Резистивные термометры

Сопротивление проводников (металлов), как правило, возрастает при повышении температуры. Изменение сопротивления от температуры описывается выражением:

,

где: R_t – сопротивление при температуре Т ⁰С;

R₀ – сопротивление при 0 ⁰С;

l_i – константы.

Число членов разложения зависит от материала, интервала температур и требуемой точности.

Чаще всего в качестве материала терморезистора используется платина, никель, медь. Для представления их характеристик с высокой точностью требуется две (платина) или три (никель и медь) константы l_i. В ограниченном диапазоне температур (от 0 до 100 ⁰С) хорошую точность обеспечивает аппроксимация

.

Ранее в резистивных термометрах использовалась медная проволока, но из-за низкого удельного сопротивления меди, для намотки практически работающего элемента требовался провод очень большой длины. В настоящее время наибольшее распространение получили датчики из платины. Как благородный металл, платина менее восприимчива к посторонним примесям. При температурах менее 20 ⁰К используется родий, который характеризуется более высокой чувствительностью, чем платина, кроме того, используются элементы, которые изготавливаются из никеля и его сплавов, поскольку они имеют низкую стоимость и достаточно высокое значение удельного сопротивления. Тем не менее, наблюдается устойчивая тенденция к замене их платиновыми элементами.

Рисунок 9.14 – Характеристики резистивных датчиков температуры

На рис. 9.14 приведены характеристики платинового, медного и никелевого РДТ (характеристика манганина приведена для сравнения). Платина используется как в проволочных, так и в пленочных элементах. Элементы из чистой платины формируются посредством бездеформационной намотки и затем обжигаются.

Резистивные термометрические мосты могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Величина постоянного или эффективного значения переменного тока обычно выбирается от 2 до 20_mА. Например, платиновый элемент открытой конструкции с сопротивлением 450_W, по которому протекает ток 25_mА, при погружении в ванну из жидкого кислорода имеет погрешность самонагрева приблизительно 0,2 ⁰С. На практике прослеживается тенденция к пропусканию повышенного тока через датчик для получения более сильной зависимости выходного напряжения от температуры.

Характеристики РДТ более точны по сравнению с термопарами и линейны в более широком диапазоне температур. На рис. 9.15 для сравнения показан температурный коэффициент РДТ имеющий сопротивление 100 W и коэффициент Зеебека термопары типа S. По всему диапазону (приблизительно от –200 ⁰С до +850 ⁰С), РДТ более линейны. Следовательно, процесс линеаризации РДТ менее сложен.

Рисунок 9.15 – Резистивные датчики температуры (РДТ)

В противоположность термопарам, РДТ являются пассивными датчиками и для получения выходного напряжения требуют наличия тока возбуждения. Малый температурный коэффициент РДТ (ТК = 0,385 %/⁰С) требует схемы нормирования сигналов с высокими рабочими характеристиками подобно тем, которые используются при обработке сигналов с термопар; в тоже время падение напряжения на РДТ много больше, чем выходное напряжение термопар. Можно выбрать РДТ большой величины с более высоким выходным сигналом, но РДТ большой величины дают слишком большие значения постоянных времени. Хотя стоимость РДТ и выше, чем стоимость термопары, в них применяются медные выводы и термоэлектрические эффекты, связанные с соединительными проводами, не влияют на их точность. И, наконец, поскольку их сопротивление является функцией абсолютной температуры, РДТ не требуют компенсации холодного спая.

При использовании тока возбуждения необходимо учитывать, что протекание тока через РДТ приводит к его разогреву. Этот саморазогрев изменяет температуру РДТ и проявляется как ошибка измерения. Следовательно, особое внимание следует уделять конструированию схемы нормирования с тем, чтобы величина саморазогрева составляла менее 0,5 ⁰С. Изготовители специфицируют ошибки связанные с саморазогревом для различных номиналов и размеров РДТ в воздушном потоке и без него. Для того чтобы уменьшить ошибки из-за саморазогрева следует использовать минимально возможные токи возбуждения для достижения требуемого разрешения системы и выбирать РДТ с наибольшими номиналами, дающими, однако, приемлемые по величине постоянные времени.

Рисунок 9.16 – Платиновый РДТ 100 Ом с соединительными медными проводами диаметром 0,25 мм длиной 30 м

Другим эффектом, который может дать ошибки измерения является падение напряжения на соединительных проводах к РДТ. Это особенно важно при использовании низкоомных двухпроводных РДТ, поскольку температурный коэффициент и абсолютная величина сопротивления РДТ малы. Если РДТ располагается на значительном расстоянии от схемы нормирования сигналов, то сопротивление соединительных проводов может составлять единицы или даже десятки Ом, и, казалось бы, малая величина сопротивления проводов может внести значительную ошибку в измерение температуры. Предположим, что 100 Ом платиновый РДТ с соединительными медными проводами диаметром 0,25 mm располагается на расстоянии 30 m от контроллера. Погонное сопротивление медного провода указанного выше диаметра составляет 0,35 W/m, а два провода к РДТ внесут в сумме 21 Ом в цепь, которая показана на рис. 9.16. Это дополнительное сопротивление даст ошибку в измерении в 55 ⁰С. ТК проводов может внести дополнительную и, возможно, значительную, ошибку в измерения. Для того чтобы исключить влияние сопротивления проводников используются 4-проводной способ включения.

Рисунок 9.17 – Повышения точности измерения с использованием 4-проводного или Кельвиновского подключения к РДТ

На рис. 9.17 показано 4-проводное или Кельвиновское подключение к РДТ. Постоянный ток подается через силовые проводники РДТ, а напряжение с РДТ измеряется дистанционно с помощью измерительных проводников. Можно достичь высокой точности измерения при условии, что измерительное устройство обладает высоким входным импедансом и низким входным током. Поскольку измерительные проводники не передают заметного тока, данный метод измерения не чувствителен к длине проводника. Источниками ошибок в этой методике являются нестабильность постоянного тока возбуждения, входной импеданс и входные токи усилителя или цифрового вольтметра.

РДТ обычно включаются в 4-резисторную мостовую цепь. Выход моста усиливается для дальнейшей обработки с помощью ИУ. Однако применение для измерения АЦП с высоким разрешением позволяет квантовать непосредственно выходной сигнал с РДТ. Таким же образом может выполняться на цифровом уровне и линеаризация, что упрощает требования к аналоговым цепям.

На рис. 9.18 показан 100 W платиновый РДТ питаемый током от источника тока возбуждения 400 μА. Отметим, что источник тока возбуждения РДТ также создает опорное напряжение 2,5 V для АЦП, используя резистор 6,25 kW.

Рисунок 9.18 – Подключение платинового РДТ к АЦП с высоким разрешением

Изменение тока возбуждения не влияет на точность схемы, поскольку как входное напряжение, так и опорное напряжение измеряются относительным образом. В тоже время резистор 6,25 kW должен обладать, как можно меньшим температурным коэффициентом, с тем, чтобы избежать ошибок измерения. Применение АЦП с высоким разрешением, в составе которого имеется усилитель с программируемым усилением (PGA, усиление от 1 до 128), исключает необходимость использования дополнительной нормирующей цепи.

Термисторы

Термисторы – это термочувствительные резистивные элементы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов (смеси сульфидов, оксидов никеля, марганца, магния, титана, кобальта, меди, железа). Эти материалы формируются в небольшие шарики (бусинки), диски, стержни (обычно герметизированные стеклом или эпоксидной смолой). Большинство термисторов характеризуется высоким удельным сопротивлением и высоким отрицательным ТКС (температурный коэффициент сопротивления), т.е. сопротивление таких термисторов понижается с повышением температуры. Величина отрицательного ТКС может составлять несколько процентов на ⁰С. Это позволяет использовать термисторы для определения малых изменений температуры, которые не удается наблюдать с помощью резистивных датчиков температуры и термопарных схем. Однако, наряду с повышенной чувствительностью, термистор характеризуется большой нелинейностью характеристики.

Существуют термисторы и с положительным ТКС. Эти термисторы часто называются переключательными из-за специфической зависимости сопротивления от температуры. При увеличении температуры их сопротивление остается практически постоянным, пока не достигается температура переключения (точка Кюри), вблизи которой каждое дополнительное приращение температуры вызывает резкое увеличение сопротивления. Температура переключения может варьироваться от –20 до +15 ⁰С. Термисторы с положительным ТКС часто используются как термостатирующее реле для контроля и регулирования температуры внутри печи.

Рисунок 9.19

На рис. 9.19 приведены температурные зависимости сопротивления термисторов с отрицательным и положительным ТКС и платинового термометра.