Термопреобразователи сопротивления. Характеристики, расшифровка условного обозначения термопреобразователей сопротивления ТСМ, ТСП, ТСПУ, ТСМУ, Метран.

1. Общие сведения о термопреобразователях сопротивления.

Термопреобразователи сопротивления относятся к числу наиболее распространенных преобразователей температуры, используемых в цепях измерения и регулирования. Термопреобразователи сопротивления выпускаются многими отечественными и зарубежными фирмами, такими как «Термико», «Элемер» (Московск. обл.), «Навигатор», «Термоавтоматика» (Москва), «Тепло- прибор» (г. Владимир и г. Челябинск), Луцкий приборостроительный завод (Украина), Siemens, Jumo (Germany), Honeywell, Foxboro, Rosemount (USA), Yokogawa (Япония) и др.

Термометром сопротивления называется комплект для измерения температуры, включающий термопреобразователь, основанный на зависимости электрического сопротивления от температуры, и вторичный прибор, показывающий значение температуры в зависимости от измеряемого сопротивления. Для измерения температуры термопреобразователь сопротивления необходимо погрузить в контролируемую среду и каким-либо прибором измерить его сопротивление. По известной зависимости между сопротивлением термопреобразователя и температурой можно определить значение температуры. Таким образом, простейший комплект термометра сопротивления (рис. 1, а) состоит из термопреобразователя сопротивления (ТС), вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ЛC) между ними (она может быть двух, трех или четырехпроводной).

Рис. 1. Схемы термометров сопротивления:

а — термопреобразователь с вторичным прибором; б — термопреобразователь с нормирующим преобразователем; ТС — термопреобразователь сопротивления; ВП, ВП1, ВП2 — вторичные приборы; ЛС — линии связи; НП — нормирующий преобразователь; БРТ — блок размножения токового сигнала

В качестве вторичного прибора обычно используются аналоговые или цифровые приборы (например, КСМ-2, РП-160, Технограф, РМТ-39/49), реже — логометры (например, Ш-69001). Шкалы вторичных приборов градуируются в градусах Цельсия.

Широко применяются схемы с нормированием выходного сигнала термопреобразователей (рис. 1, б). В этом случае линией связи термопреобразователь сопротивления соединяется с нормирующим преобразователем НП (например, Ш-9321, ИПМ-0196 и т.п.), имеющим унифицированный выходной сигнал (например, 0...5 или 4...20 мА). Для использования в нескольких измерительных каналах этот сигнал размножается блоком размножения БРТ и затем поступает к нескольким вторичным приборам (ВП-1, ВП-2 и т.п.) или иным потребителям. Очевидно, что в этом случае вторичными приборами должны быть миллиамперметры. Выпускаются преобразователи сопротивления, в головке которых располагается схема нормирования, т.е. их выходным сигналом является ток 0...5, 4...20 мА или цифровой сигнал (интеллектуальные преобразователи). В таком случае необходимость использования нормирующего преобразователя НП в виде отдельного блока отпадает. Термопреобразователи сопротивления с выходным унифицированным сигналом имеют в своем обозначении букву У (например, ТСПУ, ТСМУ). Характеристики этих преобразователей и с цифровым выходным сигналом (Метран-286) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические данные термопреобразователей сопротивления

Для изготовления термопреобразователей сопротивления (ТС) могут использоваться либо чистые металлы, либо полупроводниковые материалы. Электрическое сопротивление чистых металлов увеличивается с ростом температуры (их температурный коэффициент достигает 0,0065 К-1, т.е. сопротивление увеличивается на 0,65% при увеличении температуры на один градус). Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют отрицательный температурный коэффициент (т.е. их сопротивление уменьшается с ростом температуры), доходящий до 0,15 К-1. Полупроводниковые ТС не используются в системах технологического контроля для измерения температуры, так как требуют периодической индивидуальной градуировки. Обычно они используются как индикаторы температуры в схемах компенсации температурной погрешности некоторых средств измерения (например, в схемах кондуктометров).

Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготавливают обычно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри каркаса. Такое изделие называется чувствительным элементом термопреобразователя сопротивления. Для предохранения от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Достоинством металлических ТС является высокая точность измерения температуры (при невысоких температурах выше, чем у термоэлектрических преобразователей), а также взаимозаменяемость. Металлы для чувствительных элементов (ЧЭ) должны отвечать ряду требований, основными из которых являются требования стабильности градуировочной характеристики и воспроизводимости (т.е. возможности массового изготовления ЧЭ с одинаковыми в пределах допускаемой погрешности градуировочными характеристиками). Если хотя бы одно из этих требований не выполняется, материал не может быть использован для изготовления термопреобразователя сопротивления. Желательно также выполнение дополнительных условий: высокий температурный коэффициент электрического сопротивления (что обеспечивает высокую чувствительность — приращение сопротивления на один градус), линейность градуировочной характеристики R(t) = f(t), большое удельное сопротивление, химическая инертность.

По ГОСТ Р50353-92 термопреобразователи сопротивления могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН). Характеристикой ТС является их сопротивление R0 при 0 °С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и класс.

Наличие в металлах примесей уменьшает температурный коэффициент электросопротивления, поэтому металлы для термопреобразователя сопротивления должны иметь нормированную чистоту. Поскольку ТКС может изменяться с изменением температуры, показателем степени чистоты выбрана величина W100 — отношение сопротивлений ТС при 100 и 0 °С. Для ТСП W100 = 1,385 или 1,391, для ТСМ W100 = 1,426 или 1,428. Класс термопреобразователя сопротивления определяет допускаемые отклонения и от номинальных значений, что, в свою очередь, определяет допускаемую абсолютную погрешность Δt преобразования ТС. По допускаемым погрешностям ТС подразделяются на три класса — А, В, С, при этом платиновые ТС обычно выпускаются классов А, В, медные — классов В, С. Существует несколько стандартных разновидностей ТС. Номинальной статической характеристикой (НСХ) термопреобразователя сопротивления  является зависимость его сопротивления R, от температуры t

Rt = f(t)

Условное обозначение их номинальных статических характеристик (НСХ) состоит из двух элементов — цифры, соответствующей значению R0 и буквы, являющейся первой буквой названия материала (П — платина, М — медь, Н — никель). В международном обозначении перед значением R0 расположены латинские обозначения материалов Pt, Cu, Ni. НСХ термопреобразователей сопротивления записывается в виде:

Rt = Wt * R0

где Rt — сопротивление ТС при температуре t, Ом; Wt — значение отношения сопротивлений при температуре t к сопротивлению при 0°С (R0). Значения Wt выбираются из таблиц ГОСТ Р50353-92. Диапазоны применения термопреобразователей сопротивления различных типов и классов, формулы расчета предельных погрешностей и НСХ приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 2

Номинальные статические характеристики термопреобразователей сопротивления