Съпротивителни термометри

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 8/2017 • 30.11.2017

Съпротивителни термометри
Съпротивителни термометри

Изменението на електрическото съпротивление на металите при промяна на температурата се използва много често за нейното измерване. Предвид това, че с повишаване на температурата съпротивлението нараства, съществува положителен температурен коефициент (ПТК) – с такъв са например датчиците за температура с чувствителен елемент платина.

За да може да се използва това свойство за измерване на температурата, трябва да има повторяема и възпроизводима зависимост на изменението на електрическото съпротивление на метала от температурата. Характеристиките на метала не трябва да се променят по време на работа, тъй като това ще доведе до грешки в измерването. Температурният коефициент трябва да бъде във възможно най-голяма степен независим от температура, налягане и химични въздействия.

Стандартизирани датчици за температура с чувствителен елемент платина
Платината се е утвърдила като предпочитан съпротивителен материал за инструментална екипировка в производството. Сред предимствата й са: високата устойчивост на химични въздействия; сравнително лесната обработка (особено за изтегляне във вид на проводник); изключително високата чистота на изходния материал, предлаган от добивните предприятия и добрата повторяемост и възпроизводимост на електрическите й свойства.

За да се стъпи на общоприета по целия свят основа, тези свойства са дефинирани в стандарта БДС EN 60751. В него са посочени стойностите на електрическото съпротивление и допустимите толеранси при различни температури. Допълнително са дадени номиналната стойност на датчика и температурният му обхват. Под “номинална стойност” се разбира съпротивлението при 0°C. Съгласно стандарта БДС EN 60751 номиналната стойност е 100 W при 0°C. Затова се говори за датчик за температура “платина 100” или Pt100.

Предлагат се и датчици за температура с номинална стойност 500 и 1000 W, като предимството им се състои в по-високата чувствителност, т. е. в по-голямата промяна в съпротивлението на единица изменение на температурата.

Съпротивителни термометри с клемна глава
Тези съпротивителни термометри са с модулна конструкция, състояща се от измервателна сонда, която се вкарва в предпазна тръбичка, клемна глава и клемна пластина вътре в нея. Може да има и фланец или винтов фитинг за закрепване.

Температурният датчик е тази част от съпротивителния термометър, която е под прякото въздействие на измерваната температура. Измервателните сонди са изцяло готови модули, съдържащи температурен датчик и клемна пластина, като датчикът е вкаран в тръбичка с диаметър 6 или 8 mm, изработена от бронз или никел. Тя, на свой ред, се вкарва в истинската предпазна тръбичка, която най-често се изпълнява от неръждаема стомана.

Краят на вътрешната тръбичка контактува плътно с вътрешната повърхност на предпазната, за да се осигури добра топлопроводимост. Под винтчетата, закрепващи вътрешната тръбичка, има пружинки, така че контактът на дъното да е винаги подсигурен, дори и ако вследствие на някакво диференциално разширение се отвори луфт между двете тръбички. Тази конструкция позволява лесната подмяна на цялата сонда на по-късен етап. 

Термометрите от този вид могат да бъдат единични и двойни. Ако не се ползва сонда във вид на готов модул, чувствителният елемент за температурата се разполага направо вътре в предпазната тръбичка, в среда от алуминиев оксид или друго топлопроводимо вещество. След това клемната пластина се монтира в клемната глава и свързващите проводници се запояват. При този вид конструкция чувствителният елемент не може да се подменя впоследствие и се налага да се смени целият съпротивителен термометър.

Ако термометърът е монтиран в обособен джоб, той може да се извади, без да е необходимо да се източва или разхерметизира системата. Джобът е един вид предпазна тръбичка, монтирана трайно на мястото на измерване, в която термометърът може да се вкара и закрепи. Някои видове джобове са с вътрешна резба, така че термометърът да може да се завие. В случаите когато е налице джоб, термометърът може да бъде само със сонда, а може и да има собствена предпазна тръбичка. При използване на джоб обаче се влошава чувствителността. 

Самият джоб се заварява на мястото (което не може да се извърши с предпазната тръбичка, тъй като стените й са тънки) или му се прави външна резба – обикновено тръбна, и се завинтва.

Тъй като джобовете са в пряк контакт с флуида, те трябва да отговарят на същите изисквания за устойчивост на химични въздействия и механична якост, както и предпазните тръбички.

Модификации на съпротивителните термометри
С изход за токов кръг в клемната глава.
 За измерване на температурата в течна и газова среда в случаите, когато сигналите от измерванията трябва да се предадат на голямо разстояние без зашумяване, се използват съпротивителните термометри с предавателен модул. Той преобразува сигнала от чувствителния елемент в стандартен, зависещ линейно от температурата, токов сигнал в диапазона 4... 20 mA.

С присъединителен кабел между сондата и главата. В съпротивителните термометри с присъединителен кабел чувствителният елемент се свързва направо към него и се вкарва в предпазната тръбичка. Краят на предпазната тръбичка е специално обработен така, че да няма механични напрежения. Вътрешното пространство на тръбичката, където се вкарва чувствителният елемент, обикновено е запълнено с топлопроводим материал за по-добър термичен контакт на елемента с флуида, чиято температура се мери.

С гъвкав кабел и тръбичка, запълнени с минерален изолационен материал. При тези съпротивителни термометри твърдата предпазна тръбичка е свързана към гъвкав кабел, а вътрешността на тръбичката и на кабела е запълнена с минерален изолационен материал. Медните проводници, свързващи чувствителния елемент, са вложени в пресован огнеустойчив магнезиев оксид и всичко това е поместено в тръбичката от неръждаема стомана. Самият чувствителен елемент може да е свързан с два, три или четири проводника. 

Предпазната тръбичка и кабелът с лека гъвкава изолация са споени един за друг. Така оформената конструкция се предлага в различни диаметри, като най-малкият е 1,9 mm. Много добрата топлопроводимост между предпазната тръбичка и чувствителния елемент дава възможност за бързо сработване и висока точност на измерването. Тази конструкция е с висока устойчивост на вибрации, което осигурява и дълъг експлоатационен живот. Гъвкавият кабел с лека изолация и с радиус на огъване, достигащ до 5 пъти по външния му диаметър, позволява измерване на температурата на труднодостъпни места.

Свързване на съпротивителните термометри
Електрическото съпротивление на този вид термометри се променя в зависимост от температурата. Изходният сигнал представлява пада на напрежението върху чувствителния елемент при протичането на постоянен измервателен ток през него. Този ток трябва да се подбере да бъде възможно най-малък, за да не причини допълнително подгряване на елемента. 

Може да се приеме, че измервателен ток от 1 mA няма да доведе до съществено допълнително подгряване. При протичането му през Pt100 при 0°C се образува пад на напрежение 0,1 V, като този пад трябва да се подаде възможно най-прецизно по свързващите проводници към устройствата за визуализация и оценка. За целта се използват три вида свързване.

Двупроводно свързване. Термометърът е свързан към оценяващата електроника с двужилен кабел. Както всеки друг електрически проводник, този кабел си има съпротивление, което е свързано последователно на съпротивлението на чувствителния към температурата елемент (Pt100). Двете съпротивления се сумират и в резултат ще се регистрира по-висока температура от реалната. 

Линейното съпротивление на кабела може да бъде от порядъка на няколко ома при по-голяма дължина – това води до съществена грешка в измерената стойност. За да се избегне този недостатък, линейното съпротивление се компенсира със схемотехнически решения: съответната подсхема на крайното устройство, в която постъпва сигналът от датчика, е проектирана така, че линейното съпротивление се приема равно например на 10 ома. 

Преди свързването на реалния съпротивителен термометър се прави следното: той временно се заменя от 100-омово съпротивление, последователно на което се свързва тример потенциометър. Той се регулира, докато крайното устройство покаже температура 0°C и едва след това се слага реалният датчик. Поради сравнително затрудненото изпълнение с тример потенциометъра и поради факта, че не се отчита влиянието на температурата върху свързващите проводници, двупроводното свързване се ползва все по-рядко.

Трипроводно свързване. Влиянието на линейните съпротивления и на техните отклонения в зависимост от температурата се свеждат до минимум при трипроводното свързване. В този случай към един от изводите на чувствителния елемент се свързва допълнителен проводник. По този начин се оформят две измервателни вериги, едната от които служи като репер. Стойността на линейното съпротивление и зависимостта му от температурата могат да се компенсират чрез това трипроводно свързване. 

И трите жила трябва да са с идентични свойства и еднаква зависимост на съпротивлението от температурата. Тъй като в повечето случаи това условие е изпълнено, трипроводното свързване е най-широко разпространено днес – не е необходима компенсация на линейното съпротивление, не е нужно и да се наглася изходният сигнал.

Четирипроводно свързване. Четирипроводното свързване е оптималното за съпротивителните термометри. Резултатът от измерването не се влошава от влиянието на линейните съпротивления и от тяхната зависимост от температурата. Не се изисква никаква компенсация. Два от проводниците са захранващи и по тях през термометъра протича постоянният измервателен ток. 

От другите два проводника, измервателните, се сваля падът на напрежението. Ако входното съпротивление на оценяващата електроника е много по-голямо от линейното съпротивление на проводниците, то последното може да се пренебрегне. Така полученият пад на напрежение върху чувствителния елемент не зависи от характеристиките на захранващите проводници.

Грешка от топлопроводимост
Температури, близки до тази на околната среда, рядко се измерват с подобни термометри. Ако измерваната температура е над или под температурата на околната среда, ще се образува температурен градиент между точката на измерване и пространството около нея, който ще влияе върху термометъра. Това води до грешка в отчетената температура: топлината се разпространява от предпазната тръбичка и вътрешните компоненти навън, т. е. от по-горещите към по-студените точки в пространството. 

Освен това, чувствителният елемент е свързан с проводници, което е директен металически контакт между него и околността – налице е един вид термичен мост, който също води до грешка. Добрите електрически проводници винаги са с ниско термично съпротивление и се получава така, че желаното по-ниско омическо съпротивление означава по-голяма грешка от топлопроводимост.

Нещо повече, конструкцията на термометъра влияе на грешката от топлопроводимост. Чувствителният елемент трябва да има добра термична връзка с предпазната тръбичка, но заедно с това трябва да бъде термично разделен от свързващите проводници. Дължината на термометъра не бива да се избира твърде малка, за да не се разсейва твърде много топлина през него. 

Дълбочината на потапяне (дължината на частта от термометъра, изложена на въздействието на флуида, чиято температура се мери) зависи от вида на флуида и от неговата топлопроводимост. Например бързотечаща течност ще пренася повече топлина от неподвижен въздух и поради това ще осигури по-добра компенсация на собствената топлопроводимост на термометъра. За измерването на температурата на течности е необходим термометър с дължина, наполовина по-малка от тази, необходима за измерването на газове.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top