Схемы преобразователей температуры

НОРМИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ

Несмотря на широкое распространение полупроводниковых датчиков температуры, "главными" температурными датчиками пока являются термометры сопротивления. Этому явлению есть ряд причин. Во-первых, несопоставимо высокая надёжность и достоверность показаний ТС, во-вторых - практически линейная температурная характеристика во всём рабочем диапазоне температур, в-третьих - в несколько раз более широкий диапазон рабочих температур, принципиально недостижимых для полупроводниковых приборов, в четвёртых - высокая защищённость ТС от механических воздействий, в пятых - высокая точность измерения температуры.

Принцип работы ТС основан на температурной зависимости удельного сопротивления различных металлов. В качестве материала для чувствительного элемента ТС обычно используют тонкую платиновую, медную и никелевую проволоку. Для стандартизации характеристик, ТС чаще всего выпускаются с сопротивлением чувствительного элемента при 0 град.С равном 50 или 100 Ом. Крутизна характеристики изменения сопротивления от температуры у них разная, поэтому для каждого из типов ТС используют свой нормирующий преобразователь для получения сигнала напряжения или тока, пропорционального значению температуры чувствительного элемента ТС, который пригоден для ввода в цифровые измерители.

Особенностью ТС является малое приращение сопротивления при изменении температуры, что значительно усложняет схему преобразователей сопротивления в сигнал постоянного тока или напряжения, пригодного для ввода в устройства отображения температуры или дальнейшей обработки. Если ТС устанавливается на значительном удалении от нормирующего преобразователя, на точность измерения начинает сказываться сопротивление подводящих проводников. Для уменьшения этого влияния ТС подключаются к нормирующему преобразователю по трёх или четырёх проводной схеме. В разделе "Различные электронные устройства для дома и быта " представлены схемы цифрового термометра и регулятора температуры для холодильника. содержащие нормирующие преобразователи с трёх проводной схемой подключения ТС. Недостатком этих схем является сложность настройки измерительного моста, нелинейность показаний на краях диапазона, необходимость подгонки измерительной линии, что практически исключает возможность измерения температуры в нескольких точках с использованием переключателя ТС.

В настоящей статье представлена схема нормирующего преобразователя, лишенная этих недостатков. Несмотря на более сложную схемотехнику, устройство гораздо проще в настройке, не требует точного подбора сопротивлений измерительного моста, легко настраивается под использование ТС различных градуировок, совершенно нечувствительно к сопротивлению измерительной линии от ТС до нормирующего преобразователя.

Схема состоит из: стабилизатора измерительного тока ТС ( DA1.1 ). позволяющая устранить влияние сопротивления кабеля до ТС и увеличить линейность измерения на краях рабочего диапазона; узла формирования искусственного "нуля" в удалённой точке соединения выводов 2 и 4 ТС ( DA1.3). устраняющего влияние сопротивления проводников 2 и 4 на показания; узла установки показаний при "0" град.С ( DA1.2) ; узла настройки показаний при 100 град.С ( DA1.4 ) и узла формирования напряжения -10В для питания ОУ ( D1). Настройка схемы чрезвычайно проста. Вначале вместо ТС подключают прецизионный резистор сопротивлением 50,00 Ом или магазин сопротивлений. На выход преобразователя подключается цифровой вольтметр (мультиметр). Вращением оси подстроечного резистора R4 добиваются нулевых показаний на выходе, затем подключают резистор сопротивлением 71,40 Ом и вращением оси резистора R17 добиваются показаний 1,000 В, соответствующих температуре +100 град.С - настройка устройства закончена.

В рассматриваемой версии схемы температуре +100 град.С соответствует выходное напряжение +1,000 В, подходящее для измерения цифровым вольтметром на микросхеме ICL7107 ( см. схему цифрового термометра ). Если требуется иное напряжение - соответственно подбираются сопротивления резисторов R11 и R19. При использовании ТС с иной, чем 50М градуировкой, значения сопротивлений ТС при 100 град. С можно получить из специальной программы. Например, для термометра сопротивления 50П сопротивление при +100 град.С составляет 69,556 Ом. Схема легко адаптируется для ТС градуировки 100М или 100П. В этом случае сопротивление резистора R11 должно составлять 22 кОм, а R12 - 110 кОм.

Устройство собрано на печатной плате 48 х 60 мм.

Номиналы большинства элементов схемы не критичны для нормальной работы. Отклонение сопротивлений резисторов от рекомендованных в схеме может достигать десятков процентов. Например, сопротивление резисторов, номинал которых указан без десятых долей, может отличаться от схемного в несколько раз. Для резисторов, номинал которых указан с десятыми долями, важна стабильность и соотношение сопротивлений. Ёмкости конденсаторов совершенно не влияют на показания и могут очень значительно отличаться от показанных в схеме.

Если устройство будет использоваться в составе цифрового термометра. содержащего источник отрицательного напряжения, микросхему D1 и соответствующую обвязку можно исключить. Сопротивления резисторов R14 и R20. в этом случае, необходимо уменьшить до 4. 8 кОм.

Термопреобразователи сопротивления. Устройство, характеристики, виды и типы, схемы термопреобразователей сопротивления ТСП, ТСМ, ТСПУ, ТСМУ.

Разновидности и конструкция термопреобразователей сопротивления

Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП) могут иметь следующие сопротивления при 0 °С: 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом, и поэтому имеют следующее обозначение номинальных статических характеристик 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и 500П. ТСП используются для измерения температуры в интервале (-260. 1100) °С и являются наиболее распространенным типом термопреобразователей сопротивления. При выборе ТСП следует использовать общий принцип — низкоомные ТС необходимо применять для измерения высоких температур, а высокоомные — для измерения низких температур.

Кроме того, при использовании высокоомных ТСП влияние изменения сопротивления внешней линии сказывается меньше, чем при использовании низкоомных. Недостатком платиновых ТС является нелинейность статической характеристики, особенно в области высоких и отрицательных температур, возможность загрязнения платины при высоких температурах, подверженность воздействию восстановительных и агрессивных газов. В интервале температур (0. 600) °С зависимость сопротивления от температуры описывается нелинейным выражением

Rt = R0(1 + At + Bt 2 )

Обычно в таблицах задаются значения Wt = Rt / R0 в зависимости от температуры. В этом случае номинальные статические характеристики преобразования рассчитываются по (2) и даны в табл. 2. предыдущей статьи .

Для изготовления платиновых термопреобразователей сопротивления используется проволока диаметром от 0,05 до 0,1 мм (для использования в температурном интервале до 750 °С) и диаметром (0,2. 0,5) мм для измерения температур до 1100 °С. Типовой конструкцией чувствительного элемента является конструкция, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя :

1 — платиновые спирали; 2 — керамический каркас; 3 - изоляционный порошок;  4— выводы; 5 — глазурь; 6 — металлическая оболочка

Чувствительный элемент состоит из соединенных последовательно двух платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 2. Каналы каркаса со спиралями заполняются порошком 3 (обычно это оксид магния), который служит изолятором и улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные выводные проводники. Торцы керамического каркаса герметизируются специальной глазурью 5. Каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 6, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропущены выводы. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух спиралей (двойные ТС). Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность чувствительного элемента, незначительное механическое напряжение платиновой проволоки, достаточную прочность и вибростойкость. Длина платиновых чувствительных элементов обычно равна 50. 100 мм при диаметре 3. 6 мм. Все свободное пространство заполнено изолирующим порошком. Предельные погрешности ТСП приведены в табл. 1. предыдущей статьи

Медные термопреобразователи сопротивления (ТСМ) применяются для длительного измерения температуры в интервале от -200 до 200 °С. К достоинствам меди как материала для чувствительных элементов следует отнести дешевизну, возможность получения в чистом виде, хорошую технологичность, линейность зависимости сопротивления Rt от температуры t. Статическая характеристика преобразования у ТСМ описывается уравнением

Rt = R0(1 + α * t), где α — температурный коэффициент, равный

0,00428 °С -1. R0 — сопротивление ТСМ при 0 °С.

Линейность статической характеристики является достоинством меди, а ее недостатком — интенсивная окисляемость, что ограничивает диапазон применения ТСМ температурой 200 °С и требует покрытия изоляцией проволоки чувствительного элемента. Проволока может покрываться либо эмалью, либо кремнийорганической изоляцией. Чувствительный элемент медного термопреобразователя сопротивления состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на каркас (рис. 3, а).

Рис. 3. Чувствительные элементы медных термопреобразователей :

а — с каркасной намоткой:  1 — намотка; 2 — каркас; 3 — слой лака; 4 — защитная оболочка; 5 — выводы; б — с бескаркасной намоткой: 1 — намотка; 2 — фторопластовая оболочка; 3 — защитная оболочка; 4 — изолирующий порошок; 5 — выводы

Намотка должна быть безындуктивной, т.е. индуктивное сопротивление чувствительного элемента (ЧЭ) термопреобразователя сопротивления должно быть минимальным. Это связано с тем, что ЧЭ содержит большое число витков медного провода и при обычной намотке будет иметь значительную индуктивность. Поскольку вторичные приборы для ТС (автоматические мосты) имеют измерительные схемы, питаемые электрическим переменным током, индуктивное сопротивление одного из плеч (в данном случае ЧЭ) будет влиять на режим уравновешивания. Для обеспечения безындуктивности обычно выполняется бифилярная намотка — намотка вдвое сложенным проводом. Поверхность намотки покрывается слоем лака. К концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1. 1,5 мм. ЧЭ помещается в металлическую защитную оболочку, засыпанную изолирующим порошком и герметизированную. Чувствительные элементы могут быть бескаркасными (рис. 3, б). Они изготавливаются из медной проволоки диаметром 0,08 мм безындуктивной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, а затем весь ЧЭ обернут фторопластовой пленкой. ЧЭ помещается в тонкостенную металлическую оболочку, которая засыпается изолирующим порошком и герметизируется.

Недостатком меди, как материала для термопреобразователя сопротивления, является также малое удельное сопротивление, так как для изготовления ЧЭ при этом требуется много проволоки, что увеличивает размеры ЧЭ и ухудшает динамические свойства ТС.

По ГОСТ Р50353-92 медные термопреобразователи сопротивления (сокращенное обозначение ТСМ) должны иметь номинальное сопротивление при 0 °С, равное 10, 50, 100 Ом, при этом номинальные (т.е. идеальные) статические характеристики преобразования (НСХ) условно обозначаются ЮМ, 50М, 100М (таким образом, в обозначении НСХ цифра — это сопротивление термопреобразователя сопротивления при 0 °С в омах, буква — обозначение материала — медь). Для всех разновидностей ТСМ аналитическое выражение НСХ одинаково:

Rt = R0 (1 + α * t)

причем коэффициент α  = 0,00428 (1/°С) одинаков для всех ТСМ (по стандартам МЭК он может быть равным 0,00426 1/°С). Различие НСХ только в значении R0. Медные ТС обычно выпускаются с классами допуска В и С. Предельные значения отклонений приведены в табл. 1. предыдущей статьи

В общем виде чувствительность для термопреобразователя сопротивления определяется выражением

S = ΔRt / At,          (5)

при Δt стремящемся к нулю

S = dRt / dt,        (6)

где d — символ производной.

По табл. 1 погрешность термопреобразователя сопротивления выражается в градусах (Δt). Она может быть выражена в единицах сопротивления ΔR, связанных с Δt (в градусах) через коэффициент преобразования:

ΔR = Δt * S.               (7)

Арматура ТС бывает двух исполнений: с головкой и без нее. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Внутреннее устройство ТС с головкой представлено на рис. 4.

Чувствительные элементы помещаются в защитную арматуру, подобную изображенной на рис. 4.

Рис. 4. Устройство термопреобразователя сопротивления с головкой и без крепежных деталей :

1 — чувствительный элемент; 2 — защитная арматура; 3 — выводы; 4 — изоляция; 5 — герметик; 6 — головка; 7 — клеммная сборка; 8 — зажимы; 9 — жилы кабеля; 10 — кабель; 11 — гайка

Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком. В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии. На внешней стороне арматуры может располагаться подвижный или неподвижный штуцер. На контролируемом объекте закрепляется защитная гильза, внутри которой закрепляется арматура термопреобразователя сопротивления.

От чувствительного элемента к контактной головке могут подходить два, три или четыре выводных проводника. Это связано с различными схемами подключения ЧЭ к вторичным устройствам (двух-, трех- или четырехпроводные схемы). Часть применяемых схем выводов приведена на рис. 5.

Схема термопреобразователя сопротивления без головки и крепежных устройств с четырьмя выводами от ТС изображена на рис. 6. У таких ТС выводы от чувствительного элемента после пробки, герметизирующей свободный конец защитной арматуры, выпускаются в виде отдельных изолированных проводов большой протяженности. На рис. 6 изображен пример, когда от чувствительного элемента отходят четыре вывода.

Рис 5. Применяемые схемы выводов от чувствительного элемента термопреобразователя :

а,6 — четырехпроводная; в, д — двухпроводная; г — трехпроводная (схемы б,д — двойной ТС)

Рис. 6. Схема термопреобразователя сопротивления без головки с четырьмя выводами :

а — внешний вид; б — схема видов

Рис. 7. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

Проволочные термопреобразователи сопротивления имеют стабильную НСХ, однако обладают сравнительно большими размерами и достаточно большой тепловой инерцией. Этих недостатков лишены тонкопленочные ТС, которые работают в интервале (-50. 300) °С, классов А, В, С и имеют НСХ 50М(П), 100М(П), 500М(П), 1000М(П).

Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L. размещаемого в головке термопреобразователя сопротивления ТС (Pt100) представлена на рис. 7. Последний к преобразователю подключен по четырехпроводной схеме, возможны варианты двухпроводного и трехпроводного подключения. Сигнал от термопреобразователя сопротивления, усиленный в усилителе У, поступает на аналого- цифровой преобразователь АЦП, а затем на микропроцессор МП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В микропроцессоре производится усреднение измеряемого сигнала, линеаризация, пересчет в соответствии с заданным диапазоном и пр. По двухпроводной линии передается выходной сигнал 4. 20 мА и питание от внешнего источника. Диапазон измерения преобразователя составляет -200. 850 °С при погрешности ±0,1 % диапазона измерения. Фирма Siemens помимо этих преобразователей выпускает SITRANS ТЗК-РА, SITRANS ТК/ТК-Н, SITRANS TF. Первый тип преобразователей имеет цифровой интерфейс PROFIBUS-PA, два других при выходном сигнале 4. 20 мА работают с HART модемами, последний имеет, кроме того, встроенный цифровой индикатор.

Комплекты термопреобразователей. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются основными средствами измерения температур в системах контроля теплоснабжения, где малые разности температур (3. 4) °С должны измеряться с погрешность (1. 2) %. Обычно для учета теплоты подбирается комплект из двух платиновых термопреобразователей сопротивления (например, комплект КТПТР), обладающих близкими погрешностями одного знака, это позволяет обеспечить высокую точность измерения разности температур. В табл. 1 приведены пределы допускаемых погрешностей измерения разности температур комплектами платиновых термопреобразователей классов 1 и 2, которые образованы соответственно термопреобразователями классов А и В.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления обычно называются термисторами и используются для измерения температур в интервале (-100. 300) °С. Их достоинства — высокое значение ТКС (на порядок больше, чем у металлов), малая тепловая инерция и высокое номинальное сопротивление. Недостатками являются нелинейность номинальной статической характеристики, невзаимозаменяемость из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность статической характеристики. В связи с этими недостатками полупроводниковые термопреобразователи обычно используются в цепях температурной компенсации и сигнализации, где не предъявляются высокие требования к точности измерения температуры.

Таким образом, термопреобразователи сопротивления могут применяться для измерения температуры только в сочетании с другими средствами измерений. Так, измерительный комплект может состоять из ТС, вторичного прибора (например, РП160-12) и соединительной линии между ними. Погрешность измерения температуры в этом случае определяется погрешностью всех этих средств с учетом возможной методической погрешности.

Подключение датчиков температуры

При использовании термопреобразователей сопротивления для измерения температуры внести дополнительную погрешность могут провода подключения датчиков, так как провода также имеют свое собственное сопротивление, которое зависит от температуры окружающей среды.

Термопреобразователи сопротивления подключаются по двухпроводной и по трехпроводной схеме.

Термопреобразователи сопротивления подключаются медными проводами, т.к. медные провода имеют низкое удельное сопротивление.

При двухпроводной схеме подключения сопротивление датчика температуры и сопротивление проводов складываются, что вносит погрешность в результат измерения:

Rизм= Rt+ r1+ r2 ,

Rизм - измеренное сопротивление;

Rt - сопротивление датчика;

r1, r2 - сопротивления проводов подключения.

Сопротивление проводов подключения датчиков зависит от температуры, окружающей среды, поэтому эта погрешность зависит от температуры. Поэтому двухпроводную схему подключения используют только при небольшой длине проводов, в тех случаях, когда сопротивление проводов намного меньше погрешности измерительного преобразователя.

При удалении датчика на большие расстояния следует применять трехпроводную схему подключения. Все три провода должны быть выполнены из одного и того же медного кабеля с одинаковым сечением и длиной. Максимальная длина проводов не должна превышать 150 м.

При трехпроводной схеме подключения измерительный преобразователь по очереди измеряет сопротивление цепи «датчик+ провода подключения» (Rt+r2+r3 ) и цепи «провода подключения» (r1+r2 ), вычисляет разность этих значений и получает точное значение сопротивления датчика.

Иногда заказчики стараются сэкономить на стоимости проводов подключения и подключают датчики двумя проводами, даже если оборудование поддерживает трехпроводную схему подключения. Рассмотрим на примере, к чему это может привести.

Предположим, датчик температуры расположен в центре помещения, где диапазон изменения температур небольшой. Длина провода подключения составляет 20 м, удельное сопротивление провода 0,1 Ом/м, относительное изменение сопротивления меди равно примерно 0,004/°С. Сопротивление проводов подключения будет равно r1+r2 = 20*0,1+20*0,1 = 4,0 Ом при 20 °С; 3,92 Ом при 15 ° С; 4,08 Ом при 25 ° С. Это приведет к погрешности, вносимой проводами: 10,0 ° С при 20 ° С; 9,8 ° С при 15 ° С; 10,2 ° С при 25 ° С. Если же провода или часть проводов проходят по помещению, в котором температуры не регулируется, погрешность из-за двухпроводной схемы подключения будет еще выше.

Как правило, приборы позволяют ввести коррекцию показаний датчика температуры, в наших приборах это называется «смещение характеристики преобразования». В вышеизложенном случае при использовании двухпроводной схемы подключения следует ввести в прибор коррекцию показаний датчика на 10 °С, но погрешность, вызванная температурными изменениями сопротивления проводов подключения, останется и составит 0,2 °С.

Все приборы, изготавливаемые нашим предприятием, позволяют выполнять преобразование сопротивления в температуру с погрешностью не больше 0,1°С. Это позволяет после окончания монтажа системы ввести в прибор поправки, компенсирующие как погрешность датчика, так и погрешность, вносимую проводами подключения. Для этого после окончания прокладки кабелей подключения датчиков следует выполнить сравнение показаний прибора по каждому каналу с показанием образцового термометра (см. “Проверка правильности показаний датчиков температуры” ). Полученные поправки нужно ввести в прибор и убедиться, что отклонение показаний датчиков от показаний образцового термометра не превышает 0,1 °С.