Термометр сопротивления предел измерения

Содержание

Термометр сопротивления, принцип действия
Выбор датчика температуры
Термометры сопротивления
Общие сведения

Термометр сопротивления, принцип действия

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.

Чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя выполнен из металлической проволоки бифилярной намотки (рис. 1) или пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку в виде меандра (рис. 2). ЧЭ имеет выводы для крепления соединительных проводов и известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Схема термометра сопротивления представлена на рисунках 1 и 2.

Принцип работы термопары сопротивления (термометра сопротивления) основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента от температуры.Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления ТСП градуировки Pt100. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные термометры.

Главное преимущество термометров сопротивления – высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырехпроводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

Для измерения температуры различных типов рабочих сред — воды, газа, пара, химических соединений и сыпучих материалов используют термопреобразователь ТСП. Аналогом, производимым Производственной компанией «Тесей», является термопреобразователи сопротивления типа ТСПТ и ТСПТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – Pt100, Pt500, Pt1000, 100П и 50П.

Выбор термопреобразователя ТСП зависит от рабочей среды – диапазон температур измеряемой среды должен соответствовать рабочему диапазону термопреобразователя. При выборе необходимо обратить внимание надлину погружной части термопреобразователя и длину соединительного кабеля. Глубина погружения будет зависеть от глубины активной части, которая определяется длиной чувствительного элемента.

Термопреобразователь сопротивления ТСМ. Термопреобразователь ТСМ выполнен в виде бескаркасной намотки чувствительного элемента из медного изолированного микропроводабифилярной намотки. Аналогом, производимым Производственной компанией «Тесей», является термопреобразователи сопротивления типа ТСМТ и ТСМТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – 100М или 50М.

Схемы соединений и цветовая идентификация внутренних соединительных проводов термопреобразователей соротивления (подключение термопары)

Таблица 1. Схема соединения термопреобразователя сопротивления (схема термометра сопротивления и его соединений)

двухпроводная

трехпроводная

четырехпроводная

Один
ЧЭ

Два
ЧЭ

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь (подключение термопары):

2-проводная. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема термометра сопротивления используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса А и АА.
3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

— для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
— для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 2. Номинальное сопротивление R0

Температурный коэффициент a, °С-1

0,00385

0,00391

0,00428

Номинальное сопротивление R0, Ом

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt (см. ТС № 4 на рис. 3).

Рисунок 3. Иллюстрация к критерию приемки и отбраковки термометров сопротивления.

Из четырех термометров, данные по которым представлены на рис. 3, только термосопротивление № 1 может быть принят изготовителем и только термосопротивление № 4 может быть забракован заказчиком.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Таблица 3. Бюджет неопределенности измерений

Обозначение варианта исполнения ТС

Обозначение

Тип и вид распределения неопределенности

Вклад в суммарную неопределённость

Случайные эффекты при измерении

тип А, нормальное распределение

Предел допускаемой основной погрешности регистрирующего прибора

тип В, равномерное симметричное распределение

Разрешающая способность прибора

тип В, равномерное асимметричное распределение

Расширенная неопределенность класса допуска ТС

тип В, нормальное распределение

Расширенная неопределенность класса допуска ТП

тип B, равномерное симметричноераспределение

Погрешность компенсации температуры опорных спаев

тип В, равномерное симметричноераспределение

Нестабильность ТП и ТС за межповерочный интервал (МПИ)

тип В, равномерное симметричноераспределение

Нестабильность измеряемой температуры

тип В, равномерное асимметричное распределение

Тепловой контакт со средой

тип В, равномерное симметричноераспределение

Расширенная неопределенность измерения температуры, °C

Расширенная неопределенность измерения uТ, при измерении термометрами сопротивления, определяется по формуле:

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

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.

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 приведены правила отбраковки термометра сопротивления потребителем. В них установлено, что забраковать термометр 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.

Стабильность метрологических характеристик термометра сопротивления

В ходе эксплуатации метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления неизбежно изменяются. Скорость изменения зависит от многих факторов таких как: температура эксплуатации, скорость и частота изменений температуры, наличие химически активных веществ в измеряемой среде и т.д. В связи с этим для датчиков ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex введены группы условий эксплуатации и в зависимости от этой группы нормированы допустимые значения дрейфа метрологических характеристик термометров сопротивления.

РМГ-74 «МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНЫХ И МЕЖКАЛИБРОВОЧНЫХ ИНТЕРВАЛОВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ» предписывает определять интервал между поверками (ИМП) как период времени/наработки СИ за который изменение метрологических характеристик не превышает модуля класса допуска СИ, уменьшенного на систематическую погрешность измерений в ходе испытаний СИ.

Для термопреобразователя сопротивления определяющим фактором дрейфа является наработка датчика при повышенной температуре. Влияние старения на дрейф ТС практически не упоминается в научных публикациях. При этом общеизвестно что величина и скорость дрейфа ТС зависит от величины измеряемой температуры. Известно, что медные термопреобразователи сопротивления менее стабильны чем платиновые. Доминирующей причиной дрейфа, в условиях эксплуатации, не относящихся к экстремальным, является изменение физических свойств металлов под воздействием температуры, величина изменений зависит от значения максимальной температуры эксплуатации и длительности воздействия.

Предлагается при нормировании интервалов между поверками учитывать условия эксплуатации, разделив их по диапазонам измеряемых температур. Для каждого из диапазонов указывать свой интервал между поверками от одного года до пяти лет. Предлагаемая градация интервалов представлена рисунке 4.

Рисунок 4. Интервалы между поверками ТС

Кроме того, обращаем внимание на необходимость корреляции показателей надежности, устанавливаемых для датчика температуры с назначенным ИМП. Соответствие метрологических характеристик датчика температуры в течение ИМП присвоенному классу допуска при первичной поверке является принято считать одним из видов отказа. Однако, как отмечалось выше, ДТ в реальных условиях эксплуатации изменяет свои характеристики, а величина дрейфа нормируется в соответствии с РМГ-74. В связи с этим считаем целесообразным указывать в описании типа СИ и сопроводительной технической документации величину допустимого дрейфа датчика температуры за ИМП. Такой подход избавит потребителя от заблуждения о соответствии метрологических характеристик присвоенному классу допуска в течение всего ИМП и позволит рассчитать более реальный бюджет неопределенности измерений на объекте. Указание величины дрейфа за ИМП, отражает реальную картину и переводит её в разряд параметров, относящихся к видам отказа. В любом случае, наиболее корректным представляется назначение в качестве основного параметра надежности – вероятности безотказной работы датчика за ИМП. В этом случае логичным представляется и назначение срока гарантии равным ИМП.

Предельно допустимый дрейф метрологических характеристиктермопреобразователей сопротивления за интервал между поверками (ИМП) не превышает значений, приведенных в таблице 4.
Таблица 4. Дрейф метрологических характеристик термометра сопротивления

Источник неопределенности

Класс допуска

Температура применения, ° С

Группа условий эксплуатации

Дрейф за ИМП, °С

Источник

Выбор датчика температуры

Термометры сопротивления

Общие сведения

Термометр сопротивления ТС 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 термометр сопротивления, 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 межгосударственный стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009, разработанный на основе российского стандарта ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). Ознакомиться со стандартом и скачать текст можно в разделе Российские стандарты. В стандарте приведены диапазоны, классы допуска ТС, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Эти данные приведены также на нашем сайте в разделе справочник. 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 термометры сопротивления 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 термометры сопротивления (расширенная неопределенность ПТС 1 разряда при 0 °С равна 0,002 °С), но они требуют очень осторожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых ударов. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабочих термометров сопротивления. Стандарт на образцовые ПТС первого и второго разряда: ГОСТ Р 51233-98 «Термометры сопротивления платиновые эталонные 1 и 2 разрядов. Общие технические требования» (см. раздел Российские стандарты). Подробная информация о свойствах эталонных платиновых термометров сопротивления и методах работы с ними приводится в разделе «Платиновый термометр сопротивления — основной интерполяционный прибор МТШ-90»

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 трех наиболее распространенных типов.

Тип

Металл	Температурный коэффициент	Рекомендуемый рабочий диапазон температур	Описание	Использование
Платина	0.00385, 0,00391 °C -1 – рабочие ТС (ГОСТ 6651-2009, МЭК 60751) 0.003925 °C -1 – эталонные ТС	–196°C до 600°C	Высокая точность и стабильность. Характеристика сопротивление-температура близка к линейной. Самый широкий диапазон температур. Высокое удельное сопротивление. Для изготовления ЧЭ требуется небольшое количество платины. Возможно изготовление ЧЭ методом напыления платины на подложку (пленочные ЧЭ).	Очень широко используется в промышленности всех стран, существует стандарт МЭК 60751 на платиновые термометры сопротивления и ЧЭ. Последняя редакция включает требования к проволочным и пленочным ЧЭ.
Никель	0,00617 °C -1 (ГОСТ 6651-2009) 0.0067 °C –1 (DIN)	–60°C до 180°C	Наиболее высокий температурный коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления. Однако, если превышена точка Кюри (352°C), может возникать непредсказуемый гистерезис характеристики.	Используются значительно реже, чем платиновые термометры сопротивления. Никелевые термометры сопротивления устанавливались раньше на корабельных системах контроля в комплекте с самописцами.
Медь	0.00428 °C- 1 (ГОСТ 6651-2009)	–50°C до 150°C	Имеют наиболее линейную характеристику, но очень ограниченный диапазон температур. Очень низкое удельное сопротивление, что обуславливает необходимость использования проволоки значительной длины. Это привело к тому, что в американском стандарте, медные термометры имеют номинальное сопротивление 10 Ом.	Используются в электрических генераторах, на электростанциях и в некоторых других отраслях промышленности

НСХ и перечень международных нормативов для термометров сопротивления см. по ссылке>>>

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов (ЧЭ)

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 чувствительног элемента (ЧЭ). Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень распространена 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”

Технология изготовления пленочного ЧЭ очень сложная. На первом этапе на керамическую подложку напыляют тонкий слой платины, затем на этом слое с помощью меандра формируют токопроводящие дорожки и покрывают сверху эпоксидным или стеклянным изоляционным слоем. Подложка имеет толщину порядка 0,3-0,6 мм. 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 сопротивления. Преимуществом является полная герметизация чувствительного элемента, стойкость к условиям повышенной влажности, недостатком – ограниченный диапазон рабочих температур.

Дополнительную информацию о конструкции и методах работы с платиновыми термометрами сопротивления публикуем в материалах семинара « Термометры сопротивления и комплекты термометров для измерения разности температур. Производство, стандартизация, поверка, эксплуатация»

Классы точности (допуска)

В стандартt МЭК 60751 ( введен в 2008 г) и в новом ГОСТ 6651-2009 (введен в России с 1 января 2011) были приняты новые значения предельных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление-температура. Также были изменены температурные диапазоны, для которых нормируется точность по стандарту. В классификацию допусков были включены пленочные термометры сопротивления.

Класс допуска	Допуск, °С	Диапазон измерений, °С
		Платиновый ТС, ЧЭ		Медный ТС, ЧЭ	Никелевый ТС, ЧЭ
		проволочный	пленочный	Медный ТС, ЧЭ	Никелевый ТС, ЧЭ
АА W 0.1 F 0.1	± (0,1+0,0017\|t\|)	От -50 до +250	От -50 до +150	—	—
А W 0.15 F 0.15	± (0,15+0,002\|t\|)	От -100 до +450	От -30 до +300	От -50 до +120	—
В W 0.3 F 0.3	± (0,3+0,005\|t\|)	От -196 до +660	От -50 до +500	От -50 до +200	—
С W 0.6 F 0.6	± (0,6+0,01\|t\|)	От -196 до +660	От -50 до +600	От -180 до +200	От -60 до +180

Необходимо отметить, что производитель, согласно п. 5.7 ГОСТ 6651, имеет право расширить диапазон измерений и устанавить допуски вне диапазона измерений по своим ТУ. (п. 5.7 Допуски для платиновых ТС при температурах вне диапазона измерений, указанного в таблице 2, должны быть установлены техническими документами на ТС конкретного типа.) О верхнем диапазоне платиновых термометров см. статью Моисеевой Н. П. » Предельная температура для термометра 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 термометров сопротивления, на основе допуска класса В. Эти допуски гарантируются заводом и составляют обычно 1/3 В или 1/6 В. Однако необходимо иметь ввиду, что эти допуски могут реально означать только приближение термометра к номинальному сопротивлению при 0 °С, гарантировать стабильность рабочих термометров на этом уровне точности очень трудно.

Стабильность термометра сопротивления

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 6651-2009 (п.6.5) были включены следующие требования:

«…6.5 Стабильность чувствительных элементов и термометров сопротивления

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 термометра сопротивления 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.

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

2 Для ТС, предназначенных для длительного использования без поверки, и для термометров сопротивления, 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 термометра сопротивления от верхнего до нижнего предела рабочего диапазона сопротивление при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Примечание — Для термометров сопротивления, предназначенных для работы в условиях быстроменяющейся температуры и для термометров, 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.

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 100 В при температуре 15-35 °С и от 10 до 50 В при повышенных температурах. При комнатной температуре сопротивление изоляции должно быть более 100 МОм.

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 термометров сопротивления различного диаметра

Описание ТС	Время термической реакции (63% от полного изменения)
ЧЭ	0,3 – 3 с
Диаметр 3,5 мм	2 – 3 с
Диаметр 5,0 мм	4 – 5 с
Диаметр 6,0 мм	5 – 7 с
Диаметр 6,0 мм, монтированный в гильзу	15 – 20 с

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 термометра сопротивления

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 термометра сопротивления

Длина термометра сопротивления должна выбираться исходя из необходимой глубины погружения термометра. 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:

Среда	Динамический поток	Статические условия
жидкая	5-10	10-20
воздушная	10-20	20-40

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.

Более подробно о глубине погружения термометра в термостат см. в разделе «Проблемы поверки» а также в статье «Влияние длины термометра на результат поверки в калибраторе»

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ 6651-2009 приведены правила отбраковки термометра сопротивления потребителем. В них установлено, что забраковать термометр 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.

Поверка промышленных термометров сопротивления проводится по ГОСТ 8.461-2009 (см. раздел «Поверка термометров сопротивления»).

Неопределенность поверки термометров можно рассчитать, используя различные программные средства, например, программу расчета TCal-8-461, сертифицированную во ВНИИМ.

Расчет индивидуальной функции рабочих и образцовых термометров сопротивления рекомендуем проводить с использованием программы TermoLab . (cм. также раздел «Программы расчета»)

Вывод

По оценкам российских и зарубежных 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.

Прочитайте на нашем сайте также о других типах датчиков температуры:

Источник