Термометром сопротивления называют измерительный прибор, работающий в широком температурном диапазоне в различных промышленных условиях. Дополнительные названия устройства – термопреобразователь сопротивления и терморезистор.
Основными достоинствами термометра сопротивления являются повышенная стабильность, близость характеристики к линейной зависимости и высокая взаимозаменяемость.
Среди его недостатков можно отметить необходимость применения трехпроводной или четырехпроводной схемы включения для точности измеряемых показателей.
Принцип действия измерительного устройства
Действие термопреобразователя основывается на свойстве различных материалов изменять свое электрическое сопротивление при разных температурных условиях – этот параметр называется температурным коэффициентом электрического сопротивления.
Измененная температура влечет за собой смену теплового колебания кристаллической решетки металла и изменение электрического сопротивления сенсора. Таким образом, чем выше температура чувствительного сенсора, тем значительнее колебания кристаллической решетки, и тем выше уровень электрического сопротивления.
Как вторичный температурный датчик, термоперобразователь нуждается в тщательной калибровке перед началом измерительного процесса. Это выполняется с помощью замеров сопротивления в реперных точках и последующем выстраивании временной зависимости от сопротивления. Сам термопреобразователь, при этом, должен приобрести температурный показатель, аналогичный среде измерения.
На точность показателей могут повлиять наличие примеси в металлах сенсора и возможные дефекты конструкции. Их неоднородная структура способна изменить сопротивление и скорость выхода на стационарные показатели для определенной температуры.
Для правильного измерения температур важно обеспечить грамотный тепловой контакт с измеряемым объектом.
Габариты сенсора должны находиться на минимально необходимом уровне, что исключит вероятность увеличения срока замера и позволит зафиксировать быстроизменяющиеся процессы.
Устройство термопреобразователя
Конструкция данного прибора состоит термочувствительного элемента (одного или нескольких) и внутренних соединительных проводов, которые находятся в защитном корпусе герметичного типа, и дополненных внешними выводами для подключения к прибору измерения.
Чувствительным элементом устройства является резистор, изготовленный из металлической проволоки или пленки, и имеющий выводы для подключения соединительных проводов.
Виды термопреобразователей сопротивления
Термопреобразователи разделяются на несколько видов:
• Металлические.
• Полупроводниковые.
• Угольные.
• Сверхпроводящие.
Металлический тип термопреобразователей
Эти устройства предназначены для проведения замеров в широком температурном интервале (конкретный диапазон зависит от вида металла). Чаще всего этот прибор представляет собой расположенную в изолированном корпусе проволоку сечением до 0,1мм определенной длины. Среди этих термометров сопротивления наиболее часто встречаются устройства из платины, никеля и меди.
Для платиновых термопреобразователей характерна высокая стабильность и точность показаний. Этот прибор демонстрирует высокое удельное сопротивление и способен проводить замеры в самом широком диапазоне температур. Платиновый термопреобразователь получил наибольшую распространенность в промышленных областях разных стран мира.
Измерительный прибор из никеля имеет самый высокий коэффициент температуры и самый большой выходной сигнал сопротивления. Минус устройства – при превышении точки Кюри (352°С) возможно возникновение непредсказуемого гистерезиса характеристик. Некоторое время назад практиковалась установка подобных терморезисторов в кораблестроении совместно с самописцами. Сейчас данный тип приборов распространен, но все же меньше, чем платиновые устройства.
Медные термопреобразователи обладают наиболее линейной характеристикой при ограниченном температурном диапазоне. За счет низкого удельного сопротивления в этом типе устройств необходимо устанавливать проволоку увеличенной длины. Сфера применения данных приборов: электростанции, электрогенераторы и т.д.
Полупроводниковые термометры
Стабильные, чувствительные, с высокой точностью измерения, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления способны фиксировать даже быстропротекающие процессы. Проводить замеры с их помощью можно и при низком температурном режиме благодаря отсутствию необходимости пропускания больших измерительных токов. Конструкция такого термометра представляет собой полупроводник, помещенный в герметичный корпус из меди.
Угольные термометры
Большинство характеристик данного устройства схожи со свойствами полупроводниковых термометров. В основе изготовления угольных термометров лежит принцип спекания крошечных частиц угля промышленным способом при высоких показателях давления. Подобная технология и низкая себестоимость материалов делают угольные термометры доступными по цене. Тем не менее, главный недостаток приборов – низкая стабильность – обуславливает необходимость их постоянной калибровки или проведения регулярных проверок стабильности. Также к минусам прибора можно отнести установку температурного равновесия в самом устройстве.
Сверхпроводящие термопреобразователи
Эта разновидность термометров применяется при замерах в низком температурном режиме: от -265°С до -272°С. Особенностью конструкции прибора можно назвать добавление к чистым металлам на сенсорных датчиках ряда сортов фосфористой бронзы. Это позволяет расширить переход из состояния нормы в сверхпроводящее состояние при увеличении точности изменений.
Платиновые термометры сопротивления
Среди всех разновидностей терморезисторов самыми востребованными считаются платиновые устройства. Во-первых, из-за высокого температурного коэффициента сопротивления, делающим эксплуатацию данных приборов предельно простой. Во-вторых, из-за низкой окисляемости металла, обеспечивающей длительный срок службы сенсоров.
Кроме того, погрешность в показаниях именно у платиновых резисторах минимальна, что сделало их оптимальным вариантом для проверки других типов датчиков. Однако на практике эталонные термометры (используемые для калибровки) приходится изготавливать из платины максимальной чистоты и с определенным коэффициентом температуры, за счет чего стоимость эталонных приборов в десятки раз превышает стоимость промышленных платиновых термометров сопротивления. Также эталонные термометры крайне чувствительны к механическим воздействиям, тряске, вибрациям и могут выйти из строя при тепловом ударе.
Разновидности платиновых терморезисторов зависят от использованного в устройстве типа чувствительного элемента.
Типы чувствительных элементов в платиновых термопреобразователях
На сегодняшний день выделяют следующие разновидности чувствительных элементов:
1. В виде «свободной от напряжения спирали».
2. В виде «полой конструкции».
3. Устройство из пленки.
4. Устройство из платины со стеклянной оболочкой.
Самым распространенным и надежным видом является «свободная от напряжения спираль», чаще всего его можно встретить у российских производителей. Внешне этот элемент может выглядеть по-разному – в зависимости от использованных материалов и величины отдельных деталей.
«Полая конструкция» – тип устройства, внедренный сравнительно недавно. Чаще всего он востребован на промышленных предприятиях, связанных с особым производством (например, в атомной промышленности). Тип конструкции данного сенсора обуславливает его значительную точность, надежность и стабильность в эксплуатации. Повышенная себестоимость материалов сборки делает эту деталь весьма дорогостоящей.
К числу чувствительных элементов, широко применяемых за рубежом, относится пленочный тип, при котором на керамическую подложку нанесен тонкий платиновый слой. Данная разновидность имеет массу преимуществ: невысокую стоимость, практичность, небольшие габариты и малый вес. Минусом устройства называют низкую стабильность, однако в последнее время проводятся постоянные разработки и исследования, направленные на устранение этого недостатка.
Устройство, представляющее собой платиновую проволоку с покрытием из стекла, можно назвать одной из наиболее функциональных за счет полной герметизации и устойчивости к высокой влажности. Тем не менее, использовать этот прибор можно лишь при определенном температурном режиме. Стоимость этого типа элемента относится к сегменту выше среднего.
Область применения термопреобразователей сопротивления
Данные приборы применяются в промышленной сфере для измерения показателей температуры в разнообразных рабочих средах (жидких, сыпучих, газообразных), в сфере автомобилестроения, печестроения, в нагревательной, холодильной и климатической электротехнике – везде, где требуется определение прямой зависимости электрического сопротивления от температуры.
Диапазон измерения температур устройств составляет от -272°С до +1000°С, в зависимости от типа терморезистора. Для точности полученных сенсором данных конструкция терморезистора должна быть стабильной и чувствительной, способной на проведение замеров в особых условиях (например, при наличии агрессивной среды, тряски, вибраций и т.д.).
Чаще всего при проведении замеров терморезистором дополнительно используется такие устройства, как потенциометры, логометры и измерительные мосты. Они помогают настроить высокую точность термопреобразователя.
Современные термопреобразователи сопротивления – это надежные и функциональные устройства, обеспечивающие проведение замеров на уровне, недоступном для других датчиков. Для оптимального результата измерений важно выбрать тип терморезистора с характеристиками, подходящими для работы в конкретных условиях и определенном температурном режиме.
Добавить комментарий