных проводников и их изменения практически не влияют на значение тока I₀ и, следовательно, на результат измерения. Вольтметром V (с большим входным сопротивлением) измеряется падение напряжения собственно на сопротивлении ТС R_т.

Одним из проявлений методической погрешности является возможное искажение результата вследствие нагрева ТС протекающим по нему током. Уменьшение напряжения питания моста E₀ позволяет уменьшать этот ток, но в то же время приводит к снижению чувствительности. Типичные значения токов, протекающих по ТС: 1 мА (для Pt 100) и 0,1 мА (для Pt 500). Иногда для достижения высокой чувствительности при сохранении допустимого среднего значения тока в цепи ТС для питания моста применяют импульсное напряжение достаточно большой амплитуды.

Термисторы

Термисторы (полупроводниковые терморезисторы) обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления 2…7 %/ К, что значительно больше, чем у металлов. Существуют также полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы), но в измерительной технике они не используются вследствие немонотонной характеристики.

Основные преимущества термисторов: малые габариты и масса (малая тепловая инерционность), высокая надежность и механическая прочность, низкая цена.

Рис. Термисторы

Основные недостатки:

- сравнительно узкий диапазон измеряемых температур (типично от – 50 до +150°С);

- значительная нелинейность характеристики преобразования;

- плохая повторяемость характеристики преобразования от экземпляра к экземпляру, что означает необходимость индивидуальной градуировки и затрудняет замену датчиков даже одного типа;

- значительная временная нестабильность характеристики, особенно при длительной работе на высоких температурах.

Сопротивление термистора при увеличении температуры от Т₀ до T снижается по экспоненциальному закону:

где R₀ – сопротивление термистора при температуре T₀;

R_T – сопротивление термистора при температуре T;

B – коэффициент температурной чувствительности, К;

Т₀ и Т – начальное и конечное значения температуры, К.