Термометр сопротивления - Resistance thermometer

Термометры сопротивления , также называемые резистивными датчиками температуры ( RTD ), представляют собой датчики, используемые для измерения температуры. Многие элементы RTD состоят из отрезка тонкого провода, намотанного на керамический или стеклянный сердечник, но используются и другие конструкции. Провод RTD представляет собой чистый материал, обычно платину, никель или медь. Материал имеет точное соотношение сопротивления / температуры, которое используется для определения температуры. Поскольку элементы RTD хрупкие, их часто помещают в защитные зонды.

РТД, которые имеют более высокую точность и воспроизводимость, постепенно заменяет термопары в промышленных применениях ниже 600 ° C .

Соотношение сопротивления / температуры металлов

Обычные чувствительные элементы RTD, изготовленные из платины, меди или никеля, имеют повторяемую зависимость сопротивления от температуры ( R vs T ) и диапазон рабочих температур . R против T отношений определяется как величина изменения сопротивления датчика на градус изменения температуры. Относительное изменение сопротивления ( температурный коэффициент сопротивления) незначительно изменяется в пределах полезного диапазона датчика.

Платина была предложена сэром Уильямом Сименсом в качестве элемента термометра сопротивления на лекции в Бейкериане в 1871 году: это благородный металл, имеющий наиболее стабильную зависимость сопротивления от температуры в самом широком диапазоне температур. Никелевые элементы имеют ограниченный температурный диапазон, потому что величина изменения сопротивления на градус изменения температуры становится очень нелинейной при температурах выше 300 ° C (572 ° F). Медь имеет очень линейную зависимость сопротивления от температуры; однако медь окисляется при умеренных температурах, и ее нельзя использовать при температуре выше 150 ° C (302 ° F).

Важной характеристикой металлов, используемых в качестве резистивных элементов, является линейная аппроксимация зависимости сопротивления от температуры между 0 и 100 ° C. Этот температурный коэффициент сопротивления обозначается α и обычно выражается в единицах Ω / (Ω · ° C):

${\displaystyle \alpha ={\frac {R_{100}-R_{0}}{100\,{\rm {^{\circ }C}}\cdot R_{0}}},}$

куда

${\displaystyle R_{0}}$ сопротивление датчика при 0 ° C,

${\displaystyle R_{100}}$ сопротивление датчика при 100 ° C.

Чистая платина имеет α = 0,003925 Ом / (Ом · ° C) в диапазоне от 0 до 100 ° C и используется при создании термометров сопротивления лабораторного уровня. И наоборот, два широко признанных стандарта для промышленных RTD IEC 60751 и ASTM E-1137 определяют α = 0,00385 Ом / (Ом · ° C). До того, как эти стандарты получили широкое распространение, использовалось несколько различных значений α. По-прежнему можно найти более старые датчики, сделанные из платины, которые имеют α = 0,003916 Ом / (Ом · ° C) и 0,003902 Ом / (Ом · ° C).

Эти разные значения α для платины достигаются путем легирования - осторожного введения примесей, которые внедряются в структуру решетки платины и приводят к другой кривой зависимости R от T и, следовательно, к значению α.

Калибровка

Чтобы охарактеризовать соотношение R и T любого RTD в диапазоне температур, который представляет запланированный диапазон использования, калибровка должна выполняться при температурах, отличных от 0 ° C и 100 ° C. Это необходимо для выполнения требований калибровки. Хотя RTD считаются линейными в работе, необходимо доказать, что они точны в отношении температур, при которых они будут фактически использоваться (см. Подробности в разделе «Вариант калибровки сравнения»). Двумя распространенными методами калибровки являются метод фиксированной точки и метод сравнения.

Калибровка фиксированной точки

используется для калибровки с высочайшей точностью национальными метрологическими лабораториями. Он использует тройную точку, точку замерзания или точку плавления чистых веществ, таких как вода, цинк, олово и аргон, для получения известной и повторяемой температуры. Эти ячейки позволяют пользователю воспроизвести реальные условия температурной шкалы ИТС-90 . Калибровка с фиксированной точкой обеспечивает чрезвычайно точную калибровку (в пределах ± 0,001 ° C). Распространенным методом калибровки по фиксированной точке для промышленных датчиков является ледяная ванна. Оборудование недорогое, простое в использовании, позволяет разместить сразу несколько датчиков. Ледяная точка обозначена как вторичный стандарт, поскольку ее точность составляет ± 0,005 ° C (± 0,009 ° F) по сравнению с ± 0,001 ° C (± 0,0018 ° F) для основных фиксированных точек.

Сравнительные калибровки

обычно используется с вторичными SPRT и промышленными RTD. Калибруемые термометры сравнивают с откалиброванными термометрами с помощью ванны, температура которой равномерно стабильна. В отличие от калибровок с фиксированной точкой, сравнения можно проводить при любой температуре от −100 ° C до 500 ° C (от −148 ° F до 932 ° F). Этот метод может быть более рентабельным, поскольку несколько датчиков можно калибровать одновременно с помощью автоматизированного оборудования. Эти электрически нагреваемые и хорошо перемешиваемые ванны используют силиконовые масла и расплавленные соли в качестве среды для различных калибровочных температур.

Типы элементов

Датчики RTD делятся на три основные категории: тонкопленочные, проволочные и спиральные элементы. Хотя эти типы являются наиболее широко используемыми в промышленности, используются и другие, более экзотические формы; например, углеродные резисторы используются при сверхнизких температурах (от -273 ° C до -173 ° C).

Элементы углеродного резистора

дешевы и широко используются. Они дают очень воспроизводимые результаты при низких температурах. Это самая надежная форма при экстремально низких температурах. Как правило, они не подвержены значительному гистерезису или эффектам тензодатчика.

Элементы без деформации

используйте катушку с проволокой, минимально поддерживаемую внутри герметичного корпуса, заполненного инертным газом. Эти датчики работают при температуре до 961,78 ° C и используются в SPRT, которые определяют ITS-90. Они состоят из платиновой проволоки, свободно намотанной на опорную конструкцию, поэтому элемент может свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры. Они очень восприимчивы к ударам и вибрации, так как петли из платины могут раскачиваться вперед и назад, вызывая деформацию.

Тонкопленочные элементы

имеют чувствительный элемент, который формируется путем нанесения очень тонкого слоя резистивного материала, обычно платины, на керамическую подложку ( покрытие ). Этот слой обычно имеет толщину от 10 до 100 Ангстремов (от 1 до 10 нанометров). Эта пленка затем покрывается эпоксидной смолой или стеклом, которое помогает защитить осажденную пленку, а также действует как разгрузка от натяжения для внешних выводных проводов. Недостатки этого типа заключаются в том, что они не так стабильны, как их аналоги с проволочной или спиральной обмоткой. Их также можно использовать только в ограниченном температурном диапазоне из-за различных скоростей расширения подложки и резистивного осаждения, что дает эффект « тензодатчика », который можно увидеть в резистивном температурном коэффициенте. Эти элементы работают при температурах до 300 ° C (572 ° F) без дополнительной упаковки, но могут работать при температуре до 600 ° C (1112 ° F), если они надлежащим образом заключены в стекло или керамику. Специальные высокотемпературные элементы RTD могут использоваться при температуре до 900 ° C (1652 ° F) при правильной герметизации.

Элементы с проволочной обмоткой

может иметь большую точность, особенно для широкого диапазона температур. Диаметр катушки обеспечивает компромисс между механической стабильностью и возможностью расширения проволоки для минимизации деформации и последующего дрейфа. Чувствительный провод наматывается на изолирующую оправку или сердечник. Сердечник обмотки может быть круглым или плоским, но должен быть электрическим изолятором. Коэффициент теплового расширения материала сердечника обмотки согласован с чувствительным проводом для минимизации механических напряжений. Это натяжение провода элемента приведет к ошибке измерения температуры. Чувствительный провод подключается к большему проводу, обычно называемому выводом элемента или проводом. Этот провод выбран так, чтобы он был совместим с измерительным проводом, чтобы комбинация не создавала ЭДС, которая могла бы искажать тепловые измерения. Эти элементы работают с температурами до 660 ° C.

Спиральные элементы

в значительной степени заменили проволочные элементы в промышленности. Эта конструкция имеет проволочную катушку, которая может свободно расширяться при повышении температуры и удерживается на месте какой-либо механической опорой, которая позволяет катушке сохранять свою форму. Эта конструкция «без деформации» позволяет чувствительному проводу расширяться и сжиматься без влияния других материалов; в этом отношении он аналогичен SPRT, основному стандарту, на котором основан ITS-90 , обеспечивая при этом долговечность, необходимую для промышленного использования. Основа чувствительного элемента - небольшая катушка из платинового измерительного провода. Эта катушка напоминает нить накаливания в лампочке накаливания. Корпус или оправка представляет собой обожженную керамическую оксидную трубку с одинаковыми отверстиями, проходящими поперек осей. Катушка вставляется в отверстия оправки и затем набивается очень мелко измельченным керамическим порошком. Это позволяет чувствительному проводу двигаться, оставаясь при этом в хорошем тепловом контакте с технологическим процессом. Эти элементы работают с температурами до 850 ° C.

Действующим международным стандартом, который определяет допуск и соотношение температуры и электрического сопротивления для платиновых термометров сопротивления (PRT), является IEC 60751: 2008; ASTM E1137 также используется в США. Наиболее распространенные устройства, используемые в промышленности, имеют номинальное сопротивление 100 Ом при 0 ° C и называются датчиками Pt100 («Pt» - это символ платины, «100» - сопротивление в Ом при 0 ° C). Также можно получить датчики Pt1000, где 1000 - это сопротивление в Ом при 0 ° C. Чувствительность стандартного датчика 100 Ом составляет номинальную 0,385 Ом / ° C. Также доступны RTD с чувствительностью 0,375 и 0,392 Ом / ° C, а также множество других.

Функция

Термометры сопротивления изготавливаются в различных формах и в некоторых случаях обеспечивают большую стабильность, точность и воспроизводимость, чем термопары. В то время как термопары используют эффект Зеебека для генерации напряжения, термометры сопротивления используют электрическое сопротивление и требуют источника питания для работы. В идеале сопротивление изменяется почти линейно с температурой в соответствии с уравнением Каллендара – Ван Дюзена .

Платиновый провод обнаружения должен быть защищен от загрязнений, чтобы он оставался стабильным. Платиновая проволока или пленка закреплены на каркасе таким образом, что они получают минимальное дифференциальное расширение или другие деформации от каркаса, но при этом обладают достаточной устойчивостью к вибрации. Сборки RTD из железа или меди также используются в некоторых приложениях. Коммерческие сорта платины демонстрируют температурный коэффициент сопротивления 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (Европейский фундаментальный интервал). Сопротивление датчика обычно составляет 100 Ом при 0 ° C. Это определено в BS EN 60751: 1996 (взято из IEC 60751: 1995). Американский фундаментальный интервал составляет 0,00392 / ° C и основан на использовании более чистого сорта платины, чем европейский стандарт. Американский стандарт разработан Ассоциацией производителей научного оборудования (SAMA), которые больше не работают в этой области стандартов. В результате «американский стандарт» вряд ли является стандартом даже в США.

Сопротивление выводов также может быть фактором; использование трех- и четырехпроводных соединений вместо двухпроводных может исключить влияние сопротивления соединительных проводов при измерениях (см. ниже ); трехпроводного подключения достаточно для большинства целей, и это почти универсальная промышленная практика. Четырехпроводные соединения используются для наиболее точных приложений.

Преимущества и ограничения

К преимуществам платиновых термометров сопротивления можно отнести:

• Высокая точность
• Низкий дрейф
• Широкий рабочий диапазон
• Пригодность для высокоточных приложений.

Ограничения:

RTD в промышленных приложениях редко используются при температуре выше 660 ° C. При температурах выше 660 ° C становится все труднее предотвратить загрязнение платины примесями из металлической оболочки термометра. Вот почему стандартные лабораторные термометры заменяют металлическую оболочку стеклянной конструкцией. При очень низких температурах, скажем, ниже −270 ° C (3 K), из-за очень небольшого количества фононов сопротивление RTD в основном определяется примесями и граничным рассеянием и, таким образом, в основном не зависит от температуры. В результате чувствительность RTD практически равна нулю и поэтому бесполезна.

По сравнению с термисторами , платиновые термометры сопротивления менее чувствительны к небольшим изменениям температуры и имеют меньшее время отклика. Однако термисторы имеют меньший температурный диапазон и меньшую стабильность.

RTD против термопар

Два наиболее распространенных способа измерения температуры для промышленного применения - это резистивные датчики температуры (RTD) и термопары. Выбор между ними обычно определяется четырьмя факторами.

Температура

Если температура процесса составляет от -200 до 500 ° C (от -328,0 до 932,0 ° F), предпочтительным вариантом является промышленный RTD. Термопары имеют диапазон от -180 до 2320 ° C (от -292,0 до 4 208,0 ° F), поэтому для температур выше 500 ° C (932 ° F) это устройство для контактного измерения температуры, обычно используемое в физических лабораториях.

Время отклика

Если процесс требует очень быстрой реакции на изменения температуры (доли секунды, а не секунды), то лучшим выбором будет термопара. Временной отклик измеряется путем погружения датчика в воду, движущуюся со скоростью 1 м / с (3,3 фута / с) с шагом изменения 63,2%.

Размер

Стандартная оболочка RTD имеет диаметр от 3,175 до 6,35 мм (от 0,1250 до 0,2500 дюйма); Диаметр оболочки термопар может быть менее 1,6 мм (0,063 дюйма).

Требования к точности и стабильности

Если допустимый допуск в 2 ° C и не требуется наивысший уровень повторяемости, подойдет термопара. RTD обладают более высокой точностью и могут сохранять стабильность в течение многих лет, в то время как термопары могут дрейфовать в течение первых нескольких часов использования.

Строительство

Эти элементы почти всегда требуют подключения изолированных проводов. Изоляторы из ПВХ , силиконового каучука или ПТФЭ используются при температурах ниже 250 ° C. Сверху используется стекловолокно или керамика. Для точки измерения и, как правило, большинства выводов требуется кожух или защитная гильза, часто из металлического сплава, который химически инертен по отношению к контролируемому процессу. Выбор и проектирование защитных кожухов может потребовать большей осторожности, чем сам датчик, поскольку кожух должен выдерживать химическое или физическое воздействие и обеспечивать удобные точки крепления.

Конструкция RTD может быть улучшена, чтобы выдерживать удары и вибрацию, за счет включения порошка уплотненного оксида магния (MgO) внутрь оболочки. MgO используется для изоляции проводников от внешней оболочки и друг от друга. MgO используется благодаря его диэлектрической проницаемости, округлой зернистой структуре, высокотемпературной способности и химической инертности.

Конфигурации проводки

Двухпроводная конфигурация

В простейшей конфигурации термометра сопротивления используются два провода. Он используется только тогда, когда не требуется высокая точность, поскольку сопротивление соединительных проводов добавляется к сопротивлению датчика, что приводит к ошибкам измерения. Эта конфигурация позволяет использовать кабель длиной 100 метров. Это в равной степени относится к сбалансированной мостовой и фиксированной мостовой системе.

Для симметричного моста обычно устанавливается R2 = R1, а R3 находится примерно в середине диапазона RTD. Так, например, если мы собираемся измерять температуру от 0 до 100 ° C (от 32 до 212 ° F), сопротивление RTD будет находиться в диапазоне от 100 Ом до 138,5 Ом. Мы бы выбрали R3 = 120 Ом. Таким образом, мы получаем небольшое измеренное напряжение на мосту.

Трехпроводная конфигурация

Чтобы свести к минимуму влияние сопротивлений выводов, можно использовать трехпроводную конфигурацию. Предлагаемая настройка для показанной конфигурации: R1 = R2 и R3 примерно в середине диапазона RTD. Глядя на показанную схему моста Уитстона , падение напряжения в нижнем левом углу составляет V_rtd + V_lead, а размер в правом нижнем углу - V_R3 + V_lead, поэтому напряжение моста (V_b) является разницей, V_rtd - V_R3. Падение напряжения из-за сопротивления проводов было устранено. Это всегда применяется, если R1 = R2 и R1, R2 >> RTD, R3. R1 и R2 могут использоваться для ограничения тока через RTD, например, для PT100, ограничение до 1 мА и 5 В предполагает ограничение сопротивления примерно R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5000 Ом.

Четырехпроводная конфигурация

Четырехпроводная конфигурация сопротивления увеличивает точность измерения сопротивления. Четырехконтактное считывание исключает падение напряжения на измерительных проводах как вклад в ошибку. Для дальнейшего повышения точности любые остаточные термоэлектрические напряжения, генерируемые разными типами проводов или резьбовыми соединениями, устраняются путем изменения направления тока 1 мА и выводов на цифровой вольтметр (DVM). Термоэлектрические напряжения будут создаваться только в одном направлении. При усреднении обратных измерений напряжения термоэлектрической ошибки компенсируются.

Классификации RTD

Самыми точными из всех PRT являются сверхточные платиновые термометры сопротивления (UPRT). Такая точность достигается за счет долговечности и стоимости. Элементы UPRT намотаны из платиновой проволоки эталонного качества. Внутренние выводные провода обычно изготавливаются из платины, а внутренние опоры - из кварца или плавленого кварца. Оболочки обычно изготавливаются из кварца или иногда из инконеля , в зависимости от диапазона температур. Используется платиновый провод большего диаметра, что увеличивает стоимость и приводит к более низкому сопротивлению зонда (обычно 25,5 Ом). UPRT имеют широкий диапазон температур (от -200 ° C до 1000 ° C) и имеют точность приблизительно ± 0,001 ° C во всем диапазоне температур. UPRT подходят только для лабораторного использования.

Другая классификация лабораторных PRT - это стандартные платиновые термометры сопротивления (Standard SPRT). Они сконструированы так же, как UPRT, но из более экономичных материалов. В SPRT обычно используются высокочистые платиновые провода меньшего диаметра эталонного качества, металлические оболочки и изоляторы керамического типа. Внутренние выводные провода обычно изготавливаются из сплава на основе никеля. Стандартные PRT более ограничены в диапазоне температур (от -200 ° C до 500 ° C) и имеют точность приблизительно ± 0,03 ° C во всем диапазоне температур.

Промышленные ПТС предназначены для работы в промышленных условиях. Они могут быть почти такими же прочными, как термопары. В зависимости от области применения промышленные ПТС могут использовать тонкопленочные или спиральные элементы. Внутренние подводящие провода могут варьироваться от многожильных никелированных медных проводов с изоляцией из ПТФЭ до серебряных проводов, в зависимости от размера сенсора и области применения. Материал оболочки - обычно нержавеющая сталь; Для высокотемпературных применений может потребоваться инконель. Другие материалы используются для специализированных приложений.

История

Применение тенденции электрических проводников , чтобы увеличить их электрическое сопротивление при повышении температуры была впервые описана сэром Уильямом Siemens в Bakerian лекции 1871 до Королевского общества в Великобритании . Необходимые методы строительства были установлены Каллендаром , Гриффитсом, Холборном и Вайном между 1885 и 1900 годами.

Space Shuttle широко использовали термометры сопротивления платины. Единственный останов в полете главного двигателя космического челнока - миссия STS-51F - был вызван множественными отказами RTD, которые стали хрупкими и ненадежными из-за множества циклов нагрева и охлаждения. (Неисправности датчиков ошибочно указывали на критический перегрев топливного насоса, и двигатель был автоматически остановлен.) После аварии двигателя датчики RTD были заменены термопарами .

В 1871 году Вернер фон Сименс изобрел платиновый датчик температуры сопротивления и представил трехчленную формулу интерполяции. Термометр сопротивления Siemens быстро потерял популярность из-за нестабильности показаний температуры. Хью Лонгборн Каллендар разработал первый коммерчески успешный платиновый RTD в 1885 году.

В статье 1971 года Эрикссона, Койтера и Глатцеля было идентифицировано шесть сплавов благородных металлов (63Pt37Rh, 37Pd63Rh, 26Pt74Ir, 10Pd90Ir, 34Pt66Au, 14Pd86Au) с приблизительно линейными температурными характеристиками сопротивления. Сплав 63Pt37Rh аналогичен легкодоступной проволоке из сплава 70Pt30Rh, используемой в термопарах.

Стандартные данные термометра сопротивления

Датчики температуры обычно поставляются с тонкопленочными элементами. Элементы сопротивления оцениваются в соответствии с BS EN 60751: 2008 как:

Класс толерантности	Действительный диапазон
F 0,3	От −50 до +500 ° C
F 0,15	От −30 до +300 ° C
F 0.1	От 0 до +150 ° C

Возможна поставка элементов термометров сопротивления до 1000 ° C. Связь между температурой и сопротивлением задается уравнением Каллендара-Ван Дюзена :

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),}$

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\circ }\mathrm {C} ).}$

Вот сопротивление при температуре T , - сопротивление при 0 ° C, а константы (для платинового RTD α = 0,00385) равны: ${\displaystyle R_{T}}$${\displaystyle R_{0}}$

${\displaystyle A=3.9083\times 10^{-3}~^{\circ }{\text{C}}^{-1},}$

${\displaystyle B=-5.775\times 10^{-7}~^{\circ }{\text{C}}^{-2},}$

${\displaystyle C=-4.183\times 10^{-12}~^{\circ }{\text{C}}^{-4}.}$

Поскольку коэффициенты B и C относительно малы, сопротивление изменяется почти линейно с температурой.

Для положительной температуры решение квадратного уравнения дает следующую зависимость между температурой и сопротивлением:

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-4B\left(1-{\frac {R_{T}}{R_{0}}}\right)}}}{2B}}.}$

Тогда для четырехпроводной конфигурации с прецизионным источником тока 1 мА соотношение между температурой и измеренным напряжением будет ${\displaystyle V_{T}}$

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-40B(0.1-V_{T})}}}{2B}}.}$

Температурно-зависимые сопротивления для различных популярных термометров сопротивления

Температура в ° C	Сопротивление в Ом
	ИТС-90 Пт100	Pt100 Тип: 404	Pt1000 Тип: 501	Тип PTC : 201	Тип NTC : 101	NTC Тип: 102	NTC Тип: 103	NTC Тип: 104	Тип NTC : 105
−50	79,901192	80,31	803,1	1032
-45	81.925089	82,29	822,9	1084
−40	83,945642	84,27	842,7	1135			50475
−35	85,962913	86,25	862,5	1191			36405
−30	87,976963	88,22	882,2	1246			26550
−25	89,987844	90,19	901,9	1306		26083	19560
−20	91.995602	92,16	921,6	1366		19414	14560
−15	94,000276	94,12	941,2	1430		14596	10943
−10	96,00 1893	96,09	960,9	1493		11066	8299
−5	98,000470	98,04	980,4	1561	31389	8466
0	99,996012	100.00	1000,0	1628	23868	6536
5	101.988430	101,95	1019,5	1700	18299	5078
10	103.977803	103,90	1039,0	1771	14130	3986
15	105.964137	105,85	1058,5	1847 г.	10998
20	107,947437	107,79	1077,9	1922 г.	8618
25	109.927708	109,73	1097,3	2000 г.	6800			15000
30	111,904954	111,67	1116,7	2080 г.	5401			11933
35 год	113,879179	113,61	1136,1	2162	4317			9522
40	115,850387	115,54	1155,4	2244	3471			7657
45	117,818581	117,47	1174,7	2330				6194
50	119,783766	119,40	1194,0	2415				5039
55	121,745943	121,32	1213,2	2505				4299	27475
60	123,705116	123,24	1232,4	2595				3756	22590
65	125,661289	125,16	1251,6	2689					18668
70	127,614463	127,07	1270,7	2782					15052
75	129,564642	128,98	1289,8	2880					12932
80	131,511828	130,89	1308,9	2977					10837
85	133,456024	132,80	1328,0	3079					9121
90	135,397232	134,70	1347,0	3180					7708
95	137,335456	136.60	1366,0	3285					6539
100	139.270697	138,50	1385,0	3390
105	141.202958	140,39	1403,9
110	143.132242	142,29	1422,9
150	158,459633	157,31	1573,1
200	177,353177	175,84	1758,4

Смотрите также

• Защитная гильза
• Термистор
• Термостат
• Термопара

использованная литература