Термометры сопротивления

Содержание

Общие сведения

Свойства термометров сопротивления трёх наиболее распространённых типов

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов

Классы точности (допуска)

Стабильность

Схемы подключения и измерительный ток

Сопротивление изоляции

Тепловая инерционность датчика

Примерное время термической реакции для платиновых ТС различного диаметра

Тепловой контакт с объектом

Сборка ТС

Длина ТС

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

Вывод

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 хорошей 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 ЧЭ 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. Следует отметить, что использование функции МТШ-90 (что возможно сейчас для многих цифровых термометров) может точнее описать индивидуальную зависимость ТС, использование квадратичного уравнения Каллендара Ван Дьюзена ограничивает точность аппроксимации до 0,01-0,03 °С в зависимости от диапазона температур.

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. 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 0,5 ат.% 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. Зависимость сопротивление - температура в диапазоне 0,5-27 К хорошо аппроксимируется полиномами не высоких степеней (8 -11 степень). Однако, сложности возникают при попытке аппроксимировать диапазоны, включающие 28 К, т.к. в этой точке «низкотемпературное» сопротивление, обусловленное примесями, уступает место «высокотемпературному» сопротивлению, обусловленному рассеянием на фононах.

Свойства термометров сопротивления трёх наиболее распространённых типов

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов

1. Самая распространенная конструкция - так называемая «свободная от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса ЧЭ. Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень р аспространена за рубежом. Приводим примерную схему данного типа 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 «hollow annulus». 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, 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. 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 типа “thin-film”

Пленочный ЧЭ изготавливается нанесением тонкого слоя платины на керамическую подложку. Обычно слой имеет толщину порядка 10-8 см. 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 быструю 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.

4. Платиновая спираль в стеклянной изоляции.

Некоторые фирмы выпускают ЧЭ из платиновой проволоки, покрытой стеклом. Это обычно довольно дорогие термометры. Преимуществом является полная герметизация чувствительного элемента, стойкость к условиям повышенной влажности, недостатком - ограниченный диапазон рабочих температур.

Классы точности (допуска)

В новом проекте стандарта МЭК 60751 (предполагается введение в мае 2008 г) и в новом ГОСТ Р 8.625-2006 (вводится в России с 1 января 2008) были приняты новые значения предельных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление-температура. В классификацию допусков также были включены пленочные термометры сопротивления.

Самым распространенным в промышленности является класс В. Класс допуска является, прежде всего, показателем точности подгонки ЧЭ под номинальное сопротивление при изготовлении. Стабильность, сопротивление изоляции, нагрев измерительным током и другие параметры, влияющие на точность измерения температуры, могут быть идентичными у термометров разных классов допуска.

Стандарт МЭК и российский стандарт допускает задание производителем специальных допусков для платиновых ТС, на основе допуска класса В. Эти допуски гарантируются заводом и составляют обычно 1/3 В или 1/6 В. Однако, как отмечает, например, фирма АМЕТЕК в своем руководстве, эти допуски могут реально означать только приближение термометра к номинальному сопротивлению при 0 °С, при этом зависящая от температуры часть погрешности обычно не изменяется.

Стабильность

Стабильность определяется как изменение сопротивления в какой-либо постоянной температурной точке (чаще всего 0 °С) за определенный период времени. Данные по стабильности не всегда приводятся в каталогах зарубежных фирм. В большинстве случаев они приводятся для проволочных платиновых ЧЭ при нормальных условиях применения, в пределах номинальных рабочих температур и уровня вибрации. Некоторые фирмы считают, что хорошим показателем является стабильность сопротивления 0,05 °С/год. Большинство фирм дает другую оценку - стабильность ТС по их мнению составляет не более 0,1 °С. Однако стабильность может сильно снизится при отклонении от нормальных условий, использовании ТС в среде, подверженной резким колебаниям температуры. Стандартные требования к стабильности ТС и ЧЭ меняются с совершенствованием конструкций и технологии изготовления термометров. После обсуждения в рабочей группе экспертов по температуре, в новый стандарт ГОСТ Р 8.625 (п.6.5) были включены следующие требования:

6.5.1 После выдержки ЧЭ при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 1000 ч сопротивление ЧЭ при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса.

6.5.2 После выдержки ТС при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 250 ч сопротивление ТС при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Сопротивление изоляции ТС должно соответствовать требованиям 6.3.

Примечания

1 Время проверки стабильности 250 ч устанавливают только для ТС, ЧЭ которых предварительно были испытаны на стабильность в течение 1000 ч.

2 Для ТС, предназначенных для длительного использования без поверки, и для ТС, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к стабильности должны быть повышены, время температурной выдержки при верхнем пределе рабочего диапазона температур увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»

Важнейшим показателем надежности конструкции является стабильность сопротивления в процессе термоциклирования. К сожалению, конкретные данные по термоциклированию не приводятся в описании типа и каталогах на импортные ЧЭ и ТС. Чаще всего технические характеристики декларируются соответствующими стандарту МЭК. В ГОСТ Р 8.625 (п.6.6) установлены следующие требования к стабильности ТС при циклическом изменении температуры:

«…6.6 Устойчивость термометров сопротивления к циклическому изменению температуры После 10 циклов изменения температуры ТС от верхнего до нижнего предела рабочего диапазона сопротивление при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Примечание - Для ТС, предназначенных для работы в условиях быстроменяющейся температуры и для ТС, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к устойчивости к температурным циклам должны быть повышены, число циклов увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»

Схемы подключения и измерительный ток

Существует большое количество измерительных мостов и потенциометров, работающих в комплекте с термометрами сопротивления. Причем отечественные приборы не уступают, а иногда превосходят по качеству импортные установки. Термометры сопротивления могут подключаться к измерительной установке по двух-, трех-, и четырех-проводной схемам. Причем для ТС классов АА и А двух-проводная схема не допустима, т.к. в данном случае, сопротивление подводящих проводов включается в полное измеренное сопротивление термометра и приводит к значительному снижению точности измерения, даже если номинальное сопротивление выводов приведено в документации и учитывается в расчетах.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Сопротивление изоляции

Корпус термометра сопротивления обычно заполняется неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния. Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как только небольшое количество влаги проникает в термометр, происходит эффект шунтирования чувствительного элемента термометра. Проверка сопротивления изоляции ТС - одно из важнейших испытаний при выпуске из производства. Проверка происходит путем измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами при испытательном напряжении от 10 до 50 В. При комнатной температуре сопротивление изоляции должно быть более 100 Ом.

Падение сопротивления изоляции - основная причина снижения точности термометра или даже выхода его из строя. Важное значение для предотвращения этого эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, особенно при работе термометра в условиях повышенной влажности.

Тепловая инерционность датчика

Скорость реакции ЧЭ на изменение температуры процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом. Для снижения инерции используются специальные способы точной подгонки размеров корпуса и ЧЭ, специальные изолирующие теплопроводящие материалы.

Примерное время термической реакции для платиновых ТС различного диаметра

Тепловой контакт с объектом

Необходимо всегда учитывать, что термометр фактически регистрирует температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру среды или объекта в которую он погружен. То, на сколько температура ЧЭ близка к измеряемой температуре объекта зависит от суммарного теплового сопротивления между ЧЭ и объектом. Монтаж термометра в измерительный канал осуществляется, как правило, с помощью прижимающей пружины, канал иногда заполняется теплопроводящим материалом. Если контакт с объектом нарушен, то это может привести к ложным значениям регистрируемой температуры. Для проверки теплового контакта разработаны специальные методики, наиболее распространенная из которых - исследование времени реагирования ТС на импульсный нагрев током.

Сборка ТС

Предпочтительный способ для соединения выводов ЧЭ и внутренних проводов термометра - сварка. Это предотвращает загрязнение выводных проводников другими металлами, возникающее при пайке, что может привести к возникновению паразитной ТЭДС. Внутренние выводы изготавливают обычно из меди, никеля, константана, меди с никелевым покрытием, меди со стальным покрытием и других металлов и сплавов. Выводы изолируют трубками из оксида алюминия, стекловолоконными трубками или пластиковыми трубками, если позволяет рабочая температура ТС.

Примерная схема сборки ЧЭ, приведена на рисунке.

В данной конструкции материалом для внутренних выводов служит медь покрытая никелем (27%), путем холодного прессования (так называемый материал Kulgrid) или корозионностойкий высокотемпературный сплав (Oxalloy). Для внешних выводов используется изолированная тефлоном многожильная медь с никелевым покрытием.

Сборка ЧЭ с внутренними выводами помещается в цилиндрическую металлическую трубку-корпус термометра и засыпается мелкодисперсным гигроскопическим порошком из оксида алюминия или магния. Конец трубки, в месте выхода проводников герметизируется. Для надежной герметизации при высоких температурах используется специальная «крышка» с встроенным переходом металл-стекло или керамика-стекло. Выводы, предварительно вваренные в крышку свариваются с выводами термометра, крышка сваривается с корпусом. Такой способ обеспечивает полную герметизацию термометра и значительно повышает его долговечность и надежность.

Материалом корпуса ТС служит латунь (для низких и комнатных температур), сталь 314, сталь 316, инконель 600. Наилучшую коррозионную стойкость обеспечивает инконель 600.

Длина ТС

Длина ТС должна выбираться исходя из необходимой глубины погружения ТС. Глубина погружения термометра в объект измерения является важным фактором, влияющим на погрешность измерения температуры объекта, возникающую из-за тепловых потерь от ЧЭ в окружающую среду. В стандарте МЭК определен критерий достаточной глубины погружения: при погружении ниже этой глубины ТС должен менять показания не более допуска. Минимальная глубина погружения в высокой степени зависит от условий теплообмена, состава среды (жидкость, газ), скорости потока. Для предварительного выбора необходимой длины ТС предлагается следующая таблица, задающая коэффициент, на который необходимо умножить диаметр корпуса ТС, чтобы получить минимальную глубину погружения:

К полученной глубине следует прибавить длину ЧЭ термометра, которая может составлять от 5 до 60 мм. Если диаметр трубы с теплоносителем, в которую должен быть вставлен ТС, меньше рассчитанной минимальной глубины погружения применяют установку ТС под углом к поверхности трубы, или в месте изгиба трубы.

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 приведены правила отбраковки ТС потребителем. В них установлено, что забраковать ТС можно только, если отклонение сопротивления термометра от НСХ лежит полностью вне диапазона, обусловленного расширенной неопределенностью измерения температуры в рабочих условиях. Поэтому становится очень актуальной проблема оценки неопределенности, возникающей при измерении температуры на объекте. Источники неопределенности измерения температуры промышленным термометром сопротивления можно разделить на источники, связанные с физическими условиями работы ТС и электрическим преобразованием сигнала.

- теплопроводящие свойства данной конструкции термометра и монтажных элементов;

- перенос тепла излучением в окружающую среду;

- теплоемкость датчика температуры;

- скорость изменения измеряемой температуры;

- утечки тока (качество заземления);

- электрические шумы;

- точность измерителя или преобразователя сигнала.

Вывод

По оценкам специалистов надежность современных датчиков температуры растет. Если стоит вопрос выбора контактного датчика повышенной надежности и стабильности для температур от 200 до 600 °С, то очень сложно найти что-то более подходящее, чем платиновый термометр сопротивления. Превалирующая часть выходов из строя современных термометров сопротивления уже связана с проблемами их крепления на объекте и проблемами во внешней измерительной цепи, а не с проблемой нестабильности ЧЭ.