Термопреобразователи сопротивления. Устройство, характеристики, виды и типы, схемы термопреобразователей сопротивления ТСП, ТСМ, ТСПУ, ТСМУ. Разновидности и конструкция термопреобразователей сопротивления

Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП) могут иметь следующие сопротивления при 0 °С: 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом, и поэтому имеют следующее обозначение номинальных статических характеристик 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и 500П. ТСП используются для измерения температуры в интервале (-260… 1100) °С и являются наиболее распространенным типом термопреобразователей сопротивления. При выборе ТСП следует использовать общий принцип — низкоомные ТС необходимо применять для измерения высоких температур, а высокоомные — для измерения низких температур.

Кроме того, при использовании высокоомных ТСП влияние изменения сопротивления внешней линии сказывается меньше, чем при использовании низкоомных. Недостатком платиновых ТС является нелинейность статической характеристики, особенно в области высоких и отрицательных температур, возможность загрязнения платины при высоких температурах, подверженность воздействию восстановительных и агрессивных газов. В интервале температур (0…600) °С зависимость сопротивления от температуры описывается нелинейным выражением

Rt = R0(1 + At + Bt²)

Обычно в таблицах задаются значения Wt = Rt / R0 в зависимости от температуры. В этом случае номинальные статические характеристики преобразования рассчитываются по (2) и даны в табл. 2. предыдущей статьи.

Для изготовления платиновых термопреобразователей сопротивления используется проволока диаметром от 0,05 до 0,1 мм (для использования в температурном интервале до 750 °С) и диаметром (0,2…0,5) мм для измерения температур до 1100 °С. Типовой конструкцией чувствительного элемента является конструкция, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя:

1 — платиновые спирали; 2 — керамический каркас; 3 – изоляционный порошок;  4— выводы; 5 — глазурь; 6 — металлическая оболочка

Чувствительный элемент состоит из соединенных последовательно двух платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 2. Каналы каркаса со спиралями заполняются порошком 3 (обычно это оксид магния), который служит изолятором и улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные выводные проводники. Торцы керамического каркаса герметизируются специальной глазурью 5. Каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 6, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропущены выводы. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух спиралей (двойные ТС). Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность чувствительного элемента, незначительное механическое напряжение платиновой проволоки, достаточную прочность и вибростойкость. Длина платиновых чувствительных элементов обычно равна 50…100 мм при диаметре 3…6 мм. Все свободное пространство заполнено изолирующим порошком. Предельные погрешности ТСП приведены в табл. 1. предыдущей статьи

Медные термопреобразователи сопротивления (ТСМ) применяются для длительного измерения температуры в интервале от -200 до 200 °С. К достоинствам меди как материала для чувствительных элементов следует отнести дешевизну, возможность получения в чистом виде, хорошую технологичность, линейность зависимости сопротивления Rt от температуры t. Статическая характеристика преобразования у ТСМ описывается уравнением  

Rt = R0(1 + α * t), где α — температурный коэффициент, равный

0,00428 °С^-1, R0 — сопротивление ТСМ при 0 °С.

Линейность статической характеристики является достоинством меди, а ее недостатком — интенсивная окисляемость, что ограничивает диапазон применения ТСМ температурой 200 °С и требует покрытия изоляцией проволоки чувствительного элемента. Проволока может покрываться либо эмалью, либо кремнийорганической изоляцией. Чувствительный элемент медного термопреобразователя сопротивления состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на каркас (рис. 3, а).

Рис. 3. Чувствительные элементы медных термопреобразователей:

а — с каркасной намоткой:  1 — намотка; 2 — каркас; 3 — слой лака; 4 — защитная оболочка; 5 — выводы; б — с бескаркасной намоткой: 1 — намотка; 2 — фторопластовая оболочка; 3 — защитная оболочка; 4 — изолирующий порошок; 5 — выводы

Намотка должна быть безындуктивной, т.е. индуктивное сопротивление чувствительного элемента (ЧЭ) термопреобразователя сопротивления должно быть минимальным. Это связано с тем, что ЧЭ содержит большое число витков медного провода и при обычной намотке будет иметь значительную индуктивность. Поскольку вторичные приборы для ТС (автоматические мосты) имеют измерительные схемы, питаемые электрическим переменным током, индуктивное сопротивление одного из плеч (в данном случае ЧЭ) будет влиять на режим уравновешивания. Для обеспечения безындуктивности обычно выполняется бифилярная намотка — намотка вдвое сложенным проводом. Поверхность намотки покрывается слоем лака. К концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1… 1,5 мм. ЧЭ помещается в металлическую защитную оболочку, засыпанную изолирующим порошком и герметизированную. Чувствительные элементы могут быть бескаркасными (рис. 3, б). Они изготавливаются из медной проволоки диаметром 0,08 мм безындуктивной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, а затем весь ЧЭ обернут фторопластовой пленкой. ЧЭ помещается в тонкостенную металлическую оболочку, которая засыпается изолирующим порошком и герметизируется.

Недостатком меди, как материала для термопреобразователя сопротивления, является также малое удельное сопротивление, так как для изготовления ЧЭ при этом требуется много проволоки, что увеличивает размеры ЧЭ и ухудшает динамические свойства ТС.

По ГОСТ Р50353-92 медные термопреобразователи сопротивления (сокращенное обозначение ТСМ) должны иметь номинальное сопротивление при 0 °С, равное 10, 50, 100 Ом, при этом номинальные (т.е. идеальные) статические характеристики преобразования (НСХ) условно обозначаются ЮМ, 50М, 100М (таким образом, в обозначении НСХ цифра — это сопротивление термопреобразователя сопротивления при 0 °С в омах, буква — обозначение материала — медь). Для всех разновидностей ТСМ аналитическое выражение НСХ одинаково:

Rt = R0 (1 + α * t)

причем коэффициент α  = 0,00428 (1/°С) одинаков для всех ТСМ (по стандартам МЭК он может быть равным 0,00426 1/°С). Различие НСХ только в значении R0. Медные ТС обычно выпускаются с классами допуска В и С. Предельные значения отклонений приведены в табл. 1. предыдущей статьи

В общем виде чувствительность для термопреобразователя сопротивления определяется выражением

S = ΔRt / At,          (5)

при Δt стремящемся к нулю

S = dRt / dt,        (6)

где d — символ производной.

По табл. 1 погрешность термопреобразователя сопротивления выражается в градусах (Δt). Она может быть выражена в единицах сопротивления ΔR, связанных с Δt (в градусах) через коэффициент преобразования:

ΔR = Δt * S.               (7)

Арматура ТС бывает двух исполнений: с головкой и без нее. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Внутреннее устройство ТС с головкой представлено на рис. 4.

Чувствительные элементы помещаются в защитную арматуру, подобную изображенной на рис. 4.

Рис. 4. Устройство термопреобразователя сопротивления с головкой и без крепежных деталей:

1 — чувствительный элемент; 2 — защитная арматура; 3 — выводы; 4 — изоляция; 5 — герметик; 6 — головка; 7 — клеммная сборка; 8 — зажимы; 9 — жилы кабеля; 10 — кабель; 11 — гайка

Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком. В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии. На внешней стороне арматуры может располагаться подвижный или неподвижный штуцер. На контролируемом объекте закрепляется защитная гильза, внутри которой закрепляется арматура термопреобразователя сопротивления.

От чувствительного элемента к контактной головке могут подходить два, три или четыре выводных проводника. Это связано с различными схемами подключения ЧЭ к вторичным устройствам (двух-, трех- или четырехпроводные схемы). Часть применяемых схем выводов приведена на рис. 5.

Схема термопреобразователя сопротивления без головки и крепежных устройств с четырьмя выводами от ТС изображена на рис. 6. У таких ТС выводы от чувствительного элемента после пробки, герметизирующей свободный конец защитной арматуры, выпускаются в виде отдельных изолированных проводов большой протяженности. На рис. 6 изображен пример, когда от чувствительного элемента отходят четыре вывода.

Рис 5. Применяемые схемы выводов от чувствительного элемента термопреобразователя:

а,6 — четырехпроводная; в, д — двухпроводная; г — трехпроводная (схемы б,д — двойной ТС)

Рис. 6. Схема термопреобразователя сопротивления без головки с четырьмя выводами:

а — внешний вид; б — схема видов

Рис. 7. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

Проволочные термопреобразователи сопротивления имеют стабильную НСХ, однако обладают сравнительно большими размерами и достаточно большой тепловой инерцией. Этих недостатков лишены тонкопленочные ТС, которые работают в интервале (-50…300) °С, классов А, В, С и имеют НСХ 50М(П), 100М(П), 500М(П), 1000М(П).

Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L, размещаемого в головке термопреобразователя сопротивления ТС (Pt100) представлена на рис. 7. Последний к преобразователю подключен по четырехпроводной схеме, возможны варианты двухпроводного и трехпроводного подключения. Сигнал от термопреобразователя сопротивления, усиленный в усилителе У, поступает на аналого- цифровой преобразователь АЦП, а затем на микропроцессор МП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В микропроцессоре производится усреднение измеряемого сигнала, линеаризация, пересчет в соответствии с заданным диапазоном и пр. По двухпроводной линии передается выходной сигнал 4…20 мА и питание от внешнего источника. Диапазон измерения преобразователя составляет -200…850 °С при погрешности ±0,1 % диапазона измерения. Фирма Siemens помимо этих преобразователей выпускает SITRANS ТЗК-РА, SITRANS ТК/ТК-Н, SITRANS TF. Первый тип преобразователей имеет цифровой интерфейс PROFIBUS-PA, два других при выходном сигнале 4…20 мА работают с HART модемами, последний имеет, кроме того, встроенный цифровой индикатор.

Комплекты термопреобразователей. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются основными средствами измерения температур в системах контроля теплоснабжения, где малые разности температур (3…4) °С должны измеряться с погрешность (1…2) %. Обычно для учета теплоты подбирается комплект из двух платиновых термопреобразователей сопротивления (например, комплект КТПТР), обладающих близкими погрешностями одного знака, это позволяет обеспечить высокую точность измерения разности температур. В табл. 1 приведены пределы допускаемых погрешностей измерения разности температур комплектами платиновых термопреобразователей классов 1 и 2, которые образованы соответственно термопреобразователями классов А и В.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления обычно называются термисторами и используются для измерения температур в интервале (-100…300) °С. Их достоинства — высокое значение ТКС (на порядок больше, чем у металлов), малая тепловая инерция и высокое номинальное сопротивление. Недостатками являются нелинейность номинальной статической характеристики, невзаимозаменяемость из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность статической характеристики. В связи с этими недостатками полупроводниковые термопреобразователи обычно используются в цепях температурной компенсации и сигнализации, где не предъявляются высокие требования к точности измерения температуры.

Таким образом, термопреобразователи сопротивления могут применяться для измерения температуры только в сочетании с другими средствами измерений. Так, измерительный комплект может состоять из ТС, вторичного прибора (например, РП160-12) и соединительной линии между ними. Погрешность измерения температуры в этом случае определяется погрешностью всех этих средств с учетом возможной методической погрешности.

виды, типы конструкции, классы допуска

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

1. Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. Конструкция термистора

Обозначения:

• А – Выводы измерителя.
• В – Стеклянная пробка, закрывающая защитную гильзу.
• С – Защитная гильза, наполненная гелием.
• D – Электроизоляционная пленка, покрывающая внутреннюю часть гильзы.
• E – Полупроводниковый чувствительный элемент (далее ЧЭ), в приведенном примере это германий, легированный сурьмой.

2. Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д.

Расшифровка аббревиатур

Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:

• ТСМ это термометр сопротивления (ТС), в чувствительном элементе (ЧЭ) которого используется медная проволока (М).
• ТСП, в применяется платиновый (проволока из платины) ЧЭ.
• КТС б – обозначение комплекта из нескольких платиновых ТС., позволяющих провести многозонные измерения, как правило, монтаж таких устройств производится на вход и выход системы отопления, чтобы установить разность температур.
• ТПТ – технический (Т) платиновый термометр (ПТ).
• КТПТР – комплект из ТПТ приборов, буква «Р» в конце указывает, что может производиться не только измерение разницы температур между различными датчиками.
• ТСПН – «Н» в конце ТСП, обозначает, что датчик низкотемпературный.
• НСХ – под данным сокращением подразумевается «номинальная статическая характеристика», соответствующая стандартной функции «температура-сопротивление». Достаточно посмотреть таблицу НСХ для pt100 или любого другого датчика (например, pt1000, rtd, ntc и т.д.), чтобы иметь представление о его характеристиках.
• ЭТС – эталонные приборы, служащие для калибровки датчиков.

Чем отличается термосопротивление от термопары?

Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.

Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.

Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.

Платиновые измерители температуры

Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.

В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С^-1, эталонных – 0,03925°С^-1. Диапазон измеряемой температуры: от-196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температура-сопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции.

Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.

Датчик термопреобразователь ТСП 5071 производства Элемер

Никелевые термометры сопротивления

Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С^-1. Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.

Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).

Медные датчики (ТСМ)

ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С^-1, диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.

Внешний вид термопреобразователя ТСМ 1088 1

Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.

Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже.

Конструктивное исполнение «Strain free»

Обозначения:

• А – Выводы термоэлектрического элемента.
• В – Защитный корпус.
• С – Спираль из платиновой проволоки.
• D – Мелкодисперсный наполнитель.
• E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ.

Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al₂O₃). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.

На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.

Исполнение Hollow Annulus.

Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.

Пример исполнения «Hollow Annulus»

Обозначения:

• А – Выводы с ЧЭ.
• В – Изоляция выводов ЧЭ.
• С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель.
• D – Защитный корпус датчика.
• E – Проволока из платины.
• F – Металлическая трубка.

ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al₂O₃) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.

Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.

Пленочное исполнение (Thin film).

Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.

Миниатюрный пленочный датчик

Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).

Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.

Стеклянная изоляция спирали.

В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.

Класс допуска

Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.

Таблица 1. Классы допуска.

Класс точности	Нормы допуска °C |t |	Диапазон измерения температуры
		Платиновые датчики		Медные	Никелевые
		Проволочные	Пленочные
AA	±0,10+0,0017	-50°C …250°C	-50°C …150°C	x	x
A	±0,15+0,002	-100°C …450°C	-30°C …300°C	-50°C …120°C	x
B	±0,30+0,005	-196°C …660°C	-50°C …500°C	-50°C …200°C	х
С	±0,60+0,01	-196°C …660°C	-50°C …600°C	-180°C …200°C	-60°C …180°C

Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.

Схемы включения ТСМ/ТСП

Существует три варианта подключения:

• 2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема. Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления
• 3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
• 4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.

В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.

Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха

Обратим внимание, что под r_л.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.

Обслуживание

Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.

Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:

• Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
• Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
• Помимо этого проверяется наличие пломб.
• Проверяется заземление.

Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.

Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.

Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)

Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.

Градуировочная таблица для терморезистора pt100 (фрагмент, без указания пределов градуировки измерений)

Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.

Nothing found for Wp-Content Uploads 2018 03 908 2337 00 000_Re_Ts_03_2018 Pdf

Декларация на ТР ЕАЭС 037/2016…

ЗАО НПК “Эталон” оформлена декларация на извещатели пожарные взрывозащищенные на соответствие требованиям об ограничении применения опасных веществ в изделии электротехники и радиоэлектроники….

Новые схемы подключения оповещателей…

Уважаемые заказчики! Сообщаем об изменении схем подключения оповещателей световых ЕхОППС-1В и звуковых ЕхОППЗ-2В с питанием постоянным током 12В. Выпуск изделий с новой схемотехникой запланирован на начало 2020г. За более подробной информацией о сроках и изменениях просьба обр…

25-я международная выставка Securika Moscow 2019

Цифровые датчики давления “Эталон-17″…

Обзор отечественных производителей цифровых датчиков давления, которые не только создали интересный и перспективный продукт, но и закрепились с ним на рынке, сумев вывести в серийное производство и составить конкуренцию зарубежным приборам. Опубликовано — Отраслевой научно-те…

ЗАО НПК «ЭТАЛОН» награждено Почетной грамотой ПАО «О…

ЗАО НПК «ЭТАЛОН» награждено Почетной грамотой ПАО «ОДК-Сатурн» за значительный вклад в реализацию опытно-конструкторских работ шифр «М90ФР» и шифр «М70ФРУ реверс», выполненных в рамках реализации программы «Ускоренное развитие оборонно-промышленного комплекса «Государственной пр…

ЕхИП535-1В класса В…

С 1 февраля 2018 года извещатели пожарные взрывозащищенные ЕхИП535-1В выпускаются по классу В согласно ГОСТ 53325-2012….

Оборудование ЗАО НПК “ЭТАЛОН” в проекте “Сахалин-2″…

По итогам проведения квалификационного отбора российских производителей и поставщиков нефтегазового оборудования для строительства третьей технологической линии завода СПГ в рамках нефтегазового проекта “Сахалин-2” ЗАО НПК “Эталон” включено в список рекомендованных производителей…

ТСП-8040 и Дон-17 в систему КСУ ТС “Manager-300″…

Датчики давления и термопреобразователь сопротивления ТСП-8040 применены в корабельной системе управления техническими средствами “Manager-300” разработанной АО “Морские Навигационные Системы”. Свидетельство о типовом одобрении морского регистра…

Новый этап партнёрства с ГК ЭРВИСТ…

Группа компаний ЭРВИСТ и НПК «Эталон» заключили новый договор о сотрудничестве, консигнационном складе и совместной разработке и продвижении продукции. Группа компаний ЭРВИСТ – ведущий поставщик оборудования систем безопасности во взрывозащищенном и специальных исполнениях …

Новая конструкция ручных извещателей….

В связи с требованиями ГОСТ 53325-2012 в части ручных извещателей ЗАО НПК “ЭТАЛОН” были разработаны приборы в новой конструкции: 1) извещатель ручной ЕхИП535-1В 2) устройство дистанционного пуска ЕхУДП1, ЕхУДП2 (на фото) Конструктивные особенности: 1) Соответствие классу В – …

Датчики давления Дон17М в составе азотных станций…

Датчики давления Дон-17М производства ЗАО НПК «Эталон» теперь в составе высокотехнологичных азотных станций модульного типа для выделения азота в газообразном виде из атмосферного воздуха. Установки данной категории представляют единый блок-бокс, внутри которого расположено необ…

Получен новый патент на полезную модель…

Извещатель пожарный ручной, содержащий корпус, в полости которого размещены, схемная плата с выключателем с подпружиненным нажимным элементом и подключенными к схемной плате электрическими контактами и приводным механизмом. Читать полностью…

Новая статья в разделе “Публикации” для материалов…

Ввод в действие новой редакции ГОСТ Р 53325-2012 в части требований к извещателям пожарным ручным вызывает у разработчиков данных изделий немало вопросов. Читать статью…

ЗАО НПК “ЭТАЛОН” аккредитовано выполнять работы и ок…

В соответствии с постановлением правительства Российской Федерации от 17 октября 2011г. №845 “О Федеральной службе по аккредитации” и на основании результатов экспертизы представленных документов Федеральной службой по аккредитации принято решение выдать ЗАО НПК “ЭТАЛОН” аттестат…

ЗАО НПК “ЭТАЛОН” – участник выставки “Нефть и Газ / …

С 23 по 26 июня приглашаем вас в ЦВК “Экспоцентр” на стенд Н311 в павильон 8 зал 2. …

Теория / Блог компании ЭФО / Хабр

Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).

По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.

В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

(они же — термосопротивления или RTD)

---

Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.

Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».

Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.

Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.

Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику. Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

---

Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
3. Корпус датчика, тип и длина выводов

На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.

Номинальная статическая характеристика (НСХ)

НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.

Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.

Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.

Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).

Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).

В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C^-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).

Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.

Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²) при T > 0
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x (T-100) x T³) при T < 0
где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:

• Pt 3850 ppm/K (наиболее распространенная характеристика современных термосопротивлений)
  A = 3.9083 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.775 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.183 x 10^-12°C^-4
• Pt 3911 ppm/K (характеристика остается востребованной в РФ, т.к. в прошлом только она была внесена в ГОСТ)
  A = 3.9692 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.829 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.3303 x 10^-12°C^-4
  

Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.

Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x T³ + D x T⁴ + E x T⁵ + F x T⁶)
где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).

Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.

То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.

Точность датчика
Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).

Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.

	Другие названия	Допуск, °С
Класс АA	Class Y 1/3 DIN 1/3 B F 0.1 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.1 (если речь о намоточном датчике)	±(0.1 + 0.0017 |T|)
Класс A	1/2 DIN 1/2 B F 0.15 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.15 (если речь о намоточном датчике)	±(0.15 + 0.002 |T|)
Класс B	DIN F 0.3 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.3 (если речь о намоточном датчике)	±(0.3 + 0.005 |T|)
Класс C	Class 2B Class BB F 0.6 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.6 (если речь о намоточном датчике)	±(0.6 + 0.01 |T|)
–	Class K 1/10 DIN	±(0.03 + 0.0005 |T|)
–	Class K 1/5 DIN	±(0.06 + 0.001 |T|)

Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым. Однако и здесь есть исключенияНапример, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:

Grade A	±(0.25 + 0.0042 |T|)
Grade B	±(0.13 + 0.0017 |T|)

Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.

Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.

О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.

На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).

Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K

Тонкопленочный датчик Pt 3850 ppm/K			Намоточный датчик Pt 3850 ppm/K
Класс допуска	Диапазон температур		Класс допуска	Диапазон температур
	DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТ			DIN 60751 (IEC-751)	ГОСТ
Класс АА (F 0.1)	0… +150°С		Класс АА (W 0.1)	-100… +350°С	-50… +250°С
Класс А (F 0.15)	-30… +300°С		Класс А (W 0.15)	-100… +450°С
Класс B (F 0.3)	-50… +500°С		Класс B (W 0.3)	-196… +600°С	-196… +660°С
Класс С (F 0.6)	-50… +600°С		Класс С (W 0.6)	-196… +600°С	-196… +660°С

К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.

Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

---

Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.

Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.

При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.

Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.

На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.
2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.
3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.

---

В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.

upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru