Pomiar temperatury

POMIAR TEMPERATURY
Czujniki temperatury
Rezystancyjne czujniki temperatury
Każdy rezystor wykonany z metalu pod wpływem zmian temperatury wykazuje zmianę rezystancji.
Teoretycznie, każdy metal może być użyty do pomiaru temperatury przy wykorzystaniu tej własności,
jednakże z praktycznego punktu widzenia odpowiedni rezystor powinien mieć wysoką temperaturę
topnienia, być odporny na korozję, a zmiany rezystancji powinny być w miarę liniowe. Spośród
wszystkich metali platyna okazała się najbardziej odpowiednia do tego celu. Wynika to z faktu, że jest
stabilna chemicznie, może być uzyskiwana w czystej postaci i posiada właściwości elektryczne o
wysokiej powtarzalności. Oprócz platyny, do budowy czujników wykorzystuje się również miedź i
nikiel.
Platynowe czujniki rezystancyjne
Do skonstruowania platynowych czujników rezystancyjnych używa się platyny o odpowiedniej
czystości. Zasadniczo wyróżnia się tutaj dwa standardy:
- standard czujników przemysłowych
- standard czujników wzorcowych.
W przypadku standardu przemysłowego, platyna posiada niewielkie zanieczyszczenia metalami z tej
samej grupy. Dla standardu czujników wzorcowych jej czystość powinna być na poziomie co najmniej
99.99%. W zależności od czystości platyny użytej do budowy czujnika jeśli w 0°C nominalna wartość
rezystancji wynosi 100 Ω, to dla różnych standardów wartość rezystancji w innych temperaturach
będzie różna. Na przykład, jeśli dla standardu przemysłowego (czujnik typu Pt100), ma ona w
temperaturze 100 °C wartość równą 138.5 Ω to dla czujnika o standardzie wzorcowym może ona
wynieść np. 139.26 Ohm.
Platynowe czujniki rezystancyjne produkowane są w jednej z dwóch postaci:
- z nawiniętego odpowiednio drutu platynowego
- jako czujniki cienkowarstwowe.
Rys. 1.
Czujniki Pt100 (cienkowarstwowy i dwa z nawiniętego drutu)
w porównaniu do monety 1-groszowej
Pierwszy rodzaj czujników wykonuje się nawijając bifilarnie, bez naprężeń, cienki drut platynowy o
takiej długości by uzyskać pożądaną wartość rezystancji. Średnica takiego drutu platynowego wynosi
mniej niż 0.025 mm, a niektórzy producenci oferują drut o średnicy 0.018 mm lub nawet 0.01 mm. Do
produkcji czujników wzorcowych używa się drutu o średnicy około 0.07 mm.
Otrzymaną cewkę wkłada się do ceramicznej obudowy i zasypuje odpowiednim proszkiem tak, by nie
dopuścić do zwierania się zwojów i zabezpieczyć czujnik przed wstrząsami. Metoda taka jest
czasochłonna, a cała praca jest wykonywana ręcznie przy użyciu mikroskopu.
Czujniki cienkowarstwowe wykonywane są przez próżniowe nanoszenie warstwy platyny na podkład
ceramiczny. Długość i kształt ścieżek jest dobierana tak, by osiągnąć wymaganą rezystancję. Tak
otrzymany rezystor pokrywa się powłoką szklaną lub epoksydową w celu ochrony przed
zanieczyszczeniami. Czujniki cienkowarstwowe mają tę cechę, że można uzyskać większą
rezystancję, wykorzystując mniejszą powierzchnię. Na przykład, dostępne są czujniki o nominalnej
wartości rezystancji 1000 Ohm. Pozwala to na przykład na dokonywanie pomiarów dla czujników
dwuprzewodowych z zaniedbaniem rezystancji przewodów. Wadą tych czujników jest to, że przy
zmianach temperatury pojawiają się efekty tensometryczne mogące wpływać znacząco na błędy
pomiarowe.
Zależność pomiędzy rezystancją a temperaturą dla czujników platynowych jest określona poprzez
równania wielomianowe.
W przypadku czujników Pt100 równania te są następujące (Norma PN-EN 60751+A2):
- w zakresie od –200 °C do 0 °C:
Rt = R0*[1 + A*t + B*t2 + C*(t-100)*t3]
- w zakresie od 0 °C do +850 °C
Rt = R0*[1 + A*t + B*t2]
gdzie R jest rezystancją zmierzoną w 0 °C a t jest wartością temperatury.
Wartości współczynników A, B i C określone w normie PN-EN 60751 +A2 są równe:
A = 3.9083 * 10-3
B = -5.775 * 10-7
C = -4.183 * 10-12
W przypadku czujników wzorcowych, równania te są bardziej skomplikowane i zależą od zakresu w
którym czujnik wzorcowy będzie używany do interpolacji temperatury rzeczywistej.
Zwróćmy uwagę na fakt, że każdy czujnik rezystancyjny posiada swoją własną charakterystykę
zależności pomiędzy temperaturą a rezystancją. Wynika to z faktu, że niezależnie od przestrzegania
wszelkich reguł gry przy budowie czujnika mogą się pojawić odstępstwa dla czystości użytej platyny a co za tym idzie dla wartości rezystancji w 0 °C i w konsekwencji wartości przyrostów rezystancji przy przyroście temperatury. Przy tej okazji warto wspomnieć o sposobie pomiaru rezystancji danego
czujnika. Możliwy jest tutaj pomiar w trybie 2, 3 lub 4-przewodowym. Problem ten zostanie omówiony później.
Norma PN-EN 60751+A2 wyróżnia cztery klasy dokładności dla czujników typu Pt100:
klasa AA: Δt = ±(0.10 + 0.0017 x |t|)
klasa A: Δt = ±(0.15 + 0.002 x |t|)
klasa B: Δt = ±(0.30 + 0.005 x |t|)
klasa C: Δt = ±(0.60 + 0.01 x |t|)
gdzie t jest wartością temperatury w °C.
Klasa AA i A odnosi się do temperatur z zakresu od –200 °C do 650 °C i jest określona jedynie dla
czujników z podłączeniem 3 lub 4-przewodowym. Klasa B i C odnosi się do zakresu temperatur od –200 do 850 °C. Podane wzory mówią tyle, że jeśli producent deklaruje, że kupiony przez użytkownika czujnik jest klasy A, to oznacza to, że jego rezystancja zmierzona w 0°C może mieścić się w przedziale [99.94137Ω, 100.05862 Ω], a temperatura w przedziale [-0.150 °C, 0.150 °C]. Podobne przedziały odczytowe można policzyć z powyższych zależności dla dowolnych temperatur.
Do policzenia zależności rezystancji od temperatury i vice versa, sugerujemy użycie oprogramowania
Pt100-ITS90, które można zakupić w naszej firmie (www.alitech.com.pl). Jak już wspomnieliśmy, każdy czujnik posiada własną charakterystykę zależności temperatury od rezystancji. Oprogramowanie „ITS90 Współczynniki Pt100”umożliwia wyznaczenie współczynników A, B i C dla indywidualnego czujnika Pt100 używanego przez Państwa. Jako nudne, lecz ważne, proponujemy odrobienie zadania domowego polegającego na wyznaczeniu całkowitej niepewności pomiarowej uzyskanych ostatecznie wyników od niepewności wyników wprowadzanych do wyliczeń.