Резистивные термометры: принципы, калибровка и применение.

Введение

Тип датчика температуры (термометра)

Термометры сопротивления, также называемые датчиками температуры сопротивления (RTD), – это датчики, используемые для измерения температуры. Многие элементы RTD состоят из отрезка тонкой проволоки, намотанной на термостойкий керамический или стеклянный сердечник, но также применяются и другие конструкции. Провод RTD изготавливается из чистого материала, обычно платины (Pt), никеля (Ni) или меди (Cu). Материал обладает точной зависимостью сопротивления от температуры, которая используется для определения температуры. Поскольку элементы RTD хрупкие, они часто помещаются в защитные зонды. RTD, отличающиеся более высокой точностью и повторяемостью, постепенно заменяют термопары в промышленных применениях при температурах ниже 600 °C.

Калибровка

Для характеристики зависимости сопротивления (R) от температуры (T) любого термометра сопротивления (RTD) в диапазоне температур, соответствующем планируемому диапазону его применения, калибровка должна проводиться при температурах, отличных от 0 °C и 100 °C. Это необходимо для соответствия требованиям к калибровке. Хотя термометры сопротивления считаются линейными в работе, необходимо подтвердить их точность в отношении температур, при которых они будут фактически использоваться (см. подробности в разделе «Калибровка методом сравнения»). Два распространенных метода калибровки – метод фиксированной точки и метод сравнения. Метод фиксированной точки используется для калибровки с наивысшей точностью в национальных метрологических лабораториях. Он основан на использовании тройной точки, точки замерзания или точки плавления чистых веществ, таких как вода, цинк, олово и аргон, для создания известной и воспроизводимой температуры. Эти ячейки позволяют пользователю воссоздать фактические условия температурной шкалы ITS-90. Калибровка по фиксированной точке обеспечивает чрезвычайно высокую точность (в пределах ±0,001 °C). Распространенным методом калибровки по фиксированной точке для промышленных датчиков является использование ледяной бани. Это оборудование недорогое, простое в использовании и позволяет одновременно калибровать несколько датчиков. Точка замерзания считается вторичным стандартом, поскольку ее точность составляет ±0,005 °C (±0,009 °F), в то время как для первичных фиксированных точек она составляет ±0,001 °C (±0,0018 °F). Калибровка методом сравнения обычно используется с платиновыми термометрами сопротивления вторичного стандарта и промышленными RTD. Калибруемые термометры сравниваются с калиброванными термометрами с помощью термостатируемой бани с равномерно стабильной температурой. В отличие от калибровки по фиксированной точке, сравнения могут проводиться при любой температуре в диапазоне от -100 °C до 500 °C (от -148 °F до 932 °F). Этот метод может быть более экономичным, поскольку несколько датчиков могут быть одновременно откалиброваны с использованием автоматизированного оборудования. В этих электрически нагреваемых и хорошо перемешиваемых банях в качестве среды для различных температур калибровки используются силиконовые масла и расплавленные соли.

Типы элементов

Три основные категории датчиков РТС – тонкопленочные, проволочные и намоточные элементы. Хотя эти типы наиболее широко используются в промышленности, применяются и другие, более экзотические формы; например, углеродные резисторы используются при сверхнизких температурах (от –273 °C до –173 °C). Углеродные резисторные элементы недороги и широко распространены. Они обеспечивают очень воспроизводимые результаты при низких температурах и являются наиболее надежными в очень широком диапазоне температур. Обычно они не подвержены значительному гистерезису или влиянию деформации. В элементах, свободных от деформации, используется катушка из проволоки, минимально поддерживаемая внутри герметичного корпуса, заполненного инертным газом. Эти датчики работают до 961,78 °C (1763 °F) и используются в SPRT, определяющих ITS 90. Они состоят из платиновой проволоки, свободно намотанной на опорную конструкцию, что позволяет элементу свободно расширяться и сжиматься с изменением температуры. Они очень чувствительны к ударам и вибрациям, поскольку петли платины могут раскачиваться, вызывая деформацию. Тонкопленочные элементы имеют чувствительный элемент, сформированный путем нанесения очень тонкого слоя резистивного материала, обычно платины, на керамическую подложку (плакировку). Толщина этого слоя обычно составляет от 10 до 100 ангстрем (1–10 нанометров). Затем эта пленка покрывается эпоксидной или стеклянной смолой, которая защищает нанесенную пленку и служит для снятия напряжения с внешних выводных проводов. Недостатком этого типа является то, что они менее стабильны, чем их проволочные или намоточные аналоги. Кроме того, они могут использоваться только в ограниченном диапазоне температур из-за различной скорости расширения подложки и нанесенного резистивного слоя, что создает эффект, подобный тензодатчику, проявляющийся в температурном коэффициенте сопротивления. Эти элементы работают при температурах до без дополнительной защиты, но могут работать до при соответствующей герметизации в стекле или керамике. Специальные высокотемпературные элементы РТС могут использоваться до с правильной инкапсуляцией. Проволочные элементы могут обеспечивать более высокую точность, особенно в широких диапазонах температур. Диаметр катушки представляет собой компромисс между механической стабильностью и возможностью расширения проволоки для минимизации напряжения и, как следствие, дрейфа. Чувствительный провод обмотан вокруг изолирующего сердечника или оправки. Сердечник обмотки может быть круглым или плоским, но должен быть электрическим изолятором. Коэффициент теплового расширения материала сердечника обмотки согласован с чувствительным проводом для минимизации любого механического напряжения. Это напряжение в проводе элемента приведет к ошибке измерения температуры. Чувствительный провод соединяется с более толстым проводом, обычно называемым выводным проводом элемента. Этот провод выбирается таким образом, чтобы он был совместим с чувствительным проводом, чтобы их комбинация не генерировала ЭДС, искажающую измерение температуры. Эти элементы работают при температурах до 660 °C. Намоточные элементы во многом заменили проволочные элементы в промышленности. Эта конструкция имеет проволочную катушку, которая может свободно расширяться при изменении температуры, удерживаемую на месте некоторой механической поддержкой, что позволяет катушке сохранять свою форму. Эта конструкция, свободная от напряжения, позволяет чувствительному проводу расширяться и сжиматься без влияния других материалов; в этом отношении она аналогична SPRT, первичному эталону, на котором основана ITS 90, обеспечивая при этом необходимую долговечность для промышленного применения. Основой чувствительного элемента является небольшая катушка из платиновой проволоки, напоминающая нить накаливания в лампе. Корпус или оправка представляет собой трубку из твердо обожженного керамического оксида с равномерно расположенными отверстиями, проходящими поперек оси. Катушка вставляется в отверстия оправки, а затем заполняется очень мелко измельченным керамическим порошком. Это позволяет чувствительному проводу перемещаться, сохраняя при этом хороший тепловой контакт с измеряемой средой. Эти элементы работают при температурах до 850 °C. Текущий международный стандарт, определяющий допуски и зависимость сопротивления от температуры для платиновых термометров сопротивления (PRT), – IEC 60751:2008; ASTM E1137 также используется в Соединенных Штатах. Наиболее распространенные устройства, используемые в промышленности, имеют номинальное сопротивление 100 Ом при 0 °C и называются датчиками Pt100 («Pt» – символ платины, «100» – сопротивление в омах при 0 °C). Также доступны датчики Pt1000, где 1000 – это сопротивление в омах при 0 °C. Чувствительность стандартного датчика 100 Ом номинально составляет 0,385 Ом/°C. Также доступны РТС с чувствительностью 0,375 и 0,392 Ом/°C, а также множество других вариантов.

The three main categories of RTD sensors are thin film, wire wound, and coiled elements. While these types are the ones most widely used in industry, other more exotic shapes are used; for example, carbon resistors are used at ultra low temperatures (−273 °C to −173 °C). Carbon resistor elements are cheap and widely used. They have very reproducible results at low temperatures. They are the most reliable over extremely wide range of temperatures. They generally do not suffer from significant hysteresis or strain gauge effects. Strain free elements use a wire coil minimally supported within a sealed housing filled with an inert gas. These sensors work up to 961.78 °C (1763 °F) and are used in the SPRTs that define ITS 90. They consist of platinum wire loosely coiled over a support structure, so the element is free to expand and contract with temperature. They are very susceptible to shock and vibration, as the loops of platinum can sway back and forth, causing deformation. Thin film elements have a sensing element that is formed by depositing a very thin layer of resistive material, normally platinum, on a ceramic substrate (plating). This layer is usually just 10 to 100 ångströms (1 to 10 nanometers) thick. This film is then coated with an epoxy or glass that helps protect the deposited film and also acts as a strain relief for the external lead wires. Disadvantages of this type are that they are not as stable as their wire wound or coiled counterparts. They also can only be used over a limited temperature range due to the different expansion rates of the substrate and resistive deposited giving a "strain gauge" effect that can be seen in the resistive temperature coefficient. These elements work with temperatures to without further packaging, but can operate up to when suitably encapsulated in glass or ceramic. Special high temperature RTD elements can be used up to with the right encapsulation. Wire wound elements can have greater accuracy, especially for wide temperature ranges. The coil diameter provides a compromise between mechanical stability and allowing expansion of the wire to minimize strain and consequential drift. The sensing wire is wrapped around an insulating mandrel or core. The winding core can be round or flat, but must be an electrical insulator. The coefficient of thermal expansion of the winding core material is matched to the sensing wire to minimize any mechanical strain. This strain on the element wire will result in a thermal measurement error. The sensing wire is connected to a larger wire, usually referred to as the element lead or wire. This wire is selected to be compatible with the sensing wire, so that the combination does not generate an emf that would distort the thermal measurement. These elements work with temperatures to 660 °C. Coiled elements have largely replaced wire wound elements in industry. This design has a wire coil that can expand freely over temperature, held in place by some mechanical support, which lets the coil keep its shape. This “strain free” design allows the sensing wire to expand and contract free of influence from other materials; in this respect it is similar to the SPRT, the primary standard upon which ITS 90 is based, while providing the durability necessary for industrial use. The basis of the sensing element is a small coil of platinum sensing wire. This coil resembles a filament in an incandescent light bulb. The housing or mandrel is a hard fired ceramic oxide tube with equally spaced bores that run transverse to the axes. The coil is inserted in the bores of the mandrel and then packed with a very finely ground ceramic powder. This permits the sensing wire to move, while still remaining in good thermal contact with the process. These elements work with temperatures to 850 °C. The current international standard that specifies tolerance and the temperature to electrical resistance relationship for platinum resistance thermometers (PRTs) is IEC 60751:2008; ASTM E1137 is also used in the United States. By far the most common devices used in industry have a nominal resistance of 100 ohms at 0 °C and are called Pt100 sensors ("Pt" is the symbol for platinum, "100" for the resistance in ohms at 0 °C). It is also possible to get Pt1000 sensors, where 1000 is for the resistance in ohms at 0 °C. The sensitivity of a standard 100 Ω sensor is a nominal 0.385 Ω/°C. RTDs with a sensitivity of 0.375 and 0.392 Ω/°C, as well as a variety of others, are also available.

Функция

Термометры сопротивления выпускаются в различных конструкциях и в некоторых случаях обеспечивают большую стабильность, точность и повторяемость, чем термопары. В то время как термопары используют эффект Зеебека для генерации напряжения, термометры сопротивления используют электрическое сопротивление и требуют источника питания для работы. Сопротивление в идеале изменяется почти линейно с температурой в соответствии с уравнением Каллендара — Ван Дюзена. Платиновая измерительная проволока должна быть свободна от загрязнений для сохранения стабильности. Платиновая проволока или пленка поддерживаются на каркасе таким образом, чтобы минимизировать дифференциальное расширение или другие деформации от каркаса, при этом обеспечивая достаточную устойчивость к вибрации. Сборки РТС, изготовленные из железа или меди, также используются в некоторых приложениях. Коммерческие марки платины демонстрируют температурный коэффициент сопротивления 0,00385/°C (0,385%/°C) (Европейский базовый интервал). Обычно датчик изготавливается с сопротивлением 100 Ом при 0 °C. Это определено в BS EN 60751:1996 (на основе IEC 60751:1995). Американский базовый интервал составляет 0,00392/°C, основанный на использовании более чистой марки платины, чем европейский стандарт. Американский стандарт разработан Ассоциацией производителей научных приборов (SAMA), которая больше не занимается стандартизацией. В результате «американский стандарт» едва ли является стандартом даже в США. Сопротивление соединительных проводов также может играть роль; использование трех- и четырехпроводных соединений вместо двухпроводных может устранить влияние сопротивления соединительных проводов на измерения (см. ниже); трехпроводное соединение достаточно для большинства целей и является почти универсальной промышленной практикой. Четырехпроводные соединения используются для наиболее точных измерений.

РТР против термопары

Два наиболее распространенных способа измерения температуры для промышленных применений – это резистивные термометры (RTD) и термопары. Выбор между ними обычно определяется четырьмя факторами. Температура: если температура процесса находится в пределах [вставить диапазон], то предпочтительным вариантом является промышленный RTD. Термопары имеют диапазон [вставить диапазон], поэтому для температур выше 500 °C (932 °F) они являются контактным устройством измерения температуры, обычно используемым в физических лабораториях. Время отклика: если процессу требуется очень быстрое реагирование на изменения температуры (доли секунды, а не секунды), то термопара – лучший выбор. Время отклика измеряется путем погружения датчика в воду, движущуюся со скоростью [вставить скорость] с 63,2%-ным скачкообразным изменением. Размер: стандартная защитная оболочка RTD имеет диаметр [вставить диаметр]; диаметры защитных оболочек для термопар могут быть меньше. Требования к точности и стабильности: если допустимая погрешность составляет 2 °C и не требуется высочайший уровень повторяемости, термопара будет достаточной. RTD способны обеспечивать более высокую точность и могут сохранять стабильность в течение многих лет, в то время как термопары могут демонстрировать дрейф в течение первых нескольких часов использования.

Строительство

Эти элементы почти всегда требуют подключения изолированных выводов. Для температур ниже примерно 250 °C используются изоляторы из ПВХ, силиконовой резины или ПТФЭ. Выше этой температуры применяют стекловолокно или керамику. Точка измерения и, как правило, большая часть выводов требуют корпуса или защитной гильзы, часто изготавливаемой из металлического сплава, химически инертного к контролируемой среде. Выбор и проектирование защитных гильз может потребовать больше внимания, чем проектирование самого датчика, поскольку гильза должна выдерживать химическое или физическое воздействие и обеспечивать удобные точки крепления. Конструкция термосопротивления может быть улучшена для повышения устойчивости к ударам и вибрации за счет добавления в гильзу уплотненного порошка оксида магния (MgO). MgO используется для изоляции проводников от внешней гильзы и друг от друга. Применение MgO обусловлено его диэлектрической проницаемостью, округлой структурой зерна, термостойкостью и химической инертностью.

Конфигурация двух проводов

Простейшая конфигурация термометра сопротивления использует два провода. Она применяется только в тех случаях, когда не требуется высокая точность, так как сопротивление соединительных проводов суммируется с сопротивлением датчика, что приводит к погрешностям измерений. Эта конфигурация позволяет использовать кабель длиной до 100 метров. Это справедливо как для сбалансированных, так и для фиксированных мостовых схем. Для сбалансированного моста обычно устанавливают R2 = R1, а R3 – примерно в середине диапазона сопротивлений термометра сопротивления. Например, если мы планируем измерять в диапазоне, где сопротивление термометра сопротивления изменяется от 100 Ом до 138,5 Ом, мы выберем R3 = 120 Ом. Это позволит получить небольшое измеряемое напряжение на мосту.

Трехпроводная конфигурация

Для минимизации влияния сопротивления проводов, можно использовать трехпроводную конфигурацию. Рекомендуемая настройка для представленной конфигурации – R1 = R2, а R3 – примерно посередине диапазона RTD. Рассматривая схему моста Уитстона, падение напряжения на нижнем левом плече равно VRTD + Vlead, а на нижнем правом плече – VR3 + Vlead. Следовательно, напряжение моста (Vb) является разностью: VRTD – VR3. Таким образом, падение напряжения, вызванное сопротивлением проводов, компенсируется. Это справедливо всегда, когда R1 = R2 и R1, R2 >> RTD, R3. R1 и R2 могут использоваться для ограничения тока, протекающего через RTD; например, для PT100, ограничение до 1 мА при 5 В предполагает ограничивающее сопротивление примерно R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5000 Ом.

Конфигурация с четырьмя проводами

Конфигурация сопротивления с четырьмя проводами повышает точность измерения сопротивления. Четырехточечное измерение устраняет падение напряжения в измерительных проводах как источник погрешности. Для дальнейшего повышения точности любые остаточные термоэлектрические напряжения, возникающие из-за различных типов проводов или винтовых соединений, устраняются путем изменения направления тока 1 мА и подключения проводов к цифровому вольтметру (DVM). Термоэлектрические напряжения будут генерироваться только в одном направлении. Усреднение результатов измерений, выполненных при обратном направлении тока, позволяет исключить влияние термоэлектрических напряжений на точность.

Классификация ОТР

Наивысшей точностью среди всех PRT обладают ультраточные платиновые термометры сопротивления (UPRT). Эта точность достигается за счет прочности и стоимости. Элементы UPRT намотаны из платиновой проволоки эталонного качества. Внутренние выводные провода обычно изготавливаются из платины, а внутренние опоры – из кварца или кварцевого стекла. Защитные оболочки обычно изготавливаются из кварца или, в некоторых случаях, из инконеля, в зависимости от диапазона температур. Используется платиновая проволока большего диаметра, что увеличивает стоимость и приводит к снижению сопротивления датчика (обычно 25,5 Ом). UPRT имеют широкий диапазон температур (от -200 °C до 1000 °C) и обеспечивают точность примерно ±0,001 °C в этом диапазоне. UPRT предназначены исключительно для лабораторного использования. Другая классификация лабораторных PRT – стандартные платиновые термометры сопротивления (стандартные SPRT). Они изготавливаются по принципу UPRT, но с использованием более экономичных материалов. В SPRT обычно используется платиновая проволока меньшего диаметра эталонного качества, металлические оболочки и керамические изоляторы. Внутренние выводные провода обычно изготавливаются из сплава на основе никеля. Стандартные PRT имеют более ограниченный диапазон температур (от -200 °C до 500 °C) и обеспечивают точность примерно ±0,03 °C в этом диапазоне. Промышленные PRT разработаны для работы в промышленных условиях. Они могут быть почти такими же прочными, как термопары. В зависимости от применения, промышленные PRT могут использовать тонкопленочные или обмоточные элементы. Внутренние провода могут быть выполнены из многожильного никелированного медного провода с изоляцией из PTFE или серебряной проволоки, в зависимости от размера датчика и области применения. Материал оболочки обычно – нержавеющая сталь; для применений при более высоких температурах может потребоваться инконель. Для специализированных применений используются другие материалы.

История

В 1821 году сэр Хамфри Дэви объявил об открытии зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Практическое применение тенденции электрических проводников увеличивать свое электрическое сопротивление с ростом температуры впервые было описано сэром Уильямом Сименсом в Бейкеровской лекции 1871 года перед Королевским обществом Великобритании, где он предложил платину в качестве подходящего материала. Космические шаттлы широко использовали платиновые термометры сопротивления. Единственный случай остановки главного двигателя космического шаттла в полете – миссия STS-51F – был вызван множественными отказами термосопротивлений (RTD), которые стали хрупкими и ненадежными из-за многочисленных циклов нагрева и охлаждения. (Отказы датчиков ложно указывали на критический перегрев топливного насоса, что привело к автоматическому отключению двигателя.) После инцидента с двигателем термосопротивления были заменены на термопары.