Термоперетворювач опору: типи і принцип роботи

Термоперетворювачі опору, також звані резистивними датчиками температури (RTD), є пристроями, які використовуються для вимірювання температури. Багато RTD-елементи складаються з тонкої дроту, оберненої навколо керамічної або скляної сердечника, але також використовуються й інші конструкції.

Провід RTD — це чистий матеріал, зазвичай платина, нікель або мідь. Метал має точне співвідношення опору і температури, яке використовується для індикації температури. Оскільки елементи RTD є крихкими, вони часто розміщуються в захисних датчиках.

RTD, які мають більш високу точність і повторюваність, повільно замінюють термопари в промислових застосуваннях при температурі нижче 600 ° C.

Конструкція

Звичайні чутливі елементи RTD, виготовлені з платини, міді або нікелю, мають повторюване співвідношення опору до температури (R проти T) і діапазон робочих температур. Ставлення Rs до T визначається як величина зміни опору датчика на градус перетворення температури. Відносна зміна опору (температурний коефіцієнт опору) змінюється незначно в межах корисного діапазону датчика.

Платина була запропонована сером Вільямом Сіменсом в якості елемента для резистивного температурного детектора на лекції Бейкера в 1871 році: це благородний метал і має найбільш стабільне співвідношення опір-температура в найбільшому діапазоні температур.

Нікелеві елементи мають обмежений температурний діапазон, тому що величина зміни опору на градус перетворення температури стає дуже нелінійної при температурах вище 300 ° C (572 ° F). Мідь має дуже лінійне відношення опору до температури, однак вона окислюється при помірних температурах і не може використовуватися при нагріванні вище 150 ° C (302 ° F).

Характеристики сполук

Чиста платина має α = 0,003925 Ω / (Ω · ° C) в діапазоні від 0 до 100 °C і використовується при створенні RTD лабораторного рівня. І, навпаки, два широко визнаних стандарту для промислових термоперетворювачів опору IEC 60751 і ASTM E-1137 визначають α = 0,00385 Ом / (Ом · °C). До того, як ці стандарти отримали широке поширення, використовувалося кілька різних значень. Ще можна знайти більш старі датчики, виготовлені з платини, які мають α = 0,003916 Ом / (Ом · °C) і 0,003902 Ом / (Ом · °C).

Ці різні значення α для платини досягаються легуванням: в основному, обережно вводячи домішки в платину. Останні, додані під час цього процесу, впроваджуються в гратчасту структуру платини і призводять до іншої кривої R відносно T і, отже, до значення α.

Принцип роботи

Щоб охарактеризувати залежність R від T для будь-якого RTD в діапазоні температур, який представляє собою запланований діапазон використання, калібрування повинна виконуватися при градусах, відмінних від 0 °C до 100 °C. Це необхідно для задоволення вимог налаштування.

Хоча RTD вважаються лінійними в роботі, необхідно довести, що вони точні відносно температур, при яких вони будуть фактично використовуватися (див. «Подробиці» опції калібрування порівняння). Два поширені методи калібрування — це з фіксованою комою і порівняння.

Калібрування

Налаштування з фіксованою точкою використовується для отримання найвищої точності національними метрологічними лабораторіями. Він використовує потрійну точку, температуру замерзання або плавлення чистих речовин, таких як вода, цинк, олово і аргон, для створення відомої і повторюваної температури.

Ці комірки дозволяють користувачеві відтворювати фактичні умови температурної шкали ITS-90. Калібрування з фіксованою точкою забезпечує надзвичайно точну настройку (в межах ± 0,001 °C). Поширеним методом калібрування з фіксованою точкою для промислових датчиків є крижана лазня. Обладнання недороге, просте у використанні і може вмістити кілька датчиків одночасно. Точка льоду позначена як вторинний стандарт, оскільки її точність становить ± 0,005 °C (± 0,009 °F) порівняно з ± 0,001 °C (± 0,0018 °F) для основних фіксованих точок.

Порівняльні калібрування зазвичай використовуються з вторинними SPRT і промисловими RTD. Відкаліброване термометри порівнюються з налаштованими термопреобразователями опору з допомогою ванни, температура якої рівномірно стабільна.

На відміну від калібрування з фіксованою точкою, порівняння може бути виконано при будь-якій температурі від -100 °C до 500 °C (від -148 °F до 932 °F). Цей метод може бути більш економічним, так як кілька датчиків здатні калібруватися одночасно з допомогою автоматичного устаткування. В цих ваннах з електричним підігрівом і добре перемішуваній водою використовуються силіконові масла і розплавлені солі в якості середовища для різних налаштувань температур.

Типи термоперетворювачів опору

Три основні категорії датчиків RTD — це тонкоплівкові, дротяні та спіральні елементи. У той час як ці типи є найбільш широко використовуються в промисловості, застосовуються інші більш екзотичні форми: наприклад, вуглецеві резистори використовуються при наднизьких температурах (від -173 °C до -273 °C).

Вуглецеві резисторні елементи дешеві і поширені. Вони мають дуже відтворювані результати при низьких температурах. Також є найбільш надійною формою при екстремально низьких температурах. Як правило, вони не страждають від значного гістерезису або тензометричних ефектів.

В елементах без натягу використовується дротяна котушка, мінімально підтримувана в герметичному корпусі, заповненому інертним газом. Ці датчики працюють до 961,78 °C і використовуються в SPRT, які визначають ITS-90. Вони складаються з платинового дроту, без натягу намотаною на опорну конструкцію, тому елемент може вільно розширюватися і стискуватися в залежності від температури. Вони дуже чутливі до ударів і вібрації, так як петлі платини можуть розгойдуватися взад і вперед, викликаючи деформацію. Типовий приклад — термоперетворювач опору pt100.

Тонка плівка

Тонкоплівкові елементи мають чутливий елемент, який формується шляхом нанесення дуже тонкого шару резистивного матеріалу, зазвичай платинового, на керамічну підкладку (покриття). Цей шар зазвичай має товщину від 10 до 100 нг (від 1 до 10 нанометрів).

Ця плівка потім покривається епоксидною смолою чи склом, яке допомагає захистити її, а також діє, як засіб від натягу для зовнішніх підвідних дротів. Недоліки цього типу полягають в тому, що вони не такі стабільні, як їх дротові або спіральні аналоги.

Вони також можуть бути використані тільки в обмеженому температурному діапазоні з-за різних швидкостей розширення підкладки і осадження з опором, що дає ефект «тензометричного датчика», який можна побачити в коефіцієнті питомої температури. Ці елементи працюють при температурах до 300 °C (572 °F) без додаткової упаковки, але можуть витримувати до 600 °C (1112 °F), коли вони належним чином укладені у скло або кераміку. Спеціальні високотемпературні термоперетворювачі опору можуть використовуватися при температурі до 900 °C (1652 °F) з правильною герметизацією.

Дротяна обмотка

Елементи з дротяною обмоткою можуть мати більшу точність, особливо для широкого діапазону температур. Діаметр котушки забезпечує компроміс між механічною стабільністю і можливістю розширення дроту для мінімізації деформації та подальшого дрейфу. Чутливий провід намотується на ізолюючу оправлення або сердечник. Останній може бути круглим або плоским, але повинен бути електричним ізолятором.

Коефіцієнт теплового розширення матеріалу сердечника, обмотки узгоджений з чутливим проводом, щоб мінімізувати будь-яку механічну навантаження. Ця деформація на елементному проводі призведе до похибки вимірювання температури. Чутливий елемент з’єднаний з більш великим дротом. Він вибирається так, щоб створювалася сумісність з чутливим проводом, а їх комбінація не виробляла ЕРС, яка спотворила б теплові вимірювання. Ці елементи працюють з температурою до 660 °С.

Спіралі

Подібні елементи значною мірою замінили дротяні у промисловості. Це особливо помітно у випадку з 50 М термопреобразователями опору. Ця конструкція має дротяну котушку, яка може вільно розширюватися, в залежності від температури, і утримуватися на місці певною механічною опорою, яка дозволяє котушці зберігати свою форму.

Така конструкція без натягу дозволяє чутливого проводу розширюватися і стискатися без впливу інших матеріалів: в цьому відношенні він аналогічний SPRT, первинного стандарту, на якому заснований ITS-90, забезпечуючи при цьому довговічність, необхідну для промислового використання.

Основою чутливого елемента є невелика котушка з платинового дроту. Ця котушка нагадує нитку в лампі розжарювання. Корпус або оправлення являє собою твердо обпалену керамічну оксидну трубку з однаково розташованими отворами, що проходять поперек осей. Котушка вставляється в отвори оправки і потім упаковується дуже тонко подрібненим керамічним порошком. Це дозволяє сенсорному проводу рухатися, залишаючись при цьому в хорошому тепловому контакті з процесом. Ці елементи працюють при температурі до 850 °С.

Стандарти і норми

В даний час міжнародним стандартом, який встановлює допуск і ставлення температури до електричного опору для платинових термоперетворювачів опору ТСП, є IEC 60751: 2008; ASTM E1137 також використовується в США.

Безумовно, найбільш поширені пристрої, що використовуються у промисловості, мають номінальний опір 100 Ом при 0 °C і називаються датчиками Pt100 («Pt» — символ для платини, «100» для опору в Ом при 0 °C). Також можна отримати датчики Pt1000, де 1000 — це опір в омах при 0 °C. Чутливість стандартного датчика 100 Ом становить номінальну 0,385 Ом / °C. Також доступні RTD з чутливістю 0,375 і 0,392 Ом / °C, а також безліч інших.

Термоперетворювачі опору ТСМ конструюються в декількох формах і в ряді випадків забезпечують більшу стабільність, точність і повторюваність, ніж пари. У той час як термопари використовують ефект Зеєбека для генерації напруги, вищезазначені прилади використовують електричне опір і вимагають джерела живлення для роботи. Воно в ідеалі змінюється майже лінійно з температурою у відповідності з рівнянням Каллендара – Ван Дюзена. Для його виміру добре підходить термоперетворювач опору ДТЗ.