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 платина (Pt), никель (Ni) или медь (Cu). Материал имеет точную зависимость сопротивления/температуры, которая используется для определения температуры. Поскольку элементы RTD хрупкие, их часто помещают в защитные зонды.
RTD, которые имеют более высокую точность и повторяемость , [a] постепенно заменяют термопары в промышленных применениях при температуре ниже 600 ° C. [1]
Обычные чувствительные элементы RTD для биомедицинского применения, изготовленные из платины (Pt), никеля (Ni) или меди (Cu) , имеют повторяемую зависимость сопротивления от температуры [b] ( R vs T ) и диапазон рабочих температур . Соотношение R и T определяется как величина изменения сопротивления датчика на градус изменения температуры. [1] Относительное изменение сопротивления ( температурный коэффициент сопротивления) незначительно меняется в пределах полезного диапазона датчика. [ нужна цитата ]
Платина была предложена сэром Уильямом Сименсом в качестве элемента для резистивного температурного детектора на лекции Бейкера в 1871 году: [2] это благородный металл и имеет наиболее стабильное соотношение сопротивления и температуры в самом широком диапазоне температур. Никелевые элементы имеют ограниченный температурный диапазон, поскольку температурный коэффициент сопротивления изменяется при температуре выше 300 °C (572 °F). Медь имеет очень линейную зависимость сопротивления от температуры; однако медь окисляется при умеренных температурах, и ее нельзя использовать при температуре выше 150 ° C (302 ° F). [ нужна цитата ]
Важной 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 выражается в единицах Ом /(Ом·° С ) :
где
Чистая платина имеет α = 0,003925 Ом/(Ом·°C) в диапазоне от 0 до 100 °C и используется при изготовлении термометров сопротивления лабораторного класса. [ нужна ссылка ] И наоборот, два широко признанных стандарта для промышленных термометров сопротивления IEC 60751 и ASTM E-1137 определяют α = 0,00385 Ом/(Ом·°C). До того, как эти стандарты получили широкое распространение, использовалось несколько различных значений α. Все еще можно найти более старые зонды, изготовленные из платины, с α = 0,003916 Ом/(Ом·°C) и 0,003902 Ом/(Ом·°C). [ нужна цитата ]
Эти разные значения α для платины достигаются за счет легирования — тщательного введения примесей, которые внедряются в структуру решетки платины и приводят к другой кривой R и T и, следовательно, к значению α. [ нужна цитата ]
Чтобы охарактеризовать соотношение R и T любого термометра сопротивления в диапазоне температур, который соответствует запланированному диапазону использования, калибровку необходимо выполнять при температурах, отличных от 0 °C и 100 °C. Это необходимо для удовлетворения требований калибровки. Хотя термометры сопротивления считаются линейными в работе, необходимо доказать, что они точны в отношении температур, при которых они фактически будут использоваться (подробности см. в разделе «Сравнительная калибровка»). Двумя распространенными методами калибровки являются метод фиксированной точки и метод сравнения. [ нужна цитата ]
Тремя основными категориями датчиков RTD являются 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 до -173 °C). [5]
Действующим международным стандартом, определяющим допуск и соотношение температуры и электрического сопротивления для платиновых термометров сопротивления (ПТС), является IEC 60751:2008; ASTM E1137 также используется в США. Безусловно, наиболее распространенные устройства, используемые в промышленности, имеют номинальное сопротивление 100 Ом при 0 ° C и называются датчиками Pt100 («Pt» — символ платины, «100» — сопротивление в Омах при 0 ° C). Также можно приобрести датчики Pt1000, где 1000 соответствует сопротивлению в Омах при 0 °C. Чувствительность стандартного датчика с сопротивлением 100 Ом составляет номинальное значение 0,385 Ом/°C. Также доступны термометры сопротивления с чувствительностью 0,375 и 0,392 Ом/°C, а также ряд 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 для работы требуют источника питания. В идеале сопротивление изменяется почти линейно с температурой согласно уравнению Каллендара – Ван Дюзена .
Чтобы платиновая проволока оставалась стабильной, ее необходимо беречь от загрязнений. Платиновая проволока или пленка поддерживается на основе таким образом, что она подвергается минимальному дифференциальному расширению или другим деформациям со стороны своей формы, но при этом достаточно устойчива к вибрации. В некоторых приложениях также используются сборки RTD, изготовленные из железа или меди. Коммерческие марки платины имеют температурный коэффициент устойчивости 0,00385/°C (0,385%/°C) (Европейский фундаментальный интервал). [7] Датчик обычно имеет сопротивление 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] и основан на использовании более чистого сорта платины, чем европейский стандарт. Американский стандарт разработан Ассоциацией производителей научного оборудования (SAMA), которая больше не работает в этой области стандартов. В результате «американский стандарт» вряд ли является стандартом даже в США.
Сопротивление проводов также может быть фактором; применение трех- и четырехпроводных соединений вместо двухпроводных может исключить влияние сопротивления соединительных проводов при измерениях (см. ниже); Трехпроводное соединение достаточно для большинства целей и является почти универсальной промышленной практикой. Четырехпроводные соединения используются для наиболее точных задач.
К преимуществам платиновых термометров сопротивления относятся:
Ограничения:
РДТ в промышленности редко используются при температуре выше 660 °C. При температурах выше 660 °С становится все труднее предотвратить загрязнение платины примесями из металлической оболочки термометра. Именно поэтому в лабораторных стандартных термометрах металлическая оболочка заменяется 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, следовательно, практически не зависит от температуры. В результате чувствительность RTD практически равна нулю и, следовательно, бесполезна. [ нужна цитата ]
По сравнению с термисторами платиновые термометры сопротивления менее чувствительны к небольшим изменениям температуры и имеют более медленное время отклика. Однако термисторы имеют меньший температурный диапазон и стабильность.
Двумя наиболее распространенными способами измерения температуры в промышленности являются термометры сопротивления (RTD) и термопары . Выбор между ними обычно определяется четырьмя факторами.
Эти элементы почти всегда требуют подключения изолированных проводов. Изоляторы из ПВХ , силиконовой резины или ПТФЭ используются при температурах ниже 250 °C. Помимо этого используется стекловолокно или керамика. Точка измерения и обычно большинство выводов требуют корпуса или защитной гильзы, часто изготовленной из металлического сплава, химически инертного по отношению к контролируемому процессу. Выбор и проектирование защитных чехлов может потребовать большей осторожности, чем сам датчик, поскольку чехол должен выдерживать химическое или физическое воздействие и иметь удобные точки крепления.
Конструкция термометра сопротивления может быть улучшена для защиты от 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 благодаря его диэлектрической проницаемости, округлой зернистой структуре, устойчивости к высоким температурам и химической инертности.
В простейшей конфигурации термометра сопротивления используются два провода. Он используется только тогда, когда не требуется высокая точность, так как сопротивление соединительных проводов добавляется к сопротивлению датчика, что приводит к ошибкам измерения. Эта конфигурация позволяет использовать 100 метров кабеля. Это в равной степени относится к сбалансированному мосту и системе фиксированного моста.
Для сбалансированного моста обычная настройка R2 = R1 и R3 примерно в середине диапазона RTD. Так, например, если мы собираемся измерять температуру от 0 до 100 °C (от 32 до 212 °F), сопротивление RTD будет находиться в диапазоне от 100 Ом до 138,5 Ом. Мы бы выбрали R3 = 120 Ом. Таким образом, мы получаем небольшое измеренное напряжение на мосту.
Чтобы свести к минимуму влияние сопротивлений проводов, можно использовать трехпроводную конфигурацию. Рекомендуемая настройка для показанной конфигурации: R1 = R2 и R3 примерно в середине диапазона термометра сопротивления. Глядя 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) представляет собой разность V_rtd − V_R3. Падение напряжения из-за сопротивления провода устранено. 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 примерно R1 = R2 = 5/0,001 = 5000 Ом.
Четырехпроводная конфигурация сопротивления повышает точность измерения сопротивления. Четырехконтактное считывание исключает падение напряжения на измерительных проводах, которое приводит к погрешности. Для дальнейшего повышения точности любые остаточные термоэлектрические напряжения, генерируемые проводами разных типов или резьбовыми соединениями, устраняются путем изменения направления тока 1 мА и выводов к DVM (цифровому вольтметру). Термоэлектрические напряжения будут создаваться только в одном направлении. Путем усреднения обратных измерений напряжения термоэлектрических ошибок компенсируются. [ нужна цитата ]
Самыми точными из всех ПТС являются сверхточные платиновые термометры сопротивления (UPRT). Такая точность достигается за счет долговечности и стоимости. Элементы УПРТ намотаны из платиновой проволоки эталонного качества. Внутренние выводы обычно изготавливаются из платины, а внутренние опоры — из кварца или кварцевого стекла. 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 температурный диапазон (от -200 °C до 1000 °C) и имеют точность примерно до ±0,001 °C в этом диапазоне температур. UPRT подходят только для лабораторного использования.
Другая классификация лабораторных ПТС — это стандартные платиновые термометры сопротивления (Стандартные ЭПС). Они построены так же, как УПРТ, но материалы более экономичны. В ЭПТС обычно используется платиновая проволока малого диаметра эталонного класса, высокая чистота, металлические оболочки и изоляторы керамического типа. Внутренние выводы обычно изготавливаются из сплава на основе никеля. Стандартные ПТС более ограничены в диапазоне температур (от -200 °C до 500 °C) и имеют точность примерно до ±0,03 °C в этом диапазоне температур.
Промышленные ПТС предназначены для работы в промышленных условиях. Они могут быть почти такими же прочными, как термопара. В зависимости от применения в промышленных ПТС могут использоваться тонкопленочные или спирально-навитые элементы. Внутренние подводящие провода могут варьироваться от многожильного никелированного медного провода с изоляцией из ПТФЭ до серебряного провода, в зависимости от размера датчика и применения. Материал оболочки обычно представляет собой нержавеющую сталь; для применения при более высоких температурах может потребоваться использование Inconel. Другие материалы используются для специализированных применений.
Применение тенденции электрических проводников увеличивать свое электрическое сопротивление с повышением температуры было впервые описано сэром Уильямом Сименсом на Бейкеровской лекции 1871 года перед Королевским обществом Великобритании . Необходимые методы строительства были установлены Каллендаром , Гриффитсом, Холборном и Вейном между 1885 и 1900 годами.
На космическом корабле «Шаттл» широко использовались платиновые термометры сопротивления. Единственное отключение главного двигателя космического корабля "Шаттл" в полете - миссии STS-51F - было вызвано многочисленными отказами РДТ, которые стали хрупкими и ненадежными из-за многочисленных циклов нагрева и охлаждения. (Отказы датчиков ошибочно свидетельствовали о том, что топливный насос критически перегрелся, и двигатель был автоматически остановлен.) После инцидента с отказом двигателя термометры сопротивления были заменены термопарами . [10]
В 1871 году Карл Вильгельм Сименс изобрел платиновый термометр сопротивления и представил формулу трехчленной интерполяции. RTD компании Siemens быстро вышел из моды из-за нестабильности показаний температуры. Хью Лонгборн Каллендар разработал первый коммерчески успешный платиновый RTD в 1885 году.
В статье Эрикссона, Койтера и Глатцеля 1971 года были идентифицированы шесть сплавов благородных металлов (63Pt37Rh, 37Pd63Rh, 26Pt74Ir, 10Pd90Ir, 34Pt66Au, 14Pd86Au) с приблизительно линейными температурными характеристиками сопротивления. Сплав 63Pt37Rh аналогичен широкодоступной проволоке из сплава 70Pt30Rh, используемой в термопарах. [11]
Датчики температуры обычно поставляются с тонкопленочными элементами. Резистивные элементы имеют классификацию в соответствии со стандартом BS EN 60751:2008 как:
Возможна поставка элементов термометров сопротивления, работающих до 1000 °С. Связь между температурой и сопротивлением определяется уравнением Каллендара – Ван Дюзена :
Здесь сопротивление при температуре T , сопротивление при 0 ° C, а константы (для платинового RTD α = 0,00385):
Поскольку коэффициенты B и C относительно невелики, сопротивление изменяется практически линейно с температурой.
Для положительной температуры решение квадратного уравнения дает следующую зависимость между температурой и сопротивлением:
Тогда для четырехпроводной конфигурации с прецизионным источником тока 1 мА [12] зависимость между температурой и измеряемым напряжением будет равна