Контактные методы и средства измерений

Если преобразовать неэлектрическую физическую величину – температуру θ – в какую-либо пропорциональную электрическую величину (ЭДС Е, напряжение U,ток I, сопротивление R, частоту сигнала f и т.п.) с помощью первичных измерительных преобра­зователей, то затем ее значение можно легко определить средства­ми электрических измерений.

При построении первичных измерительных преобразователей (датчиков) используются разнообразные физические эффекты. В ос­новном применяются следующие разновидности термоэлектриче­ских датчиков:

• металлические термометры сопротивления (ТС);

• термоэлектрические преобразователи (ТП) – термопары;

• полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы);

• полупроводниковые интегральные сенсоры (датчики);

• пьезоэлектрические (кварцевые) преобразователи с частот­ным выходным сигналом.

Основные англоязычные термины этого класса преобразовате­лей таковы: Resistance Temperature Detector (RTD) – термометр сопротивления; Thermo-Couple (ТС) – термопара; Thermistor – термистор; Monolithic Linear Temperature Sensor – монолитным полупроводниковый датчик (с линейной характеристикой преоб­разования); Quartz Sensor – кварцевый датчик.

Можно кратко охарактеризовать основные особенности этих первичных измерительных преобразователей следующим образом.

Металлические ТС обеспечивают высокую точность, хорошие линейность, стабильность и повторяемость характеристик. Ос­новные недостатки – возможное значительное влияние (на ре­зультат измерения) сопротивления проводников линии связи, необходимость дополнительного источника питания (напряжения или тока). Кроме того, возможен саморазогрев ТС от протекаю­щего по нему тока, что может привести к дополнительным по­грешностям.

Термопары не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур. Однако им при­суща заметная нелинейность характеристики преобразования. Не­которые проблемы создает необходимость учета (или компенса­ции) влияния температуры свободных концов ТП на результат измерения. Кроме того, малое выходное напряжение (и сравни­тельно невысокая чувствительность) требует довольно чувствитель­ных вторичных преобразователей (усилителей) и/или выходных приборов.

Термометры сопротивления и термопары отличаются достаточ­но высокими точностью, стабильностью и повторяемостью своих характеристик преобразования.

Термисторы (полупроводниковые сопротивления), в свою очередь, имеют высокую чувствительность, простую двухпроводную схему включения (не требующую компенсации температуры свободных концов, как у ТП), сравнительно высокое быстродействие. Но при этом у них есть серьезные недостатки: резко нелинейная характе­ристика преобразования и плохая повторяемость характеристики. Кроме того, они имеют сравнительно узкий диапазон измеряемых температур.

Полупроводниковые интегральные датчики характеризуются высо­кой линейностью характеристики преобразования, однако имеют ограниченный диапазон измеряемых температур (до 150...200°С) и, кроме того, требуют наличия внешнего источника питания.

У датчиков на основе кварцевых резонаторов выходной величи­ной является изменение резонансной частоты колебаний при из­менении температуры. Такие датчики обеспечивают наиболее вы­сокую точность, правда, в узком диапазоне температур. Кроме того, часто основные параметры характеристики преобразования таких датчиков и их температурные коэффициенты не стандартизованы и подразумевают индивидуальную градуировку.

Все упомянутые датчики выпускаются в различном конструк­тивном исполнении, что позволяет решать самые разнообразные задачи (работать с жидкостями, газами, сыпучими средами, с по­верхностями различных профилей, в различных температурных диапазонах и др.). Есть датчики для поверхностных измерений, погружные, воздушные, магнитные датчики (которые легко кре­пятся на ферромагнитных, например, стальных поверхностях), датчики, закрепленные на «липучей» ленте, датчики на подшип­никах и др.

Контактные электрические методы, реализованные в различ­ных средствах измерения/регистрации на основе таких преобразо­вателей, позволяют работать в широком диапазоне тем­ператур (–200...+2000 °С). Погрешность таких контактных измери­телей температуры зависит не только от качества первичных изме­рительных преобразователей (датчиков), но и от организации ли­нии связи датчик – измеритель, а также от характеристик вторич­ных преобразователей. Типичные значения погрешностей таких термометров ±(0,2... 1)%, хотя в некоторых моделях достигаются значения погрешностей ±(0,01 ...0,1) %. Типичная чувствительность результатов измерения – доли градуса Цельсия.

Рассмотрим подробнее особенности применения наиболее рас­пространенных типов датчиков.

Термометры сопротивления. Приборы и преобразователи на ос­нове металлических ТС используют зависимость электрического сопротивления металлов R_т от температуры θ. У чистых металлов эта зависимость практически линейна и количественно выражает­ся следующим образом:

R_т = R₀ (1 +αθ),

где R₀ – сопротивление при температуре 0 °С; α–температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления α, 1/°С, опреде­ляется по формуле

α =(DR/ R) / Dθ,

где DR/ R – относительное изменение сопротивления датчика при изменении температуры Dθ.

Этот коэффициент можно задать иначе, % / °С:

α =(DR×100/ R) / Dθ.

Значения температурного коэффициента сопротивления αу со­временных ТС лежат в диапазоне 0,003...0,006 1/°С, что соответ­ствует приращению сопротивления примерно на 0,3...0,6 % от ис­ходного значения (при 0 °С) при увеличении тем­пературы на 1 °С.

Наиболее часто используемые материалы: медь (для диапазона температур – 50... + 200 °С) и платина (для диапазона – 250... + 1000 °С). Номинальные значения сопротивления ТС определяются конструкцией и материалом датчика, конкретной градуировкой и лежат в диапазоне 10... 1000 Ом (при 0 °С или при комнатной температуре).

Медные ТС выпускаются с различными номинальными значе­ниями сопротивления: 25... 1000 Ом. Например, на рис. 8.2, а пока­зана характеристика медного ТС с номинальным (при 0 °С) сопротивлением R₀– 53 Ом.

Платиновые ТС довольно широко распространены в технических измерениях. Они изготовляются из чистой платины (99,99 %). Чаше всего используются ТС с номинальным сопротив­лением 100 Ом (Рt 100) при 0 °С, хотя существуют ТС и с другими значениями номинального сопротивления: 25, 500, 1000 Ом. Но­минальные значения токов, протекающих по ТС, обычно таковы: 1 мА (для Рt 100) и 0,1 мА (для Рt 1000). Температурный коэффи­циент сопротивления α платиновых (Рt 100) ТС имеет значе­ние: α_е = 0,00385 Ом/Ом/°С.

Конструктивно ТС состоят из собственно чувствительного эле­мента, защитного кожуха (чехла) и элементов крепления. Чувстви­тельный элемент представляет собой намотку из тонкой изолиро­ванной проволоки (диаметром доли миллиметра) на диэлектри­ческом каркасе (стержне), выполненном из слюды, керамики или стекла. Существуют также ТС фольгового (тонкопленочного) исполнения, обеспечивающего минималь­ную тепловую инерционность датчика. Фольговые (пленочные) ТС имеют в 5... 10 раз меньшее значение времени реакции (отклика), чем у проволочных ТС, что чрезвычайно важно при работе с ми­ниатюрными объектами в динамических измерениях при быстро­меняющихся температурах.

Как правило, ТС включаются в мостовые схемы. Различают урав­новешенные и неуравновешенные мостовые схемы. Уравновешенный мост имеет один или несколько резисторов, сопротивление кото­рых может целенаправленно изменяться (вручную или автомати­чески) с тем, чтобы добиться равновесия. Равновесие моста ха­рактеризуется отсутствием разности потенциалов (и, следователь­но, тока) в измерительной диагонали моста (в цепи чувствитель­ного нулевого индикатора И), что означает равенство произведе­ний сопротивлений R₁, R₂, R₃, R_x резисторов R1, R2, R3, Rx про­тивоположных плеч моста (рис. 84, а):

R_x R₂ = R₁ R₃ .

Рис. 84. Включение ТС в мостовую схему

Зная значения сопротивлений R₁, R₂, R₃, можно определить значение неизвестного сопротивления:

R_x = R₁ R₃ / R₂.

Если в роли R_x выступает ТС с сопротивлением R_т(рис. 84, б),то можно, зная характеристику ТС, оценить значение температу­ры θ, которая действует на датчик. В случае неуравновешенного моста значение R_тсопротивления ТС (и, следовательно, темпера­туры θ) определяется по значению разности потенциалов измери­тельной диагонали моста. Уравновешенные мосты обладают более высокой точностью в сравнении с неуравновешенными.

Главная проблема при работе с датчиками – ТС – влияние на результат измерения сопротивления проводников линии связи r_л.с. Не всегда мостовая схема может быть расположена в непосред­ственной близости от объекта, на котором установлен датчик, поэтому в общем случае может потребоваться многометровая ли­ния связи. В зависимости от специфики конкретных задач измере­ний применяются двухпроводное, трехпроводное или четырехпро-водное подключение ТС к измерителю.

Преимущество двухпроводной схемы в том, что для подключе­ния ТС требуются всего два проводника линии связи (что особен­но важно в случаях, когда линия связи большой длины). Однако при двухпроводной линии связи (см. рис. 84, б)сопротивление r_л.с соединительных проводников (и его изменения при естественных колебаниях температуры окружающей среды) прямо входит в ре­зультат измерения. Поскольку длина линии связи может быть зна­чительной (десятки метров), то и погрешность может оказаться большой.

Существуют различные способы компенсации этой погрешно­сти. Один из них – использование трехпроводной схемы подключе­ния термометра сопротивления (рис. 85, а).

В этом случае при равновесии мостовой схемы выполняется со­отношение

(R_т + r_л.с) R₂ = R₁(R₃ + r_л.с)

а б

Рис. 85. Трехпроводное (а) и четырехпроводное (б) включение ТС

Если в схеме моста R₁ = R₂ исопротивления r_л.ссоединительных проводников одинаковы (это естественное предположение), то результат измерения будет определяться только температурой ТС и не будет зависеть от значения сопротивлений r_л.с. Отметим, что сопротивление проводника r_л.св цепи индикатора И не имеет зна­чения, так как в случае равновесия моста в этой цепи тока нет.

Применяются также и четырехпроводное включение (рис. 85, б). Правда, это уже не мостовая схема. В основе такого измерителя источник известного постоянного тока I₀, который протекает че­рез сопротивление ТС R_т. При этом сопротивления соединитель­ных проводников r_л.си их изменения практически не влияют на значение тока I₀ и, следовательно, на результат измерения. Вольт­метром V (с большим входным сопротивлением) измеряется па­дение напряжения собственно на сопротивлении ТС R_т.

Одним из проявлений методической погрешности является воз­можное искажение результата вследствие нагрева ТС протекающим по нему током. Уменьшение напряжения питания моста Е₀позволя­ет уменьшать этот ток, но в то же время приводит к снижению чувствительности. Поэтому иногда для достижения высокой чувстви­тельности и одновременно сохранения допустимого среднего зна­чения тока в резисторах применяют для питания моста не постоян­ное напряжение, а импульсное достаточно большой амплитуды.

Термопары. Приборы и преобразователи на основе термопар широко распространены. Компактные цифровые термометры на основе термопар являются в настоящее время основным и самым массовым инструментом в температурных измерениях.

Выходной сигнал термопары – постоянное напряжение – до­вольно легко может быть преобразован в цифровой код или изме­рен простыми средствами (например, малогабаритным цифровым мультиметром). Термопары могут быть подключены для дальней­шего преобразования к различным вторичным измерительным преобразователям (приборам) как аналоговым, так и цифровым, для статических и динамических измерений.

Диапазон температур, измеряемых с помощью ТП, довольно широк: от – 200 до +2000 °С. Измерители на основе ТП отличаются высокой точностью и чувствительностью, хорошей повторяемо­стью характеристики преобразования. Обычный диапазон вы­ходных напряжений составляет 0...50 мВ (в зависимости от ис­пользуемых в ТП материалов), типичный температурный коэф­фициент преобразования (чувствительность ТП) лежит в диапазо­не 10...50 мкВ/°С.

В основе ТП лежит термоэлектрический эффект, суть которо­го заключается в следующем. Если два проводника из различных металлов (сплавов) соединены в замкнутую цепь, причем темпе­ратура одного соединения (спая) заметно отличается от темпера­туры другого, то возникает термоЭДС Е_т(и в замкнутой цепи будет протекать ток), значение которой зависит от разности тем­ператур спаев и характеристик материалов проводников. Если в разрыв свободных концов включен измеритель ЭДС или вольт­метр V, то его показания будут определяться разницей темпера­тур (θ₁ – θ₂) (рис. 86, а).

а б в

Рис. 86. Термоэлектрические преобразователи (термопары):

а – возникновение термоЭДС; б – термобатарея; в – дифференциальная термо­пара; θ₁ – температура рабочего спая; θ₂ – температура свободных концов; V –измеритель ЭДС или напряжения

Зависимость термоЭДС от разности температур спаев нелиней­на, но для небольших диапазонов температур, при невысоких точ­ностных требованиях (или упрощая взгляд на характеристику ТП) ее можно считать линейной. И тогда значение термоЭДС термопа­ры Е_топределяется (в первом приближении) следующим образом:

Е_т= S_т (θ₁ – θ₂),

где S_т – чувствительность ТП (коэффициент преобразования); θ₁ – температура рабочего (так называемого «горячего») спая; θ₂ – тем­пература свободных (так называемых «холодных») концов.

Для обеспечения однозначной зависимости термоЭДС от тем­пературы θ₁ необходимо поддерживать постоянной и известной температуру θ₂. Обычно это 0 или +20 °С. Таким образом, зная значение S_т и измерив значение термоЭДС термопары, можно опре­делить температуру θ₁. Конечно, для работы в широких темпера­турных диапазонах необходимо пользоваться более точными выра­жениями – полиномиальными аппроксимациями нелинейной за­висимости Е_тот разности температур. В современных цифровых термометрах применяется автоматическая линеаризация храктери-стик приеобразования ТП.

В настоящее время, как правило, вместо методов и средств под­держания постоянства значения θ₂ применяются способы и уст­ройства автоматической компенсации влияния температуры окру­жающей среды на свободные концы ТП.

Для повышения чувствительности таких термометров иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рис. 95, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ₁, а свободные – при посто­янной (или известной) температуре θ₂. Суммарная выходная тер­моЭДС, естественно, будет равна сумме термоЭДС отдельных ТП.

Для нахождения разности температур двух объектов применя­ются так называемые дифференциальные термопары, которые со­стоят из двух встречно включенных ТП (рис. 86, в). Рабочие концы ТП имеют разную температуру (θ_А и θ_Б), а свободные – одинако­вую θ₂. В результате выходное напряжение пропорционально раз­ности температур.

Термисторы.Существует особый класс датчиков – полупро­водниковые термометры сопротивления, имеющие значительно больший, чем обычные ТС, температурный коэффициент сопро­тивления, равный 1...20 1/°С, причем знак этого коэффициента может быть как положительным (у позисторов), так и отрицатель­ным (у термисторов). Это обеспечивает значительно более высо­кую чувствительность термометров на их основе. Основные пре­имущества: малые габариты и масса (и, следовательно, малая теп­лоемкость и тепловая инерционность), простота конструкции и, следовательно, хорошие надежность и механическая прочность, а также — низкая цена. Основные недостатки этих преобразовате­лей: сравнительно узкий диапазон измеряемых температур (типично – 50... + 150 °С), значительная нелинейность преобразования (сопро­тивление термисторов с ростом температуры уменьшается при­мерно по экспоненциальному закону), плохая повторяемость ха­рактеристики преобразования от экземпляра к экземпляру (что означает необходимость индивидуальной градуировки и затрудня­ет замену датчиков даже одного типа), значительная временная нестабильность характеристики, особенно при длительной работе на высоких температурах.

Интегральные полупроводниковые датчики.Интегральные дат­чики появились сравнительно недавно благодаря успехам микро­электроники. Эти датчики обеспечивают выходной сигнал (напряже­ние или ток), практически линейно зависящий от температуры θ. Схемы подключения этих датчиков к измерителю по­казаны на рис. 87.

На рис. 87, а приведена схема подключения интегрального дат­чика напряжения. Выходное напряжение U = f(θ) датчика через усилитель-повторитель подается на вход цифрового вольтметра ЦВ или аналого-цифрового преобразователя АЦП, преобразующего это напряжение, пропорциональное температуре, в цифровой код. Чувствительность таких датчиков обычно 10 мВ/°С.

а б

Рис. 87. Подключение интегральных полупроводниковых датчиков: a – напряжения; б – тока

Рис. 87, б иллюстрирует подключение интегрального датчика тока. Выходной ток I = f(θ) датчика преобразуется посредством резистора Я в пропорциональное напряжение и также подается на вход ЦВ или на вход АЦП, преобразующего далее это напряжение в цифровой код. Типичная чувствительность таких датчиков обыч­но составляет 1 мкА/°С.

Сравнение возможностей различных датчиков.Сравнить возмож­ности различных датчиков температуры позволяет диаграмма на рис. 88, где показаны ориентировочные диапазоны применения наиболее распространенных первичных измерительных преобра­зователей температуры: термометров сопротивления – платино­вых (ТСП) и медных (ТСМ); термоэлектрических преобразовате­лей – термопар различных типов; термисторов; интегральных по­лупроводниковых датчиков и кварцевых резонаторов.

Рис. 88. Типичные диапазоны применения датчиков различных типов

Для динамических измерений температуры и регистрации быс­троменяющихся тепловых процессов важным параметром являет­ся тепловая инерционность термоэлектрических преобразователей, которая в основном определяется конструкцией датчика и особен­но – устройством его защитной арматуры. В экспериментах с быс­троменяющейся температурой, если не учитывать это обстоятельство, возможны значительные динамические погрешности. Это особенно важно для регистраторов и измерителей температуры, работающих в составе систем управления, где, как правило, необ­ходимо обеспечение режима так называемого реального времени. Значение времени реакции датчиков на скачкообразное измене­ние температуры (времени достижения уровня 99 % асимптоти­ческого значения) лежит в диапазоне от единиц секунд до десят­ков минут. В отдельных специальных разработках конструкций тер­мометров сопротивления (пленочных) и термисторов могут быть достигнуты времена реакции термисторов в десятые доли секунды.

Устройство и характеристики цифрового термометра.Рассмот­рим один из наиболее распространенных вариантов устройства циф­рового термометра (ЦТ), входным датчиком которого является ТП.

На рис. 89 приведена упрощенная структура контактного ЦТ, которая, естественно, напоминает структуру любого цифрового измерительного прибора.

Термопара подключается ко входу усилителя, назначение кото­рого поднять уровень входного сигнала с единиц-десятков милли­вольт до единиц вольт. Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует усиленный сигнал ТП в цифровой код, пропорцио­нальный уровню термоЭДС и, следовательно, значению измеряе­мой температуры.

Рис. 89. Структура контактного цифрового термометра

В автономных ЦТ, как правило, применяются АЦП, использующие интегрирующие методы преобразования, обеспечивающие высокие точность, чувствительность, разрешаю­щую способность, высокое подавление периодических помех об­щего и нормального вида, уровень которых может быть значитель­ным. Выходной код АЦП запоминается (и затем некоторое время хранится) в регистре и выводится на цифровой индикатор (циф­ровое отсчетное устройство). Микропроцессорный контроллер уп­равляет работой всех узлов прибора. Он же выполняет функцию линеаризации характеристики ТО. С помощью клавиатуры опера­тор задает режимы работы. В структуре прибора может присутство­вать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами (например, для передачи результатов регистрации в персональный компьютер и/или в систему автоматизированного управления).

Известны модели многоканальных ЦТ (чаше двухканальных). Отличие этих приборов — наличие коммутатора входных ТП, ко­торый позволяет поочередно подключать датчики ко входу усили­теля. Двухканальные ЦТ обычно имеют режим измерения разно­сти температур. Такие приборы называются дифференциальными термометрами.

Современные ЦТ отличаются малыми габаритами (Hand-held – «удерживаемые в ладони») и массой (100...500 г), сравни­тельно низкой стоимостью, достаточно высокими метрологиче­скими и эксплуатационными характеристиками.

Возможна работа прибора с термопарами различных типов. Прибор имеет цифровой жидкокристалличе­ский индикатор, простую понятную клавиатуру, размещен в пыле-влагозашищенном противоударном корпусе. Укомплектован не­сколькими термопарами различного конструктивного исполне­ния (для поверхностного измерения, воздушные, погружные, магнитные и др.).

Специфика контактных измерений температуры. Даже при очень точном измерителе (регистраторе) температуры можно получить большую погрешность результата из-за неправильной организа­ции эксперимента, неудачной (неграмотной) установки датчиков на объекте. При контактных измерениях температуры поверхности необходимо учитывать следующие важные обстоятельства.

1. Если контакт датчика с объектом недостаточно хорош, мала площадь соприкосновения, то может иметь место слабая теплопе­редача от объекта к датчику. При этом в общем случае могут также возникать нежелательные тепловые потоки вдоль корпуса зонда (защитного чехла), которые также искажают результат измерения.

2. Датчик, установленный на поверхности объекта, в общем случае испытывает не только влияние интересующей эксперимен­татора температуры, но и температуры окружающей среды. Чем больше разница этих температур, тем сильнее может отличаться результат измерения от ожидаемого (от истинного) значения. Кроме того, может сказываться естественная конвекция воздуха вокруг датчика.

3. Если теплоемкость объекта мала (масса и габариты невелики как, например, в случае исследования температуры поверхности контактной клеммы низковольтного маломощного электроприво­да), то возможно сильное влияние датчика (особенно массивно­го) на температуру исследуемого объекта (искажение режима объек­та). Это приводит к появлению значительной погрешности взаи­модействия в статических измерениях и к заметной динамической погрешности при изменениях температуры объекта.

4. Если интересует температура горячей воды, текущей внутри трубопровода, и есть результат измерения температуры внешней поверхности этого трубопровода, то необходимо отдавать себе от­чет в том, что это не одно и то же. Разность результата измерения и фактической температуры воды может быть весьма значитель­ной (несколько градусов).

Конечно, температуру внешней (доступной) поверхности тру­бопровода можно измерить с высокой точностью, но установить связь ее с температурой содержимого гораздо важнее (и одновре­менно сложнее). Следует попытаться определить эту связь теорети­чески (с помощью хотя бы грубой модели) или эксперименталь­но, например, используя (там, где это возможно) стационарные термометры, погруженные в поток.