Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Резистивные элементы бывают разных типов, соответствующих различным стандартам, рассчитанных на различные температурные диапазоны, и доступны с различными размерами и точностями. Но все они функционируют одинаково: каждый имеет заранее заданное значение сопротивления при известной температуре, которое изменяется предсказуемо. Таким образом, измеряя сопротивление элемента, температуру элемента можно определить по таблицам, расчетам или показаниям приборов. Эти резистивные элементы являются сердцем термометров сопротивления. Как правило, незащищенный резистивный элемент слишком хрупкий и чувствительный, чтобы использоваться в своем непосредственном виде, поэтому его необходимо защитить, встроив в термопреобразователь сопротивления (Pt100 или Pt1000).
Изобретение термометра сопротивления стало возможным благодаря открытию того, что проводимость металлов предсказуемо снижается с повышением их температуры. Первый в истории термометр сопротивления был собран из изолированной медной проволоки, батареи и гальванометра в 1860 году. Однако его изобретатель, К.В. Сименс, вскоре обнаружил, что платиновый элемент обеспечивает более точные показания в гораздо более широком диапазоне температур.
Доступные сегодня термометры сопротивления обычно можно разделить на два основных типа, в зависимости от конструкции их термочувствительного элемента. Один тип термосопротивления содержит проволочные элементы, а другой тип содержит тонкопленочные элементы. Каждый тип лучше всего подходит для использования в определенных условиях и приложениях.
В проволочном типе термометра сопротивления чувствительный элемент состоит из небольшой катушки из ультратонкой проволоки (обычно платиновой). Эта проволочная катушка может быть заключена внутри керамической или стеклянной трубки (наиболее распространенная конструкция), или проволока может быть намотана снаружи керамического или стеклянного корпуса. Проволочные чувствительные элементы можно легко превратить в датчики Pt100, установив их внутри металлических трубок или оболочек. Это защищает их от окружающей среды и повышает их долговечность. Они также могут быть установлены в корпуса, изготовленные по индивидуальному заказу.
Проволочные термопреобразователя сопротивления (особенно с внутренней катушкой) являются наиболее точным типом термосопротивления. Датчики со стеклянным сердечником можно легко погружать во многие жидкости, а термометры с керамическим сердечником можно использовать для точного измерения чрезвычайно высоких температур. Однако их производство дороже, чем тонкопленочных типов, что требует квалифицированного труда и передовых сборочных мощностей. Они также, как правило, более чувствительны к вибрации.
Тонкопленочные элементы термопреобразователей сопротивления изготавливаются путем нанесения очень тонкого слоя металла (обычно платины) на керамическую подложку. Металлическая пленка вырезается лазером или травится в схему электрической цепи, которая обеспечивает заданное сопротивление.
Затем подсоединяются выводные провода и наносится тонкое защитное стеклянное покрытие на весь элемент.
Этот тип термосопротивления популярен благодаря своей прочности, надежности и низкой стоимости. Тонкопленочные элементы более устойчивы к повреждениям от ударов или вибрации, чем другие типы. Их плоский профиль обеспечивает гибкость конструкции, позволяя использовать их во многих различных приложениях промышленного контроля и измерительной техники. Также доступны различные варианты сопротивления, допуска, размера и формы.
В этих типах платиновая пленка или пленка из металлостеклянной суспензии наносится или напыляется на небольшую плоскую керамическую подложку, травится с помощью системы лазерной подгонки и герметизируется. Пленочные термометры сопротивления обеспечивают значительное сокращение времени сборки и имеют дополнительное преимущество повышенного сопротивления для заданного размера. Благодаря технологии производства, размер самого устройства невелик, что означает, что оно может быстро реагировать на скачкообразные изменения температуры. Пленочные термопреобразователи в настоящее время менее стабильны, чем их аналоги ручной работы, но они становятся все более популярными из-за их явных преимуществ в размере и себестоимости производства. Эти преимущества должны стать стимулом для будущих исследований, необходимых для повышения стабильности.
Несколько металлов довольно распространены для использования в резистивных элементах, и чистота металла влияет на его характеристики. Платина, безусловно, является самым популярным материалом из-за ее линейной зависимости от температуры. Другими распространенными материалами являются никель и медь, хотя они все чаще заменяются платиновыми элементами.
Все металлы демонстрируют положительное изменение сопротивления при положительном изменении температуры. Это, конечно, является основной функцией датчика термосопротивления. Как мы вскоре увидим, погрешность системы минимизируется, когда номинальное значение сопротивления термометра является большим. Это подразумевает использование металлической проволоки с высоким удельным сопротивлением. Чем ниже удельное сопротивление металла, тем больше материала нам придется использовать. В следующей таблице приведены удельные сопротивления распространенных материалов для термометра сопротивления.
| Металл | Химический символ | Удельное сопротивление (нОм·м) |
|---|---|---|
| Золото | Au | 13.00 |
| Серебро | Ag | 8.8 |
| Медь | Cu | 9.26 |
| Платина | Pt | 59.00 |
| Вольфрам | W | 30.00 |
| Никель | Ni | 36.00 |
Из-за их более низкого удельного сопротивления, золото и серебро редко используются в качестве элементов термометра сопротивления. Вольфрам обладает относительно высоким удельным сопротивлением, но зарезервирован для очень высокотемпературных применений, поскольку он чрезвычайно хрупок и с ним трудно работать. Медь иногда используется в качестве элемента термосопротивления. Ее низкое удельное сопротивление заставляет элемент быть длиннее, чем платиновый элемент, но ее линейность и очень низкая стоимость делают ее экономичной альтернативой. Ее верхний температурный предел составляет всего около 120 °C. Наиболее распространенные термопреобразователи сопротивления изготавливаются из платины, никеля или никелевых сплавов.
Платина является наиболее распространенным материалом, используемым для резистивных элементов в термосопротивлении для промышленного применения, благодаря ее высокой точности, линейной зависимости от температуры, долгосрочной стабильности и превосходной устойчивости к коррозии. Кроме того, платиновые термопреобразователи устойчивы к коррозии и окислению и могут измерять широкий диапазон температур.
Никель также используется в качестве резистивного элемента для термометров сопротивления в промышленном применении. Никелевые термопреобразователи обладают хорошей коррозионной стойкостью и менее дороги, чем платиновые, но никель быстро стареет, и со временем они теряют свою точность.
Медь является популярным материалом, используемым для резистивных элементов в термометрах сопротивления для промышленного применения, благодаря ее превосходной электропроводности, коррозионной стойкости и низкой себестоимости производства. Медь также имеет широкий диапазон температур, в котором она может обеспечивать точные измерения, что делает ее идеальной для различных промышленных применений. Однако медь также подвержена окислению и может стать хрупкой из-за воздействия экстремальных температур. Кроме того, медь является мягким металлом, что делает ее более восприимчивой к повреждениям от вибрации и механических напряжений, что может привести к неточным показаниям.
