c.d. Pomiar temperatury

Pomiar temperatury z czujników rezystancyjnych c.d.

Większość termometrów cyfrowych używanych do pomiaru temperatury z czujników rezystancyjnych
bazuje na mostku Wheatestone’a, bądź na pomiarze napięcia na czujniku zasilanym stałym prądem.
Odczytana wartość rezystancji jest następnie przetwarzana poprzez procesor i oprogramowanie na
odpowiednią wartość temperatury z uwzględnieniem zależności funkcyjnych, odpowiadających
przyjętym standardom.
 

W przypadku pomiaru temperatury z czujników dwuprzewodowych odczytywana wartość rezystancji
jest sumą rezystancji samego czujnika i kabli przyłączeniowych. Z tego powodu mogą pojawić się
poważne błędy, w szczególności dla czujników o małej wartości nominalnej rezystancji (np. dla Pt100).Odpowiednia temperatura końcowa musi być korygowana o wartość odpowiadającą rezystancji przewodów.Ponadto, jak długo wartość rezystancji przewodów pozostaje stała, nie ma to wpływu na pomiar. Jednakże przy wzroście temperatury przewodów rośnie jednocześnie wartość ich rezystancji i może to znacząco wpływać na pomiar ostateczny. Należy zatem unikać dwuprzewodowego podłączenia czujników rezystancyjnych gdy długość kabli podłączeniowych jest duża lub gdy warunki środowiskowe mogą powodować istotne zmiany temperatury przewodów.
Do pomiaru temperatury z czujników trzyprzewodowych używa się mostka Wheatesone’a według
schematu z rysunku 1b.
 

W tym wypadku rezystancja przewodów L1 i L3 jest identyczna. Rezystancja R3 jest dobrana tak, by była równa rezystancji czujnika Rt przy zadanej temperaturze (najczęściej środek zakresu temperatur). Przy zrównoważeniu mostka przez przewód środkowy nie płynie prąd. W wyniku zmiany temperatury
zmienia się rezystancja czujnika RT powodując jednocześnie rozrównoważenie mostka i pojawienie się prądu w przewodzie środkowym. Pomiar tego napięcia umożliwia przeliczenie na odpowiednią wartość temperatury.
 

Optymalne podłączenie czujników rezystancyjnych stanowi podłączenie czteroprzewodowe (Rys. 1c).
W tym wypadku rezystancja przewodów jest kompensowana. Jeśli przez przewody L1 i L4 płynie stały prąd, na przewodach L2 i L3 dokonuje się pomiaru spadku napięcia na czujniku. Wynika on z odpowiedniej zmiany rezystancji pod wpływem temperatury. Konstrukcja taka jest droższa niż dwu lub trzyprzewodowa, jednakże w przypadku konieczności uzyskiwania wysokiej dokładności
pomiarów stanowi optymalne rozwiązanie. Należy zwrócić uwagę na fakt, że pomiar temperatury z czujników rezystancyjnych opiera się na pomiarze rezystancji i następnie przetworzeniu jej na wartość temperatury.
Przyjrzyjmy się dwom następującym tabelom uzyskanym dla przeliczenia rezystancji vs. temperatura
wg ITS90 dla platynowych czujników typu Pt100:

Wartość temperatury            Wartość rezystancji                       ΔΩ
       [°C]                                      [Ω]
299.9                                       212.01588
300.0                                       212.05150                               ±0.03562
300.1                                       212.08712



 Wartość temperatury          Wartość rezystancji                     ΔΩ
       [°C]                                          [Ω]

599.9                                    313.67585
600.0                                    313.70800                                ±0.03215
600.1                                    313.74015

Zwróćmy uwagę na fakt, że aby uzyskać dokładność odczytu temperatury na poziomie ±0.1 °C dla
temperatury 300°C omomierz mierzący rezystancję (zakładając, że algorytm przeliczania rezystancji
na temperaturę nie dokłada żadnych błędów, co oczywiście nie jest prawdą) musi odczytywać ją z
dokładnością lepszą niż 0.036 Ω. Dla temperatury 600°C musi to być dokładność z dokładnością
0.032 Ω.
Jaką musi mieć dokładność omomierz w przypadku dokładności pomiaru temperatury na poziomie
mniejszym niż 0.01 °C?
Zobaczmy to dla trzech wartości temperatur:
Wartość temperatury                         Wartość rezystancji                           ΔΩ
[°C]                                                          [Ω]
199.99                                                 175.85232
200.00                                                 175.85600                                     ±0.00368
200.01                                                 175.85968

299.99                                                 212.04794
300.00                                                 212.05150                                     ±0.00356
300.01                                                 212.05506

499.99                                                280.97417
500.00                                                280.97750                                      ±0.00333
500.01                                                280.98083

Przyglądając się bardziej dokładnie podobnym rezultatom, można stwierdzić, że aby dla przedziału
temperatur od 0 do 650°C uzyskać pomiar temperatury z dokładnością na poziomie ±0.01 °C,
omomierz musi mierzyć rezystancję w zakresie od 100 do 400 Ω z dokładnością na poziomie
mniejszym niż ±0.003 Ω.
Oznacza to, że omomierz ten musi posiadać klasę dokładności 0.00075 % wartości zakresu (7.5 ppm,
gdzie 1 ppm oznacza „Part per milion” czyli dokładność rzędu 0.0001 % zakresu).
W praktyce, do pomiarów temperatury o wysokiej dokładności używane są specjalnie skonstruowane
mostki rezystancyjne takie jak produkowane przez ASL, Wlk. Brytania, mostki serii F (F300 – 5 ppm,
F700A – 1 ppm, F700B – 0.5 ppm, F18 – 0.1 ppm, F900 – 10 ppb – „part per bilion” - przy pomiarze
rezystancji)

Poza sposobem podłączenia i pomiaru temperatury z czujników rezystancyjnych istotne są również
inne parametry mające wpływ zarówno na dokładność odczytu jak i na zakres ich zastosowania:
• samo-nagrzewanie
• stabilność odczytu
• powtarzalność odczytu
• czas reakcji na zmiany temperatury.
Samonagrzewanie
W celu pomiaru rezystancji, koniecznym jest zadanie stałego prądu w układzie pomiarowym.
Wynikający stąd spadek napięcia na rezystorze powoduje jednocześnie grzanie się czujnika zgodnie z
prawem Joule’a (I2R). Odczytywana temperatura jest zatem nieco wyższa od temperatury
rzeczywistej. Wartość samonagrzewania można odczytać przepuszczając przez rezystor prąd o
wartości równej pierwiastkowi prądu zadawanego do normalnego pomiaru.
W niektórych urządzeniach odczytowych w celu uniknięcia problemu samonagrzewania do pomiaru
używa się prądu przemiennego o niskiej częstotliwości.
Stabilność
Jest to własność pozwalająca na uzyskiwanie jednoznacznej wartości wyjściowej przy stałych
warunkach określonych na wejściu. Jeśli na przykład czujnik mierzy w sposób ciągły przez wiele
godzin temperaturę medium używanego w produkcji i temperatura ta jest stabilna, to odczytywane
wartości powinny być niezmienne.
Zmiany fizyczne lub chemiczne zachodzące w czujniku mogą powodować pojawianie się
odpowiednich zmian na wyjściu. Może to być powodowane zanieczyszczaniem się platyny lub też
pojawianiem się naprężeń nawiniętego drutu platynowego. Zwykle podawany przez producentów dryft jest na poziomie 0.05°C/rok, zależy jednakże znacząco od warunków, w których dany czujnik jest użytkowany.
Powtarzalność
Powtarzalność jest określana jako możliwość uzyskiwania tej samej wartości wyjściowej przy
powtarzalnych warunkach wejściowych. Powtarzalność stanowi jedną z ważniejszych cech wymaganych od czujników. Na przykład w przypadku dopuszczania czujników jako czujników wzorcowych, wykonuje się wielokrotnie badania polegające na umieszczaniu czujnika cyklicznie w temperaturach skrajnych. Odpowiednie różnice odczytu przy powrocie do temperatury dolnej (jest to wartość 0.01 °C uzyskiwana w potrójnym punkcie wody) określają klasę czujnika i powinny być na poziomie 0.001 °C dla czujników 1-rzędowych i 0.01°C dla czujników 2-rzędowych.

W większości przypadków główną uwagę wystarczy skupić na stabilności i powtarzalności czujnika.
Jeśli na przykład odczyt temperatury z czujnika wynosi 100.06°C przy umieszczeniu go w termostacie
z nastawioną temperaturą 100.00 °C większość odczytowych urządzeń elektronicznych posiada
możliwość dokonania korekty poprzez ustawienie odpowiedniego offsetu. Istotne jest by wspomniana
wartość 100.06 °C była niezmienna przez cały czas pracy czujnika.
Czas reakcji
Czas reakcji czujnika na zmiany temperatury jest zależny od zastosowanej obudowy i sposobu
połączenia z badanym obiektem. Na przykład czujnik umieszczony w studni, w której będzie
występowała warstwa powietrza będzie reagował wolniej na zmiany niż czujnik bezpośrednio
zanurzony w medium. Specyfikacje producentów podają stałe czasowe czujnika określane jako czasy
potrzebne na dojście do 63% wartości końcowej, przy skokowej zmianie temperatury środowiska.
Czasy reakcji są wyliczane przy wodzie płynącej z prędkością 0.2 m/s lub powietrzu poruszającym się
z prędkością 1 m/s. Umożliwia to odpowiednią konfigurację czujnika w jego rzeczywistym środowisku pracy.

Zespół alitech