Термопреобразователь сопротивления (ТПС) — датчик температуры (первичный преобразователь), принцип действия которого основан на изменении сопротивления чувствительного элемента (ЧЭ) от температуры. Его особенностью является высокая точность, а также линейность номинальной статической характеристики (НСХ), то есть зависимость изменения величины электрического сопротивления (ЭС) от температуры.
Термопреобразователь может именоваться по-другому: термометр сопротивления (ТС) или термосопротивление. В англоязычной среде принято использовать термин Resistance Temperature Detector (RTD).
В связи с таким разнообразием терминов иногда возникает путаница между понятиями термосопротивление и терморезистор. Между ними принципиальная разница, которая обусловлена устройством чувствительного элемента:
— терморезистор изготавливается из смеси полупроводниковых материалов;
— термосопротивление представляет собой намотанную металлическую проволоку (применяется платина, медь, никель и их сплавы) или нанесённую на диэлектрическую подложку металлизированную плёнку.
Такие сенсоры имеют положительный температурный коэффициент (при нагреве ЭС увеличивается).
СОДЕРЖАНИЕ
Классификация
ТПС классифицируются по материалу, из которого изготовлен чувствительный элемент, и по конструктивному исполнению.
Чувствительные элементы изготавливаются из следующих металлов:
— платина (обозначается как «П», «ТСП» или «Pt»);
— медь (обозначается как «M», «ТСМ»);
— никель (обозначается как «Н»);
— различные сплавы вышеуказанных металлов.
По аналогии с терморезистором, ТС имеет такое же условное графическое обозначение (УГО) на принципиальных электрических схемах:
В соответствии с ГОСТ 2.710-81 «Единая система конструкторской документации. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах», для терморезисторов предусмотрено буквенное обозначение как RK. Отдельного упоминания термопреобразователей нет, поэтому допускается применять это же обозначение, а также RTD или .
В официальном документе ГОСТ 6651-2009 «Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля» приводится следующая таблица с описанием типов данных сенсоров.
Таблица 1 — Типы ТПС
В качестве материала, из которого изготавливается чувствительный элемент, наиболее часто применяется платина. Датчики на базе этого металла обладают высокой повторяемостью и точностью номинала, а также наилучшей линейностью по сравнению с преобразователями из других материалов.
Кроме этого, платиновые термометры выделяются тем, что могут работать в широком диапазоне: от -196 °C до +500 °C, а медные или никелевые работают от -50 °C до +180 °C. Разумеется, платиновые ЧЭ дороже, чем медные. Однако это окупается ввиду того, что медные чувствительные элементы более подвержены окислению и не могут работать при жестких условиях.
ТС на базе никелевых элементов имеют самый ограниченный диапазон рабочих температур из-за крайне высокой нелинейности при воздействиях свыше +250 °C.
Таким образом, на сегодняшний день наиболее распространённым материалом, из которого изготавливается чувствительный элемент, является платина.
Маркировка термопреобразователей состоит из двух частей:
— материал, из которого изготовлен ЧЭ;
— номинальное сопротивление при 0 ̊C.
Конструктивное исполнение
Конструктивно ТПС подразделяются на:
— проволочные (W — Wire-Wound)
— тонкоплёночные (F — Thin-Film).
Обозначение Pt характеризует тонкоплёночные датчики, а П — проволочные. По этой причине информация из таблицы 1 содержит различные значения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) у платиновых ТС по соответствию типа конструкции. Соответственно, сенсор Pt100 просто так заменить на 100П (и наоборот) нельзя, поскольку у них разные ТКС и номинальные статические характеристики.
Проволочные сенсоры изготавливаются посредством намотки проволоки из вышеуказанных материалов на сердечник (например, керамический), который окружён защитной оболочкой из керамики, стекла или нержавеющей стали. Другой способ изготовления подразумевает намотку нескольких отдельных спиралей из металлической проволоки, их объединяют, после чего также заключают в защитную керамическую оболочку. Такой конструктив также называют как «Hollow Annulus».
Распространённым типом конструктива проволочных ТС является тип «Strain free», который переводится как «свободная от напряжения спираль». Конструкция такого датчика схематично представлен на рисунке ниже:
Проволоки чувствительного элемента размещаются по отдельным каналам общего корпуса. Проволока зафиксирована мелкодисперсным наполнителем из оксида алюминия.
Плёночные ТС изготавливаются посредством напыления платины тонким слоем (толщина несколько микрон (1 микрон = 0,001 миллиметр)) на основание из керамики или пластика. С целью защиты поверх напыления металла наносят эпоксидное, стеклянное или пластиковое покрытие. Такой тип конструктива наиболее часто применяем, поскольку имеет более низкую цену и малые габариты, а также обладает низкой инерционностью.
Предприятия, которые занимаются разработкой и изготовлением ТС, предлагают клиентам свою продукцию в различных форм-факторах:
— сам сенсор установлен в металлическую защитную гильзу, а соединительные провода выведены через специальную распределительную коробку, в которой производится подключение через гермоввод сигнального кабеля:
— проволочный в защитной оболочке из нержавеющей стали и с гибкими выводами:
— плёночный с гибкими выводами:
Класс допуска
В соответствии с ГОСТ 6651-2009 под понятием «допуск» понимается максимально допустимое отклонение от НСХ, имеющая единицу измерения «градус Цельсия».
Разница между фактической и расчётной температурой не должна превышать определённого значения, которое и является тем самым допуском. Класс допуска указывает на максимальное отклонение ЭС, а также определяет максимальное отклонение температуры от НСХ.
Класс допуска не является тем же самым, что и класс точности. Класс точности — это метрологическая характеристика измерительного прибора, определяющая его погрешность (зачастую, приведённую). А так как ТС — это первичный преобразователь, а не измерительный прибор, то к нему некорректно применять такое понятие как класс точности.
Таблица 2 — Классы допусков и диапазоны измерений для ТС
Платиновые термометры являются самыми точными. Чем меньше диапазон измерений, тем выше точность.
Таблица 3 — Допуски для платинового ТС с номиналом 100 Ом (ТКС α = 0,00391 ̊C⁻¹)
Применение сенсоров в зависимости от класса допуска:
— B: наиболее часто применяются в промышленности (например, автоматизированные системы контроля в климатических камерах, тепловых шкафах или водонагревателях);
— С: используются в системах, в которых допустима погрешность более 1 ̊C;
— A: применяются в промышленных системах, требующих максимальной точности измерений, где необходимо строго соблюдать сложные технологические процессы;
— AA: сверхточные преобразователи, которые применяются в научных исследованиях или медицине.
Параметры и характеристики
1) Температурный коэффициент
Этот параметр характеризует изменение ЭС чувствительного элемента при изменении температуры на 1°С. Для каждого металла коэффициент определяется следующим соотношением сопротивлений ЧЭ:
где R100 — при +100 ̊C;
R0 — при 0 ̊C.
В представленной выше таблице 1 представлены наиболее часто применяемые значения ТКС для используемых металлов:
2) Номинальное сопротивление
При изготовлении ТС производители придерживаются стандартного ряда значений: 10, 50, 100, 500 и 1000 Ом. Эти значения соответствуют 0 ̊C и называются номинальным значением сопротивления.
Наиболее часто применяемые в промышленности платиновые ТС имеют номинал 100 Ом, а медные — 50 Ом.
3) Максимальный диапазон измерений
Диапазон измерений для каждого типа сенсора зависит от свойств материала ЧЭ, а также от его конструкции и материалов изоляции.
В целом, платиновые выводные термометры имеют диапазон от -200 ̊C до +850 ̊C. Однако, учитывая конструктив и материал изоляции, диапазон может варьироваться. Например, если используется тефлоновая изоляция, то диапазон может быть от -50 ̊C до +200 ̊C, а если применяется стекловолокно, то диапазон составляет от -50 ̊C до +400 ̊C. Рабочий диапазон для каждой модели датчика необходимо уточнять по документации от производителя.
Медные ТС имеют рабочий диапазон от -50 ̊C до +200 ̊C, никелевые — от -60 ̊C до +180 ̊C
4) Номинальная статическая характеристика
Номинальная статическая характеристика (НСХ) — это зависимость ЭС чувствительного элемента от температуры, которая определяется его конструкцией и материалами.
НСХ может иметь графический, табличный или математический (с помощью формул) вид. Каждый тип термопреобразователя имеет свою уникальную НСХ. К примеру, ниже представлен её табличный вид (в соответствии с ГОСТ 6651-2009) для платиновых термометров Pt100 с номиналом 100 Ом и коэффициентом α = 0,00385 ̊C⁻¹.
Таблица 4 — НСХ для платиновых ТС Pt100 (R0 = 100 Ом, α = 0,00385 ̊C⁻¹)
Графическое представление НСХ для Pt100 представлено на рисунке 6.
На практике для определения температуры по изменению проводимости ТС используют представление номинальной статической характеристики в виде формул, поскольку так удобнее работать с цифровыми автоматизированными системами климатического контроля.
Схемы включения
На практике бывает так, что датчик располагается на достаточно большом расстоянии от остальной части измерительной системы. К примеру, панель управления с цифровым блоком контрольно-измерительного оборудования располагается в нескольких метрах от ёмкости водонагревателя, внутри которого расположен ТС, из-за чего соединительный кабель между регулятором и самим термометром может быть длиной 5 и более метров.
Сам соединительный кабель тоже имеет своё значение проводимости, которая вносит погрешность. Предположим, что кабель медный, двужильный, имеет длину 5 метров, а площадь сечения одной жилы равна 0,5 , то R ≈ 0,178 Ом (по справочным данным медный провод с сечением 0,5 при длине 1 метр R ≈ 0,0357 Ом). Для платинового ТС (Pt100, ) изменение ЭС на 0,178 Ом соответствует изменению температуры примерно на 0,5 ℃. В некоторых случаях такая дополнительная погрешность может быть недопустимой. Для компенсации влияния соединительных кабелей между существует несколько схем подключения:
— двухпроводная;
— трёхпроводная;
— четырёхпроводная.
Двухпроводный вариант обладает существенным недостатком: ЭС соединительных проводов никак не компенсируется, что вносит существенную погрешность. Поэтому двухпроводную схему применяют для датчиков с номиналом 1000 Ом, поскольку ЭС соединительных проводов для такого значения относительно очень мало, чем можно пренебречь (если характер измерений не требует высокой точности).
При трёхпроводном подключении параллельно одному из выводов датчика включён дополнительный провод, который компенсирует влияние параллельного провода, благодаря чему вносимая погрешность в 2 раза меньше по сравнению с двухпроводным включением.
Термометры с четырёхпроводным соединением обладают полной компенсацией влияния соединительных проводов.
На практике простейшим способом измерения температуры при помощи ТС является регистрация уровня сигнала на выходе делителя напряжения на резисторах, верхним плечом которого является сам преобразователь, подключённый по двухпроводной схеме.
Также ТС может быть подключён как часть измерительного моста (мост Уитстона), который представляет собой параллельное включение двух делителей напряжения, и в одном из них на позицию нижнего плеча устанавливается термопреобразователь. Датчик может подключаться по двухпроводной или трёхпроводной схеме.
Четырёхпроводное соединение используется, когда датчик выступает в роли токоизмерительного шунта. Применяя стабилизированный источник тока с заранее точно известным значением, производится регистрация падения напряжения на сенсоре, и по закону Ома вычисляется ЭС датчика.
