Конструкция датчиков температуры

Термометры сопротивления

Общие сведения

Термометр сопротивления ТС это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Новый межгосударственный стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009, разработанный на основе российского стандарта ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). Ознакомиться со стандартом можно в разделе Российские стандарты. В стандарте приведены диапазоны, классы допуска ТС, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Эти данные приведены также на нашем сайте в разделе справочник. Главное преимущество термометров сопротивления – широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Изготавливаются также герметичные чувствительные элементы термометров сопротивления различных размеров, что позволяет их использовать в местах, где важно устанавливать миниатюрный датчик температуры. Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра. Важнейшей технологической проблемой для ТС проволочного типа является герметизация корпуса ЧЭ специальной глазурью, состав глазури должен быть подобран так, чтобы при колебаниях температуры в пределах рабочего диапазона не происходило разрушение герметизирующего слоя.

Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает допуск не лучше 0,1 °С (класс АА при 0 °С). Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную градуировку и определять характерную именно для них зависимость сопротивление-температура. Такая градуировка может повысить точность до нескольких сотых градуса. Следует отметить, что использование функции МТШ-90 (что возможно сейчас для многих цифровых термометров) может точнее описать индивидуальную зависимость ТС, использование квадратичного уравнения Каллендара Ван Дьюзена ограничивает точность аппроксимации до 0,01-0,03 °С в зависимости от диапазона температур.

Эталонные платиновые термометры (ПТС, ТСПН) первого разряда и термометры-рабочие эталоны по точности превосходят промышленные термометры сопротивления (расширенная неопределенность ПТС 1 разряда при 0 °С равна 0,002 °С), но они требуют очень осторожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабочих термометров сопротивления. Стандарт на образцовые ПТС первого и второго разряда: ГОСТ Р 51233-98 «Термометры сопротивления платиновые эталонные 1 и 2 разрядов. Общие технические требования» (см. раздел Российские стандарты ). Подробная информация о свойствах эталонных платиновых термометров сопротивления и методах работы с ними приводится в разделе "Платиновый термометр сопротивления - основной интерполяционный прибор МТШ-90"

Для точного изменения криогенных температур с успехом применяются железо-родиевые термометры сопротивления. Их действие основано, на эффекте аномальной температурной зависимости сплава 0,5 ат.% железа к родию при низких температурах с положительным коэффициентом сопротивления. Опыт работы с термометрами показал, что их стабильность может достигать 0,15 мК/год при 20 К. Зависимость сопротивление - температура в диапазоне 0,5-27 К хорошо аппроксимируется полиномами не высоких степеней (8 -11 степень). Однако, сложности возникают при попытке аппроксимировать диапазоны, включающие 28 К, т.к. в этой точке «низкотемпературное» сопротивление, обусловленное примесями, уступает место «высокотемпературному» сопротивлению, обусловленному рассеянием на фононах.

Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов.

Датчик температуры

G01K1/14 - опоры; крепежные устройства; устройства для установки термометров в определенных положениях

Вледельцы патента:

Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" (RU)

Изобретение относится к термометрии, а именно к контактным датчикам температуры, и может использоваться в нефтяной, химической промышленности и коммунальном хозяйстве. Датчик температуры содержит закрепленную в трубопроводе с помощью штуцера несущую трубку, соединенную резьбовым соединением с гильзой. В гильзе закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор, включенный выводами в цепь генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в несущей трубке. Свободное пространство между кварцевым резонатором и внутренней стенкой гильзы заполнено теплопроводящим материалом. Печатная плата соединена с внешними цепями посредством кабеля. Штуцер и гильза имеют внутреннюю резьбу, а несущая трубка - наружную резьбу. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции датчика и повышение точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к термометрии, а именно к контактным датчикам температуры, и может использоваться в нефтяной, химической промышленности и коммунальном хозяйстве.

Известен датчик температуры, описанный в заявке №93007137 "Устройство для измерения температуры" по кл. G 01 K 7/16, заявл. 04.02.93, опубл. 27.05.95.

Известный датчик содержит два тонкостенных цилиндрических элемента - гильзу и каркас, расположенных коаксиально с промежутком между ними, заполненным теплопроводящей мастикой; при этом внутри каркаса неподвижно закреплен термочувствительный элемент, изолированный выход которого проходит в промежутке между каркасом и гильзой. Соотношение диаметров каркаса и гильзы равно ≈0,2-0,5.

Недостатком известного датчика является сложность конструкции и невозможность осуществления для датчиков с двумя изолированными выводами.

Известен датчик температуры, описанный в заявке №93025623 по кл. G 01 K 7/32, заявл. 28.04.93, опубл. 27.05.95.

Известный датчик содержит корпус, в котором размещен чувствительный элемент в виде кристаллического кварцевого усеченного конуса с ориентировкой yxbl/6°44'+1°/+6°02'+ -1°; на верхнем и нижнем основаниях конуса размещены пленочные электроды, а внутренний объем корпуса заполнен гелием.

Недостаток известного датчика заключается в том, что технология его изготовления достаточно сложна, т.к. требуется заполнять гелием внутренний объем.

Известен датчик температуры, описанный в свидетельстве №7499 на одноименную полезную модель по кл. G 01 K 7/22, 13/00, заявл. 06.11.96, опубл. 16.08.98.

Известный датчик содержит металлическую гильзу с закрепленным в ней термочувствительным элементом, несущую трубку и соединительную втулку из металла с низкой теплопроводностью (например, из нержавеющей стали), длиной своей свободной (некрепящей) части не менее 3-х своих диаметров и толщиной стенок 0,1-0,5 толщины стенки несущей трубки; на внешней поверхности гильзы выполнен ряд отделенных друг от друга кольцевых ребер, соединенных с гильзой.

Недостатком известного устройства является сложность изготовления гильзы и выполнение вставки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик температуры, описанный в одноименной заявке №94011985 по кл. G 01 К 7/16, 13/00 и выбранный в качестве прототипа.

Известный датчик температуры содержит термочувствительный элемент, закрепленный в металлической гильзе, и несущую трубку зубчатой формы, соединенные втулкой, при этом зубцы на несущей трубке и гильзе выполнены в виде внутренней треугольной резьбы, а соединительная трубка выполнена металлической и на ее внешней поверхности продольные выступы треугольной формы, основания которых соприкасаются, полости резьбы и между выступами заполнены теплоизоляционным материалом (например, эпоксидным компаундом), а резьба и выступы взаимно перпендикулярны друг другу.

Недостатком известного датчика является сложность конструкции, обусловленная наличием соединительной вставки с продольными выступами на внешней поверхности для соединения несущей трубки и гильзы. Кроме того, наличие дополнительного соединительного элемента (вставки) вносит погрешность измерения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерений при упрощении конструкции датчика.

Поставленная задача решается тем, что в датчике температуры, содержащем термочувствительный элемент, закрепленный в защитной металлической гильзе, снабженной внутренней резьбой, и размещенный во врезанной в трубопровод несущей трубке, соединенной с защитной гильзой, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ гильза соединена резьбовым соединением с несущей трубкой, имеющей наружную резьбу, термочувствительным элементом служит кварцевый резонатор генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в несущей трубке, при этом свободное пространство между кварцевым резонатором и внутренней стенкой гильзы заполнено теплопроводящим материалом.

Соединение несущей трубки непосредственно с гильзой упрощает конструкцию датчика и повышает точность измерений, не нарушая однородности тепловой среды; выполнение термочувствительного элемента в виде кварцевого резонатора, включенного как излучающий элемент в генератор частоты, размещенный на печатной плате внутри несущей трубки при заполнении пространства между кварцевым резонатором и внутренней стенкой гильзы теплопроводящим материалом, сохраняющим температуру среды, также повышает точность измерений.

В сравнении с прототипом заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от него выполнением соединения гильзы непосредственно с несущей трубкой, имеющей наружную резьбу, а также выполнением термочувствительного элемента из размещенного в защитной гильзе с засыпкой свободного пространства между ними теплопроводящим материалом кварцевого резонатора, включенного в цепь генератора частоты, выполненного на печатной плате, расположенной в несущей трубке, обеспечивающими достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый датчик температуры соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый датчик температуры может найти широкое применение в термометрии в нефтяной, химической промышленности, в коммунальном хозяйстве, а потому соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана общая конструкция датчика.

Датчик температуры содержит закрепленную в трубопроводе 1 с помощью штуцера 2 несущую трубку 3, соединенную резьбовым соединением с гильзой 4. В гильзе 4 закреплен термочувствительный элемент 5, представляющий собой кварцевый резонатор, включенный выводами 6 в цепь генератора 7 частоты, собранного на печатной плате 8, размещенной в несущей трубке 3. Свободное пространство между кварцевым резонатором 5 и внутренней стенкой гильзы 4 заполнено теплопроводящим материалом 9, например дробленым оксидом алюминия или теплопроводящей пастой. Печатная плата 8 соединена с внешними цепями посредством кабеля 10. Штуцер 2 и гильза 4 имеют внутреннюю резьбу, а несущая трубка 3 - наружную резьбу.

Датчик температуры работает следующим образом.

При измерении температуры среды в трубопроводе 1 термочувствительный элемент - кварцевый резонатор 5, будучи подключенным выводами в цепь генератора 7 частоты, размещенного на печатной плате 8, расположенной в защитной гильзе 4 в несущей трубке 3, выдает частоту, которая изменяется при изменении температуры среды. По этому изменению частоты определяют температуру среды. Наличие теплопроводящего материала 9 в свободном пространстве между кварцевым резонатором 5 и внутренней стенкой гильзы 4 обеспечивает хорошую теплопередачу температуры среды.

В сравнении с прототипом заявляемый датчик температуры является более простым по конструкции и более точным в измерениях.

Датчик температуры, содержащий термочувствительный элемент, закрепленный в защитной металлической гильзе, снабженной внутренней резьбой, и размещенный во врезанной в трубопровод несущей трубке, соединенной с защитной гильзой, отличающийся тем, что гильза соединена резьбовым соединением с несущей трубкой, имеющей наружную резьбу, термочувствительным элементом служит кварцевый резонатор генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в несущей трубке, при этом свободное пространство между кварцевым резонатором и внутренней стенкой гильзы заполнено теплопроводящим материалом.

Датчики температуры

Платиновые датчики температуры отличаются высокой точностью, стабильностью и надежностью. Важным преимуществом платины является широкий диапазон измерений, от -196 до 1000°С.

Тонкопленочные датчики температуры изготавливаются методом вакуумного напыления платины на подложку из Al2O3 с последующей фотолитографией по полученной пленке. Термочувствительные дорожки представляют собой протяженный плоский меандр. Электроды и термочувствительные дорожки, таким образом, состоят из одного и того же материала и не имеют дополнительных переходных контактов. После создания рисунка на контактные площадки наносится припойный материал, остальная площадь пассивируется окислом SiO2. Область контактных площадок дополнительно пассивируется стекло-керамической отверждаемой пастой. Конструкция датчика зависит от его целевого назначения. Технологические допуска при изготовлении не превышают 3-х микрон.

1. Серия
2. Размер корпуса (длина х ширина в формате 1/10 мм)
3. Номинальное сопротивление

Выводные датчики температуры