загрузка...
 
Датчики температури із платини та нікелю
Повернутись до змісту

Датчики температури із платини та нікелю

Серед багатьох методів вимірювання температури найбільше застосування в таких галузях промисловості, як металургійна, хімічна, машинобудівна, нафтопереробна та ін., знайшов метод, який базується на вимірюванні залежності опору від температури (т.зв. термометри опору (ТО)). На даний момент більше як на 90% використовуються дротяні ТО або, як їх ще називають, термоперетворювачі опору.

ТО, які випускаються серійно, класифікуються за матеріалом чутливого елемента: платинові (ТОП), нікелеві (ТОН) і мідні (ТОМ). Відмітимо, що у світовій практиці найбільшого поширення набули перші два типи ТО (хоча в Росії, наприклад, надається перевага мідним порівняно із нікелевими). Вони застосовуються для точного вимірювання температури у діапазоні 73-1123 К (від –200оС до +850оС), де їх опір змінюється згідно із законом

,(3.7)

де R(273) – опір при 273 К; b - ТКО при температурі вимірювання опору.

Як правило, опір при Т=273 К вибирають рівним 100 Ом (такі робочі терморезистори позначаються Pt-100 і Ni-100), хоча використовуються і терморезистори в 500 Ом та 1 кОм.

Оскільки ТКО залежить від температури (для металів b~Т-1), то при використанні рівняння (1.7) необхідно врахувати температурну залежність b(Т) або користуватися   середньою величиною ТКО в інтервалі (273-Т). Зазначимо, що b(0оС)=3,9?10-3 К-1 (Pt) та 5,4?10-3 К-1 (Ni).

Наведемо допустимі відхилення значень опору і температури для резисторів класу А та В:

клас А: ±(0,15 ± 0,002?t)оС;  ±1,0 Ом;

клас В: ±(0,3 ± 0,005?t)оС;  ±1,4 Ом.

Для вимірювання температури терморезистором використовується схема типу моста Уїтстона (рис.3.1). Особливістю схеми є те, що R1= R2, а порівняльний опір Rп може мати змінну величину.

У цьому випадку RТО буде дорівнювати Rп, якщо струм між точками 1 і 2 не протікає. Знаючи RТО і маючи таблицю градуювання (для прикладу в таблиці 3.2 наведені дані для ТО Pt-100), можна з великою точністю визначити температуру, тобто перейти до залежності Т(R). Перевага цього методу вимірювання полягає в тому, що результат не залежить від робочої напруги U0.

Таблиця 3.2 - Градуювання ТО Pt-100 в інтервалі 0-400 оС

t,оС

0

10

20

30

40

50

R,Ом

100,00

103,90

107,79

111,67

115,54

119,40

t,оС

60

70

80

90

100

 

R,Ом

123,24

127,07

130,89

134,70

138,50

 

 

Рисунок 3.1 – Схема вимірювання опору резисторів за допомогою моста Уїтстона

Для технічних вимірювань температури порівняльний опір можна брати постійним, а показники вольтметра (В) прокалібрувати залежно від температури. Оскільки RТО при зміні температури змінюватиме свою величину, то між точками 1 і 2 виникне різниця потенціалів U12, яка буде пов’язана із U0 співвідношенням

.(3.8)

Недоліком схеми на основі моста Уїтстона є те, що вимірювальний струм І має бути дуже малим, щоб не викликати нагрівання ТО, що обумовлюватиме похибку (це похибка самонагрівання) вимірювання температури. Кількісною характеристикою цього процесу є коефіцієнт самонагрівання (КС), який пов’язаний із підведеною потужністю струму (Р=I2RТО) і підвищенням температури (DТ) співвідношенням

,(3.9)

де Т1 і Т2 – температура за відсутності або наявності вимірювального струму І; .

Починаючи з 1980-х років у зарубіжних країнах створюються датчики температури нового покоління на основі плівкових матеріалів (Pt, Ir, Ni). Їх ще називають промисловими термометрами опору. Вони задовольняють більшість вимог, які ставляться до ТО:

низькі експлуатаційні витрати, низька собівартість;

висока стабільність, мала інерційність;

широкий діапазон температур; лінійність залежності R(T);

універсальність конструкції, малі габаритні розміри;

можливість використання двоточкової схеми для градуювання.

Тонкоплівкові датчики складаються із тонкої (0,6 мм) керамічної підкладки, на яку методом катодного ВЧ-розпилення конденсується шар Pt, Ir чи Ni (товщина d~1 мкм), в якому лазером випалюють потрібної форми орнамент і здійснюють підгонку величини опору. Потім термокомпресійним зварюванням під’єднуються контактні виводи (дроти Pt або Ni, покритого шаром Pt) до контактних площин (Au, Ni). ТО захищається шаром із кераміки або скла (на рис. 3.2 зображена схематична будова ТО із плівки Pt).

Відмітимо, що дана конструкція лише типова, і тому відомі її різновиди. Наприклад, замість Au виводів можна використовувати Ir або (Pt-Ir) сплав, замість герметика використовувати скло і т.п.

 

Рисунок 3.2 – Конструкція чутливого елемента ТО із плівки Pt для діапазону температур від –50 до 400оС: 1-Pt, 2-Au, 3-Al (гільза), 4-Al2O3, 5-полі-кор, 6-герметик, 7-кера-міка

Оскільки властивості тонкоплівкових ТО залежать від чистоти плівки, кристалічної будови, а також конструкції чутливого елемента, то у зв’язку з цим були проведені на прикладі Pt терморезистора детальні дослідження впливу технологічних параметрів на властивості. Це дозволило установити основні особливості технологічного процесу:

відношення  але при збільшенні товщини W збільшується і при d>1,7 мкм не залежить від товщини;

ТКО залежить від температури підкладки: при збільшенні Тп до 500оС він збільшується, але при Тп > 500оС ТКО зменшується, що пов’язано із забрудненням плівки залишковими газами;

відпалюванням ТО в середовищі кисню можна досягти максимальної величини W.

Отримані в результаті терморезистори із номінальним значенням опору Rн = 50, 100 або 500 Ом мають ТКО від 3,81?10-3 до 3,81?10-3 К-1 і відхилення від номінального опору 0,05-0,1 %.

ТО на основі плівки Pt випускають такі фірми: Degussa-Hanau (ФРН), Pribor Ltd. (Болгарія), Omega i Honeywell Micro Switch (США) та деякі інші.



загрузка...