4. Платиновая спираль в стеклянной изоляции.
Некоторые фирмы выпускают ЧЭ из платиновой проволоки, покрытой стеклом. Это обычно довольно дорогие термометры сопротивления. Преимуществом является полная герметизация чувствительного элемента, стойкость к условиям повышенной влажности, недостатком – ограниченный диапазон рабочих температур.
В новом проекте стандарта МЭК 60751 (предполагается введение в мае 2008 г) и в новом ГОСТ Р 8.625-2006 (вводится в России с 1 января 2008) были приняты новые значения предельных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление-температура. В классификацию допусков также были включены пленочные термометры сопротивления.
| Класс допуска | Допуск, °С | Диапазон измерений, °С | |||
| Платиновый ТС, ЧЭ | Медный ТС, ЧЭ | Никелевый ТС, ЧЭ | |||
| проволочный | пленочный | ||||
| АА W 0.1 F 0.1 | ± (0,1+0,0017 | t |) | От -50 до +250 | От -50 до +250 | - | - |
| А W 0.15 F 0.15 | ± (0,15+0,002 | t |) | От -100 до +450 | От -50 до +450 | От -50 до +120 | - |
| В W 0.3 F 0.3 | ± (0,3+0,005 | t |) | От -196 до +660 | От -50 до +600 | От -50 до +200 | - |
| С W 0.6 F 0.6 | ± (0,6+0,01 | t |) | От -196 до +660 | От -50 до +600 | От -180 до +200 | От -60 до +180 |
Самым распространенным в промышленности является класс В. Класс допуска является, прежде всего, показателем точности подгонки ЧЭ под номинальное сопротивление при изготовлении. Стабильность, сопротивление изоляции, нагрев измерительным током и другие параметры, влияющие на точность измерения температуры, могут быть идентичными у термометров разных классов допуска.
Стандарт МЭК и российский стандарт допускает задание производителем специальных допусков для платиновых термометров сопротивления, на основе допуска класса В. Эти допуски гарантируются заводом и составляют обычно 1/3 В или 1/6 В. Однако, как отмечает, например, фирма АМЕТЕК в своем руководстве, эти допуски могут реально означать только приближение термометра к номинальному сопротивлению при 0 °С, при этом зависящая от температуры часть погрешности обычно не изменяется.
Стабильность определяется как изменение сопротивления в какой-либо постоянной температурной точке (чаще всего 0 °С) за определенный период времени. Данные по стабильности не всегда приводятся в каталогах зарубежных фирм. В большинстве случаев они приводятся для проволочных платиновых ЧЭ при нормальных условиях применения, в пределах номинальных рабочих температур и уровня вибрации. Некоторые фирмы считают, что хорошим показателем является стабильность сопротивления 0,05 °С/год. Большинство фирм дает другую оценку - стабильность ТС по их мнению составляет не более 0,1 °С. Однако стабильность может сильно снизится при отклонении от нормальных условий, использовании ТС в среде, подверженной резким колебаниям температуры. Стандартные требования к стабильности ТС и ЧЭ меняются с совершенствованием конструкций и технологии изготовления термометров. После обсуждения в рабочей группе экспертов по температуре, в новый стандарт ГОСТ Р 8.625 (п.6.5) были включены следующие требования:
«…6.5 Стабильность чувствительных элементов и термометров сопротивления
6.5.1 После выдержки ЧЭ при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 1000 ч сопротивление ЧЭ при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса.
6.5.2 После выдержки термометра сопротивления при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур в течение 250 ч сопротивление ТС при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Сопротивление изоляции ТС должно соответствовать требованиям 6.3.
Примечания
1 Время проверки стабильности 250 ч устанавливают только для термометров сопротивления, ЧЭ которых предварительно были испытаны на стабильность в течение 1000 ч.
2 Для ТС, предназначенных для длительного использования без поверки, и для термометров сопротивления, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к стабильности должны быть повышены, время температурной выдержки при верхнем пределе рабочего диапазона температур увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»
Важнейшим показателем надежности конструкции является стабильность сопротивления в процессе термоциклирования. К сожалению, конкретные данные по термоциклированию не приводятся в описании типа и каталогах на импортные ЧЭ и ТС. Чаще всего технические характеристики декларируются соответствующими стандарту МЭК. В ГОСТ Р 8.625 (п.6.6) установлены следующие требования к стабильности ТС при циклическом изменении температуры:
«…6.6 Устойчивость термометров сопротивления к циклическому изменению температуры После 10 циклов изменения температуры термометра сопротивления от верхнего до нижнего предела рабочего диапазона сопротивление при 0 °С должно оставаться в пределах допуска соответствующего класса. Примечание - Для термометров сопротивления, предназначенных для работы в условиях быстроменяющейся температуры и для термометров, устанавливаемых на особо важных объектах, требования к устойчивости к температурным циклам должны быть повышены, число циклов увеличено. Данные требования должны быть установлены техническими документами на ТС конкретных типов.»
Существует большое количество измерительных мостов и потенциометров, работающих в комплекте с термометрами сопротивления. Причем отечественные приборы не уступают, а иногда превосходят по качеству импортные установки. Термометры сопротивления могут подключаться к измерительной установке по двух-, трех-, и четырех-проводной схемам. Причем для ТС классов АА и А двух-проводная схема не допустима, т.к. в данном случае, сопротивление подводящих проводов включается в полное измеренное сопротивление термометра и приводит к значительному снижению точности измерения, даже если номинальное сопротивление выводов приведено в документации и учитывается в расчетах.
Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.
Корпус термометра сопротивления обычно заполняется неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния. Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как только небольшое количество влаги проникает в термометр, происходит эффект шунтирования чувствительного элемента термометра. Проверка сопротивления изоляции ТС – одно из важнейших испытаний при выпуске из производства. Проверка происходит путем измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами при испытательном напряжении от 10 до 50 В. При комнатной температуре сопротивление изоляции должно быть более 100 Ом.
Падение сопротивления изоляции – основная причина снижения точности термометра или даже выхода его из строя. Важное значение для предотвращения этого эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, особенно при работе термометра в условиях повышенной влажности.
Скорость реакции ЧЭ на изменение температуры процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом. Для снижения инерции используются специальные способы точной подгонки размеров корпуса и ЧЭ, специальные изолирующие теплопроводящие материалы.
Примерное время термической реакции для платиновых термометров сопротивления различного диаметра
| Описание ТС | Время термической реакции (63% от полного изменения) |
| ЧЭ | 0,3 – 3 с |
| Диаметр 3,5 мм | 2 – 3 с |
| Диаметр 5,0 мм | 4 – 5 с |
| Диаметр 6,0 мм | 5 – 7 с |
| Диаметр 6,0 мм, монтированный в гильзу | 15 – 20 с |
Необходимо всегда учитывать, что термометр фактически регистрирует температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру среды или объекта в которую он погружен. То, на сколько температура ЧЭ близка к измеряемой температуре объекта зависит от суммарного теплового сопротивления между ЧЭ и объектом. Монтаж термометра в измерительный канал осуществляется, как правило, с помощью прижимающей пружины, канал иногда заполняется теплопроводящим материалом. Если контакт с объектом нарушен, то это может привести к ложным значениям регистрируемой температуры. Для проверки теплового контакта разработаны специальные методики, наиболее распространенная из которых – исследование времени реагирования ТС на импульсный нагрев током.