Термометры сопротивления , также называемые датчиками температуры сопротивления ( RTD ), представляют собой датчики, используемые для измерения температуры. Многие элементы RTD состоят из отрезка тонкой проволоки, обернутой вокруг термостойкого керамического или стеклянного сердечника, но используются и другие конструкции. Провод RTD представляет собой чистый материал, обычно платину (Pt), никель (Ni) или медь (Cu). Материал имеет точное соотношение сопротивления и температуры, которое используется для обеспечения индикации температуры. Поскольку элементы RTD хрупкие, их часто помещают в защитные зонды.
Термометры сопротивления, которые имеют более высокую точность и повторяемость , [a] постепенно заменяют термопары в промышленных применениях при температурах ниже 600 ° C. [1]
Обычные чувствительные элементы RTD для биомедицинского применения, изготовленные из платины ( Pt), никеля (Ni) или меди (Cu), имеют повторяемую [b] зависимость сопротивления от температуры ( R от T ) и рабочий температурный диапазон. Зависимость R от T определяется как величина изменения сопротивления датчика на градус изменения температуры. [1] Относительное изменение сопротивления ( температурный коэффициент сопротивления) изменяется лишь незначительно в пределах полезного диапазона датчика. [ необходима ссылка ]
Платина была предложена сэром Уильямом Сименсом в качестве элемента для термометра сопротивления на лекции в Бейкериане в 1871 году: [2] это благородный металл и имеет наиболее стабильную зависимость сопротивления от температуры в самом большом диапазоне температур. Никелевые элементы имеют ограниченный температурный диапазон, поскольку температурный коэффициент сопротивления изменяется при температурах свыше 300 °C (572 °F). Медь имеет очень линейную зависимость сопротивления от температуры; однако медь окисляется при умеренных температурах и не может использоваться при температуре свыше 150 °C (302 °F). [ необходима цитата ]
Существенной характеристикой металлов, используемых в качестве резистивных элементов, является линейная аппроксимация зависимости сопротивления от температуры в диапазоне от 0 до 100 °C. Этот температурный коэффициент сопротивления обозначается α и обычно указывается в единицах Ом /(Ом·°C): [ необходима цитата ]
где
Чистая платина имеет α = 0,003925 Ω/(Ω·°C) в диапазоне от 0 до 100 °C и используется в конструкции термометров сопротивления лабораторного класса. [ необходима цитата ] Напротив, два широко признанных стандарта для промышленных термометров сопротивления IEC 60751 и ASTM E-1137 указывают α = 0,00385 Ω/(Ω·°C). До того, как эти стандарты были широко приняты, использовалось несколько различных значений α. Все еще можно найти старые зонды, изготовленные из платины, которые имеют α = 0,003916 Ω/(Ω·°C) и 0,003902 Ω/(Ω·°C). [ необходима цитата ]
Эти различные значения α для платины достигаются путем легирования — осторожного введения примесей, которые внедряются в структуру решетки платины и приводят к различной кривой R от T и, следовательно, к разному значению α. [ необходима ссылка ]
Чтобы охарактеризовать отношение R к T любого RTD в диапазоне температур, который представляет собой запланированный диапазон использования, калибровка должна быть выполнена при температурах, отличных от 0 °C и 100 °C. Это необходимо для соответствия требованиям калибровки. Хотя RTD считаются линейными в работе, необходимо доказать, что они точны в отношении температур, при которых они фактически будут использоваться (подробности см. в разделе «Опция сравнительной калибровки»). Двумя распространенными методами калибровки являются метод фиксированной точки и метод сравнения. [ необходима цитата ]
Три основные категории датчиков RTD — это тонкопленочные, проволочные и спиральные элементы. Хотя эти типы наиболее широко используются в промышленности, используются и другие, более экзотические формы; например, углеродные резисторы используются при сверхнизких температурах (от −273 °C до −173 °C). [5]
Текущий международный стандарт, который определяет допуск и соотношение температуры и электрического сопротивления для платиновых термометров сопротивления (PRT), — IEC 60751:2008; ASTM E1137 также используется в Соединенных Штатах. 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 омах при 0 °C). Также можно получить датчики Pt1000, где 1000 — это сопротивление в омах при 0 °C. Чувствительность стандартного датчика 100 Ом составляет 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 повторяемость, чем термопары. В то время как термопары используют эффект Зеебека для генерации напряжения, термометры сопротивления используют электрическое сопротивление и требуют для работы источника питания. В идеале сопротивление изменяется почти линейно с температурой согласно уравнению Каллендара–Ван Дузена .
Платиновый детекторный провод должен быть свободен от загрязнений, чтобы оставаться стабильным. Платиновый провод или пленка поддерживаются на оправке таким образом, чтобы они получали минимальное дифференциальное расширение или другие деформации от своей оправки, но при этом были достаточно устойчивы к вибрации. Сборки RTD, изготовленные 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). [7] Датчик обычно изготавливается с сопротивлением 100 Ом при 0 °C. Это определено в BS EN 60751:1996 (взято из IEC 60751:1995). Американский фундаментальный интервал составляет 0,00392/°C, [8] основанный на использовании более чистого сорта платины, чем европейский стандарт. Американский стандарт от Ассоциации производителей научных приборов (SAMA), которая больше не занимается этой областью стандартов. В результате «американский стандарт» вряд ли является стандартом даже в США.
Сопротивление выводов также может быть фактором; принятие трех- и четырехпроводных соединений вместо двухпроводных может устранить эффекты сопротивления выводов соединения из измерений (см. ниже); трехпроводное соединение достаточно для большинства целей и является почти универсальной промышленной практикой. Четырехпроводные соединения используются для наиболее точных применений.
Преимущества платиновых термометров сопротивления включают в себя:
Ограничения:
RTD в промышленных применениях редко используются при температурах выше 660 °C. При температурах выше 660 °C становится все труднее предотвратить загрязнение платины примесями из металлической оболочки термометра. Вот почему в лабораторных стандартных термометрах металлическая оболочка заменена стеклянной конструкцией. При очень низких температурах, скажем, ниже -270 °C (3 K), поскольку фононов очень мало , сопротивление RTD в основном определяется примесями и граничным рассеянием и, таким образом, в основном не зависит от температуры. В результате чувствительность RTD по существу равна нулю и, следовательно, бесполезна. [ необходима цитата ]
По сравнению с термисторами , платиновые RTD менее чувствительны к небольшим изменениям температуры и имеют более медленное время отклика. Однако термисторы имеют меньший температурный диапазон и стабильность.
Два наиболее распространенных способа измерения температуры для промышленных применений — это термометры сопротивления (RTD) и термопары . Выбор между ними обычно определяется четырьмя факторами.
Эти элементы почти всегда требуют прикрепления изолированных проводов. Изоляторы из ПВХ , силиконовой резины или ПТФЭ используются при температурах ниже примерно 250 °C. Выше этого значения используются стекловолокно или керамика. Точка измерения, и обычно большинство проводов, требуют корпуса или защитного рукава, часто изготовленного из металлического сплава, который химически инертен к контролируемому процессу. Выбор и проектирование защитных оболочек может потребовать большей осторожности, чем сам датчик, поскольку оболочка должна выдерживать химическое или физическое воздействие и обеспечивать удобные точки крепления.
Конструкция RTD может быть улучшена для выдерживания ударов и вибрации путем включения в оболочку уплотненного порошка оксида магния (MgO). MgO используется для изоляции проводников от внешней оболочки и друг от друга. MgO используется из-за его диэлектрической проницаемости, округлой структуры зерна, способности выдерживать высокие температуры и химической инертности.
Простейшая конфигурация термометра сопротивления использует два провода. Она используется только тогда, когда не требуется высокая точность, так как сопротивление соединительных проводов добавляется к сопротивлению датчика, что приводит к ошибкам измерения. Такая конфигурация позволяет использовать 100 метров кабеля. Это в равной степени относится к сбалансированным мостовым и фиксированным мостовым системам.
Для сбалансированного моста обычная настройка — R2 = R1, а R3 — около середины диапазона RTD. Так, например, если мы собираемся измерять от 0 до 100 °C (от 32 до 212 °F), сопротивление RTD будет в диапазоне от 100 Ом до 138,5 Ом. Мы бы выбрали R3 = 120 Ом. Таким образом, мы получаем небольшое измеряемое напряжение в мосту.
Чтобы минимизировать влияние сопротивлений выводов, можно использовать трехпроводную конфигурацию. Предлагаемая настройка для показанной конфигурации — с R1 = R2 и R3 около середины диапазона RTD. Если посмотреть на показанную схему моста Уитстона , падение напряжения в нижней левой части равно V_rtd + V_lead, а в нижней правой части — V_R3 + V_lead, поэтому напряжение моста (V_b) равно разности V_rtd − V_R3. Падение напряжения из-за сопротивления выводов было отменено. Это всегда применимо, если R1=R2 и R1, R2 >> RTD, R3. R1 и R2 могут служить для ограничения тока через RTD, например, для Pt100, ограничение до 1 мА и 5 В, предполагает ограничивающее сопротивление приблизительно R1 = R2 = 5/0,001 = 5000 Ом.
Четырехпроводная конфигурация сопротивления повышает точность измерения сопротивления. Четырехконтактное измерение устраняет падение напряжения в измерительных проводах как вклад в ошибку. Для дальнейшего повышения точности любые остаточные термоэлектрические напряжения, генерируемые различными типами проводов или винтовыми соединениями, устраняются путем изменения направления тока 1 мА и проводов к цифровому вольтметру (DVM). Термоэлектрические напряжения будут создаваться только в одном направлении. Усреднение обратных измерений позволяет исключить термоэлектрические напряжения ошибок. [ необходима цитата ]
Самыми точными из всех PRT являются сверхточные платиновые термометры сопротивления (UPRT). Эта точность достигается за счет долговечности и стоимости. Элементы UPRT намотаны из платиновой проволоки эталонного качества. Внутренние 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 платиновая проволока 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 приблизительную точность ±0,001 °C в диапазоне температур. UPRT подходят только для лабораторного использования.
Другая классификация лабораторных ПТС — стандартные платиновые термометры сопротивления (стандартные SPRT). Они сконструированы так же, как UPRT, но материалы более экономичны. SPRT обычно используют эталонную, высокочистую платиновую проволоку меньшего диаметра, металлические оболочки и керамические изоляторы. Внутренние провода обычно изготавливаются из сплава на основе никеля. Стандартные ПТС более ограничены в температурном диапазоне (от −200 °C до 500 °C) и имеют приблизительную точность ±0,03 °C в температурном диапазоне.
Промышленные ПТС разработаны 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 провода могут варьироваться от никелированной меди с изоляцией из ПТФЭ до серебряной проволоки в зависимости от размера датчика и области применения. Материал оболочки обычно из нержавеющей стали; для более высоких температур может потребоваться инконель. Другие материалы используются для специализированных областей применения.
Современник эффекта Зеебека , открытие того, что сопротивление металлов зависит от температуры, было объявлено в 1821 году сэром Гемфри Дэви . [10] Практическое применение тенденции электрических проводников увеличивать свое электрическое сопротивление с ростом температуры было впервые описано сэром Уильямом Сименсом на Бейкерианской лекции 1871 года перед Королевским обществом Великобритании , где он предложил платину в качестве подходящего элемента. [10] Необходимые методы построения были установлены Каллендаром , Гриффитсом, Холборном и Вейном между 1885 и 1900 годами.
В 1871 году Карл Вильгельм Сименс изобрел платиновый термометр сопротивления и представил трехчленную интерполяционную формулу. Термометр сопротивления Сименса быстро вышел из моды из-за нестабильности показаний температуры. Хью Лонгборн Каллендар разработал первый коммерчески успешный платиновый термометр сопротивления в 1885 году.
В статье 1971 года Эрикссона, Койтера и Глатцеля были идентифицированы шесть сплавов благородных металлов (63Pt37Rh, 37Pd63Rh, 26Pt74Ir, 10Pd90Ir, 34Pt66Au, 14Pd86Au) с приблизительно линейными характеристиками сопротивления в зависимости от температуры. Сплав 63Pt37Rh похож на легкодоступную проволоку из сплава 70Pt30Rh, используемую в термопарах. [11]
В Space Shuttle широко использовались платиновые термометры сопротивления. Единственное отключение главного двигателя Space Shuttle в полете – миссия STS-51F – было вызвано многочисленными отказами RTD, которые стали хрупкими и ненадежными из-за многократных циклов нагрева и охлаждения. (Отказы датчиков ложно свидетельствовали о критическом перегреве топливного насоса, и двигатель автоматически отключался.) После инцидента с отказом двигателя RTD были заменены термопарами . [ 12]
Датчики температуры обычно поставляются с тонкопленочными элементами. Резистивные элементы оцениваются в соответствии с BS EN 60751:2008 как:
Могут быть поставлены элементы термометра сопротивления, работающие до 1000 °C. Связь между температурой и сопротивлением определяется уравнением Каллендара–Ван Дузена :
Здесь сопротивление при температуре T , — сопротивление при 0 °C, а константы (для платинового термометра сопротивления α = 0,00385) равны:
Поскольку коэффициенты B и C относительно малы, сопротивление изменяется почти линейно с температурой.
При положительной температуре решение квадратного уравнения дает следующую зависимость между температурой и сопротивлением:
Тогда для четырехпроводной конфигурации с прецизионным источником тока 1 мА [13] соотношение между температурой и измеренным напряжением будет следующим: