1. Датчики температуры из платины и никеля

Для точного измерения температуры в диапазоне от —200 до +850°C чаще всего применяются дат­чики температуры из никеля или платины. Электри­ческое сопротивление металлических проводников из­меняется согласно уравнению R₁ = R₀[1 + α(T₁ – T₀)], где R₀ — сопротивление при 0°С (т.е. при 273 K), R₁ — сопротивление при температуре Т₁, α — температурный коэффициент, равный для платины 3,9*10^-3 К^-1 и для никеля 5,39*10^-3 К^-1.

Рис. 7.1. Допустимые отклонения значений сопротивления и температуры для измерительных резисторов.

Сопротивление при 0°С в большинстве случаев выбирается равным 100 Ом. Такие измерительные ре­зисторы обозначают Рt-100 или Ni-100. Употребительны также стандартно изготовляемые сопротивле­ния в 500 Ом и 1 кОм Допустимые отклонения от этих значений в пересчете на градусы по шкалеЦельсия составляют:

• для класса А: ±(0,15 + 0,002 Т)°С,

• для класса В: ±(0,3 + 0,005 Т)°С,

где температура Т выражена в градусах Цельсия, Эта зависимость графически представлена на рис. 7.1.

Таблица 7.1.

Измеряемая температура°С	Допустимые отклонения
	Класс А		Класс В
	Ом	°С	Ом	°С
-200	±0,24	±0,55	±0,56	±1,3
-100	±0,14	±0,35	±0,32	±0,8
0	±0,06	±0,15	±0,12	±0,3
100	±0,13	±0,35	±0,30	±0,8
200	±0,20	±0,55	±0,48	±1,3
300	±0,27	±0,75	±0,64	±1,8
400	±0,33	±0,95	±0,79	±2,3
500	±0,38	±1,15	±0,93	±2,8
600	±0,43	±1,35	±1,06	±3,3
650	±0,46	±1,45	±1,13	±3,6
700	—	—	±1,17	±3,8
800	—	—	±1,28	±4,3
859	—	—	±1,34	±4,55

В табл. 7.1 приведены допустимые отклонения для различных температур. Отклонения в градусах Цельсия справедливы для всех номиналов сопротив­лений, а отклонения в омах — только для сопротив­лений типа Pt-100. Для других номиналов сопротив­лений значения отклонений в омах следует умножать на коэффициент R₀*10^-2.

Рис. 7.2. Простая измерительная схема (мост Уитстона) для терморезисторов (например, Pt-100).

Для измерения температуры датчик нужно под­ключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное темпе­ратуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона) (рис. 7.2).

Если сопротивление сравнения R_v установить та­ким образом, что измерительный прибор G будет по­казывать отсутствие тока, то оказывается справедли­вым равенство R_v = R_Th, поскольку верхние парал­лельные сопротивления равны между собой. Преиму­щество такого способа измере­ния заключается в независи­мости результатов от напря­жения питания. Для техниче­ских измерений, когда нужно иметь непосредственные пока­зания температуры, сопротив­ление R_v можно принять по­стоянным, а показания измерительного прибора прокалиб­ровать.

В случае измерения напря­жения оно получается равным U_M = U_B [R₁/(R₁ + R₂) – R_v/(R_V + R_Th)].

При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток.

Если же применяется низкоомный амперметр, то между точками 1 и 2 возникает ток короткого замы­кания, определяемый выражением I_K = I_S [R₁ R_Th /(R₁ + R₂) – R₂R_v/(R_V + R_Th)], где I_S — ток питания.

Рис. 7.3. Принципиальная схема прибора для измерения температуры.

Практически применимая схема показана на рис. 7.3. Измерительный ток I_S должен быть очень мал, чтобы не вызывать нагревание резистора R_Th, которое может привести к ошибкам измерения. Эта так называемая погрешность самонагрева зависит от подводимой электрической мощности (P = I²R), величины отводимого тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обу­словленное самонагревом повышение температуры ∆Т можно рассчитать по формуле ∆Т = Т₁ – Т₂ = P/Е_К, где Т₁ и Т₂ — значение температуры при наличии к отсутствии измерительного тока I_S соответственно, Р — подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах – мВт), Е_К — коэффициент самонагрева (мВт/°С).

Обычно величину Е_К как характеристику датчика указывают для измерений в воде и воздухе.

Например, при измерении температуры воздуха датчиком типа W60/24 применена схема, показанная на рис. 7.3. При 0°С имеем R₁ = R₂ = R_v = R_Th= 100 Ом. Коэффициент Е_К для Pt-100 равен 4 мВт/°С. При необходимости измерения с погрешностью не более 0,25°С через датчик должен протекать измерительный ток, равный лишь I = (l мВт/100 Ом)^1/2 ≈ 3 мА.

Следовательно, ток I_S должен быть равен 6 мА, а соответствующее ему добавочное сопротивление R* = 15 В/6 мА – 100 Ом = 2,4 кОм.

Сигналы измерительного моста с помощью мостикового усилителя тока преобразуются в напряжение. При этом сопротивления R₃ и R₄ должны быть выполнены в виде 0,1%-ных металлопленочных рези­сторов. В зависимости от типа датчика R₃ и R₄ и находятся в диапазоне от 1 до 50 кОм. Калибровка из­мерительной схемы осуществляется с помощью потенциометра R₇ во втором, неинвертирующем каскаде усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется сопротивлениями R₅, R₆ и R₇. При R₅ = R₇ = 1 МОм и R₆ = 100 кОм измерительный сигнал можно усилить еще примерно в 10 раз. Рези­стор R₈ и конденсатор С₁ формируют RС-цепочку для фильтрации и демпфирования сигнала. Типичными параметрами являются R₆ = 10 кОм и С₁ = 4,7 мкФ.

Настройка схемы осуществляется следующим об­разом:

1. Определить R* по заданному Е_К.

2. Впаять R* и проверить I_S путем измерения па­дения напряжения на R*.

3. Погрузить датчик температуры R_Tn в ванну с тающим льдом.

4. Регулировочным потенциометром R_v установить напряжение U_A на нуль.

5. Датчик температуры R_Th погрузить в ванну с кипящей водой (Т – 100°С).

6. Регулировочным потенциометром R₇ установить выходное напряжение U_A на 1 В.

Если чувствительность недостаточна, то сопротив­ления R₃ и R₄ следует увеличить. При слишком вы­сокой чувствительности эти сопротивления следует уменьшить.

В качестве R_Th можно применять любые выпу­скаемые промышленностью измерительные резисторы типа Pt-100. Наиболее дешевые датчики типа Pt-100 выпускаются в тонкопленочном исполнении. Они состоят из тонкой (0,6 мм) керамической подложки, на которую методом катодного ВЧ-распыления напы­ляется слой платины толщиной около 2 мкм. В напыленном слое лазером выжигают орнамент в форме меандра и проводят тонкую доводку. Затем методом термокомпрессионной сварки изготовляют контакт­ные выводы.

После этого для защиты активного платинового слоя от повреждений ею еще раз покрывают керами­ческим изолирующим слоем толщиной 10 мкм.