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.
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):
куда
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.
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.
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).
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.
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.
К преимуществам платиновых термометров сопротивления можно отнести:
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.
Два наиболее распространенных способа измерения температуры для промышленного применения - это резистивные датчики температуры (RTD) и термопары. Выбор между ними обычно определяется четырьмя факторами.
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.
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.
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 gt;gt; 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 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.
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.
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.
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 :
Вот сопротивление при температуре T, - сопротивление при 0 ° C, а константы (для платинового RTD α = 0,00385) равны:
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:
Тогда для четырехпроводной конфигурации с прецизионным источником тока 1 мА соотношение между температурой и измеренным напряжением будет
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 |