Калибровка датчика температуры

Текст к Тексту

Теоретическая часть

Измерение температуры является наиболее массовым видом измере­ния. В повседневной практике используются миллионы термометров различных типов на различные диапазоны измерения температуры. Услов­но по диапазонам термометры можно разделить на следующие группы:

1. Термометры для измерения комнатных температур. Сюда же можно отнести приборы для климатических измерений поскольку послед­ние принципиально не отличаются от чисто комнатных термометров. Со­ответственно, диапазон измеряемых температур составляет от – 50 до – 40 о С до температуры кипения воды + 100 о С.
2. Термометры для измерения низких (криогенных) температур. Та­кие приборы работают по особым принципам, включая эффекты сверхпро­водимости. Реально криогенные температуры составляют от близких к нулю до температур, при которых замерзают ртуть и спирт. В этом случае климатические термометры становятся непригодными для измерений.
3. Термометры для измерения высоких температур, реально работают в диапазоне от несколько сот градусов Цельсия до температуры плавлени­я золота 1064,18 о С. Чаще всего для измерения таких температур использу­ют термопары и термометры сопротивления.
4. Термометры для измерения температур, при которых объекты становятся самосветящимися, т.е. излучают видимый человеческим гла­зом свет. Такие приборы называют пирометрами, что происходит от слова “пиро” – огонь. Их используют для измерения температур раскалённых объектов, пламени или плазмы. Глаз человека видит температурное излучение, начиная с температуры в 800 – 900 о С, когда излучение объектов видно как темно-вишневое.
5. Для измерения температур в тысячи, десятки и сотни тысяч градусов используют специальные спектроскопические методы измерения температур, в которых последняя определяется по интенсивности спектральных линий атомов и ионов, из которых состоит объект. Такое состояние называется плазмой, а методы измерения температуры плазмы называются методами диагностики. Таким же способом определяют температуру небесных самосветящихся объектов – звёзд.

По реализации методов измерения температуры различают следующие методы, когда термометр приводится в непосредственный контакт с телом, температура которого измеряется, и неконтактные методы, когда источником информации о температуре объекта служит светимость, яркость или цвет объекта.

Контактные термометры для измерения комнатных и средних температур можно разделить на следующие типы:

• Волюметрические приборы, в которых информация о температуре, получается, по изменению объема термометрической жидкости или газа. Это наиболее распространённый тип термометра, хорошо знакомый каждому.
• Дилатометрические термометры, в которых температура измеряется по линейному расширению тел. Наиболее массовыми термометрами такого типа являются биметаллические пластины, представляющие собой две полоски из металлов с разными коэффициентами темпера­турного расширения, соединёнными (спаянными) по всей длине (Рис.1).

Биметаллическая пластина – датчик температуры

Биметаллические датчики температуры очень удобны для автомати­ческих регулирующих устройств и широко используются в различных терморегуляторах.

Термопары как датчики температуры. В этих термометрах о температуре судят по ЭДС, возникающей в цепи, состоящей из двух различных проводников, спаянных по концам. Если спаи поддерживать при разных температурах, в цепи (рис. 2) возникает ток, пропорциональ­ный разности температур спаев.

Дифференциальная термопара.

Термосопротивления – датчики температуры в виде металлической про­волоки, изменяющей электрическое сопротивление при изменении темпе­ратуры. Зависимость сопротивления от температуры имеет вид:

где R_T - сопротивление при температуре T­₁. R₀ – сопротивление при 0 0 C, a - температурный коэффициент положительный для металлов и отрица­тельный для графита.

Термометры для измерения низких температур, равно как пиромет­ры и методы диагностики плазмы имеют целый ряд особенностей, сущ­ность которых выходит за пределы поставленной конкретной задачи. Же­лающие могут ознакомиться с этим более подробно в специальной лите­ратуре.

Для понимания сущности поставленной в работе задачи следует подробно остановиться на точностных возможностях контактных термо­метров.

Наиболее точными из всех типов контактных термометров являются термопары сопротивления. Электрическое сопротивление некоторых метал­лов, например платины или родия очень стабильны во времени. Это даёт возможность отградуировать терморезистор с уверенностью, что его сопротивление при заданной  температуре остаётся постоянным практиче­ски в течении всего срока службы термометра. Платиновые термометры сопротивления в измерительной и метрологической практике являются средством передачи размера единицы температуры от эталонов к рабочим средствам измерения, т.е. чаще всего используются как образцо­вые средства измерения.

Следующими по точности измерения температуры являются некото­рые типы термопар. Например, термопара, изготовленная из платины (один из электродов) и сплав платины с 10% родия или с 15% родия (вто­рой элемент термопары) имеет температурную зависимость ЭДС для раз­личных экземпляров, воспроизводящуюся в 4 – 5 знаках. Такая точность гарантированна независимо от размеров термопары, от толщины электро­дов, от технологии изготовления проволоки и т.д.

Другие типы термопар, например, хромель – алюминий, хромель - …. медь – константан, железо константан и т.д. имеют большие абсолютные значения термо ЭДС, но нуждаются в индивидуальной калибровке, по­скольку свойства таких термопар индивидуальны для каждого датчика.

Волюметрические термометры как правило позволяют измерять температуру  с погрешностью  0,1 – 0,05 0 С, т.е. гарантируют точность в 1 – 2 знаках после запятой. По этой причине волюметрические приборы ис­пользуются в большинстве своём в рутинных повседневных измерениях, когда указанная точность является достаточной. Это имеет место при из­мерениях температуры в помещениях, на улице, при контроле технологи­ческих процессов и т.д.

Дилатометрические термометры имеют погрешности измерений на уровне 1 – 2 0 С и по этой причине используются в измерениях, не требую­щих большой точности. Если речь идёт о регулировании температуры в морозильных камерах, в системах охлаждения двигателей, при нагрева­нии воды и в других аналогичных задачах, то дилатометрические термо­метры оказываются наиболее предпочтительными ввиду их высокой ме­ханической прочности, долговечности, надёжности. Эти качества являют­ся причиной того, что дилатометрические термометры или дилатометри­ческие датчики установлены во многих системах автоматического регули­рования температуры  - в холодильниках, в автомобилях, в машинах и механизмах, когда требуется информация о температуре.

Завершая краткий обзор контактных методов измерения температу­ры, напомним основные метрологические категории в любом виде изме­рений. Начнём с определений:

• эталоном. исходным образцовым средством измерения, устанговкой высшей точности в зависимости от метрологического статуса назы­вается средство измерения, позволяющее воспроизводить единицу физической величины и (или) измерять её с наивысшей возможной точностью
• образцовым средством измерения называют средство измерения, пред­назначенное для поверки рабочих средств измерения. Образцовым средством измерения может служить один из рабочих приборов с более точно в сравнении с последними определёнными метрологиче­скими характеристиками.
• рабочие приборы – измерительные устройства, непосредственно исполь­зуемые в измерительных процедурах
• меры – средства измерения, предназначенные для хранения и передачи размера физической величины. Меры используют для передачи размера единицы от эталонов к образцовым средствам измерений или от образцовых средств к рабочим.

Процесс передачи размера единицы может осуществляться с использо­ванием образцовой меры или сравнением (компарированием) показаний рабочего прибора с показаниями образцового прибора. Калиб­ровка и градуировка термометров может также осуществляться:

1. По стандартным справочным данным, например об ЭДС термопар или табличных значений сопротивлений образцовых термометров.
2. По реперным температурным точкам, т.е. по стандартным значе­ниям температур фазовых переходов – кипения, отвердевания, плавления, чистых веществ. Всего в температурной шкале МПТШ – 90, действующей в системе СИ в настоящее время, содержится 27 значений температур в диапазоне от –259,346 0 С до 33,83 0 С. Среди этих значений 14 реперных точек считаются основными, т.е. имеют погрешность во 2 – 3 знаках по­сле запятой. Остальные 13 реперных точек имеют погрешность в десятые доли градуса 0 С и выше.

Цель работы и описание измерительной установки

Целью данной работы являются ознакомление с метрологическими аспектами температурных измерений – с процедурой передачи размера единицы термодинамической температуры  от образцового термометра к рабочему прибору. В качестве образцового средства измерения выбран платиновый термометр сопротивления, аттестованный с погрешностью 0,05 0 С. Рабочим средством измерения служит термосопротивление, предназначенное для использования в термометрах с погрешностью из­мерения 0,1 0 С. Методом передачи размера единицы служит компарирова­ние – сравнение измерительного сигнала с платинового тер­морезистора с терморезистором из меди.

Другой целью работы является калибровка рабочего терморезистора и определения для него температурного коэффициента l в формуле 1.

В качестве исходной информации используется паспортное значение сопротивления платинового датчика температуры в диапазоне от –50 0 С до 200 0 С. Эти данные приведены в таблице 1 и изображены на графике на рис. 3.

Сопротивление платинового датчика температуры в диапазоне – 50 0 С - +200 0 С. Паспортные данные.

NTC (терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом) и PTC (терморезисторы с положительным температурным коэффициентом) являются термозависимыми резисторами. Чтобы измерить сопротивление, его включают последовательно с обычным резистором и измеряют падение напряжения на нем. Пример схемы подключения находится здесь .

Микросхема, выдающая 10мВ на каждый градус Кельвина. Доступна в различных исполнениях. Примеры схем подключения приведены в даташите; схема работы с компаратором (вместо "правильного" АЦП) находится здесь .

Точность 1 градус (при 25°C) даже без калибровки

в случае длинных соединительных проводов наводится слишком много пульсаций

Микросхема, подобная LM335, с той разницей, что ток, протекающий через микросхему, пропорционален температуре. С помощью "схемы" (два сопротивления) из даташита можно изменить ток таким образом, что на каждый градус Кельвина будет выдаваться 1 мВ. Так как преобразование тока/напряжения происходит на плате (и следовательно, вблици от АЦП) и измерение производится с помощью тока, то помехи из-за пульсаций в сети значительно меньше, чем в случае LM335

точность 1° (при 25°C) даже без калибровки

относительно низкая цена (Reichelt 0,90 EUR)

необходим АЦП

DS1621 - это температурный сенсор, объединенный с АЦП. Он передает результаты измерений по шине I2C. Схема электронного термометра с использованием этой микросхемы находится здесь .

Преимущества:

уже откалиброван

не нужен АЦП

так как I2C является шиной, с помощью всего двух портов ввода-вывода можно подключить и использовать несколько DS1621 и других I2C-микросхем

LM75 подобна DS1621, но доступна только в SMD-корпусе и имеет более низкую точность. Однако, его чаще можно увидеть на системных платах ПК, так что при разборке старой машины можно бесплатно получить термосенсор в свое распоряжение. Схема подключения находится здесь .

относительно дорогой (Reichelt 5,45 EUR)

SHT11 - это сенсор температуры и влажности от Sensirion .

Как определить тип датчика температуры SKS Sensors®?

Тип датчика температуры SKS Sensors® представлен набором символов - кодом. Код для каждого типа датчика указан в документации по продукции, см. информацию по отдельным типам от 1 до 22 в разделе Продукция > Датчики температуры .

Создайте свой код продукта SKS Sensors ® с инструментом подбора продукции

Вы можете создать пошагово правильный код продукта для вашего применения, выбирая последовательно свойства и указывая основные данные по размерам в соответствующие поля инструмента подбора продукции.

Получившийся код также является ссылкой на страницу с подробной информацией по продукту, также вы можете в одно нажатие поместить продукт в корзину и оформить заявку на получение предложения. Попробуйте работу инструмента: Продукция > Инструмент выбора продукции

Если вам требуется помощь в переводе старого типа датчика на новый, просим обращаться к вашему дилеру датчиков SKS Sensors ® .