Главная страница > О компании > Книги, патенты, статьи > Применение резистивных термопреобразователей (термопреобразователей сопротивления, RTD) для измерения температуры
Применение резистивных термопреобразователей (термопреобразователей сопротивления, RTD) для измерения температуры
Введение
Резистивные термопреобразователи (резистивные термодатчики, Resistance-Temperature Detector - RTD) представляют собой приборы, чувствительные к изменению температуры их чувствительного элемента, в качестве которого обычно используются металлы медь, никель или платина. Сопротивление таких датчиков (обычно 100 Ом при температуре 0 ºС) увеличивается с температурой, т.е. они имеют положиельный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). По сравнению с другими датчиками RTD отличаются высокой точностью. Некоторые из них позволяют осуществить измерения с точностью 0,026 ºС. Наиболее распространенные датчики имеют временную нестабильность сопротивления менее чем 0,1 ºС в год, а некоторые экземпляры - до 0,0025 ºС в год.
Платина имеет температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС), равный 3,911 10-3 1/ ºС, медь - 4,3 10-3 1/ ºС. Таким образом, датчик с сопротивлением 100 Ом имеет температурный коэффициент соответственно, 0,39 Ом/ ºС и 0,43 Ом/ ºС. В связи с этим при проектировании устройств измерения температуры с помощью датчиков сопротивления необходимо учитывать (компенсировать) сопротивление подводящих проводов. Для этого используют две пары проводов, одна из которых служит для подведения к датчику калиброванного тока возбуждения, а вторая - для измерения падения напряжения на нем, причем ток по этим проводникам не протекает.
Более высокий ток возбуждения, с одной стороны, увеличивает температурную чувствительность датчика, пропорциональную току возбуждения, с другой стороны, вызывает саморазогрев датчика, что приводит к дополнительной погрешности. Поэтому величину тока возбуждения выбирают исходя из конкретных условий измерения. В частности, приципиальное значение имеет теплопроводность среды (воздух, вода, контакт с металлом), в которой находится датчик. Рекомендуемое значение тока возбуждения указывается изготовителем датчика. Типовые значения составляют 250 мкА для платиновых и никелиевых преобразователей и 1 мА для медных. Предельная величина рабочего тока для термопреобразователей типа ТС004 и ТС005 составляет 5 мА.
ГОСТ 6651-78 устанавливает следующие параметры термопреобразователей:
Таблица 1
|
Тип
|
Номинальное сопротивление при 0 ºС
|
Условное обозначение характеристики преобразования
|
Допустимое отклонение сопротилвения от номинального при 0 ºС, %
|
Диапазон измеряемых температур
|
|
ТСП
|
50
100
|
50П
100П
|
|
-250 ºС…+1000 ºС
то же
|
|
ТСМ
|
50
100
|
50М
100М
|
|
-50 ºС…+200 ºС
-200 ºС…+200 ºС
|
Температурная зависимость сопротивления
Сопротивление датчика изменяется с температурой линейно:
 , (1)
где  - сопротивление при температуре  ,  - ТКС.
Для учета более тонких эффектов, вызывающих небольшие отклонения температурной зависимости сопротивления от прямой линии, используют различные аппроксимации. Наиболее хорошие результаты дает аппроксимация Callendar-VanDusen:
 , (2)
где коэффициенты находятся, например, методом наименьших квадратов.
Схемы измерения
Схема измерения температуры представлена на рис.1. Ток возбуждения  задается с помощью источника тока, чтобы его внутреннее сопротивление и сопротивление подводящих проводов не влияло на величину тока через термопреобразователь. В этом случае напряжение на выходе дифференциального усилителя будет равно
независимо от сопротивления подводящих проводов, поскольку входное сопротивление дифференциального усилителя в этих условиях нетрудно сделать практически бесконечным.
Тогда искомое значение измеряемой температуры может быть получено в виде выражения
Рис.1. Четырехпроводная схема измерения температуры
Можно сэкономить один провод из четырех, если использовать для компенсации сопротивлений подводящих проводов  и  мост Ватсона (рис.2.). При закороченном термодатчике напряжение на выходе моста подбирают равным нулю. Это достигается соответствующим выбором отношения сопротивлений  .
При невысоких требованиях к точности измерения и в случае, когда термодатчики расположены недалеко один от другого, удобна схема их включения с одним общим источником тока возбуждения (рис.3). Недостаток этой схемы в том, что напряжение нижнего по схеме датчика является синфазной помехой для всех датчиков, расположенных выше. Поэтому для получения хороших результатов в этой схеме необходимо использовать инструментальный усилитель с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.
|
|
|
| Рис.2. Трехпроводная схема включения термопреобразователя |
Рис.3. Схема включения термопреобразователей с общим источником тока возбуждения |
Для устранения уровня шумов в сигнале от термодатчика используют фильтр нижних частот с полосой 4…10 Гц. Для эффективного подавления помех с частотой питающей сети 50 Гц фильтр должен иметь по крайней мере третий порядок. Серия RealLab! включает в себя фильтр RL-8F3 с названными характеристиками.
При токе возбуждения 1 мА и ТКС 0,4 Ом/ OС температурный коэффициент напряжения на термодатчике будет равен 0,4 мВ/ OС. Поэтому для достижения потенциальной разрешающей способности термодатчика 0,026 OС и при использовании 12-разрядного АЦП с величиной МЗР 2,5 мВ необходим усилитель с коэффициентом усиления 240. Этот усилитель желательно располагать в непосредственной близости от термопреобразователя, чтобы передавать по проводам уже усиленный сигнал. Описанным требованиям удовлетворяет четырехканальный дифференциальный усилитель RL-4A200 из серии RealLab! Усилитель выполнен в отдельном корпусе, что позволяет располагать его рядом с термопреобразователем.
Наиболее распространенные промышленные типы проводниковых терморезисторов
(ГОСТ 6651-78).
|
Тип материала
|
Rном при 0 oC, Ом
|
Обозначение характеристики
|
Пределы преобразования oC
|
|
ТСП(платина)
|
1
|
1
|
-50÷+400
|
|
ТСП
|
5
|
5
|
-100÷+1100
|
|
ТСП
|
10
|
10
|
-200÷+1000
|
|
ТСП
|
(46)
|
Градуировка 21
|
-260÷+1000
|
|
ТСП
|
50
|
50
|
-260÷+1000
|
|
ТСП
|
100
|
100
|
-260÷+1000
|
|
ТСП
|
500
|
500
|
-260÷+300
|
|
ТСМ
|
10
|
10
|
-50÷+200
|
|
ТСМ
|
50
|
50
|
-50÷+180
|
|
ТСМ
|
(53)
|
Градуировка 23
|
-50÷+180
|
|
ТСМ
|
100
|
100
|
-100÷+200
|
В соответствии с ГОСТ 6651-78 терморезисторы бывают пяти классов точности. У платиновых терморезисторов первого класса точности отклонение сопротивления не превышает ±0.05 Ом при 0oC от Ro. Для технических измерений обычно используются терморезисторы второго и третьего класса, у которых отклонение не превышает ±0.1 Ом и ±0.2 Ом соответственно.
Постоянные точки для калибрования термометров и термопар
Для калибровки термопреобразховтелей используют международную практическую температурную шкалу. В этой шкале температура выражается в градусах стоградусной шкалы oС. В основе шкалы лежат 6 основных постоянных точек (отмечены в таблице звездочкой). Точки, не отмеченные звездочкой, принадлежат к числу вторичных постоянных точек шкалы.
|
Постоянные точки
|
Температура oС
|
|
Температура равновесия между жидким кислородом и его паром ( точка кипения кислорода )
|
-182.97*
|
|
Температура равновесия между твердым угольным ангидридом и его паром
|
-78.5
|
|
Температура затвердевания ртути
|
-38.87
|
|
Точка плавления водяного льда
|
0.000
|
|
Температура равновесия между льдом, водой и ее паром (тройная точка)
|
+0.01*
|
|
Температура превращения Na2SO4*10H2O
|
32.38
|
|
Точка кипения воды
|
100*
|
|
Температура тройной точки бензойной кислоты
|
122.36
|
|
Температура равновесия между нафталином и его паром
|
218.0
|
|
Температура затвердевания олова
|
231.91
|
|
Температура равновесия между бензофеноном и его паром
|
305.9
|
|
Температура затвердевания кадмия
|
321.03
|
|
Температура затвердевания свинца
|
327.3
|
|
Температура равновесия между ртутью и ее паром
|
356.58
|
|
Температура затвердевания цинка
|
419.505
|
|
Точка кипения серы
|
444.6*
|
|
Температура затвердевания алюминия
|
660.1
|
|
Точка плавления серебра
|
960.8*
|
|
Точка плавления золота
|
1063*
|
|
Температура затвердевания меди в восстановительной среде
|
1083
|
|
Температура затвердевания никеля
|
1453
|
|
Температура затвердевания кобальта
|
1492
|
|
Температура затвердевания палладия
|
1552
|
|
Температура затвердевания платины
|
1769
|
|
Температура затвердевания родия
|
1960
|
|
Температура затвердевания ирридия
|
2443
|
|
Температура затвердевания вольфрама
|
3380
|
Примечание: температура кипения зависит от давления.
Соотношения между значениями температуры в различных шкалах
|
Температура
|
Эквивалент по шкале
|
|
|
Цельсия
|
Кельвина
|
|
xoC (шкала Цельсия)
|
xoC
|
(x+273.15)oK
|
|
xoR (шкала Реoмюра)
|
(5/4)*xoC
|
((5/4)*x+273.15)oK
|
|
xoF (шкала Фаренгейта)
|
(5/9)*(x-32)oC
|
((5/9)*x+255.38)oK
|
|
xoK (шкала Кельвина)
|
(x-273.15)oC
|
xoK
|
|
xoRank (шкала Ренкина)
|
(5/9)*(x-491.69)oC
|
(5/9)*xoK
|
|
