Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов

Датчики температуры. Выбор недорогого и надежного датчика температуры - это актуальная проблема, особенно для тех потребителей, которые впервые сталкиваются с необходимостью измерения температуры. Вот ряд вопросов, на которые необходимо обратить внимание при выборе датчика:

1. В каком температурном диапазоне измеряется температура, и какие допуски по точности измерений необходимы?

2. Возможно ли будет расположить датчик внутри измеряемой среды или объекта? Если «нет», то нужно выбрать радиационные термометры.

3. В каких условиях будет работать датчик (нормальные, повышенной влажности, высоко окислительная атмосфера, пожароопасные, сейсмоопасные и т.д.)?

4. Возможно ли будет демонтировать датчик для периодической поверки и какая долговременная стабильность желательна?

5. Какова должна быть взаимозаменяемость датчиков? Допустима ли индивидуальная градуировка?

6. Актуально ли с получение результата в градусах, или возможно измерение сигнала (сопротивление, напряжение, ток) с последующим самостоятельным пересчетом в температуру?

Важное замечание: в приборах, где сигнал датчика преобразуется в значение температуры, либо другой выходной сигнал, неопределенность измерения должна складываться из составляющей, зависящей от параметров первичного датчика и составляющей, обусловленной точностью преобразования сигнала. Часто потребитель, выбирающий средство измерения температуры, обращает внимание только на вторую составляющую, как правило, приведенную в документации на цифровой прибор или преобразователь. Между тем, необходимо выяснить с какими датчиками работает данный преобразователь и оценить суммарную неопределенность выходного сигнала.

Основные типы датчиков температуры следующие: термометры сопротивления, термопары, термисторы, жидкостные стеклянные термометры, биметаллические термометры, манометрические термометры, радиационные термометры (пирометры, тепловизоры), волоконно-оптические датчики температуры, кварцевые датчики температуры,. Существуют также диодные термометры, магнитные термометры, углеродные термометры, стекло- углеродные термометры и др.

Термометры сопротивления (ТС).

Общие сведения. Термометр сопротивления это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и высокой технологичностью.

В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Новый стандарт на технические требования к рабочим ТС: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска ТС, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура.

Главное преимущество термометров сопротивления – широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур.

Изготавливаются также герметичные чувствительные элементы термометров сопротивления различных размеров, что позволяет их использовать в местах, где важно устанавливать миниатюрный датчик температуры.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра. Важнейшей технологической проблемой для ТС проволочного типа является герметизация корпуса специальной глазурью, состав глазури должен быть подобран так, чтобы при колебаниях температуры в пределах рабочего диапазона не происходило разрушение герметизирующего слоя.

Промышленные платиновые ТС в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает допуск не лучше 0,1 °С (класс АА при 0 °С). Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную градуировку и определять характерную именно для них зависимость сопротивление-температура. Такая градуировка может повысить точность до нескольких сотых градуса.

Эталонные платиновые термометры (ПТС, ТСПН) первого разряда и термометры-рабочие эталоны по точности превосходят промышленные ТС (расширенная неопределенность ПТС 1 разряда при 0 °С равна 0,002 °С), но они требуют очень осторожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых изменений. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабочих ТС. Стандарт на образцовые ПТС первого и второго разряда: ГОСТ Р 51233-98 «Термометры сопротивления платиновые эталонные 1 и 2 разрядов. Общие технические требования».

Для точного изменения криогенных температур с успехом применяются железо-родиевые термометры сопротивления. Их действие основано, на эффекте аномальной температурной зависимости сплава железа к родию при низких температурах с положительным коэффициентом сопротивления. Опыт работы с термометрами показал, что их стабильность может достигать 0,15 мК/год при 20 К.

Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов (ЧЭ)

1.Самая распространенная конструкция – так называемая «свободная от напряжения спираль». Эта конструкция выпускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса чувствительного элемента (ЧЭ). Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень распространена за рубежом. На рис. 9.1 приведена примерная схема данного типа ЧЭ.

Рис. 9.1. Конструктивная схема платинового термометра сопротивления со свободной спиралью платинового ЧЭ

ЧЭ представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укладываются в каналы трубки из оксида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким образом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помощью цемента, приготовленного на основе оксида алюминия, или специальной глазури.

2. Вторая конструкция – это новая разработка, которая используется в ЧЭ значительно реже из-за высокой стоимости. Так называемая полая конструкция. Эта конструкция применяется на особо важных объектах, в атомной промышленности, т.к. обладает повышенной надежностью и стабильностью метрологических параметров.

Чувствительный элемент наматывается на поверхность полого металлического цилиндра (рис. 9.2), изолированную слоем оксида алюминия, образованным способом горячего распыления. Для изготовления цилиндра используется специальный металл, температурный коэффициент расширения которого очень близок к температурному коэффициенту платины. После специальных процедур отжига и обработки поверхности платины изолирующим слоем оксида алюминия ЧЭ вставляется в тонкую металлическую трубку, которая герметизируется с обоих концов.

 Рис. 9.2. Полая конструкция термометра сопротивления с платиновой проволокой

Коэффициент тепловой инерции такого элемента составляет около 350 мс, для погружаемого ЧЭ, до 11 с для ЧЭ, монтированного в корпус термометра. Недостатком данной конструкции, препятствующим ее широкому распространению в промышленности, является высокая стоимость ЧЭ.

3. Пленочные чувствительные элементы (рис. 9.3)

Рис. 9.3. Конструктивная схема пленочного резистивного датчика температуры

Пленочный ЧЭ изготавливается нанесением тонкого слоя платины на керамическую подложку. Обычно слой имеет толщину порядка 10-8 нм. Слой платины сверху покрывается эпоксидным или стеклянным изоляционным слоем. Технология изготовления освоена многими зарубежными фирмами, в настоящее время пленочный платиновый ЧЭ – это самый дешевый и самый широко продаваемый сенсор. Большим преимуществом является малый размер и масса ЧЭ, это позволяет устанавливать такие ЧЭ в миниатюрные корпуса и получать высокую скорость реагирования на изменение температуры объекта. Благодаря малым размерам, пленочные ЧЭ могут изготавливаться с повышенным номинальным сопротивлением. Уже разработаны и производятся ЧЭ с сопротивлением 1000 Ом. Это позволяет значительно снизить влияние сопротивления выводов при подключении по 2-х проводной схеме. По стабильности пленочные ЧЭ все еще уступают проволочным, но их технология постоянно совершенствуется, и в последнее время отчетливо наблюдается прогресс в повышении стабильности сопротивления ЧЭ и расширении температурного диапазона.

Источник информации: http://temperatures.ru/pages/termometry_soprotivleniya