Термометр сопротивления, принцип действия

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.

Чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя выполнен из металлической проволоки бифилярной намотки (рис. 1) или пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку в виде меандра (рис. 2). ЧЭ имеет выводы для крепления соединительных проводов и известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Схема термометра сопротивления представлена на рисунках 1 и 2.

Принцип работы термопары сопротивления (термометра сопротивления) основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента от температуры.Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления ТСП градуировки Pt100. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные термометры.

Главное преимущество термометров сопротивления – высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырехпроводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

Для измерения температуры различных типов рабочих сред - воды, газа, пара, химических соединений и сыпучих материалов используют термопреобразователь ТСП. Аналогом, производимым Производственной компанией "Тесей", является термопреобразователи сопротивления типа ТСПТ и ТСПТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – Pt100, Pt500, Pt1000, 100П и 50П.

Выбор термопреобразователя ТСП зависит от рабочей среды – диапазон температур измеряемой среды должен соответствовать рабочему диапазону термопреобразователя. При выборе необходимо обратить внимание надлину погружной части термопреобразователя и длину соединительного кабеля. Глубина погружения будет зависеть от глубины активной части, которая определяется длиной чувствительного элемента.

Термопреобразователь сопротивления ТСМ. Термопреобразователь ТСМ выполнен в виде бескаркасной намотки чувствительного элемента из медного изолированного микропроводабифилярной намотки. Аналогом, производимым Производственной компанией "Тесей", является термопреобразователи сопротивления типа ТСМТ и ТСМТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – 100М или 50М.

Схемы соединений и цветовая идентификация внутренних соединительных проводов термопреобразователей соротивления (подключение термопары)

Таблица 1. Схема соединения термопреобразователя сопротивления (схема термометра сопротивления и его соединений)

	двухпроводная	трехпроводная	четырехпроводная
Один ЧЭ
Два ЧЭ

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь (подключение термопары):

• 2-проводная. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема термометра сопротивления используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса А и АА.
• 3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
• 4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ) 

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

- для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
- для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 2. Номинальное сопротивление R0

Обозначение варианта исполнения ТС	Pt	П	М
Температурный коэффициент a, °С-1	0,00385	0,00391	0,00428
Номинальное сопротивление R0, Ом	100, 500; 1000	50,  100	50,  100

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt (см. ТС № 4 на рис. 3).

Рисунок 3. Иллюстрация к критерию приемки и отбраковки термометров сопротивления.

Из четырех термометров, данные по которым представлены на рис. 3, только термосопротивление № 1 может быть принят изготовителем и только термосопротивление № 4 может быть забракован заказчиком.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Таблица 3. Бюджет неопределенности измерений

Источник неопределенности	Обозначение	Тип и вид распределения неопределенности	Вклад в суммарную неопределённость
Случайные эффекты при измерении	uСКО	тип А, нормальное распределение	uСКО
Предел допускаемой основной погрешности регистрирующего прибора	uприбора	тип В, равномерное симметричное распределение
Разрешающая способность прибора	uр.с.	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность класса допуска ТС	uТС	тип В, нормальное распределение
Расширенная неопределенность класса допуска ТП	uТП	тип B, равномерное симметричноераспределение
Погрешность компенсации температуры опорных спаев	uопор	тип В, равномерное симметричноераспределение
Удлинительные провода	uпровода	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность ТП и ТС за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность измеряемой температуры	uНЕСТАБ	тип В, равномерное асимметричное распределение
Тепловой контакт со средой	uПЕЧЬ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность измерения температуры, °C		uТ

Расширенная неопределенность измерения uТ, при измерении термометрами сопротивления, определяется по формуле:

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 приведены правила отбраковки термометра сопротивления потребителем. В них установлено, что забраковать термометр можно только, если отклонение сопротивления термометра от НСХ лежит полностью вне диапазона, обусловленного расширенной неопределенностью измерения температуры в рабочих условиях. Поэтому становится очень актуальной проблема оценки неопределенности, возникающей при измерении температуры на объекте. Источники неопределенности измерения температуры промышленным термометром сопротивления можно разделить на источники, связанные с физическими условиями работы ТС и электрическим преобразованием сигнала:

- теплопроводящие свойства данной конструкции термометра и монтажных элементов;
- перенос тепла излучением в окружающую среду;
- теплоемкость датчика температуры;
- скорость изменения измеряемой температуры;
- утечки тока (качество заземления);
- электрические шумы;
- точность измерителя или преобразователя сигнала.

Стабильность метрологических характеристик термометра сопротивления

В ходе эксплуатации метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления неизбежно изменяются. Скорость изменения зависит от многих факторов таких как: температура эксплуатации, скорость и частота изменений температуры, наличие химически активных веществ в измеряемой среде и т.д. В связи с этим для датчиков ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex введены группы условий эксплуатации и в зависимости от этой группы нормированы допустимые значения дрейфа метрологических характеристик термометров сопротивления.

РМГ-74 «МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНЫХ И МЕЖКАЛИБРОВОЧНЫХ ИНТЕРВАЛОВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ» предписывает определять интервал между поверками (ИМП) как период времени/наработки СИ за который изменение метрологических характеристик не превышает модуля класса допуска СИ, уменьшенного на систематическую погрешность измерений в ходе испытаний СИ.

Для термопреобразователя сопротивления определяющим фактором дрейфа является наработка датчика при повышенной температуре. Влияние старения на дрейф ТС практически не упоминается в научных публикациях. При этом общеизвестно что величина и скорость дрейфа ТС зависит от величины измеряемой температуры. Известно, что медные термопреобразователи сопротивления менее стабильны чем платиновые. Доминирующей причиной дрейфа, в условиях эксплуатации, не относящихся к экстремальным, является изменение физических свойств металлов под воздействием температуры, величина изменений зависит от значения максимальной температуры эксплуатации и длительности воздействия.

Предлагается при нормировании интервалов между поверками учитывать условия эксплуатации, разделив их по диапазонам измеряемых температур. Для каждого из диапазонов указывать свой интервал между поверками от одного года до пяти лет. Предлагаемая градация интервалов представлена рисунке 4.

Рисунок 4. Интервалы между поверками ТС

Кроме того, обращаем внимание на необходимость корреляции показателей надежности, устанавливаемых для датчика температуры с назначенным ИМП.  Соответствие метрологических характеристик датчика температуры в течение ИМП присвоенному классу допуска при первичной поверке является принято считать одним из видов отказа. Однако, как отмечалось выше, ДТ в реальных условиях эксплуатации изменяет свои характеристики, а величина дрейфа нормируется в соответствии с РМГ-74. В связи с этим считаем целесообразным указывать в описании типа СИ и сопроводительной технической документации величину допустимого дрейфа датчика температуры за ИМП. Такой подход избавит потребителя от заблуждения о соответствии метрологических характеристик присвоенному классу допуска в течение всего ИМП и позволит рассчитать более реальный бюджет неопределенности измерений на объекте. Указание величины дрейфа за ИМП, отражает реальную картину и переводит её в разряд параметров, относящихся к видам отказа. В любом случае, наиболее корректным представляется назначение в качестве основного параметра надежности – вероятности безотказной работы датчика за ИМП.  В этом случае логичным представляется и назначение срока гарантии равным ИМП.

Предельно допустимый дрейф метрологических характеристиктермопреобразователей сопротивления за интервал между поверками (ИМП) не превышает значений, приведенных в таблице 4.
Таблица 4. Дрейф метрологических характеристик термометра сопротивления

Тип	Класс допуска	Температура применения, ° С		Группа условий эксплуатации	Дрейф за ИМП, °С
		от	до
ТСМТ ТСМТ Ex	A, B, C	– 180	+200	II	± (0,3 + 0,005 · |t|)
ТСПТ ТСПТ Ex	A, B, С	– 50	+300	I	± (0,15 + 0,002 · |t|)
	AA	– 50	+150	II	± (0,1 + 0,0017 · |t|)
		150	200	III	± (0,3 + 0,005 · |t|)
ТСПТ ТСПТ Ex	B, C	– 196	– 50	II	± (0,3 + 0,005 · |t|)
		300	450
		450	600	III
t – значение измеряемой температуры

Таблица 5. Пределы допускаемых отклонений от НСХ

Тип датчика температуры	Класс допуска	Диапазон измерений1, °С		Пределы допускаемых отклонений от НСХ, °С
		от	до
ТСМТ ТСМТ Ex	A	–50	+120	± (0,15 + 0,002 · |t|)
	B	–50	+200	± (0,3 + 0,005 · |t|)
	C	–180	+200	± (0,6 + 0,01 · |t|)
ТСПТ ТСПТ Ex	AA	– 50	+200	± (0,10 + 0,0017 · |t|)
	A	–50	+300	± (0,15 + 0,002 · |t|)
	B	–196	+600	± (0,3 + 0,005 · |t|)
	C	–196	+600	± (0,6 + 0,01 · |t|)
1 – Указаны предельные значения, конкретный диапазон, в зависимости от конструктивной модификации и наличия ИП, указан далее на страницах описания модификаций, а также приводится в паспорте и на шильдике датчика.

 

Рисунок 5. Метрологические характеристикидатчиков температуры ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex с выходным сигналом электрического сопротивления

Показатели надежности термопреобразователей сопротивления

Датчики температуры относятся к неремонтируемым и невосстанавливаемым изделиям. Надежность ДТ в условиях и режимах эксплуатации, установленных в ТУ 4211-002-10854341-2013, характеризуется следующими показателями:

- вероятность безотказной работы;
- назначенный срок службы;
- средний срок службы.

Показатели надежности ДТ установлены в соответствии с ГОСТ 27883 и учитывают условия эксплуатации ДТ:

- температура применения;
- температура и влажность окружающей среды;
- вибрационные и ударные нагрузки;
- химическая агрессивность среды к материалу чехла датчика.

В зависимости от наличия и уровня факторов, условия эксплуатации разделены на группы I, II, III приведенные в таблице 6.

Таблица 6. Группа условий эксплуатации термометров сопротивления

Группа условийэксплуатации	Вероятностьбезотказной работы	Интервал междуповерками /Назначенный срок службы	Средний срок службы
I	0,95 за 40 000 часов	5 лет	10 лет
II	0,95 за 16 000 часов	2 года	4 года (6 лет)
III	0,95 за 8 000 часов	1 год	2 года

Назначенный срок службы, приведенный в таблице, равен интервалу между поверками (ИМП). При успешном прохождении ДТ периодической поверки, назначенный срок службы продлевается на величину следующего ИМП.
Отказом ДТ считают:

- превышение допустимой величины дрейфы при периодической или внеочередной поверках;
- разрушение защитной арматуры или нарушение целостности оболочки кабеля;
- обрыв или короткое замыкание цепи чувствительного элемента;
- снижение значения электрического сопротивления изоляции между цепью чувствительного элемента и металлической частью защитной арматуры или оболочкой кабеля ниже допустимых значений.

Минимальная глубина погружения ТС:

Таблица 7. Минимальная глубина погружения

Тип датчика	Наружный диаметр ДТ, мм	Класс допуска ДТ	Минимальная глубинапогружения, мм
ТСПТ ТСПТ Ex	3	АА, А	15
		В	10
	4;  5	АА, А	30
		В	25
ТСМТ ТСМТ Ex	5	А	55
		В	50
		С	50
ТСПТ ТСПТ Ex	6	АА, А	35
		В	30
ТСМТ, ТСМТ Ex		А	60
		В, С	55
ТСПТ ТСПТ Ex	8	АА, А	45
		В	40
ТСМТ, ТСМТ Ex		А	65
		В, С	60
ТСПТ ТСПТ Ex	10	АА, А	65
		В	60
ТСМТ ТСМТ Ex		А	80
		В, С	75

Сопротивление изоляции

Корпус термометра сопротивления обычно заполняется неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния. Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как только небольшое количество влаги проникает в термометр, происходит эффект шунтирования чувствительного элемента термометра. Проверка сопротивления изоляции ТС – одно из важнейших испытаний при выпуске из производства. Проверка происходит путем измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами при испытательном напряжении 100В. При комнатной температуре сопротивление изоляции должно быть более 100 МОм.

Таблица 8. Электрическое сопротивление изоляции и прочность изоляции

Тип датчик	Электрическое сопротивление изоляции При температуре от 15 до 35°С		Электрическая прочность изоляции
	Напряжение постоянного тока	Сопротивление изоляции	Синусоидальное переменное напряжение	Максимальный ток утечки
ТСПТ, ТСМТ	100 В	100 МОм	250	5 мА
ТСПТ Ex, ТСМТ Ex			500	5 мА

Падение сопротивления изоляции – основная причина снижения точности термометра или даже выхода его из строя. Важное значение для предотвращения этого эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, особенно при работе термометра в условиях повышенной влажности.

Время термической реакции датчика

Скорость реакции ЧЭ на изменение температуры процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом. Для снижения времени термической реакции используются специальные способы точной подгонки размеров корпуса и ЧЭ, специальные изолирующие теплопроводящие материалы.

Устойчивость к механическим воздействиям

Датчики устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации. Возможные группы исполнений по ГОСТ Р 52931-2008 от L1 до F3 в зависимости от конструктивной модификации (конкретная группа приведена в описании конкретной модификации и указывается в паспорте датчика). Справочные данные о параметрах вибрации соответствующих группам исполнений приведены в таблице 9

Таблица 9. Вибропрочность термометров сопротивления

Модификации датчиков температуры	Группа вибропрочности по ГОСТ52931-2008 (диапазон частот, ускорение, амплитуда смещения)	Вибропрочность. IEC 60068-2-6	Группа механического исполнения по ГОСТ 30631 и ГОСТ 17516.1*
1хх, 2хх, 3хх (кроме 205, 301, 302, 306)	V3 (10-150Гц, 49 м/c2, 0.35 мм)	10÷150Hz, 5G	М41
306	N2 (10-55Гц, -, 0.35 мм)	10÷55Hz	М6
205, 301, 302	F3 (10-500Гц, 49 м/c2, 0.35 мм)	10÷500Hz, 5G	М27 (М37)
* - указан группа с наиболее жесткими условиями эксплуатации. Возможно применение датчиков во всех группах с меньшими значениями воздействующих факторов

Что точнее термометр сопротивления или термопара

Каков же ответ на вопрос: «Что точнее термометр сопротивления или термопара?». Самым распространенным для термометров сопротивления, используемых в промышленности является класс допуска «В». Класс допуска является, прежде всего, показателем точности подгонки ЧЭ под номинальное сопротивление при изготовлении. Стабильность, сопротивление изоляции, нагрев измерительным током и другие параметры, влияющие на точность измерения температуры, могут быть идентичными у термометров разных классов допуска.

Производственная компания «Тесей» провела исследования на этот счет. И вот какие результаты мы получили.
На следующем рисунке приведено сравнение границ классов допуска датчиков температуры ТСПТ и КТхх

Рисунок 6. Сравнение границ классов допуска датчиков температуры ТСПТ и КТхх

Из рисунка 6 видно, что для температур до 300°С, минимальное отклонение от НСХ имеют датчики ТСПТ класса допуска А. Для этого же диапазона предпочтительнее выбирать датчики КТхх класса «к0», чем использовать термометры сопротивления класса B по ГОСТ 6651-2009. Для измерения температуры более 300°С рекомендуем применять кабельные термопары КТхх первого класса допуска (к1), так как они имеют меньшее отклонение от НСХ, чем термометры сопротивления класса допуска B.