TERMOAPARATURA WROCŁAW - Termopara, Termopary, Czujniki Pt100, Przewody kompensacyjne, termopara płaszczowa, termoelement

Czujniki rezystancyjne są to przyrządy reagujące na zmianę temperatury zmianą rezystancji wbudowanego w nie rezystora.

Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchu elektronów powoduje wzrost rezystancji.

Platynowe termorezystory

Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości:

możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji
możliwie dużą rezystywność zapewniającą wykonanie rezystorów o małych wymiarach
możliwie wysoką temperaturę topnienia
stałość własności fizycznych
odporność na korozję
łatwą odtwarzalność metali o identycznych własnościach
ciągłość zależności rezystancji od temperatury bez wystąpienia histerezy
dostateczną ciągłość i wytrzymałość

Metalem, który najlepiej łączy w sobie wyszczególnione powyżej własności jest platyna „Pt”. Ponadto do wykonania rezystorów termometrycznych stosujemy również nikiel i miedź.

Poza klasycznymi rozwiązaniami rezystorów termometrycznych, ostatnie lata przyniosły znaczną ich miniaturyzację oraz konstrukcje, w których uzwojenie z drutu zastąpiono rezystancją wykonaną techniką warstw napylonych, przejętą z technologii produkcji elektrycznych układów scalonych.

Równania określające zależność między temperaturą a rezystancją w platynowych rezystorach termometrycznych są następujące:

- w zakresie od –200^oC do 0^oC

R_t = R_o [ 1 + At + Bt² + C ( t - 100^oC ) t³ ]

- w zakresie od 0^oC do +850^oC

R_t = R_o (1 + At + Bt² )

Dla platyny o jakości zwykle stosowanej w przemysłowych czujnikach rezystancyjnych wartości stałych w tych równaniach są następujące:

A = 3,9083 x 10^-3 ^oC^-1

B = -5,775 x 10^-7 ^oC^-2

C = -4,183 x 10^-12 ^oC^-4

W przypadku termometrów rezystancyjnych podaje się również współczynnik temperaturowy a, definiowany jako:

a = ( R₁₀₀ - R₀ ) / ( 100 x R₀ ) = 0,00385°C^-1

R₁₀₀ - rezystancja w 100°C
R₀ - rezystancja w 0°C

Do obliczeń stosuje się dokładną wartość 0,00385055 °C^-1

Według normy PN-EN 60751 przy temperaturze 0^oC nominalna wartość rezystancji wynosi 100.00Ω. Dostępne są również czujniki rezystancyjne o nominalnych wartościach 500Ω (Pt500) oraz 1000Ω (Pt1000) przy temperaturze 0^oC. Charakteryzują się one znacznie większą dokładnością (większa rozdzielczość rezystancji w stosunku do temperatury).

Tolerancje błędów

Dopuszczalne tolerancje błędów dla platynowych czujników rezystancyjnych zostały dokładnie opisane w normie PN-EN 60751:1997+A2. Norma ta rozróżnia dwie klasy dokładności: A i B.

Poniżej zostały podane wzory na obliczanie dopuszczalnej odchyłki.

Klasa A: t = ( 0.15 + 0.002 x |t| )

Klasa B: t = ( 0.30 + 0.005 x |t| )

t = temperatura w ^oC

Istnieje również możliwość zastosowania rezystorów platynowych o podwyższonej dokładności, tj. klasy 1/3 DIN B oraz 1/10 DIN B. Jednak rezystory te są ograniczone zakresem temperatury stosowania zgodnie z poniższą tabelą.

Poniżej przedstawione są wzory na obliczanie dopuszczalnego błędu dla rezystorów o podwyższonej klasie dokładności.

Klasa 1/3 B : t = ( 0.10 + 0.0017 x |t| )

Klasa 1/10 B : t = ( 0.07 + 0.0007 x |t| )

Połączenie czujników rezystancyjnych

W czujniku rezystancyjnym rezystancja elektryczna zmienia się z temperaturą. W celu określenia sygnału wyjściowego prąd o stałej wartości przepuszczany jest przez rezystor oraz mierzony jest spadek napięcia. Dla tego spadku napięcia prawo Ohma stwierdza:

V = R x I

Prąd pomiarowy powinien być tak mały jak to możliwe w celu uniknięcia nagrzewania się rezystora. Można przyjąć, że prąd pomiarowy o wartości 1 mA nie wnosi istotnych błędów. Prąd ten daje spadek napięcia 0,1 V w Pt100 przy 0ºC. Ten sygnał, przy minimalnych zmianach, musi być teraz przekazany do punktu wskazującego lub analizującego przewodami łączącymi.

Do tego celu stosowane są trzy różne typy układu połączeń.

Układ 2-przewodowy

Łączenie czujnika z elektroniką przetwarzającą odbywa się za pomocą kabla 2-przewodowego. Tak jak każdy inny przewodnik elektryczny kabel ten ma rezystancję elektryczną połączoną szeregowo z czujnikiem temperatury. Tak więc dodawane są dwie rezystancje, zaś wynikiem jest systematycznie wyższe wskazanie temperatury. Na większych odległościach rezystancja doprowadzeń może wnosić wiele omów i wytwarzać istotne przesunięcie wartości pomiarowej. W celu uniknięcia tego błędu, rezystancja jest kompensowana elektrycznie.

Przyrząd jest przewidziany do tego, by zawsze dawać rezystancję doprowadzeń, przykładowo, 10Ω. Gdy przyłączony jest czujnik rezystancyjny, rezystancja kompensująca jest łączona z jednym z przewodów pomiarowych, zaś czujnik jest zastępowany początkowo rezystorem 100,00 Ω. Następnie zmienia się rezystancję kompensującą aż do momentu, gdy na przyrządzie pojawia się odczyt 0ºC.

Ze względu na to, że układ 2-przewodowy wymaga relatywnie dużego nakładu pracy oraz fakt, że nie uwzględnia się temperatury kabla pomiarowego, stosowanie takiego układu staje się co raz rzadsze.

Układ 3-przewodowy

Wpływy rezystancji doprowadzeń oraz ich fluktuacji wraz z temperaturą są redukowane do minimum w układzie 3-przewodowym. W takim układzie dodatkowa końcówka jest doprowadzana do kontaktu z czujnikiem rezystancyjnym. Daje to efekt w postaci dwóch obwodów pomiarowych, z których jeden jest używany jako odniesienie.

Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację zarówno wartości, jak i zależności temperaturowej rezystancji doprowadzeń. Ale wymaga się, by wszystkie trzy żyły miały identyczne właściwości i były w tej samej temperaturze. W większości przypadków jest to spełnione z wystarczającym stopniem dokładności, tak więc układ 3-przewodowy jest obecnie jednym z najczęściej stosowanych. Nie jest wymagana kompensacja doprowadzeń.

Układ 4-przewodowy

Optymalną formą połączenia dla czujników rezystancyjnych jest układ 4-przewodowy. Wynik pomiaru nie zależy ani od rezystancji doprowadzeń, ani od ich zmian temperaturowych. Nie wymaga się kompensacji doprowadzeń. Rezystor dostaje prąd pomiarowy I poprzez zaciski zasilania. Spadek napięcia V na rezystorze jest pobierany przez końcówki pomiarowe.

Jeśli rezystancja wejściowa elektroniki jest wielokrotnie większa niż rezystancja doprowadzeń, ta ostatnia może być pominięta. Spadek napięcia określany tą drogą jest niezależny od właściwości przewodów łączących.

W przypadku układu 3-przewodowego jak i 4-przewodowego należy pamiętać, że obwód nie zawsze jest takim właśnie aż do samego elementu czujnikowego. Połączenie między czujnikiem i głowicą zacisków w oprawie, tzw. połączenie wewnętrzne, często jest wykonywane jako układ 2-przewodowy. Daje to w efekcie podobne problemy jak te, dyskutowane dla układu 2-przewodowego, jakkolwiek w znacznie mniejszym stopniu. Łączna rezystancja, składająca się z sumy połączenia wewnętrznego i czujnika, jest definiowana przez DIN 16160 jako oporność rezystora.