Термопреобразователь сопротивления: устройство, материалы и схемы

Содержание страницы

1. Физическая природа явления: Почему меняется сопротивление?
2. Требования к материалам чувствительных элементов
3. Материалы термопреобразователей сопротивления: платина, медь, никель
4. Математическая модель: Линейная и реальная характеристики
5. Конструкция и монтаж
6. Схемотехника подключения и методы измерения сопротивления
7. Справочные данные и характеристики (ГОСТ 6651-2009)
8. Преимущества и недостатки термопреобразователей сопротивления
9. Топ-5 частых ошибок при эксплуатации термометров сопротивления (и как их избежать)
10. Интересные факты о термометрии
11. FAQ (Часто задаваемые вопросы)
Заключение

Термопреобразователь сопротивления (международное обозначение RTD — Resistance Temperature Detector) — это высокоточный датчик, используемый для измерения температуры, принцип работы которого базируется на фундаментальном физическом свойстве материалов: изменении электрического сопротивления при нагревании или охлаждении.

Историческая справка: История этих приборов началась в 1871 году, когда сэр Уильям Сименс предложил использовать платину для измерения температуры. Однако из-за несовершенства технологий очистки материала первые модели были нестабильны. Только в 1887 году Хью Лонгборн Каллендар усовершенствовал конструкцию и вывел уравнение, связывающее сопротивление платины с температурой, что открыло эру прецизионной термометрии.

1. Физическая природа явления: Почему меняется сопротивление?

Термопреобразователи сопротивления (ТС) являются основой современной промышленной термометрии в диапазоне от –260 до +750°С. В специализированных лабораторных условиях специальные конструкции способны работать вплоть до 1000°С, однако это требует использования дорогостоящих материалов оболочки и изоляторов.

Рисунок 1 — Влияние тепловых колебаний решетки на движение электронов (рост сопротивления)

Слева — холодное состояние (атомы колеблются слабо, путь электрона прямой). Справа — горячее состояние (атомы колеблются с большой амплитудой, траектория электрона извилистая из-за частых столкновений).

В основе работы лежит зависимость омического сопротивления \( R = f(t) \). Для глубокого понимания процесса обратимся к микрофизике.

Представьте себе коридор (проводник), по которому бегут люди (электроны). Люди, стоящие в коридоре (атомы решетки), начинают активно размахивать руками и двигаться (тепловые колебания) по мере того, как в помещении становится жарче. Бегущим людям становится сложнее пробираться через толпу, они чаще сталкиваются с препятствиями. Это и есть рост электрического сопротивления.

1.1 Поведение различных материалов

Характер изменения сопротивления зависит от типа материала:

Чистые металлы: С ростом температуры амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки увеличивается, что приводит к более частому рассеянию электронов проводимости. Следствие — рост сопротивления. Коэффициент составляет примерно 0,4 %/°C для большинства металлов.
Ферромагнетики (Fe, Ni, Co): Обладают более высоким температурным коэффициентом (около 0,65 %/°C), однако имеют точку Кюри, при переходе через которую их свойства резко меняются, что вызывает гистерезис и нелинейность.
Сплавы: Часто имеют низкий или близкий к нулю температурный коэффициент (например, константан или манганин), поэтому они идеальны для эталонных резисторов, но бесполезны для измерения температуры.
Полупроводники (Термисторы): В отличие от металлов, у них с ростом температуры резко возрастает концентрация носителей заряда (электронов и дырок), что перекрывает эффект рассеяния. Поэтому их сопротивление падает (отрицательный коэффициент).

2. Требования к материалам чувствительных элементов

Не каждый проводник пригоден для создания точного термометра. Материал должен удовлетворять жестким критериям:

Высокий температурный коэффициент сопротивления (ТКС): Чем он выше, тем чувствительнее прибор.
Линейность характеристики: Зависимость \( R(t) \) должна быть максимально близка к прямой линии для упрощения вторичной электроники.
Высокое удельное сопротивление: Позволяет создавать компактные датчики с высоким начальным сопротивлением (что снижает влияние проводов).
Химическая инертность: Металл не должен окисляться или вступать в реакцию со средой при нагреве.
Технологическая воспроизводимость: Возможность получать материал высокой чистоты серийно.

Попадание даже незначительных примесей в металл проволоки может кардинально изменить его калибровочную кривую, сделав датчик непригодным для точных измерений. Именно поэтому платина «пять девяток» (99.999% чистоты) является эталоном.

3. Материалы термопреобразователей сопротивления: платина, медь, никель

3.1 Платина (Pt) — «Золотой стандарт»

Платина является основным материалом для прецизионных термосопротивлений благодаря химической инертности, стабильности и способности работать в широком температурном диапазоне. Её удельное сопротивление составляет
\( \rho = 0,0981 \cdot 10^{-6} \, \text{Ом} \cdot \text{м} \), что обеспечивает удобные для измерений значения сопротивления при комнатных температурах.

Маркировки платиновых датчиков, такие как Pt100 и Pt1000, напрямую указывают на их номинальное сопротивление при температуре 0°C:

Pt100 — элемент имеет сопротивление 100 Ом при 0°C;
Pt1000 — элемент имеет сопротивление 1000 Ом при 0°C.

Значение сопротивления при 0°C является стандартной точкой отсчёта (R₀) и используется для расчёта температурной зависимости в соответствии с международным стандартом IEC 60751. Увеличение номинального сопротивления (например, в Pt1000) уменьшает влияние сопротивления соединительных проводов и позволяет применять двухпроводные схемы без значительного ухудшения точности.

3.2 Медь (Cu) — Дешево и линейно

Медь широко применяется в недорогих датчиках (например, ТСМ) благодаря высокой линейности характеристики в диапазоне –50…+180°С. Однако медь имеет низкое удельное сопротивление, из-за чего для получения номинального сопротивления 100 Ом требуется использовать очень тонкую и длинную проволоку. Кроме того, медь активно окисляется при температурах выше 180°C, что ограничивает область применения медных термосопротивлений.

3.3. Никель (Ni)

Недорогой материал для термосопротивлений, применяемый в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, бытовых и простых технологических установках. Наиболее распространённые номиналы — Ni100 и Ni1000, где число, как и в платиновых датчиках, означает сопротивление элемента при 0°C. Никелевые элементы обладают более высокой чувствительностью (до 6 Ω/°C), что упрощает измерение температуры в недорогих схемах, однако их температурная характеристика менее линейна, чем у платиновых RTD, а рабочий диапазон ограничен примерно –60…+180°C. Кроме того, никель склонен к старению и изменению сопротивления со временем, поэтому его используют там, где не требуется высокая долгосрочная стабильность и прецизионная точность.

Материал	Диапазон	ТКС	Линейность	Типовые области
Pt100	-200…+850°C	0.00385	Высокая	Промышленная автоматизация
Cu100	-50…+180°C	0.00428	Очень высокая	Системы ОВиК
Ni100	-60…+180°C	~0.006	Средняя	Бытовые системы

3.4. Основные группы маркировок элементов

Группа	Маркировки	Что означает
Платиновые RTD	PT50, PT100, PT200, PT500, PT1000, PT2000	Цифра — сопротивление при 0°C (например, PT100 → 100 Ом при 0°C)
Никелевые RTD	Ni100, Ni500, Ni1000	Аналогично: сопротивление при 0°C, но иная температурная характеристика
Медные RTD	Cu50, Cu100, ММТ, ТСМ	Сопротивление при 0°C и российские обозначения по ГОСТ 6651-2009
Российские обозначения	50П, 100П, ТСМ-50, ТСМ-100, ТС-1388	П — «платина»; число — сопротивление при 0°C
Классы и исполнение	A, B, AA, 1/3 DIN, TF (плёночный), WW (намотанный)	Показывают точность и конструкцию чувствительного элемента

Самыми распространёнными чувствительными элементами являются элементы с номиналами 100 Ом и 1000 Ом при 0°C — соответственно, Pt100 (или 100П) и Pt1000 (или 1000П). Эти значения выбраны как стандартные, поскольку обеспечивают оптимальный баланс между чувствительностью, стабильностью и уровнем шума. Именно поэтому в промышленной автоматике, HVAC-оборудовании и измерительных системах чаще всего применяются именно Pt100 и Pt1000, а остальные номиналы (Pt50, Pt200, Pt500, Pt2000) используются значительно реже.

4. Математическая модель: Линейная и реальная характеристики

Любой современный контроллер или термометр преобразует измеренное сопротивление в температуру, используя математические алгоритмы. Глубина этих алгоритмов определяет точность всей системы.

4.1 Линейное приближение (Идеализированная модель)

Для бытовых задач и узких диапазонов (например, контроль температуры воды в системе отопления, 0…100°С) принято считать, что сопротивление растет строго пропорционально нагреву. Эта зависимость описывается простым линейным уравнением:

R_t = R_0 (1 + \alpha \cdot t)

Где:

\( R_t \) — сопротивление при температуре \( t \);
\( R_0 \) — номинальное сопротивление при 0°С (100 Ом для Pt100);
\( \alpha \) (Альфа) — средний температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Что такое коэффициент \( \alpha \)?
Это величина, показывающая, насколько изменяется сопротивление проводника при нагреве на 1°C.

Для стандарта DIN/IEC 60751 (наиболее распространенный): \( \alpha = 0,00385 \, ^\circ\text{C}^{-1} \).
Для чистой «эталонной» меди: \( \alpha = 0,00428 \, ^\circ\text{C}^{-1} \).

4.2 Реальная картина (Анализ графика)

Если бы мы жили в идеальном мире, график зависимости \( R(t) \) был бы прямой линией, уходящей в бесконечность. Однако реальные физические свойства металлов вносят свои коррективы. Взгляните на график ниже:

Рисунок 2 — Сравнение идеальной и реальной характеристики Pt100. Пунктирная линия — расчет по формуле \( R_t = R_0(1+\alpha t) \). Сплошная линия — реальное поведение платины.

Что мы видим на графике?

Зона совпадения (до 150°C): В начале координат сплошная и пунктирная линии практически неразличимы. Здесь линейная формула работает с погрешностью менее 0,5°C.
Зона расхождения (выше 200°C): С ростом температуры «реальная» линия начинает плавно загибаться вниз. Сопротивление растет медленнее, чем предсказывает линейная формула.
Критическая зона (600-850°C): Разрыв становится колоссальным.

Пример ошибки: Если при температуре 850°C мы попытаемся вычислить сопротивление по линейной формуле, мы получим значение около 427 Ом. Реальный же датчик Pt100 выдаст всего 390.48 Ом. Разница в 37 Ом эквивалентна ошибке измерения почти в 100 градусов!

4.3 Точное уравнение (Каллендар-Ван Дюзен)

Чтобы описать этот «загиб» характеристики, математики используют полиномы высоких степеней. Международный стандарт ГОСТ 6651-2009 (IEC 60751) регламентирует уравнение Каллендара-Ван Дюзена.

Диапазон от 0 до 850 °C (Отрицательная квадратичная зависимость):
Здесь формула учитывает замедление роста сопротивления через коэффициент \( B \):

R_t = R_0 (1 + A \cdot t + B \cdot t^2)

Диапазон от -200 до 0 °C (Дополнительная коррекция):
При низких температурах поведение электронов меняется еще сложнее, поэтому добавляется член 4-й степени с коэффициентом \( C \):

R_t = R_0 [1 + A \cdot t + B \cdot t^2 + C \cdot (t — 100) \cdot t^3]

Значения коэффициентов (для \(\alpha = 0,00385\)):
Эти константы «зашиты» в память всех промышленных контроллеров:

\( A = 3,9083 \cdot 10^{-3} \, ^\circ\text{C}^{-1} \) (Отвечает за линейный рост)
\( B = -5,775 \cdot 10^{-7} \, ^\circ\text{C}^{-2} \) (Отвечает за изгиб вниз при нагреве)
\( C = -4,183 \cdot 10^{-12} \, ^\circ\text{C}^{-4} \) (Работает только при отрицательных температурах)

Обратите внимание, что коэффициент \( B \) — отрицательный. Именно он математически описывает тот факт, что реальная кривая на графике (рис. 2) проходит ниже линейной пунктирной линии.

4.4 Практический пример расчета: Как перевести Омы в Градусы

Представим ситуацию: вы находитесь на объекте, контроллер показывает ошибку, и вам нужно проверить исправность датчика Pt100. Вы отключаете его от клемм, берете мультиметр и измеряете сопротивление. Прибор показывает 119.40 Ом. Какая это температура?

Для быстрой оценки «в поле» используем преобразованную линейную формулу:

t = \frac{R_{изм} — R_0}{R_0 \cdot \alpha}

Подставим значения:

\( R_{изм} = 119.40 \) Ом (наше измерение)
\( R_0 = 100 \) Ом (номинал Pt100)
\( \alpha = 0.00385 \) (стандартный коэффициент)

t = \frac{119.40 — 100}{100 \cdot 0.00385} = \frac{19.40}{0.385} \approx 50.39^\circ C

Проверка по таблице из ГОСТ 6651-2009:
Если мы откроем официальную таблицу НСХ (номинальных статических характеристик) для Pt100, то увидим, что сопротивлению 119.40 Ом соответствует температура ровно 50°C.
Вывод: Линейная формула дала погрешность всего 0.39°C. Для экспресс-диагностики этого более чем достаточно. Однако, чем выше температура, тем больше будет погрешность линейного расчета (при 200°C она составит уже около 1.5°C).

Полезное правило «на вскидку»

Для Pt100 запомните простое соотношение:

1°C ≈ 0.385 Ом
Или грубее: 2.5 Ома ≈ 10 градусов.

Если сопротивление изменилось на 4 ома, температура ушла примерно на 10 градусов. Это помогает мгновенно оценивать адекватность показаний без калькулятора.

5. Конструкция и монтаж

5.1. Конструкция чувствительного элемента

Рисунок 3 — Типы чувствительных элементов: а) Проволочный; б) Пленочный

а) Проволочный элемент (Wire-wound): керамический стержень, на который спиралью намотана тонкая платиновая проволока, места сварки выводов закрыты глазурью. Выглядит как катушка.
б) Пленочный элемент (Thin-film): плоская керамическая подложка, на которую методом напыления нанесен змеевик платины (меандр). Выглядит как маленький чип с двумя выводами.

Существует два основных типа исполнения:

1. Проволочные: Классическая конструкция. Стабильны, но подвержены вибрациям.
2. Пленочные: Современный стандарт. Платина напыляется на керамику, затем подгоняется лазером под номинал. Дешевле, компактнее, устойчивее к вибрации, но имеют чуть меньший температурный диапазон.

5.2 Промышленное исполнение (Защитная арматура)

Сам по себе платиновый чувствительный элемент слишком хрупок для прямого контакта со средой. Поэтому в промышленности он помещается в защитный корпус.

Рисунок 4 — Конструкция промышленного датчика в сборе. Показан разрез установки в трубопровод.

Основные элементы конструкции:

Защитная гильза (Чехол): Трубка из нержавеющей стали (например, 12Х18Н10Т), защищающая чувствительный элемент от давления, химии и механических ударов потока. Пространство между элементом и стенками гильзы засыпается керамическим порошком (оксидом магния) для улучшения теплопередачи и вибростойкости.
Клеммная головка (Коммутационная коробка): Защищает контакты подключения кабеля от пыли и влаги (обычно IP54 или IP65). Внутри нее может располагаться керамическая колодка или нормирующий преобразователь (таблетка 4-20 мА).
Монтажная часть (Бобышка/Штуцер): Элемент (чаще всего с резьбой М20х1.5 или G1/2″), позволяющий герметично закрепить датчик на трубе или емкости.

Важно: Глубина погружения должна быть достаточной (обычно 5-10 диаметров гильзы), чтобы теплоотвод через металлический корпус во внешнюю среду (в атмосферу) не занижал показания температуры измеряемой среды.

6. Схемотехника подключения и методы измерения сопротивления

Для получения достоверных данных о температуре недостаточно просто иметь качественный платиновый сенсор. Ключевой задачей вторичного преобразователя (контроллера, модуля ввода) является точное измерение омического сопротивления \( R_x \). Поскольку изменение сопротивления на 1°C для датчика Pt100 составляет всего около 0,385 Ом, любое паразитное сопротивление в цепи может привести к катастрофическим погрешностям.

Примечание: В системах промышленной автоматизации кабель от датчика до шкафа управления может тянуться на сотни метров. Медный провод сечением 0,75 мм² имеет сопротивление около 25 Ом на км. На линии в 100 метров (туда и обратно) набегает около 5 Ом паразитного сопротивления. Для Pt100 это равносильно ошибке измерения в +13°C! Именно поэтому выбор схемы подключения критичен.

Рисунок 5 — Коммутация проводов в клеммной головке датчика термометра сопротивления: 2-х проводная, 3-х проводная и 4-х проводная схемы.

Как видно на Рисунке 5, физическая коммутация внутри клеммной головки различается количеством задействованных проводов. Однако за визуальными отличиями скрывается фундаментальная разница в методах измерения. Чтобы понять, почему в одном случае достаточно перемычки, а в другом требуются отдельные линии, рассмотрим детальные принципиальные схемы (рис. 6, 7 и 8) и математику процесса для каждого варианта.

6.1 Двухпроводная схема измерений (2-wire)

Это простейший и исторически первый способ подключения. Двухпроводная схема использует косвенный метод измерений, основанный на законе Ома. Через измеряемый резистор пропускается калиброванный ток возбуждения \( I_{ex} \), и измеряется падение напряжения \( V_x \).

а) Двухпроводная схема: Источник тока \( I_{ex} \) подключен к резистору \( R_x \). Показаны провода с сопротивлением \( R_{пр} \). Вольтметр измеряет напряжение на клеммах источника.
б) Четырехпроводная схема: Источник тока подключен к \( R_x \) по внешним проводам. Вольтметр подключен к \( R_x \) отдельными внутренними проводами (Sense) непосредственно у резистора. Сопротивления проводов также обозначены как \( R_{пр} \).

Рисунок 6 — Принципиальные схемы измерения сопротивления: а — двухпроводная; б — четырёхпроводная (Кельвина)

Реже применяется методика, когда задаётся калиброванное напряжение \( V_x \) и измеряется ток \( I_{ex} \). Также возможен логометрический метод, когда одновременно измеряются и ток, и напряжение от некалиброванных источников. Однако, в любом случае, расчет сопротивления \( R_x \) производится по базовой формуле:

R_{изм} = \frac{V_x}{I_{ex}} = R_x + 2R_{пр}

Главный недостаток очевиден из формулы: в результат измерения неизбежно включается сопротивление соединительных проводов \( R_{пр} \) (см. рис. 6а). Поскольку сопротивление металлических термопреобразователей сравнительно мало (особенно для Pt100, Pt50, Cu50), погрешность становится недопустимой.

Пример расчета погрешности:
Рассмотрим медный датчик ТСМ50 с \( R_0 = 50 \) Ом. Допустимая погрешность не должна превышать 0,1% (класс точности), что составляет всего 0,05 Ом. Если мы используем стандартный монтажный провод сечением 0,35 мм² (погонное сопротивление \(\approx 0,049\) Ом/м), то суммарная длина пары проводников не должна превышать 0,5 метра. Это делает схему непригодной для удаленных измерений.

Способы компенсации для двухпроводной схемы:

Математическая коррекция: Если сопротивление линии \( R_{пр} \) измерено заранее и считается постоянным, его можно вычесть в настройках контроллера.
Термокомпенсация линии: Сложнее, если температура проводов меняется (например, проложены в горячем цеху). Медь меняет сопротивление на 40% при нагреве на 100°C, что внесет дополнительную «плавающую» ошибку.

Относительную погрешность измерения \( \delta_R \) можно выразить через погрешности измерения напряжения \( \Delta V_x \) и тока \( \Delta I_{ex} \), а также нескомпенсированную часть сопротивления проводов \( \Delta R_{пр} \):

\delta_R = \sqrt{ \left(\frac{\Delta V_x}{V_x}\right)^2 + \left(\frac{\Delta I_{ex}}{I_{ex}}\right)^2 } + \frac{\Delta R_{пр}}{R_x}

В формуле использовано квадратичное суммирование для случайных погрешностей (шумы прибора) и алгебраическое сложение для систематической погрешности проводов. Если \( R_{пр} \) не вычитается, то \( \Delta R_{пр} = 2R_{пр} \), и эта ошибка доминирует.

6.2 Четырёхпроводная схема измерений (4-wire)

Это «золотой стандарт» метрологии, также известный как схема Кельвина. Принцип действия (рис. 6б) основан на разделении цепей на токовые и потенциальные. Напряжение измеряется не на клеммах источника тока, а непосредственно на выводах терморезистора \( R_x \).

Физика процесса:

Ток возбуждения протекает по внешним проводам («Force»). Падение напряжения на проводах \( V = I \cdot R_{пр} \) происходит, но оно не влияет на вольтметр.
Вольтметр имеет огромное входное сопротивление (порядка 10 МОм и выше). Следовательно, ток через внутренние измерительные провода («Sense») практически равен нулю.
Раз нет тока, нет и падения напряжения на измерительных проводах. Вольтметр «видит» чистый потенциал на резисторе \( R_x \).

Методическая погрешность от длины линии здесь полностью отсутствует. Расстояние от модуля ввода до датчика ограничивается только омическим сопротивлением петли (чтобы источнику тока хватило напряжения питания «пробить» линию) и уровнем электромагнитных помех.

6.3 Трёхпроводная схема измерений (3-wire): компромисс между ценой и точностью

В промышленности прокладка четырёхжильного экранированного кабеля стоит дорого. Желание сэкономить на кабельной продукции (25% экономии меди) при сохранении приемлемой точности привело к доминированию трёхпроводной схемы.

а) Схема с двумя источниками тока: К датчику идут три провода. В верхний и средний провод подаются токи от двух источников \( I_{ex1} \) и \( I_{ex2} \). Измеритель напряжения подключен к верхнему и нижнему выводам.
б) Схема с одним источником тока: Ток подается по одному проводу. Второй измеритель напряжения \( V_0 \) измеряет падение на «паразитном» проводе для компенсации.

Рисунок 7 — Реализация трёхпроводной схемы: а — с двумя источниками тока; б — с компенсационным контуром

Существует несколько реализаций этой схемы. Рассмотрим наиболее современную, применяемую в модулях с интегральными АЦП (рис. 7а).

Через провода пропускаются два идентичных тока \( I_{ex1} \) и \( I_{ex2} \). Если предположить идеальные условия, где \( I_{ex1} = I_{ex2} = I_{ex} \), а сопротивления проводов равны \( R_{пр1} = R_{пр2} = R_{пр} \), то напряжение \( V_x \), измеряемое дифференциальным усилителем, составит:

V_{изм} = I_{ex1}(R_x + R_{пр1}) — I_{ex2} R_{пр2}

При подстановке равенства токов и сопротивлений формула упрощается до идеальной:

V_{изм} = I_{ex} \cdot R_x + I_{ex} \cdot R_{пр} — I_{ex} \cdot R_{пр} = I_{ex} \cdot R_x

Падение напряжения на третьем проводе полностью вычитается аппаратно. Однако в реальности существуют технологические разбросы токов \( \Delta I_{ex} \) и разбросы сопротивлений жил кабеля \( \Delta R_{пр} \). Полная формула среднеквадратической погрешности измерения напряжения \( \Delta V_{\Sigma} \) для этой схемы выглядит так:

\Delta V_{\Sigma} \approx \sqrt{ (\Delta V)^2 + 2(R_{пр} \Delta I_{ex})^2 + 2(I_{ex} \Delta R_{пр})^2 }

Важный вывод: Погрешность трёхпроводной схемы зависит не от абсолютного сопротивления проводов, а от их симметрии (равенства \( R_{пр1} = R_{пр2} \)) и идентичности источников тока. Если в кабеле одна жила окислилась или имеет плохой контакт в клеммнике, компенсация нарушится, и возникнет существенная ошибка.

6.4 Мостовая схема (Мост Уитстона)

Исторически значимая схема (рис. 8), которая до эры цифровой электроники была единственным способом точного измерения. Она использует метод сравнения (сличения) с эталоном, а не прямого измерения тока и напряжения.

Классический ромб из четырех резисторов. Левое плечо: \( R_1 \) и \( R_2 \). Правое плечо: \( R_{э} \) (эталон) и \( R_x \) (датчик). В диагонали включен измеритель \( V_0 \) (или гальванометр). Питание \( V_{ex} \) подается в верхнюю и нижнюю вершины ромба. Показано трехпроводное подключение датчика \( R_x \) с учетом \( R_{пр} \).

Рисунок 8 — Классический неуравновешенный мост Уитстона

В состоянии равновесия (когда напряжение в диагонали \( V_0 = 0 \)) справедливо соотношение:

R_x = R_э \cdot \frac{R_2}{R_1}

Ранее для измерений использовались автоматические мосты с следящим приводом (реохордом), которые механически уравновешивали схему. Современные аналого-цифровые преобразователи позволяют отказаться от громоздких мостовых схем в пользу активных схем с источниками тока (как на рис. 7а), так как это экономически эффективнее и надежнее.

Примером современного подхода служит модуль NL-4RTD (и аналогичные промышленные контроллеры), который имеет мультиплексируемую архитектуру. Наличие 6 источников тока и 4 дифференциальных входов позволяет программно конфигурировать прибор для работы с 4-мя датчиками по 2-проводной схеме, 4-мя по 4-проводной или 3-мя по 3-проводной, гибко адаптируясь под задачу.

6.5 Сводная таблица сравнения схем

Параметр	2-проводная	3-проводная	4-проводная
Точность	Низкая (зависит от длины)	Высокая (при симметрии жил)	Эталонная (максимальная)
Стоимость кабеля	Минимальная	Средняя	Высокая
Сложность настройки	Требует калибровки «нуля»	Не требует (автокомпенсация)	Не требует
Применение	Термисторы, Pt1000, короткие трассы	Общепромышленные задачи (90% случаев)	Коммерческий учет тепла, лаборатории

6.6 Источники погрешностей при измерении

При проектировании системы необходимо учитывать комплекс факторов, влияющих на итоговую точность:

Технологический разброс: Отклонение реального \( R_0 \) датчика от номинала. Определяется классом допуска (AA, A, B, C).
Термоэлектрический эффект (ТермоЭДС):
В местах соединения разнородных металлов (например, медный провод и платиновый вывод датчика, или пайка свинцово-оловянным припоем) возникает паразитная ЭДС Зеебека. Её величина может достигать 1…3 мкВ/°С. В прецизионных измерениях это компенсируется сменой полярности измерительного тока.
Саморазогрев датчика:
Протекающий измерительный ток \( I_{ex} \) выделяет тепловую мощность \( P = I^2 R \). Это тепло повышает температуру чувствительного элемента относительно среды.Пример: Ток 5 мА на Pt100 выделяет 2,5 мВт, что в воздухе может завысить показания на 0,5…1°С. Современные приборы используют токи 0,1…0,5 мА.
Шумы и наводки:
Тепловой (джонсоновский) шум резистора и индустриальные наводки (50 Гц) от силовых кабелей. Устраняются экранированием и цифровой фильтрацией.
Динамическая погрешность:
Связана с тепловой инерцией защитной арматуры. Массивный датчик не успевает реагировать на быстрые скачки температуры потока.

7. Справочные данные и характеристики (ГОСТ 6651-2009)

Серийно выпускаемые термопреобразователи имеют унифицированные номинальные статические характеристики (НСХ). Ниже представлена расширенная таблица параметров.

Таблица 1 — Основные характеристики металлических термопреобразователей сопротивления

Тип датчика (НСХ)	Материал	R₀ (Ом) при 0°С	R₁₀₀ (Ом) при 100°С	Отношение W₁₀₀ (R₁₀₀/R₀)	Диапазон измерений, °С	Применение
Pt10 (ТСП 10П)	Платина	10	13,91	1,3910	-260 … +750	Высокотемпературные замеры, редкое исп.
Pt50 (ТСП 50П)	Платина	50	69,56	1,3910	-200 … +650	Устаревающий стандарт
Pt100 (ТСП 100П)	Платина	100	138,50 / 139,10*	1,3850 (DIN) / 1,3910*	-200 … +650 (до 850)	Мировой стандарт
Pt1000	Платина	1000	1385,0	1,3850	-200 … +650	Системы ОВК (HVAC), 2-проводные схемы
Cu50 (ТСМ 50М)	Медь	50	71,40	1,4280	-50 … +180	Электродвигатели, обмотки
Cu100 (ТСМ 100М)	Медь	100	142,80	1,4280	-50 … +180	Недорогие общепром. задачи

* Примечание: В таблице указаны значения для наиболее распространенного стандарта \(\alpha = 0,00385\). Существует также «русская» платина с \(\alpha = 0,00391\), что требует настройки контроллера.

Таблица 2 — Сравнение типов чувствительных элементов

Характеристика	Платина (Pt)	Медь (Cu)	Никель (Ni)
Диапазон температур	Широкий (-200…+850°C)	Узкий (-50…+180°C)	Средний (-60…+180°C)
Линейность	Высокая	Очень высокая	Низкая (криволинейная)
Стабильность	Отличная (эталонная)	Средняя (окисление)	Хорошая
Цена	Высокая	Низкая	Средняя
Чувствительность	Средняя (~0.4 Ом/°C для Pt100)	Средняя	Высокая (~0.6 Ом/°C)

8. Преимущества и недостатки термопреобразователей сопротивления

Преимущества:

Высочайшая точность: Превосходят термопары в диапазоне до 500-600°C.
Стабильность: Показания «не плывут» со временем (дрейф менее 0.1°C в год для качественных сенсоров).
Взаимозаменяемость: Датчик Pt100 одного производителя можно без калибровки заменить на датчик другого.
Стандартный сигнал: Легко обрабатывается большинством контроллеров (ПЛК).

Недостатки:

Эффект саморазогрева: Протекающий измерительный ток нагревает элемент, внося погрешность. Ток измерения не должен превышать 1-2 мА.
Хрупкость: Тонкая платиновая проволока чувствительна к ударам и вибрации (решается пленочными элементами).
Время отклика: Обычно медленнее термопар из-за защитной арматуры.
Ограниченный верхний предел: Не подходят для температур выше 850-1000°C (там царствуют термопары).

9. Топ-5 частых ошибок при эксплуатации термометров сопротивления (и как их избежать)

Даже выбрав дорогой платиновый датчик класса А, можно получить погрешность в несколько градусов из-за ошибок монтажа. Разберем самые распространенные грабли, на которые наступают инженеры КИПиА.

Ошибка №1: «Теплоотвод через арматуру» (Недостаточная глубина погружения)

Самая частая причина заниженных показаний при измерении горячих сред. Если погрузить гильзу в трубу всего на 10–20 мм, то металлическая стенка трубы и сама гильза будут работать как радиатор, вытягивая тепло из чувствительного элемента наружу.

Правило: Глубина погружения должна составлять минимум 5 диаметров защитной арматуры для жидкостей и 10 диаметров для газов (воздуха). Чувствительный элемент должен находиться в ядре потока.

Ошибка №2: Игнорирование сопротивления проводов

Подключение датчика Pt100 к контроллеру по 2-проводной схеме кабелем длиной 50 метров без программной коррекции.
Последствие: Датчик будет показывать температуру на 10–15°C выше реальной.
Решение: Использовать Pt1000 для длинных линий, либо применять 3-х проводную схему подключения, либо устанавливать нормирующий преобразователь (таблетку 4-20 мА) прямо в головку датчика.

Ошибка №3: Петля заземления и экранирование

Подключение экрана кабеля к «земле» с двух сторон: и со стороны датчика (на металлоконструкции), и со стороны шкафа управления.
Последствие: По экрану начинает протекать выравнивающий ток (из-за разности потенциалов земель), который наводит мощные помехи на измерительные жилы. Показания начинают «скакать».
Решение: Экран заземляется строго в одной точке — со стороны приемника сигнала (в шкафу автоматики).

Ошибка №4: Герметичность кабельного ввода

Монтажники часто забывают затянуть сальник (гермоввод) на клеммной головке или заводят кабель сверху вниз без «каплеуловителя».
Последствие: Внутри головки скапливается конденсат. Вода, смешиваясь с пылью, создает паразитную проводимость между клеммами (шунтирует датчик). Сопротивление падает, прибор показывает температуру ниже реальной или уходит в ошибку.

Совет: Всегда формируйте U-образную петлю кабеля перед вводом в датчик, чтобы вода стекала вниз, а не затекала по кабелю внутрь корпуса.

Ошибка №5: Превышение измерительного тока (Саморазогрев)

Попытка измерить сопротивление Pt100 обычным мультиметром на пределе «200 Ом» или использование некачественных модулей ввода.
Последствие: Мультиметры на низких пределах могут выдавать ток 1–5 мА. На маленьком чувствительном элементе выделится тепло \( P = I^2 R \), которое нагреет его на 0.5–2°C выше температуры среды.
Решение: Использовать специализированные калибраторы или убедиться, что измерительный ток в цепи не превышает 0.5…1 мА.

10. Интересные факты о термометрии

Абсолютный ноль (-273,15°C) недостижим на практике, но платиновые термометры сохраняют работоспособность вплоть до температур, близких к гелиевым (около -260°C).
Золото тоже может использоваться как термометр, но из-за своей мягкости и низкого удельного сопротивления оно проигрывает платине в конструкции датчиков, хотя химически оно еще более инертно.
Платина Pt100 стала мировым стандартом де-факто, вытеснив почти все остальные типы из серьезной промышленности.
Человеческое тело имеет температуру около 36.6°C. Сопротивление датчика Pt100 при этой температуре составляет ровно 114.38 Ом.
Ошибка в 1 Ом для датчика Pt100 соответствует ошибке в измерении температуры примерно на 2.5°C. Это подчеркивает важность учета сопротивления проводов.
Каллендар, создатель уравнения для платины, прожил 66 лет, и его формула до сих пор является основой международного стандарта МТШ-90 (Международная температурная шкала).
Керамическая пудра (оксид магния или алюминия) используется внутри корпуса датчика не только для изоляции, но и для защиты тонкой проволоки от вибраций, работая как демпфер.

11. FAQ (Часто задаваемые вопросы)

❓ Вопрос 1: Что выбрать — Pt100 или Pt1000?

Pt100 — это классический промышленный стандарт. Pt1000 имеет сопротивление в 10 раз выше, что делает его менее чувствительным к сопротивлению проводов. Если у вас 2-проводная линия связи и нет возможности проложить 3-й провод, выбирайте Pt1000. Если линия длинная и есть помехи — лучше Pt100 с 3-х или 4-х проводной схемой и нормирующим преобразователем 4-20 мА.

❓ Вопрос 2: Можно ли укоротить защитную гильзу термометра?

Крайне не рекомендуется делать это кустарным способом. Чувствительный элемент находится на кончике (обычно занимает 10-30 мм). Отрезав «лишнее», вы повредите сам сенсор или нарушите герметичность изоляции (оксида магния), что приведет к мгновенному выходу из строя.

❓ Вопрос 3: Чем термосопротивление отличается от термопары?

Термосопротивление меняет свое сопротивление (нужен источник тока), а термопара генерирует напряжение (ЭДС) сама. Термосопротивления точнее и стабильнее до 600°C. Термопары дешевле, прочнее («дубовее») и работают при экстремальных температурах (до 1300-2500°C), но менее точны.

❓ Вопрос 4: Что значит класс допуска А и В?

Это показатель точности. Класс В — стандартный, погрешность при 0°C составляет ±0,3°C. Класс А — прецизионный, погрешность ±0,15°C. Существует также класс AA (1/3 DIN) с точностью ±0,1°C для лабораторных нужд.

❓ Вопрос 5: Как проверить датчик мультиметром?

Отключите датчик от контроллера. Измерьте сопротивление между выводами. При комнатной температуре (20-25°C) исправный Pt100 покажет около 107-110 Ом. Если показывает «обрыв» (бесконечность) или 0 Ом (КЗ) — датчик неисправен. Также проверьте сопротивление между любым выводом и металлическим корпусом — оно должно быть бесконечным (>100 МОм).

Заключение

Термопреобразователи сопротивления являются краеугольным камнем современной автоматизации технологических процессов. Благодаря предсказуемой физике металлов, мы можем с высокой точностью контролировать температурные режимы от криогенных установок до металлургических печей. Понимание нюансов выбора материала (платина против меди), схемы подключения (3-х проводная против 2-х проводной) и конструктивного исполнения позволяет инженерам создавать надежные и долговечные системы измерения, минимизируя погрешности и аварийные ситуации.

Нормативная база

Для профессионального проектирования и эксплуатации необходимо руководствоваться следующими документами:

ГОСТ 6651-2009 «ГСИ. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний». (Основной стандарт в РФ, гармонизирован с IEC 60751).
ГОСТ 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».
IEC 60751 «Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors» (Международный стандарт).

Список литературы

Преображенский В.П. «Теплотехнические измерения и приборы». — М.: Энергия, 1978. (Переиздания).
Фрайден Дж. «Современные датчики. Справочник». — М.: Техносфера, 2005.
Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. «Теплотехнические измерения и приборы». — М.: МЭИ, 2005.
WIKA Handbook. «Electronic Pressure and Temperature Measurement». — WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG.