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

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.

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).

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 0^oC 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.

Примечание: температура кипения зависит от давления.

Соотношения между значениями температуры в различных шкалах

• Новости
• RealLab! - о компании
• Лицензии и сертификаты
• Книги, патенты, статьи

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024