Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 6 Контроллеры : 6.3 Устройства ввода-вывода : 6.3.4 Термопреобразователи сопротивления Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

6.3.4. Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) являются вторыми по распространенности средствами измерения температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электрического сопротивления металла (по ГОСТ 6651-94 [ГОСТ] используется медь, платина и никель) или полупроводника от температуры.

Достоинством металлических датчиков является высокая линейность и взаимозаменяемость, т.е. возможность замены вышедшего из строя датчика на аналогичный без повторной калибровки системы. Взаимозаменяемость достигается благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (разброс сопротивлений составляет от ±0,15 °С при температуре 0 °С для медных датчиков класса "А" до ±0,5 °С для датчиков класса "С" по ГОСТ 6651-94). Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры, см. табл. 6.32. Медные датчики используются для измерения температуры в диапазоне от -200 °С до +200 °С, платиновые - в диапазоне от -260 °С до +850 °С, никелевые - от -60 °С до +180 °С [ГОСТ].

Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность (неизменность показаний с течением времени), медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление при 100°С и отношение , где - сопротивление при 0 °С. Медные датчики изготавливаются с и , платиновые - с и , никелевые - с . Эти параметры, а также класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление указывается в форме "ТСМ50" (Термопреобразователь Сопротивления Медный, 50 Ом), "ТСП100" (Термопреобразователь Сопротивления Платиновый, 100 Ом) и т. п.

Табл. 6.32. Параметры термопреобразователей сопротивления

Тип термо-преобразователя

Диапазон измерения,

°С

Класс

допуска

Разброс относительно номинала

Платиновый (ТСП)

1,385

1,391

‑220...+850

А

±(0,15+0,002| t|)

‑220...+1100*

B

±(0,3+0,005| t|)

‑100...+300,

+860...+1100

С

±(0,6+0,008| t|)

Медный (ТСМ)

1,426

1,428

-50...+120

А

±(0,15+0,002| t|)

-200...+200

B

±(0,25+0,0035| t|)

-200...+200

С

±(0,5+0,0065| t|)

Никелевый (ТСН)

1,617

-60...+180

С

±(0,3+0,0165| t|)

от ‑60 до +0 °С и

±(0,3+0,008| t|)

от 0 до +180 °С

Примечание: *Для единичного производства допускается изготовление термопреобразователей ТСП с диапазоном от -260 до +1100° С.

Зависимость сопротивления от температуры в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной (рис. 6.9):

,

(6.5)

где - сопротивление при температуре °С, - температурный коэффициент сопротивления. Из этого уравнения можно получить связь между и :

.

(6.6)

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность (рис. 6.9-б), поэтому ГОСТ 6651 [ГОСТ] устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры [ГОСТ]. Это позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений. Процедура исключения погрешность нелинейности обычно выполняется в микроконтроллере модуля ввода (рис. 6.4).

а)

б)

Рис. 6.9. Реальная зависимость сопротивления от температуры является нелинейной (а); погрешность нелинейности для меди и платины (б)

После исключения систематической составляющей погрешности нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0 °С и разбросом его температурного коэффициента сопротивления. Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С (табл. 6.32) [ГОСТ].

Источником погрешности измерений с помощью термопреобразователей сопротивления является также электротермический эффект, который проявляется при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20 мкВ. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение двух измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе [Low].

Датчик температуры, основанный на зависимости сопротивления от температуры, состоит из термочувствительного элемента и защитной оболочки. Чувствительный элемент (сенсор) может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

При использовании крупных датчиков для измерения температуры тел с малой теплоемкостью появляется методическая погрешность, вызванная перераспределением количества теплоты между объектом измерений и датчиком (погрешность термического шунтирования). Для уменьшения этой погрешности следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для датчиков с малыми геометрическим размерами существенную роль играет величина измерительного тока (здесь общепринятый символ "ex" происходит от "excitation" - "возбуждение"). Мощность , выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением , преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика. Для уменьшения эффекта саморазогрева следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

В отличие от металлических термопреобразователей, полупроводниковые терморезисторы, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Двухпроводная схема измерений

Двухпроводная схема измерений (рис. 6.10) использует косвенный метод измерений, при котором измеряется напряжение на сопротивлении , вызванное протекающим калиброванным током возбуждения . Реже задается калиброванное напряжение и измеряется ток . Возможен также вариант, когда одновременно измеряются как ток, так и напряжение при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях величину сопротивления рассчитывают по формуле

.

(6.7)

а)

б)

Рис. 6.10. Двухпроводная (а) и четырехпроводная (б) схема измерения сопротивления

В связи с тем, что сопротивление металлических датчиков мало, большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов (рис. 6.10-а). Поэтому двухпроводная схема измерений используется, когда сопротивления малы, например, не превышают 0,1% от сопротивления датчика , т.е. для медного датчика ТСМ50 с =50 Ом сопротивление проводов должно быть не более 0,05 Ом. При использовании проводов сечением 0,35 кв. мм с погонным сопротивлением 0,049 Ом/м длина пары проводников для этого случая не должна превышать 0,5 м.

Поскольку рассматриваемая погрешность является систематической, ее можно исключить из результата измерений несколькими способами. Если измерения выполняются при заранее известном сопротивлении проводов , то величину измеренного сопротивления нужно уменьшить на . Для более точного исключения этой погрешности нужно учесть зависимость сопротивления от температуры, если известна температура провода.

Относительную погрешность измерения сопротивления по двухпроводной схеме можно получить из выражения (6.7), с учетом погрешности, вызванной нескомпенсированной составляющей сопротивления проводов :

,

(6.8)

где - погрешность измерения напряжения; - погрешность задания тока. Здесь использовано квадратичное суммирование погрешностей, поскольку все они являются случайными. В случае, когда сопротивление проводов не вычитается из результата измерения, = и эта погрешность должна учитываться алгебраически, см. раздел "Измерительные каналы".

Четырехпроводная схема измерений

Принцип действия четырехпроводной схемы (рис. 6.10-б) основан на измерении напряжения не на выводах источника тока, как на рис. 6.10-а), а на выводах непосредственно сопротивления . При этом падение напряжения на сопротивлении проводов не влияет на результат измерения.

Методическая погрешность в рассматриваемой схеме отсутствует и относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока:

.

(6.9)

Расстояние от модуля ввода до датчика при четырехпроводной схеме измерений ограничивается только уровнем помех, который растет пропорционально длине проводов.

Трехпроводная схема измерений

а)

б)

Рис. 6.11. Трехпроводная схема измерений сопротивления с двумя (а) и с одним (б) источником тока

Желание снизить стоимость кабеля в системах автоматизации при невысоких требований к точности привело к появлению трехпроводной схемы измерений. В модулях ввода используются три варианта трехпроводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля.

С появлением интегральных АЦП с двумя встроенными цифроуправляемыми источниками тока появилась возможность реализовать трехпроводную схему измерений, показанную на рис. 6.11-а.

Предположим сначала, что токи источников тока равны: == и равны сопротивления проводов: , а погрешность измерителя напряжения равна нулю. Тогда напряжение между выводами измерителя напряжения на рис. 6.11-а будет равно

.

(6.10)

Учитывая идентичность токов и сопротивлений, получим

,

(6.11)

т.е. падение напряжения на проводах взаимно компенсируются благодаря идентичности измерительных токов и сопротивлений проводов.

Предположим теперь, что токи заданы со случайной погрешностью , т.е. , и сопротивления проводов также имеют технологический разброс , , а погрешность измерителя напряжения равна . Тогда выражение (6.10) примет вид

.

(6.12)

Пренебрегая выражениями вида по сравнению с и с , получим:

.

(6.13)

Используя правило квадратичного суммирования случайных погрешностей, получим выражение для среднеквадратической погрешности измерения напряжения:

,

(6.14)

т.е.

.

(6.15)

Относительную погрешность измерений с помощью трехпроводной схемы, показанной на рис. 6.11-а) можно рассчитать по формуле (6.9), используя (6.14).

Как следует из (6.14) и (6.9), погрешность пропорциональна сопротивлению (длине) длине провода и дисбалансу токов источников измерительного тока. Заметим, что обе эти составляющие отсутствуют в ранее рассмотренной четырехпроводной схеме измерений.

Второй вариант трехпроводной схемы измерений показан на рис. 6.11-б). Компенсация падений напряжения на проводах в ней осуществляется благодаря применению второго измерителя напряжения . Зная величину и предполагая, что сопротивления (сопротивление не вносит погрешность, т.к. ток через него равен нулю), получим:

.

(6.16)

В этой схеме присутствуют те же источники погрешности, что и в предыдущей, поскольку используется тот же принцип компенсации погрешностей, если учесть, что вместо погрешности задания тока вносится погрешность его измерения.

Третьим вариантом трехпроводной схемы измерения сопротивлений является мост Уитстона (рис. 6.12). В отличие от предыдущих схем, в которых использован косвенный метод измерения сопротивлений, мост используется для прямого измерения методом сличения с эталоном. В процессе измерений мост служит индикатором равенства напряжений левого и правого плеча моста:

, .

(6.17)

До появления микропроцессорных измерительных средств процесс измерения сопротивлений с помощью моста выполнялся следующим образом. В качестве использовался магазин эталонных сопротивлений, которые переключались вручную или специальным механическим приводом до тех пор, пока не наступало состояние равновесия моста, когда =0, или . В состоянии равновесия, как следует из (6.17),

.

(6.18)

Рис. 6.12. Мостовая схема измерения сопротивлений

Зная и , из (6.18) можно найти искомое значение . Важно, что результат измерения не зависит от напряжения , в том числе его стабильности и величины помех в цепях питания моста.

Если мост уравновешен при условии , то, как следует из (6.18), , при этом сопротивление проводов не влияет на результат измерения.

В модулях аналогового ввода описанный метод измерения в принципе возможен с помощью цифроуправляемого эталонного резистора [Денисенко, Денисенко], однако экономически эффективнее использовать рассмотренные выше схемы с источниками тока.

Современные модули ввода сигналов термопреобразователей сопротивления используют все три схемы измерения сопротивлений: двухпроводную, трехпроводную и четырехпроводную. Например, модуль NL-4RTD фирмы RealLab! имеет 6 источников тока , (рис. 6.4) и 4 дифференциальных потенциальных входа (). Это позволяет подключить к нему 4 датчика по двухпроводной схеме или 4 датчика по 4-х проводной схеме, или 3 датчика по трехпроводной схеме измерений, показанной на рис. 6.11-а).

Погрешность измерений

Погрешность измерений температуры с помощью термопреобразователей сопротивления состоит из следующих составляющих:

  • случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений и температурных коэффициентов датчиков;
  • систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом, когда к платиновому или никелевому датчику подключают обычные медные провода, и их соединения имеют разную температуру. Термоэдс возникает также в контактах меди и свинцово-оловянного припоя (величина термоэдс составляет 1...3 мкВ/°С);
  • тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;
  • тепловой и фликкер-шум измеряемого систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);
  • тепловой и фликкер-шум измеряемого динамическая погрешность;
  • саморазогрев датчика;
  • погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов от модуля до датчика;
  • погрешность измерительного модуля ввода.

Погрешность модуля ввода нормируется при условии, что сопротивление провода от модуля до датчика равно нулю. Поэтому эту составляющую погрешности можно рассчитать, см. (6.14) и сложить с погрешностью модуля, но лучше откалибровать модуль с подключенными к нему проводами нужной длины.

О правилах суммирований погрешностей см. раздел "Измерительные каналы".


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Спонсоры проекта: , а также